PHOTON FACTORY

大学共同利用機関法人

高エネルギー加速器研究機構
放射光科学研究施設「フォトンファクトリー (Photon Factory, PF) 」は，大学共同利用機関法人・高エネルギー加速器研究機構(KEK)のつくばキャンパスにある放射光施設である。1982年に放射光発生に成功してから数度の大きな改造を経て輝度や安定性を向上させている2.5-GeV PFリング，および常時シングルバンチ運転というユニークな高エネルギー・大強度パルス光源のPF-AR (6.5GeV) という，特徴ある２つの放射光専用の光源加速器を有し，合わせて5eV～100keVという幅広いエネルギー領域の光を利用できる。大学共同利用機関であるKEKでは，全国の大学・研究機関の研究者による放射光利用研究を推進しており，毎年1000件近くの実験課題が実施され，約3500人の研究者が利用研究を行っている。共同利用の他，企業等の研究者が利用できるさまざまなプログラムも用意されている。

Parameters of Storage Rings

NW12A

NW10A

NW14A

NE3A

QC 1QC 6PF-AR

27A
27B

1A

NE1A
QC 728B
28A

NW2A

NE5C
NE7A

(6.5GeV)

27A

2B
2A

3B

3C

RF

4A

U#28

B06

B25

PF (2.5GeV)

B08

6A

5A

B27
B26

B07

B09
B106C

B24

B22
B21
B20

B12
U#19

B13

8B

B14

B15

U#16

B16

B17

AR-NE3A

タンパク質 結 晶 構 造 解 析（ 創 薬 研 究 ）AR-NE5C

高 温 高 圧 X線 回 折

AR-NE7A

医 学 応用/ 高 温 高 圧 X線 回 折

AR-NW2A

時 分 割 XA FS / X線 回 折

AR-NW10AXA FS

AR-NW12A

タンパク質 結 晶 構 造 解 析

AR-NW14A

時 分 割 X線 回 折11D

11B

12C

14A
13A

タンパク質 結 晶 構 造 解 析BL-2A

固 体 表 面・界 面 光 電 子 分 光

BL-3A

16A
15A2

14B

11A

BL-1A
2C

15A1

PF-AREnergy

2.5 GeV

6.5 GeVCircumference

187 m

377 m

Initial current

450 mA (top-up)

60 mA

Emittance

34.6 nm rad

293 nm rad

Beam size

0.7 - 2.0 mm (H)0.04 - 0.13 mm (V)

