■第 1 回放射光科学賞受賞研究報告
我が国独自の放射光源技術と世界への貢献
北村英男（理化学研究所・NEOMAX エンジニアリング株式会社）

真空封止アンジュレータ（ IVU ）と低温アンジュレータ（CPMU）

IVU は全てこのネオジム系が採用されている。ネオジム

現代における放射光光源の最前線は，高平均輝度を志向

系はこれ以前に開発されていたサマリウム系磁石を遥かにする究極型蓄積リングUltimate Storage Ring （ USR )1)凌ぐ磁場性能を有する。しかし欠点もある。それは，顕著と，高ピーク輝度を志向する X 線自由電子レーザーな温度依存性である。1 度温度が上がるごとに0.15磁場（ XFEL ）である。何れの場合も高精度のアンジュレータが低くなるのである。しかし，見方を変えればこの欠点はが主たる光源装置に位置づけられており，特に X 線用長所に転ずる。つまり，冷やせば磁場性能が向上するので1.

されたネオジム系永久磁石が採用された。以後，日本製のUSR の場合，一部の例外はあるが，多くは施設コスト低ある。筆者が率いる SPring8 のチームはこれに着目し，減を目指した 3 GeV 級の中型施設型が採用されており，液体窒素温度付近で動作する低温アンジュレータ CPMU

必然的に短周期磁場を特徴とする真空封止アンジュレータのコンセプトを発表し5) ，世界に衝撃を与えた。室温型

InVacuumUndulator（ IVU）やその発展型である低温IVU と比較して実質30高い磁場性能を有する CPMU はアンジュレータCryogenic Permanent Magnet Undulator

USR の最重要光源として位置づけられている。

アンジュレータの放射輝度はこれを設置する蓄積リング（CPMU）の採用が不可欠になっている。
IVU は，筆者が率いる KEKPF のチームによって開発の電子ビームの質（エミッタンス）に依存する。エミッタ

され，1990年，KEKAR に世界最初の IVU（周期長40ンスとは電子ビームの断面サイズと拡がり角の積に相当すmm ，周期数 90）が設置されたのである2)。その後，筆る。つまり，光源施設のエミッタンス値が低いことは，電者は SPring 8 に移り（ 1993 年），施設の基本コンセプト

子ビームが高品質であることであり，高輝度のアンジュとして IVU （周期長 32 mm 前後，周期数 140 前後）レータ放射を得るための条件のひとつである。アンジュを主力 X 線光源に位置づけた3) 。 SPring 8 におけるアンレータを主力光源とする第三世代放射光源では数 nm.rad

ジュレータ建設・開発は 1997 年のコミッショニング以の エ ミ ッ タ ン ス が 設 定 さ れ て い た が ， USR で は 100

来，順調な発展を遂げ，現在では約30台に達する IVU がpm.rad が目標とされるようになった。 X 線 0.1/軟 X 線波稼働している。

長 1 nm に対応する回折限界値がそれぞれ 8/80 pm.rad で

IVU の特長は，磁石ギャップ内に真空ダクトが存在しあるから，USR は回折限界蓄積リングDiŠractionLimit-ないがために，電子ビームを削るまで磁石ギャップを狭く

edRing とも呼ばれる。高輝度アンジュレータ放射光を得できることである。したがって，広い磁石ギャップでは高るためのもう一つの条件はアンジュレータの磁場が高精度い磁場が得られなかった短周期（周期長 30 mm 以下）のであることである。「高精度」とは，アンジュレータ内電アンジュレータでも高い磁場の発生が可能となり，高輝度子の蛇行軌道が整然としていることである。整然さが乱れの短波長域 X 線放射光が得られることになったのであると発生する電磁波の位相に乱れが生じ，輝度が低下する。我が国を発信地とするこの IVU のコンセプトは，先る。この位相の乱れは「位相エラー」と呼ばれており6)，

ず ， フ ラ ン ス ESRF が 取 り 入 れ る こ と に な っ た （ 1996

アンジュレータの周期長が短いほど顕著になってくる。し年）。そして， 1997 年には BNL との共同研究による極短たがって，短周期アンジュレータである IVU や CPMU周期（ 11 mm ） IVU の成功へと続く4) 。僅か 2.7 GeV のでは，位相エラーを如何に低く抑えるかが重要になってく

BNLNSLS において高輝度 X 線（3 次光）の発生に成功る。この報告では，最新 IVU における最重要課題であるというニュースは世界中を駆け巡り，以後，短周期 IVU「低位相エラーアンジュレータ」について言及するものでを主光源とする 3 GeV 級中規模放射光施設が建設されるある。

ことになった。特にスイス SLS は早くから SPring8 と協力関係を樹立し，主力光源として日本製の IVU を採用して い る ほ か ， 米 国 東 海 岸 の BNL ， 西 海 岸 の LBNL や

2.

