光のエネルギーを切り出す（基礎編）
繁政英治

自然科学研究機構分子科学研究所〒4448585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38

E-mail：sigemasa＠ims.ac.jp

矢橋牧名

財 高輝度光科学研究センター
〒6795198 兵庫県佐用郡佐用町光都 111E-mail：yabashi＠spring8.or.jp

1. はじめに1000 で済みますが， 10 keV では 100,000 の分解能が必要であることを意味します。100 eV で分解能100,000だとす

第 2 回，第 3 回では，「光を安全に取り出す。」というると， 1 meV 相当の幅なので，かなり大変そうですが，観点から，放射線遮蔽，インターロックやフロントエンド

さて， 10 keV の場合はどうなのでしょうか

等，安全な利用実験に不可欠な装備装置の仕組みや役割

後まで読んで頂くとその答えが分かります。

本稿を最について説明がなされました。人体への悪影響が懸念されここでは，まず，光とは何かということについてお話しる X 線や g 線の被爆事故を避けることがインターロック

することにしましょう。それは，光の基本的性質と振る舞の最重点課題であることや，余分な光を吸収し，ビームラ

いは，ビームラインで使われている様々な光学素子の働き

イン光学系に必要な光のみを安定に供給しているフロントを理解する礎となるものであり，最も重要であると考える

エンドの重要性がお分かり頂けたと思います。第 4 回かからです。

ら 6 回は，「光のエネルギーを切り出す。」というタイトルで，多くのビームラインでその根幹をなし，ビームライ

2. 光とは何か

ンの外観を特徴付けている「分光器」についての解説になります。最初となる第 4 回では，光のエネルギーを切り

2.1

種類と性質

出すために必要な道具立てとは何か，またそれはどのよう

我々の身の周りは昼夜を問わず光に満ちあふれていまな物理現象に基づいて機能しているのか，その基礎についす。カーテンの隙間から差し込む朝の日差し，燦々と降りて分かり易く説明することを試みます。

注ぐ太陽の光が青い水面に眩しいビーチサイド（恐らく季現在実施されている放射光利用実験では，多くの場合分節はずれでしょうが），赤い照，青い照，目映いばかりの光器を用いて必要なエネルギー幅の光を切り出して利用しネオン街（流川が懐かしい）。一般に光と言えば我々の目ています。利用する光エネルギー E（或いは波長 l）におに見える光，つまり可視光の事を指します。しかし，広いいて，分光器により切り出されるエネルギー幅 DE （波長意味で光とは，電場と磁場が空間的時間的に振動する横幅 Dl ）は，分光器の性能を表す指標の一つです。 E / DE波，いわゆる電磁波であり，その性質は波長（或いは振動（l/Dl）で定義される量を分解能と呼び，この値が大きい

数又はエネルギー）によって特徴付けられます。Fig. 1 にもの程分解能が高い分光器であると言います。例えば，光電磁波を波長や振動数で分類したものを典型的な用途と共を物質に照射して飛び出してくる電子のエネルギーを分析に示しました。我々の目に感じることが出来る可視光は，し，その電子がどのような状態にあったのかを調べる光電ごく狭い領域であることがお分かり頂けるでしょう。通信子分光法について考えてみましょう。この際，入射する光に使われる波長の長い電波も，レントゲン写真に使われるのエネルギー幅は，電子のエネルギー分布に直接反映され波長の短い X 線も，その伝搬速度は光速に等しく，同一ます。つまり，観測される電子のエネルギー分布は，光のの物理法則に従います。Fig. 1 中の黄色で示した部分は，エネルギー幅が加わったものになります。従って，観測し多くの放射光施設で供給可能な放射光の波長領域を示してたい状態に見合った十分に狭いエネルギー幅の光を用いるいます。エネルギーの高い電子を蓄積するほど，つまり規ことが必要になります。具体的には，孤立した分子につい模の大きな施設ほど波長の短い X 線を供給することが出て，光電子分光で振動構造を観測しようと思えば，DE は来ます。さて，同じ物理法則に従うとは言っても， Fig. 1

100 meV 以下が必須です。しかも，ただ分解能が高けれ中の電磁波だけで 20 桁近くの広い範囲に及ぶのですか

ば良いだけではなく，光の強度も十分に高い（観測する装ら，例えば，赤外線と X 線とは全く質的に異なる性質の置にも依りますが，～1010 光子数/秒以上）ことが合わせものとして観測されることは容易に想像できるでしょう。

て求められます。光のエネルギーが 100 eV なら分解能は

光は波動的な振る舞いと粒子的な振る舞いとの両方の性質

放射光 Jan. 2006 Vol.19 No.1 ● 33(C) 2006 The Japanese Society for Synchrotron Radiation ResearchFig. 1

Spectrum of electromagnetic radiation in terms of energy, wavelength, and frequency.