2.3 - 2.9 mm (H)0.29 - 0.46 mm (V)Insertion devices

115Stations

39

8

Number of bunches

280

118B

RF9A

10C

高 温 高 圧 X線 回 折

17A

B18

U#17

U#14

10A

9C18C

AR-NE1A

B19
U#13

8A

20A
20B

B23

B117C

◎

B01
U#01B28

B05

4B2

7A

U#2

B04

3A

4C

B02
B03 U#03

PF Ring

角度分解光電子分光

3C

Ｘ線光 学 素 子 評 価 /白色 磁 気 回 折
高 分 解 能 粉 末Ｘ線 回 折

４C

構 造 物 性：Ｘ線 回 折

BL-5A

タンパク質 結 晶 構 造 解 析

BL-6A

X線 小角散 乱

6C

X線 回 折・散 乱

7C

Ｘ線回折実験ステーション
Ｘ線分光実験・蛍光Ｘ線分析ステーション
生命科学・ソフトマター・医学応用ステーション

軟 X線 XA FS , XP S【 東 大スペクトル】
異 常 散 乱・汎用ステーション

BL-8A

多重極限条件下精密構造解析

8B

極 限 条 件 下 X線 回 折・構 造 解 析

BL-9A

XA FS

9CXA FS

BL-10AX線 回 折10C

軟 X線 分 光

11B

表 面 E XA FS・軟 X 線 分 光

11D

軟 X線 光 学 素 子 評 価BL-12C

XA FS

BL-13A/B

表 面 化 学 研 究用光 電 子 分 光

BL-14A単 結 晶 結 晶 構 造 解 析 /検出器 開 発

蛍 光 X線 分 析・マイクロビーム

4B2

BL-7A

極紫外線・軟Ｘ線分光実験ステーション

構 造 物 性：Ｘ線 回 折・磁 場中Ｘ線 回 折

3B
BL-4A

14C

機能性材料解析

BL-11A

14B

精 密 X線 回 折

14C

医 学 応用・X線 汎用ステーション

BL-15A1
15A2

セミマイクロビームX A F S
高 輝 度 X線 小角散 乱

BL-16A可 変 偏 光 軟Ｘ線 分 光

BL-17A

タンパク質 構 造 解 析

BL-18B

X線 汎用ステーション【インドD ST 】

18C
BL-20A
20B
BL-27A

超高圧下粉末X線回折
極紫外線分光X線トポグラフィ/X 線 回 折
放 射 線 生 物・軟 X 線 分 光（ R I・核 燃 ）27B

放 射 線 生 物・X A F S（ R I・核 燃 ）BL-28A/B

高 分 解 能角度 分 解 光 電 子 分 光

X線 小角散 乱（ 溶 液 ）フォトンファクトリーの利用

国立大学
・大学共同利用機関
公立大学
私立大学
独立行政法人財団法人・他省庁等

トライアル
ユース
共同研究

産業利用

・放射光利用を始めようとする産業界を支援するための制度で，フィージビリティース
タディーの段階の課題を最長２年まで無償利用可能。
・さらに実験を継続する場合は有償利用に移行していただく。
・専任のスタッフによる技術相談や実験・解析の支援を受けることができる。

施設利用

・民間企業等の研究者とKEKの職員が共通の課題について共同で取り組むことにより，優れた研究成果を出すことを促進する制度。
・共同研究員費（１名あたり6ヶ月以内21万円，6ヶ月を超えて１年以内42万円）および研究費を負担していただく。
・施設の有償利用。成果を非公表とすることができる。
標準性能ビームライン：27,300円／時間
高性能ビームライン（アンジュレーター等）：53,550円／時間

1000!
900!

実験課題数!
共同利用者数!

800!

3000!
2500!

700!
600!

2000!

500!

1500!

400!
300!

1000!

200!

Photon Factory 利用相談窓口
pfexconsult@pﬁqst.kek.jp

3500!

500!

100!
0!

（上）PFを共同利用している機関（平成24年度，日本国内のみ，企業は含まない）

共同利用者数（人）

優先利用

・国又は国が所管する独立行政法人その他これに準ずる機関が推進するプロジェクトにより採択された研究課題の実施のために施設を優先的に利用する制度。
・所定の施設使用料を支払っていただく。
標準性能ビームライン：12,600円／時間
高性能ビームライン（アンジュレーター等）：25,200円／時間
・現在，元素戦略プロジェクトの電子材料領域（東工大拠点）と磁性材料研究拠点が優先利用を実施している。

実験課題数（件）

共同利用

学術利用・大学，国公立研究所等の非営利目的の研究者が利用する一般的な利用方法で，利用申請後に放射光共同利用実験審査委員会(PF-PAC)で採否を審査する。採択された課題は無償で実験ができる。
・一般型（G型），初心者・予備実験型（P型），緊急型（U型），特別型（S1, S2型），大学院生奨励課題（T型）のカテゴリーがある。

1990! 1992! 1994! 1996! 1998! 2000! 2002! 2004! 2006! 2008! 2010! 2012!

年度

0!