低位相エラーの真空封止アンジュレータ

位相エラー s を持つアンジュレータにおいて，n 次光のSLAC ，台湾 TPS ，オーストラリア AS ，および最新の理想輝度 Bo に対する劣化した実効輝度 Berr は近似的に次USR コンセプトに基づくスウェーデン MAX IV におい式で与えられる。ても多数の日本製 IVU が稼働している。
KEK で開発した最初の IVU には我が国において発明

Berr＝Bo exp(－n2 s2)

154 ● 放射光 March 2018 Vol.31 No.2
(C) 2018 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光ニュース ■ 第 1 回放射光科学賞受賞研究報告

Fig. 1

Degradation of undulator brilliance due to phase error. `n' denotes harmonic order of undulator radiation.

上式において n は高調波次数であり， s の単位は radian

板面法線と一致しないことが多い。市販の高品位ホーである。 Fig. 1 は，位相エラーによる各高調波輝度の劣化

ル素子でも0.5度程度，普及品では 2～3 度の傾きがあ曲線である。図に示すように，高調波次数が高いほど劣化る。この傾きを考慮しないで較正や磁場測定を実施すが顕著になることがわかる。例えば， s ＝ 5 度の場合，基本波の実効輝度は 99 ， 3 / 5 次光のそれは 93 / 83 となると大きな偽位相エラーが発生する恐れがある。
◯

機械部の脆弱さ（固有位相エラー）る。しかしながら，11/15次光では40/17まで劣化する。

アンジュレータ内には様々な力が発生する。その主たSPring8（8GeV）のような高エネルギー施設では基本波るものが吸引力であるが，ギャップ開閉動作によって～ 5 次光で硬 X 線領域をカバーできるから，実効輝度 80生じる力も無視できない。機械部の精密さが欠けると以上を得るためのアンジュレータは位相エラー 5 度で不要な力が発生し，磁石列ビームに予期せぬ変位が生も許容されるが， 11 ～ 15 次光が必要な 3GeV 級施設ではじるのである。また，アンジュレータの運搬や設置方

2.0 度以下のアンジュレータが必須となる。これが 3GeV法，設置場所（床面）に由来するエラーも警戒すべき級 USR 施設において低位相エラーアンジュレータが要求対象となる。いずれにせよ，脆弱かつ低精度の機械構される理由である。位相エラーをもたらす原因として以下

造は，磁石ギャップエラーを生じさせ，重大な位相エが考えられる。

ラーをもたらすことになる。なお，機械部エラーに由◯

永久磁石ユニットの個体差，装着エラー（磁石位相エ来する位相エラーを固有位相エラーと定義する。

ラー）
永久磁石の残留磁束密度，保磁力，着磁方向，寸法等

 /◯ については，注意深く対処すれば，磁石/偽位相
上記◯のバラツキあるいは磁石列ビームへの装着エラーによ の固有位エラーを 1 度以下に抑えることができるが，◯って位相エラーが生じる。一般にアンジュレータ磁場相エラーを 2 度以下に抑えるのは容易ではない。磁石ギの調整とは，各磁石ユニットの並び方を工夫し，個体ャップエラー Dg がもたらす固有位相エラー sint は定性的差を相殺することによって低位相エラーを得ることでに以下の式で表すことができる7)。

ある。
◯

磁場測定エラー（偽位相エラー）
磁場測定システムに測定エラーがあると低位相エラー

sint＝pkb

K2Lu
f| Dg |
1＋K2/2 l2uへの追い込みが困難となる。つまり，磁石ユニットや機械部に問題がなくても見せかけの位相エラーが発生

上式において， lu はアンジュレータ周期長， Lu はアンジし，磁場調整作業は収束しなくなる。これを偽位相エ

ュレータ長さ， K ＝ 0.934B ( tesla ) lu ( cm )はアンジュレーラーと定義する。測定エラーをもたらす要因は，ホータの偏向定数であり，通常，1 から 2 の範囲に設定される。

ル素子走行システムのエラー，素子較正の失敗，素子

kb は磁石列ビームの撓み形状に依存する量で通常 0.03 ～マウントエラーがある。通常，ホール素子はセラミッ0.07の範囲にある。f は磁気回路設計とギャップに依存すク基板等でモールドされているが，磁場感受方向が基る量で，狭ギャップで4.5，広ギャップで3.0付近の値とな放射光 March 2018 Vol.31 No.2 ● 155Fig. 2

Cryogenic permanent magnet undulator of spring compensation type with a periodic length of 15 mm, 2 m lengthand the minimum gap of 4 mm generating maximum magnetic ˆeld/force of 1.12 T/23 kN at room temperature,
1.32 T/32 kN at liquid nitrogen temperature. This undulator was produced by NEOMAX ENGINEERING Co.
Ltd. for NSRRC, Taiwan.