を示すこと（二重性）はよく知られていることですが，後述するように，波長の長いものほど波動的な，逆に短いほど粒子的な性質を利用して観測することが出来ます。
光と物質の相互作用を微視的なスケールで見れば，それは光と原子の相互作用を考えることになります。原子と光の相互作用を正しく取り扱うには，量子電磁力学という厳めしい名前の学問の知識が必要になります。それによれ
ば，原子が光と相互作用する際には，光は粒子として振る舞い，この粒子を光子と呼びます。光子のエネルギーは，波長に反比例（振動数に比例）します。Fig. 1 中の上部に示したエネルギースケールは，光子のエネルギーを表しています。アインシュタインが光の粒子性を仮定して見事に説明した光電効果（金属表面に光を照射すると電子が飛び出す現象）は，材料に依っては可視光でも起こすことが出来ます。波長が短い X 線の光子 1 個のエネルギーは，可視光のそれに比べて 1000 倍以上にもなります。このた

Fig. 2Single slit diŠraction patterns for diŠerent slit widths.

め，適当な検出器を用いれば，一つ二つと計数するのに十分な信号の元になり得るのです。しかし，電波の光子のエ集めて，黒い紙に火を付けるといったことは，正に屈折のネルギーは，可視光の光子に対して 1 億分の 1 程度です

なせる技と言えます。更に，光は，狭い隙間を通り抜けたから，どんな検出器を使っても，電波の光子を数えること

後に，直進しないで広がる性質（回折）があります。回折は出来ません。電波を検知するには，多量の光子が必要にという現象は，防波堤に打ち寄せる波や衝立の裏側に回りなり，結局のところ，多量の光子によって顕在化する波動

込む音波など，どんな波動にも見られますが，波長と同程的な側面を信号として観測するしかないのです。
光には，チリやごみなど細かい粒子，或いは究極的には度の隙間にならないと顕著に表れない性質があります。

Fig. 1 に示したように，可視光の波長範囲はザッと 400 ～原子や分子に衝突すると，周囲に広がる性質（散乱）があ

700 nm 程度ですから，可視光の回折現象を観測するためります。 He Ne レーザーの赤い光が光線として目に見えに用意すべき隙間は mm オーダーと予想されます。従っるのは，空気中のチリやゴミに散乱された赤い光が目に届て，我々の身の回りで顕著な観測例を見つけることは難し

くためですし，晴天時に空が青く見えるのは，大気中の分

いと言えます。実際に光の回折現象を例示するために，平子により太陽からの可視光が散乱された結果です。また，

行光線をスリットで細く切り出す実験を行いました。 Fig.

光には，性質の異なる物質の境界を通過する際に進行方向

2 に結果を示します。ある程度スリットを狭めたところかが曲がる性質（屈折）があります。最も身近な例は，レンら，こちらの意図に反してビームがどんどん広がり始め，ズによる集光でしょうか。太陽光線を虫眼鏡で狭い領域に

しかも両側に縞模様が観測されます。この縞模様は，回折

34 ● 放射光 Jan. 2006 Vol.19 No.1

特別企画 ■ 光のエネルギーを切り出す（基礎編）によりいろいろな方向に進む複数の波が重なって，お互いを強め合ったり，弱め合ったりする干渉と呼ばれる現象の結果現れたものです。回折と干渉については，第 3 章で詳しく説明します。
我々の身の回りで見られる屈折や反射，例えば風呂のお湯の中に入れた自分の指が短く見える現象や，夕日に照らされたビルの窓が眩しいことを説明する際には，二重性という光の本質を考慮する必要はありません。多くの場合，光を光線として取り扱う，幾何光学で十分に説明することが出来ます。しかし，以下のサブセクションでは，敢えて光の波としての性質を強調して，屈折と反射等の光学現象

Fig. 3The visible light spectrum using a prism.

