■第 4 回放射光科学賞受賞研究報告
SPring
8 X 線光学系の開発とコヒーレント X 線光学の開拓
石川哲也（理化学研究所

放射光科学研究センター）

1. はじめに第三世代放射光施設とは，フォトンファクトリーのような第二世代施設が主として蓄積リング偏向電磁石で生成さ日本で X 線領域の放射光が使われ始めたのは， 1983 年

れる放射光を利用するのに対して，加速器直線部に挿入さのフォトンファクトリー稼働時であり，その前年に博士課れた「挿入光源」利用に最適化された放射光施設である8)。

程を修了した筆者は，フォトンファクトリーの立ち上げに挿入光源は，多極交番磁場に電子を通して各周期から出る

参加することになった。そこでは，BL15C および BL14B

放射光を重ね合わせて増強するものであるが，磁場が強くという，当時「精密 X 線光学」と呼ばれたステーション

光の干渉効果がないものをウィグラ，干渉効果をもつもの

担当として，多数の共同研究者に恵まれた15)。フォトンをアンジュレータと呼んでいる。 1980 年代の第二世代放ファクトリーで 5 年 7 か月お世話になり， 1989 年 1 月 1

射光を用いて挿入光源の開発研究が進み，その性能の高さ

日付で，東大工学部物理工学科へ転出した。東大には 7から，挿入光源を主体とした光源が企図されたのだ。第三年 3 か月お世話になり， 1996 年 4 月に理研に移ったが，世代へ向けての動きは，低エネルギーリングから始まっ

東大在籍中から SPring8 には相当関わっており，駒込のた 。 米 国 ・ バ ー ク レ ー の ALS や ド イ ツ ・ ベ ル リ ン の

旧理研跡地にあった大型放射光計画共同チームに足繁く通BESSY II がその魁だったが，台湾 TLS などが後を続いた。しかし，当時のアンジュレータ技術では， X 線を出っていた。
理研に移ったときは，「マイクロ波物理研究室」の主任

そうとすると，高い電子エネルギーの蓄積リングを必要と研究員という立場だった。二代前の主任研究員が霜田光一

し た 。 ヨ ー ロ ッ パ は EU で 6 GeV の ESRF 建 設 を す す先生という由緒正しいレーザーの研究室なのだが，そこのめ，米国は 7 GeV の APS をアルゴンヌ国立研究所に建設主任研究員の椅子だけかりて，放射光の準備を進めていすることになった。そして日本は，世界最高エネルギーのた。このとき理研のメンバーは上坪宏道先生をリーダー

SPring8 を建設することになった9)。

に，加速器の熊谷教孝先生，挿入光源の北村英男先生，利SPring 8 では北村英男先生と山本樹先生が KEK で開用の植木龍夫先生など，濃い先生方が集まっていた。私の発 し た 真 空封 止 型 ア ンジ ュ レ ー タ10) を 標 準 型 ア ンジ ュ

担当として，光源と実験ステーションを繋ぐビームライン

レータとして採用することになり，特別に高エネルギーをの建設統括が与えられ，当時 1998 年とされていた運転開必要とするビームライン以外は，アンジュレータを光源と始に向けて，様々な技術開発を進めることとなった6)。