る。上式に示すように，位相エラーは周期長の自乗に反比位相エラーの評価は行っていないが，バネモジュールの再例して増大する。例えば，Lu＝3 m，K＝2，f＝4.0，kb＝調整により 2 度以下が達成できるものと思われる。

0.05 ， Dg ＝ 10 mm のアンジュレータを想定すると，周期長 30 mm の場合， sint ＝ 1.6 度である。しかし，周期長 153.

mm の短周期アンジュレータでは sint＝6.4度という 3GeV

おわりにな ぜ ， 我 が 国 が 世 界 に 先 駆 け て IVU ば か り で な く

級 USR 施設では許容できない値となってしまう。したがCPMU を考案・実用化できたのかというのが社会科学上って，短周期アンジュレータにおいて sint＜ 2 度であるたの大きな疑問となっている。いずれのアンジュレータも実めにはギャップエラーは 3 mm 以下でなければならない。

現するには高い技術水準が必要であるが，同等以上のレベ固有位相エラーは，機械部動作に由来するギャップエ

ルにある西欧諸国も開発するチャンスは十分にあったはラーと吸引力によるエラーに依存するが，吸引力エラーにず。この疑問に対する回答は以下である。技術の分業化がついては回避する方法がある。その一つは，反撥磁石列を進みすぎると新しいコンセプトを産み出すことが難しくなアンジュレータ磁石列の両側に並べて実質的吸引力を無くる。欧米の加速器科学分野ではこの状況にあり， IVU やす方法，もう一つは，バネを使用する方法であるが，後者CPMU 開発に必要な磁石，真空，低温，機械の全ての技のバネ補償法の方が，適用範囲が広く，かつ，調整が容易術を統合的に把握している個人あるいはチームが存在しなである。

かった。一方，我が国では，特殊な経歴のためにオールラ現在建設中の台湾 NSRRC 向け CPMU は積極的にバネウンダーになってしまった筆者と，彼に協力するチームメ補償法を採用している（Fig. 2）。周期長15 mm の典型的なンバーに加えて，優秀な磁石，機械および真空メーカーが短周期型であるが，調整可能なバネ補償モジュールを 4存在していたのである。前節で述べたように USR コンセ基備えている。アンジュレータ長は 2 m，最小ギャップはプトに基づく新しい放射光施設に対応するには低位相エ4 mm ， 室 温 時 に お け る 最 大 磁 場 / 吸 引 力 は 1.12 T / 23

ラーの IVU ・ CPMU が必要である。これに対応するにkN ，液体窒素温度（ 77 K ）における設計値は 1.32 T / 32

は，構成する全ての技術（磁石，真空，低温，機械）におkN である。強靱な構造を採用しているので，機械部動作いて一層のブラシアップが必要となる。

によるギャップエラーが 1 mm 以下であることが確認され参考文献ている。また，吸引力によるエラーもバネモジュールの微調整により， 2 mm 以下に抑えられているので室温時の位相エラーは 1.7度以下を達成している。ただし，液体窒素温度における磁場測定は未完了であるため，この温度での156 ● 放射光 March 2018 Vol.31 No.2

1)

S. C. Leemann, Å. Andersson et al.: Phys. Rev. ST Accel.
Beams 12, 120701 (2009).
2) S. Yamamoto et al.: Rev. Sci. Instrum. 63, 400 (1992).

放射光ニュース ■ 第 1 回放射光科学賞受賞研究報告

H. Kitamura: J. Synchrotron Radiation 5, 184 (1998).
P. Stefan, T. Tanabe et al.: J. Synchrotron Radiation 5, 417(1998).
5) T. Hara et al.: Phys. Rev. ST Accel. Beams 7, 050702 (2004).
6) R. P. Walker: Phys. Rev. ST Accel. Beams 16, 010704(2013).
7) JC. Huang, H. Kitamura et al.: Phys. Rev. ST Accel. Beams
20, 064801 (2017).
3)
4)● 著者紹介 ●北村英男
理化学研究所 名誉研究員， NEOMAX
株 技術顧問エンジニアリング
Email: kitamura＠spring8.or.jp
専門加速器科学，放射光源［略歴］
1976 年 8 月，京都大学大学院理学研究科物理学第一専攻博士単位取得退学，博士（理学）1976年 9 月～1980年 4 月，東京大学物性研究所助手
1980 年 5 月～ 1985 年 2 月，高エネルギー物理学研究所放射光実験施設助手
1985年 3 月～1990年 3 月，同施設助教授
1990年 4 月～1997年 3 月，同施設教授
1997年 4 月～2008年 3 月，理化学研究所主任研究員
2008 年 4 月～ 2001 年 3 月，理化学研究所 X 線自由電子レーザー計画推進本部・光源研究開発グループリーダー
2011 年 4 月～ 2013 年 3 月，理化学研究所放射光科学総合研究センター・XFEL 研究開発部門上級研究員
2013年 4 月より現職。

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