の本質について説明したいと思います。

2.2

屈折と反射

と円形状になっていますから，このような波動を円形波と光のエネルギーを切り出すことを可視光領域で考えるこ呼びます。これを三次元に拡張しましょう。理想的な点かとにします。太陽や電球の光など，いろいろな波長の光がら発せられる光は，全空間に等方的に放射されると考えら混ざったものを白色光と呼びますが，エネルギーを切り出れます。従って，ある時刻において，同一位相の点を繋ぐ

すとは光の波長を選択することであり，可視光の場合にと，その形状（波面）は球面になりますので，これを球面は，何らかの方法で綺麗な虹を作り，その中のある特定の波と呼びます。点光源から出た光の波面は球面ですが，発色を取り出すことに相当します。雨上がりの空に架かった

光点から離れた場所において，発光点からの距離に比べて虹や， CD や DVD の記録面，或いは水溜まりに浮かんだ

小さな空間で見れば，その波面は平面と見なすことが出来オイルなど，普段の暮らしの中でも虹色を目にする機会はます。平面波では，どの位置でも波の進む方向は波面に垂少なくありません。ガラスのプリズムを使って太陽光を虹直に揃っているのですから，平面波が作る光線は平行光線に分ける実験を行った経験がある人もいると思います。こになります。先述の通り，太陽光線は平行光線として取りの実験を最初に行ったのはニュートンだそうですが，彼は扱われますが，これは，地球から太陽までの距離は，我々観測した色の帯をスペクトルと名付けました。現在では，が通常暮らしている空間のサイズに比べて遙かに大きいの光のみならず，波動性と粒子性を併せ持った電子などにつで，平面波で近似しても良いとの考えに基づいています。

いても，エネルギー別の分布をスペクトルと呼んでいまFig. 3 のように，平面波がプリズムの表面にある角度です。 Fig. 3 にプリズムによる白色光のスペクトル分解写真

入射する場面を微視的に考えてみましょう。プリズムの表を示します。光源には車のルームランプを用い，太陽光線

面には無数の原子が整然と並んでいると考えられますが，と同様の平行光線を得るために，スリットとレンズを用い電磁波の波面が原子に到達するとどうなるのでしょうかています。空気中を飛んできた白色光が，大きくその進行

一般に，原子は光の性質には何らの影響も及ぼさずその方方向を変えて，スペクトルに分解している様子が見て取れ

向だけを変える働きをします。これを弾性散乱と呼びまます。これは，光がプリズムに入る時とプリズムから空気す。光が偏光していなければ，原子による弾性散乱光はい中に出るときに屈折することに起因します。光の屈折の仕ろいろな方向に放射されますので，光で照射された物質中方には波長依存性があり（分散），波長の短い光の方が大の個々の原子は，球面電磁波を放射する点光源と見なすこ

きく屈折します。（この分散性がないのが真空です。）まとが出来るのです。Fig. 4 に平面波がプリズムの表面に入た，よく見ると一部の光は境界面で反射されています。屈

射される際の反射波と屈折波が生じる様子を模式的に示し

折の法則，反射の法則としてよく知られるこのような光学ました。入射平面波の波面の一端がプリズムの表面に到達現象は，光が物質に入った時に起こる変化の結果です。こすると，そこに有った原子は直ちに散乱球面波の放射を始れを微視的な視点で捉えれば，物質を構成する原子に光がめます。ところが，プリズムの内部に放射された光の速度

及ぼした効果が巨視的に現れたものと考えることが出来まは，その屈折率の大きさのために，大気中の光速度よりもす。

遅くなります。つまり，放射球面波の広がり方が表面を境

静かな水面に小石を落とした場面を想像して下さい。水に異なったものになります。 Fig. 4 の赤で示した半円は，面に円状の波の輪が次々と広がる様子が脳裏に浮かぶと思ある表面の原子から大気側に放射された球面波を，黄色はいます。同一円上の山（或いは谷）が一定の速度で外側に同じ原子からプリズム内部に放射されたものを表していま広がって行くのですが，このような波の形状が移動する速す。図中には代表的な三つの点についてしか散乱球面波の度を位相速度と言います。ある時刻において，同一円上に波面が描かれていませんが，表面にずらりと並んだ原子にある山の部分は同じ位相にあり，同一位相にある点を繋ぐ