することにした。結果としてウィグラは BL08W の一本の往時からほぼ四半世紀を経過したが，その間 SPring 8

みとなり，他の挿入光源はすべてアンジュレータとなっの 整 備 に 加 え て ， X 線 自 由 電 子 レ ー ザ ー SACLA の 建

た。アンジュレータ性能を引き出すために低エミッタンス

設，仙台次世代放射光計画，また今後の SPring8II 計画

化された高エネルギー蓄積リングでは，リング径が大きくなどに，多少の貢献はできたのではないかと考えている。

なり，リング接線方向に引いたビームラインがリングから

ここでは， SPring 8 や SACLA の整備の歴史を，限られ十分離れるためには，長い距離を必要とする。結果とした方向からではあるが，振り返ってみたい。

て，小さな光源を遠くからみることになり，空間コヒーレンスの向上が期待されていた。

2. SPring8 の建設に当たって第三世代挿入光源からの X 線を取り扱うことは未経験の 領 域 で あ り ， 先 行 す る ESRF ， APS と 3 Way Wor-

SPring8 は1992年から1089億円と 6 年の歳月を費やし

kshop を行ってお互いの経験を交換した。しかし，最高エて完成した，世界最高電子蓄積エネルギーの第三世代放射

ネルギーの SPring8 には海外の経験を越えた開発項目が

光施設である7)。141 ha の敷地は，兵庫県からの現物出資多数あり，しかも開発要員の数は圧倒的に少なかった。

されたものであるが，国内で地盤の安定したところを探し

ビームラインの建設は 1995 年から始めて， 3 年かけて 10たところ，中国山地の固い岩盤にたどり着いた。兵庫県西本の共用ビームラインを整備する予定だったが，建設途中

部の赤穂郡，佐用郡，揖保郡の三郡境界の近くにある標高で計画を 1 年前倒しすることになり，大急ぎでの開発が379 m の三原栗山という岩山の山裾を削って平らな岩盤基要請された。それに応えるため，ビームラインを標準化す

礎を作り，その上に蓄積リング棟を建設することによっることによって，開発工数を削減するとともに，同一品目て，世界に類をみない安定な加速器施設を構築した。

大量生産によって建設コストを抑制した。さらに，同じも94 ● 放射光 Mar. 2021 Vol.34 No.2
(C) 2021 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光ニュース ■ 第 4 回放射光科学賞受賞研究報告のの複数建設によって建設速度を向上させた11)。

ペースである。

SPring 8 ビームライン建設での最大の課題は，高い空最初の長直線部アンジュレータは BL19 に設置された

間コヒーレンスを試料位置で保存することであり，途中の27 m 真空封止型アンジュレータであり13)ビームラインも光学素子での擾乱をどれだけ抑制できるかであった。特同時に建設された。標準的な Si 111 分光器を通した後でに，結晶光学素子での熱変形の抑制と全反射光学素子での1014の X 線フォトンフラックスが得られ，標準的な 4.5 m

形状精度の向上が大きな問題だったが，まずは結晶光学素

アンジュレータと比較すると約 1 桁大きくなっている。

子の熱変形の問題に対処することとした。偏向電磁石光源

理想的なアンジュレータでの，長さの自乗倍と比べて小さは PF のマルチポールウィグラと同程度以下の熱負荷なの

いのは，電子ビームのエネルギー分散によって干渉性が落で，直接水冷 Si で対処できると判断した。ウィグラは高ちることが一因である。ここで建設された長尺アンジュ

エネルギー X 線のみを使うので，低エネルギー成分をア

レータは後の XFEL での長尺アンジュレータ建設の基礎ブソーバで除去することにした。すると解決すべき問題となった。また大きなフォトンフラックスは，後に非常には，アンジュレータでの熱負荷であり，トータルパワーよ

先駆的な X 線非線形光学研究に利用されることになっりもパワー密度が問題になる。冷却効率の高いピンポスト

た14)。

冷却や，結晶表面上でのビームフットプリントを幾何学的

1 km ビームラインは，標準長（4.5 m）アンジュレータに広げてパワー密度を下げる回転傾斜回折配置等が考案さを備えた，理研ビームライン BL29XU15) を延長して建設れテストが行われたが，最終的には液体窒素での間接冷却

した16) 。 2000 年の 6 月に最初のビームが 1 km エンドスに落ち着いた12)。

テーションに到達したが，アンジュレータのセントラル

ビームラインコンポーネントや光学系の規格化・標準化

コーンが横 30 mm 縦 10 mm 程度に広がっていた。我々がを進めた結果， 1997 年の供用開始時に 10 本のビームライ

最も驚いたのは，ビーム中にベリリウム窓からのスペック

ンの稼働が可能になり， 5 年後の 2002 年には 45 本のビー

ルパターンが観察されたことだ（Fig. 2）。これを見て，将ムラインが稼働することになった。 SPring 8 の全ビーム

来 X 線コヒーレンスが大変なことになる予感がし，またライン数が 62 本なので，最初の 5 年間で 7 割以上が運転

本格的なコヒーレント X 線光源を作らなければと思っ開始したことになる（Fig. 1）。

た。これが後の X 線自由電子レーザー SACLA の建設に繋がっていく。

3. 27 m 長尺アンジュレータと 1 km ビームライン

4. X 線コヒーレンス

先行する ESRF や APS にはない SPring 8 の大きな特受賞記念講演では， X 線コヒーレンスに関連して，（a)徴は，蓄積リングに設けられた 4 箇所の30 m 長直線部と，光学素子開発，（ b )利用研究，（ c )光源開発からいくつか

1 km およ び 300 m の 長尺 ビー ムラ イン 設置 のた めの スのトピックスを選んで紹介した。ここでは，講演で紹介しFig. 1(Color online) Chronological development of SPring
8 beamlines from FY1997 to FY2002.