対して次々と平面波の波面が到達し，それらが逐次球面波

放射光 Jan. 2006 Vol.19 No.1 ● 35

と，物質を透過する能力（透過能）が十分に高くなるので，
再び透過型素子が使えるようになります。反射型素子の鏡の場合，光エネルギーに対する表面材料の反射率が問題になります。放射光用の鏡のコート材には金や白金が用いられることが多いですが，これら金属の反射率は光の表面に対する入射角と光エネルギーの両方に依存します。表面に対して垂直に近い角度で入射する直入射配置の場合， 30

eV より低エネルギーの光に対しては10 以上の反射率がありますが，それ以上の光に対しては急激に反射率が低下します。現実問題として，直入射配置が実用になるのは，

40 eV 以下のエネルギー領域です。鏡の表面に近い角度で入射する場合を斜入射配置と呼びますが，この場合でも，Fig. 4

Schematic representation of refraction and re‰ection.

反射率は入射角とエネルギーに依存します。同じエネル
ギーの光なら，なるべく表面スレスレに入射した方が反射率は高くなります。また，同じ入射角ならエネルギーが高い光ほど反射率は低くなります。透過能の高い硬 X 線を反射する鏡の場合，入射光が表面から内部に入らず全て反射する条件で利用されますが，その時の入射角度は表面から 1 度以下になります。このように極端な斜入射配置を採らざるを得ないので， X 線用の鏡は全長の長いものが必要になるのです。回折素子には，主に VUV から軟 X
線領域で用いられる鏡面に周期的な溝を刻んだ回折格子，
主として硬 X 線に用いられる原子が 3 次元的な周期構造を持って配列した完全結晶，更に，広いエネルギー領域で利用可能な，異なる材料を周期的に積層した多層膜がありFig. 5

Variation of
wavelengths.

available

opticalelements

at

diŠerent

ます。

3. 光の干渉と回折の波源になって行きます。これら散乱球面波を足し合わせFig. 2 で示した光の回折という振る舞いは，「光は直進すた結果として，赤い半円の接線を波面とする反射光と，黄る」いう直感的なイメージから外れています。何故そのよ

色い半円の接線を波面とする屈折光になるのです。幾何光

うな振る舞いが観測されたのかについてもう少し調べてみ学では法則として与えられていた反射と屈折という現象ましょう。スクリーンに開けられた幅 a のピンホールに波は，このようにして説明することが出来ます。ここで見て

長 l の平面波が入るという状況を考えます。例えば a ＝ l

きたように，反射も屈折も表面原子の散乱に起因する訳でとして，ピンホールを透過した光（回折光）の振幅を図示

すから，表面の状態，特に平滑度が光学素子の性能を特徴

すると，Fig. 6 のようになります。これは，空間上の各点付ける非常に重要な要素となることがお分かり頂けるでしにおいて，開口内から生じる 2 次的な波動場の振幅を全ょう。

て足し合わせる，という演算（フレネルキルヒホッフのFig. 5 に放射光が主としてカバーするエネルギー領域に回折積分と呼ばれています）を行った結果です。これをみおいて利用される光学素子の種類と，それらが利用可能な

ると，回折光はあたかも球面波のように拡がって，スクエネルギー領域の関係を示しました。可視光に対して透明

リーンの影の部分にもまわりこんでいくのがわかります。

なレンズなどの透過型素子も，凡そ10 eV 以上の紫外光に一般に，回折光の拡がりの角度（発散角） s はおおよそ

対しては不透明です（つまり吸収されてしまいます）。こ

l/a で与えられます。したがって開口が波長に比べて十分のエネルギー領域の光は，空気にさえも容易に吸収されて大きい場合（ a ≫ l ）は回折の影響は僅かですが，この例しまうため，その利用には真空が必須となります。これのように a が小さくなって l に近づくにつれ顕著になりが，真空紫外光（Vacuum Ultra Violet; VUV）と呼ばれます。

る所以です。VUV から軟 X 線にかけての領域の光に対し

先述の通り，回折光に明暗が現れるのは，波動に付随すては透明な物質がありませんので，一般に透過型素子は利る干渉という現象のためです。ここでは，干渉という現象

用できません。しかし，凡そ 4 keV 以上の硬 X 線になるをより明確に示すために，Fig. 6 と同じピンホールを間隔

36 ● 放射光 Jan. 2006 Vol.19 No.1

特別企画 ■ 光のエネルギーを切り出す（基礎編）

Fig. 6

Calculated diŠraction pattern through a single slit. Slit widtha is equal to wavelength l. White lines show wavefronts.

Fig. 7

Calculated diŠraction pattern through double slits. Slit distance d is equal to 4a. White lines show wavefronts.

Fig. 8Calculated diŠraction pattern through quadruple slits.
Wavefronts are not shown.

Fig. 9Calculated diŠraction pattern through quadruple slits.
Wavelength of incident beam is half of that in Fig. 8.

d をおいて 2 つ並べた場合を考えます。この時，ピンホー

この例であげた多重ピンホールからの回折は，本稿の主

ルの後方には Fig. 7 に示すような明暗の縞模様が Fig. 6 よ

題である分光に利用できます。 Fig. 8 の配置において，ちりも明瞭に観察されます。明暗の強度変調は，2 つのピン

ょうど半分の波長の平面波が入射したときの回折光の強度

ホールから来た波の振幅を足し合わせたとき，強め合うか

分布を Fig. 9 に描きました。両者を比べると 0 次光以外の打ち消し合うかに対応しています。ここで，更にピンホー

回折光は位置がずれているのがわかります。したがって，

ルの数を 4 つに増やしてみましょう。すると，Fig. 8 のよスクリーンの位置に回折光の幅と同程度の幅のスリットをうに干渉像は更にシャープになり，特定の方向に強め合い置くことで，一定の波長幅 Dl に入った光のみ取り出すこます。多重ピンホールのせいであらぬ方向に明るい光が進とができます。このとき波長分解能（エネルギー分解能）んでいくわけですが，この現象も一種の回折です。回折光は l/Dl ～mN と表されます。 N は照射領域内のピンホー

はスクリーンの中心（ 0 次光）から遠ざかるにつれ±1 次ルの数で， N が大きいほど分解能が高いことがわかりま光，±2 次光…と番号が振られ，m 次回折光の偏向角を u

す。ここで考察した多重ピンホールの拡張，透過型回折格とすると l ＝ d / m sin u と表されます。この回折光をきれ子を利用した可視光のスペクトル分解を Fig. 10 に示しまいに分離して観測しようとすると， u はある程度大きくした。透過型回折格子とは，光を透過させることを前提とより小さい必要があります。つまり，間隔て，しかも90 °して多重スリットを刻んだものです。スクリーンの真ん中

d と波長 l があまりにかけ離れているとまずいわけで，こにある 0 次光には虹が見られませんが，それ以外の次数

れは実際の回折素子を考える上でとても重要です。

の回折光には虹色が観測されています。従って，そこに適放射光 Jan. 2006 Vol.19 No.1 ● 37

Fig. 10

DiŠraction of visible light by a transmission grating.

当なスリットを置けば，色を切り出せることがお分かり頂
けるでしょう。

Fig. 11

Energy resolution map of optical elements.

 平面波入射｣＋｢◯ 多重ピンホール｣＋
ここでは，「◯ スリット」という系で構成される簡単な「分光器」を｢◯考えてみましたが，このセットの概念は放射光分光器を考

全ての色を違う方向に出射するのに対し，後者はフィル 入射光はきれいえる上でも非常に重要です。すなわち，◯

ターのように特定の波長領域内の光をある角度範囲に出射な波（例えば平面波）とは限らないため，整えるためにします（コラム参照）。したがって，前者は色をより分け

 分光素子で色の違いを角度の「前置光学系」を用いる，◯る後置光学系が必須ですが，後者は必ずしもそうではあり スリット等の「後置光学系」を用いて違いに変換する，◯ません。第三の相違点が分解能です。Fig. 11 に，横軸に光必要な色成分を切り取るという一連の手続きです。これを子エネルギー（波長），縦軸に分解能をとって，回折格子

頭に入れておけば，放射光用分光器の基本構造を理解すると完全結晶のカバーする領域を示しました（一緒にミラーのは難しくありません。ただし，常に全要素が必要というと多層膜も示してあります。それぞれ本シリーズ第 7 回