放射光 Mar. 2021 Vol.34 No.2 ●95

基寛氏にダイヤモンド移相子を用いた磁気研究用ビームラ
イ ン 開 発 を 担 当 し て い た だ き ， BL39XU が 出 来 上 が った22) 。二つ目は，理研の研究室として取り組んだ X 線干渉計研究である。当時 JASRI にいた矢橋牧名氏は，長尺
ア ン ジ ュ レ ー タ ビ ー ム ラ イ ン BL19XLU を 使 い ， 14.4
keV で 0.2 meV 以下のスペクトル幅をもつ超高分解能 X

線分光器を用いて， X 線領域での強度干渉計を世界ではじ め て 構 成 し ， SPring 8 の ビ ー ム サ イ ズ 計 測 を 行 った23,24)。また，玉作賢治氏は，強度相関計測によって干渉条件が分かることを示し，分離型 X 線干渉計への道を拓いた25) 。 20 年前には， X 線を分離型光学素子で干渉させFig. 2(Color online) X
ray speckle pattern from a Be window observed at the 1 km endstation. Field of view: 0.48 mm×0.48
mm, Detector spatial resolution: 480 nm, Xray wavelength:
0.078 nm.

ることは「神業」に近かったが，今では SACLA のフェ
ムト秒パルスを使うと干渉縞は簡単に観察できる26) 。フ
ェムト秒の間には光学素子は殆ど動かないためだ。
SPring8 のビームライン立上げを行っていた 1990年代

後半，欧米では X 線自由電子レーザー建設に向けての動きれなかった話題も出来るだけ加えたいと考えているが，きが始まっていた。21世紀に入ったころに 1 km ビームラ

紙数の制約もあり内容が薄くなりことをお許しいただきた

インでコヒーレント X 線をいち早く扱い，また長尺アンい。まずは大昔の話からINSOR での軟 X 線ホログラフ

ジュレータという自由電子レーザーに不可欠な技術開発を

ィーの最初の試み以来，軟 X 線でのコヒーレンス利用は行った SPring8 には，当時 X 線自由電子レーザー建設計

色々なところで進められてきた。しかし， 1980 年代に，

画 を 進 め て い た ア メ リ カ の SLAC と ド イ ツ の DESY か

硬 X 線でのコヒーレンスといって騒いでいたのはカナダ

ら，経験を紹介してほしいという要請がたびたびあり，アのマーク・サットンの周りと筆者の周りくらいだった。

ンジュレータ開発責任者の北村英男先生と光学系開発責任

マークはスペックルから時間相関分光（レーザーでいうと者 の 筆 者 は た び た び SLAC や DESY に で か け て 議 論 しころのダイナミック光散乱）の方向に進み17) ，一方筆者た。これが，後日の SACLA 建設に繋がっていくのだが，はフォトンファクトリーで全結晶の非対称反射で見掛けのDESY で 開 催 さ れ た そ の よ う な 会 議 に 来 て い た の が ，光源を遠くに持って行くことによって，空間的コヒーレン

Jianwei Miao だ っ た 。 彼 は ， NSLS の VUV リ ン グ で コスを向上させることに努力した18)。

ヒーレント回折イメージング（CDI）の最初の実験を行っ

光学素子開発で特筆すべきは，大阪大学の山内教授のグたが27) ， 分解能を 上げるた め硬 X 線 の光源を 探していループと 20 年以上続けている，超高精度 X 線反射鏡開発

た。最初，APS に行ったが，当時の APS は安定性が良くと，それを応用した微小焦点 X 線集光システム開発であなかったようで，会議中にこちらに寄ってきて SPring 8

ろ う19) 。 大 阪 大学 で 開 発 さ れ た技 術 を ジ ェ イテ ッ ク ・は使えないかと言ってきた。二つ返事で OK といい，硬コーポレーションに移して，この会社が世界中の放射光施X 線で の CDI を進め るこ とに なっ た。 日本 側のパ ート

設や X 線自由電子レーザー施設に，スペックルフリーのナーを後に北大に移った西野吉則氏にお願いした。今でこX 線光学素子を販売している。このミラーは OSAKA ミ

そ CDI は隆盛を極めているが当時はまだ際物扱いだっラーと呼ばれて世界中の先端放射光施設で利用されているた。しかしながら， CDI に関して言うと，一つの分野がが，その完成に導いたことは 1 km ビームラインの大きな

どの よう に育 ってい くか を間近 で見る 良い 機会に なっ成果であろう。 20 年以上の共同研究を通して，沢山の学

た28) 。 コ ヒ ー レ ン ト イ メ ー ジ ン グ は ， そ の 後 Pty-

生さんが SPring8 で研究を行い，また学位を取り巣立っ

chography に進んで行ったが，現在東北大にいる高橋幸生ていった。そのうちの数名は SPring8 に来て，基盤的な氏が OSAKA ミラーを活用した方式を進め，最近ではス役割を担っている。

ペクトロスコピーとの組み合わせも行われている29)。

時間は前後するが， SPring 8 が立ち上がった直後にはSACLA 利用開始後の，コヒーレンス応用研究の発展は様々な X 線光学研究を展開した。これらは，受賞講演時目覚ましいものがあり，それだけでも本稿の 3～4 倍の長に全く触れなかったが，ここでは簡単に紹介したい。一つさになりそうだが，ここでは割愛して，光源開発に移るこはダイヤモンド X 線移相子であり，直線偏光のアンジュとにする。

レータ X 線を円偏光に変換するものである。東大時代に
菊田惺志先生のご指導の下，平野馨一氏の学位論文として5. コヒーレント光源開発

シリコンでの移相子の開発を行い，いくつかの応用研究を行ったが20,21) ， SPring 8 で理研の基礎特研生だった鈴木

96 ● 放射光 Mar. 2021 Vol.34 No.2

DESY や SLAC での X 線自由電子レーザー開発に刺激放射光ニュース ■ 第 4 回放射光科学賞受賞研究報告

Fig. 3(Color online) Schematics of the SACLA accelerator system: Top; from the electron gun to the CSR monitor
downstream of the Bunch Compressor 3 (BC3); Bottom; downstream of the BC3 starting from the de‰ector cavity. The kicker downstream of the main Cband linac swithes the electron beam path to BL2, BL3 and the injection line to SPring8. The relocated test accelerator (SCSS) supplies the electron beam to BL1, which generates
EUVSX FEL.

された北村英男先生と筆者は，真空封止型アンジュレータ

ザ ー 波 長 を 短 く す る こ と が で き る 。 SLAC や DESY でを短周期化することによる低い電子エネルギーでの自発放は，電子ビームエネルギーを上げる道を選んだので，線形

射 自 己 増 幅 （ Self Ampliˆed

Emission:加速器を長くする方向となった。一方，日本では真空封止

SASE）型 X 線自由電子レーザーの実現可能性について検型アンジュレータを使って磁場周期を短くすることによっ討を重ねた。そして 2001 年に理化学研究所の内部資金でて，線形加速器のエネルギーを抑え，全体の長さも短くす

要素技術開発研究を開始し，KEK から新竹積氏を主任研るという逆方向の考え方をとった。

Spontaneous

究員として招聘し， C バンド空洞を利用した線形加速器

こうして出来上がったのが SACLA であり， 2011 年 6と新しい考え方に基づく電子銃やバンチング系に開発をお

月に初発振を観測した33) 。その後 SACLA は様々な分野願いしたところ， 2003 年ごろには基本的な要素技術開発

で利用が進んでいる。電通大の米田先生のグループは X

を 完 了 し ， SASE 型 XFEL に 到 達 す る 見 通 し が 立 っ線非線形光学分野での先駆的な研究を進め34) ，また岡山た30) 。そして 2004年から，原理実証機として 250 MeV の大の沈先生のグループは，光合成タンパク PSII の構造とC バンド線形加速器で極端紫外領域の自由電子レーザーを機能に関する研究を進めた35)。光源自体も，2 色レーザー