わけではなく，例えば)入射光がほぼ平面波とみなせる

及び文献 2 を参照して下さい）。分解能は，回折格子で数 ）を省略する場合がある，)分光素
とき前置光学系（◯

十から数万程度に対し，完全結晶は 1 万から 1 億にも達 ）を省略で子として完全結晶を用いた場合後置光学系（◯

します。分解能を決める主因は，前章でみたように照射領

きる，といったヴァリエーションがあります。しかしなが域内にある刻線（格子面）の数です。したがって分解能を の分光素子を抜きにして分光器を構
らいずれの場合も，◯上げるには刻線数を増やす（高密度刻線または斜入射配成することは不可能です。そこで次章では，どのような分置），または回折に寄与する格子面の数を増やす（高次反

光素子がどんな場合に用いられているか概観しましょう。

射または非対称反射）といったことがなされます。しかしながら実際には刻線間隔（格子面間隔）の不均一性によっ

4. 分光素子―回折格子と完全結晶て分解能は頭打ちとなります。回折格子では基板刻線の加工技術が律しているのに対し，完全結晶では高品質の半回折を利用した分光法は，単純な幾何学をベースにして導体結晶成長技術の結果をそのまま利用できるため容易にいるため VUV から X 線に至るまで幅広く適用できるの高分解能化が図れます。しかし，完全結晶では逆に 1 万が特長です。放射光用の分光素子としても，回折格子及びを切るような低分解能を実現するのは難しく，この目的で完全結晶が広く用いられています。前者は基板の上に多数

は主に多層膜が用いられます。第 4 の違いがスループッの溝をきざんだもの，後者は 3 次元の格子点上に規則正トです。これは単色光が入射した場合の出射光強度と入射しく原子を配列させたものです。回折格子と完全結晶は回光強度の比を表しており，典型値としては回折格子の場合

折素子であるという共通点を持ちますが，詳しくみるといは数～数10，完全結晶では数10～100近くとなっ

くつかの点で異なっています。第一の違いは空間スケールています。

です。前者はミクロンからサブミクロンの溝間隔を持つ

いずれにせよ重要なことは，測定対象とする事象にふさ（斜入射の場合実効的な最小溝間隔はナノメートルオー

わしい分解能を選択する，ということです。分解能が足りダー）のに対し，後者はオングストロームオーダーの格子ないと高品位の計測ができないのは勿論ですが，不必要な定数を有します。従って前者は VUV から軟 X 線領域に高分解能は，はるばるやってきた光子の大部分を捨ててし用いられ，後者はより短波長の硬 X 線で用いられます。

まうことになります。例として，光源と分光器のパラメー

第二に幾何学的な違い（表面上の刻線 vs. 3 次元的格子）

タが与えられたときの分光後のフォトンフラックス（単位があげられます。平行白色の光が入射した場合，前者は時間あたりの光子数）を計算してみましょう。光源の強度

38 ● 放射光 Jan. 2006 Vol.19 No.1

特別企画 ■ 光のエネルギーを切り出す（基礎編）

としては「 photons /sec /0.1  b.w. 」という単位がよく使

分光器（ Plane GM; PGM ）などと呼称することがありまわれます。「/ 0.1  b.w. 」というのは，分解能 1000 （＝す。

0.1）の分光器を通したときのフラックスという意味で，
例えば，この値が 1 × 1014 ，分光器の分解能が 10000 ，ス

6. おわりに

ループットが0.8とすると，分光された光の強度は
放射光のエネルギーを切り出すための道具，分光器につ1×1014×1000/10000×0.8＝8×1012 photons/sec

いてその基礎的な事項を中心に解説しました。光の波長の違いが物理的な現象の違いとしてどのような形で分光といと求められます。
実際の放射光分光器は，分解能，スループットに加えてう過程に利用されているのか，その基礎を理解して頂ければ幸いです。引き続き第 5 回，6 回では，結晶分光器を用操作性や安定性も考慮して様々な工夫がなされています。

いたビームラインと回折格子を用いた VUV  SX 用の分

詳しくは第 5 回（硬 X 線），第 6 回（軟 X 線 VUV ）を光器について，実際に使われている分光器の技術的な問題ご覧下さい。

点を含めた具体的な説明がなされることになっています。
放射光を提供する施設としては，光源性能の着実な向上

5. 知って得するビームラインの豆知識を図ると共に，観測装置や分光器を含めたビームライン全体としての性能向上に努めることもまた非常に重要な任務

先ず，光の波長とエネルギーの関係は，現場でよく使わです。そのために多大な努力が払われている現実についてれる単位で覚えておくことをお勧めします。 Fig. 1 にあるも利用者の方々にご理解頂ければ幸甚です。また，これにように，光のエネルギーは eV で表します。波長はナノテ

は，波長再現性や安定性の問題，或いは迷光や散乱光を低クなどのお陰でしょうか，推奨単位系である nm で表現す

減するような非常に地道な努力も含まれます。これらビーることが増えて来ました。が，それでも軟 X 線より短波

ムラインの現状については，後続の章で触れられることで長ではやはり Å がしばしば使われます（ 1 nm ＝ 10 Å ）。

しょう。

eV と Å 単位でエネルギーと波長を表す場合，それぞれを

ここで，第一回の車の例に準って個人的な見解を纏めて掛け算すると約12,000（keV と Å では約12）になります。

みます。通常，車の運転をするのに，トランスミッション

例えば，炭素の K 吸収端は約300 eV ですから40 Å，窒素の細かな仕組みを知っている必要はありません。しかし，の場合は約400 eV なので30 Å，酸素は約500 eV なので24

それを正しく理解していると，車の運転を安全に楽しむこÅ といった具合です。この中でどれか一つでも正確に覚とが出来ます。知っておいて損をする知識はありません。

えておくと良いでしょう。

ミッションのみならず，エンジンやサスペンションなど車次に大事なことは，ビームラインの外観と分光器の種類に関する専門知識を身につけ，更に己の運転技術を向上さの関係でしょうか。硬 X 線を利用するビームラインの場

せようと努力する利用者が一人でも増えることを切に希望

合，分光器も実験ステーションもインターロック付きのハします。そのような利用者には，是非とも世界的なレース

ッチの中にありますので，軟 X 線より低エネルギーの光に参戦して頂きたいと思います。

を扱うビームラインとは直ぐに見分けが付きます。また，

最 近 ， X 線 自 由 電 子 レ ー ザ ー （ FEL: Free Electron

第 5 回で解説されるように，冷却や集光，或いは駆動機

Laser ）を目指した光源開発が世界各地で進められていま構などに違いはあるものの，分光器の種類としては，二枚す35) 。中でも，ドイツの DESY TTF では，既に 30nm の組の完全結晶を利用した二結晶分光器にほぼ限定されま

SASE FEL の発振に成功し，種々の利用実験が行われてす。一方，回折格子分光器の方は，回折格子の面形状や刻

い るそうで す。 SASE と は， Self-Ampliˆed Spontaneous

線の仕方（等間隔か不等間隔か），駆動方式や光学素子のEmission の略 であり ，長い 直線加速 器とア ンジュ レー

幾何学配置などに豊富な自由度があり，非常に多くの分光

ターを用いた電子ビームからのレーザー発振です6)。従っ

器の種類が存在します。反射率の関係から，凡そ40 eV 以て，放射光とはその発生原理が異なります。また，直線加下を直入射領域，それ以上を斜入射領域と呼び，反射型の速器がベースとなりますので，円形加速器をベースとして回折格子を使った分光器もこれに応じて直入射型分光器ときた従来の放射光とは利用形態も大きく異なります。日本

斜入射型分光器とに大別されます。ビームラインが途中ででも，理化学研究所のプロジェクトチームによるプロトタ

激しく折れ曲がり，真空パイプが逆向きに繋がっているよ

イプの建設が行われており5)，利用実験が予定されていまうなら，直入射分光器のビームラインと考えてほぼ間違い

す。SASEFEL 以外に，ERL (Energy Recovery Linac)

ありません。（直角に曲がっているのは赤外のライン）と呼ばれる直線加速器をベースとした光源が提案されてい回折格子の面形状には球面，或いは平面が多く用いられ，

ます7)。これら新しい世代の光源は，4th generation light

どんな形状を用いるかによって球面回折格子分光器（ Ssources (4GLS) と呼ばれています。繰り返し周波数が低pherical Grating Monochromator; SGM）や平面回折格子