整備することとなった。一方で，やはり2004年ごろから，の発振36) や，安定性を高めたシーディング技法の開発37)

2006 年に始まる第三期科学技術基本計画の中に「国家基など，XFEL の発展にとって重要な貢献を果たした。

幹技術」という新しい概念が入り，その候補選定が始めら

2011 年の完成時には， 1 本の XFEL ライン（ BL3 ）のれた。そこに X 線自由電子レーザーを提案したところ採みでの運転であったが，その後線形加速器からの電子ビー用されることとなり， 2005 ～ 2010 年の 5 年間で整備する

ムを振り分けるマグネットを増設して， 2 本目の XFEL

ことになった31)。

（ BL2）も利用可能とし，さらに原理実証機と整備されたSASE の原理は，低エミッタンス電子ビームが長いアン試験加速器を SACLA アンジュレータホールに移設増強

ジュレータを通ると，電子と光の相互作用によって，電子することによって極端紫外から軟 X 線領域での FEL ライ

が光の波長の空間密度変調を受け，アンジュレーター中でン（BL1）を整備して共用に供した。また電子振り分けマ

コヒーレントに振動することによって，コヒーレント光をグネットからは， SPring 8 に向かうビームトランスポー

電子の進行方向に対して放射するというものである32) 。

トも整備され， SACLA 線形加速器を SPring 8 入射器とレーザー波長は，アンジュレータ放射の波長で決まるのして利用する計画が立てられた。これは，将来的な高輝度で，電子エネルギーを上げるか，アンジュレータ磁場周期化された SPring8 に高効率で電子ビームを入射するためを短くする，あるいはそれらの組み合わせによって，レーの低エミッタンス入射器として利用するものであるが，同放射光 Mar. 2021 Vol.34 No.2 ●

97

参考文献
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Fig. 4(Color online) SACLA undulator hall

時に当初の 1 GeV 線形加速器と 8 GeV ブースターシンク
ロトロンによる入射系を不要なものとし，消費電力の低減に繋がるものである。最近の SACLA の概略図を， Fig. 3に示す。また， SACLA アンジュレータホールの写真をFig. 4 に示す。

6. おわりに

7)
8)

9)
10)

筆者が放射光分野に足を踏み入れた時代は，いまから振り返ればまだ分野の揺籃期だったと思われる。それから

11)

40 年を経過し，放射光という学術分野は大きく発展し，一方で相当な変質を遂げた。我々の身の回りで起こる，様々な現象は，突き詰めていくと原子の並び方と，そのまわりの電子の振舞いから理解することが出来るように思わ

12)
13)

れ，放射光はそのような構造と機能を見るために不可欠な光である。いままで，どのように構造を知り，どのように機能を知るかという原理開発や方法開発が積層されてき

14)
15)

て，多くの知識や経験が蓄積されている。
このような知識・経験をさらに進化させることは放射光科学としての一つの進みかたかと思われるが，一方で社会

16)が解決すべき諸問題に今までに蓄積された「智恵」を応用して解決していく方向性も求められる。この場合の放射光
利用者は必ずしも，現時点での放射光コミュニティのメン

17)

バーではない可能性が高いが，そのような新しいメンバー
を躊躇なく組み入れながら発展していくことが，分野にとっては必須だと思われる。

18)
19)

この先数十年後，放射光分野がどのように発展していく
かは，非常に楽しみであるが，その発展を牽引する放射光学会会員諸氏の奮闘を期待する。

20)
21)

謝辞
最後に，様々なご指導・ご薫陶を頂いた，高良和武先

22)生，佐々木泰三先生，上坪宏道先生，菊田惺志先生に感謝
する。
23)
24)

98 ● 放射光 Mar. 2021 Vol.34 No.2

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放射光ニュース ■ 第 4 回放射光科学賞受賞研究報告

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● 著者紹介 ●石川哲也
国立研究開発法人理化学研究所 放射光科学研究センターEmail: ishikawa＠spring8.or.jp
専門 X 線光学
［略歴］
本 文 中 に 記 載 の 通 り 。 SPIE Fellow,
OSA Fellow．2012年紫綬褒章受章。

放射光 Mar. 2021 Vol.34 No.2 ●99