く，大強度短パルス，かつコヒーレントな X 線 FEL の

放射光 Jan. 2006 Vol.19 No.1 ● 39

利用では，その特徴を活かして，種々の物質における機能
発現のメカニズムを原子レベルで解明することが期待されています。
今後，皆さんも，いろいろな場面で X 線 FEL の話を見聞きされると思います。計画通りに開発が進めば，あと 5
年前後で利用研究に供されます。「ナノメートルの世界を
フェムト秒で見る」がキーワードのようです。先行する諸外国の X 線 FEL 計画では，例えば，タンパク質単分子の構造解析や，分子の光解離反応などフェムト秒スケールで進行する超高速現象の実時間追跡，或いは強光子場によるクラスターのクーロン爆発など新しいサイエンスの可能性
やそれを実現するための利用ビームラインが提案されています3,8) 。さて，他にどんな新しいサイエンスが飛び出してくるのか，非常に楽しみです。皆さんも自分の研究の発展として，どんな利用研究が考えられるか，ちょっと悩ん
でみませんか

良い提案が出来れば，人類が未だ手にしたことのない究極の光が使えるかもしれませんよ。
これらに白色平行な光が入射した場合の回折条件を考（d )えます。エワルドの作図法によると，回折光は Fig. (c）お願い本シリーズでは，初心者ユーザが陥りやすい誤りやビーの上向き矢印のように与えられます。回折格子の場合，回ムライン担当者の貴重な経験談を募集しております。最終

折光のベクトルの終点は逆格子ロッドの上を連続的に移動

回でご紹介したいと考えております。また，本シリーズにできるため，白色光が入射しても連続的に回折条件を満た関してご意見ご要望がございましたら編集担当（ SPr-

します。つまり回折光は虹のように連続的な色分布を示し

ing-8 JASRI 大橋治彦/ hohashi ＠ spring8.or.jp ， KEK PFます。これに対し，結晶の場合は，特定の波長のみしか回

平野馨一/ keiichi.hirano ＠ kek.jp ）までどうぞお便りくだ

折を起こさず，離散的（ラウエ斑点）になります。分光素

さい。

子として用いた場合，前者は空間的に色をより分けるための後置光学系が必須であるのに対し，後者はそうではあり■コラム

逆空間における分光素子

本文中にあるように，分光素子として回折格子を用いるません。結果としてビームラインのデザインにも大きな違いが生じることになります。

か，或いは結晶かによって取り出せるエネルギー範囲を大別することが出来ます。近年の技術発展に伴って，放射光
業界では分業化が進んでいますが，ビームライン関連では
主にこの分光素子の分類に依っています。つまり， VUV軟 X 線か或いは硬 X 線かと言った具合です。しかしながら，お互いがブラックボックス化するのは良いことではありません。ここでは，共通言語としてエワルドの逆空間を用いて，回折格子と 3 次元結晶の幾何的な違いが分光の機能にどのように影響するのかを考えましょう。まず，Fig. (a ）（ b )にそれぞれ実空間における回折格子結晶のモデルを表します（簡単のために，後者は表面に平行な格子面のみ考えています）。逆空間での表現は，両者をフーリエ変換することによりそれぞれ Fig. (c ）（ d)のように与えられます。回折格子の場合は直線（逆格子ロッド）で構成されるのに対し，結晶の場合は点（逆格子点）から成り立ちます。

40 ● 放射光 Jan. 2006 Vol.19 No.1

参考文献
ここで紹介した光学に関する基礎については次の文献を参考にしました．
1 ) E. Hecht 著（尾崎義治朝倉利光 訳）「ヘクト 光学」及び「ヘクト 光学」（2003年丸善）（1999年培風館）
2) 波岡 武，山下広順偏「X 線結像光学」
次世代光源についての詳細は以下をご参照下さい．
3 ) 米国 http: // www-ssrl.slac.stanford.edu / lcls /，最初に実施
すべき利用研究の提案に関しては，
http: // www.slac.stanford.edu / pubs / slacreports / slac-r-611.
html．
4) 独国http://xfel.desy.de/5) 日本http://www-xfel.spring8.or.jp/
6) 新竹 積放射光 18, No. 1 (2005).
7) 例えば，米国http://erl.chess.cornell.edu/，
英国http://www.4gls.ac.uk/，
日本http://pfwww.kek.jp/outline/pf_future/studyreport1/
index.html
8) http://tesla.desy.de/new_pages/TDR_CD/PartV/xfel.pdf