（左）PFの共同利用実験課題数および共同利用者数。

PHOTON FACTORY

大学共同利用機関法人

高エネルギー加速器研究機構
放射光科学研究施設

BL-2A:広エネルギー帯域ビームライン
BL-2はPFの創設時から，アンジュレーターによる高輝度の軟Ｘ線を使用できるビームラインとして，多くの研究分野に利用されてきたが，現在，株式会社日立製作所との共同研究により，アップグレードが行われている。2005年に行われたPFの直線部増強改造によって9mに延伸された長直線部を最大限に活かし，VUV領域用とSX領域用の２台のアンジュレーターをタンデム設置し，完成後は30-4000eVという広いエネルギー領域にわたって高エネルギー分解能・高フラックスを実現できる。このため，軽元素から希土類まで，幅広い元素の元素選択的な分光実験が可能になり，リチウムイオン電池などのエネルギー変換材料や，ユビキタス元素による機能性材料などの研究が展開される。
2013年春からビームラインを一新し，秋から250eVより高エネルギー領域の立ち上げを行っている。2014年春に低エネ
ルギー領域用のアンジュレーターを設置し，全領域にわたるビームの立ち上げ・調整が行われる予定である。BL-2Aには高分解能角度分解光電子分光装置とレーザーMBE複合装置が設置され，酸化物ヘテロ構造の電子状態をその場で解析できる。BL-2Bは二結晶分光器を組み込み，アンジュレーターの高次光モードにより4000eVまでのエネルギー領域の利用が可能になる。上流には日立製作所の分析装置が設置され，下流側はフリーポートとして発光分光等のユーザー持ち込み装置に対応する。

BL-2全景。
高分解能角度分解光電子分光装置。

強相関電子を二次元空間に閉じ込めることに成功
吉松 公平，尾嶋 正治（東大），組頭 広志(KEK-PF) 他

レーザー分子線エピタキシー(MBE)によって，伝導性を持つ強相関酸化物のひとつであるSrVO3の量子井戸構造を作成することで，二次元的な層状構造を人工的に作り出すことに世界で初めて成功した。角度分解光電子分光法により，強相関電子が量子井戸に閉じ込められていることが確認された。この人工構造は，伝導層の厚みを自由自在に制御できる特徴を持つため，これにより強相関電子を自由に制御することが可能となることが期待される。 （実験はBL-28で実施）

In-situ光電子分光＋レーザーMBE複合装置。任意の酸化物ヘテロ構造を作製し、界面で発現する異常量子相（電荷・スピン・軌道状態）の観測と制御を行う。

K. Yoshimatsu et al., Science, 333, 319-322 (2011).

光学系の立ち上げ作業。

BL-8A:極限条件下精密構造解析ビームライン

BL-9A:XAFSビームライン

BL-8Aは主に強相関電子系の構造物性研究を推進するために建設されたビームラインでBL-9AはXAFS (X-ray absorption ﬁne structure) 実験専用のビームラインであり，リガク製イメージングプレート回折計が常設されている。広い逆格子空間をカバある。19素子SSDが常設されており，透過法および蛍光法のXAFS測定が可能でーする二次元検出器（イメージングプレート）を備え，高い分解能で単結晶・粉末回折ある。疑似回転放物面ミラーによる集光系のためフォトンフラックスが高く，実験を行うことができる。またＸ線回折・Ｘ線吸収スペクトルの同時測定も可能であ

高感度の検出系（19素子SSD）との組み合わせで，希薄な試料の測定が可能でる。光源は偏向電磁石で，5～20keVの単色Ｘ線が実験に使用できる。

ある。また，このビームライン

様々な極限条件下での精密構造解析・構造相転移の研究が行えるように，低温用クライは低エネルギーモードによりオスタットや，高圧用ダイヤモンドアンビルセルなどの試料環境制御機構が整備されて2.1keV～の軟Ｘ線領域が使用いる。主に強相関電子系における軌道・電荷・スピンの自由度の秩序化と，特異な物性でき，リン，イオウ，塩素などの発現機構の解明などの研究が行われている。のK殻吸収端でのXAFS測定が可能である。これらの元素は環境インクジェット印刷法で有機半導体薄膜形成
長谷川 達生，山田 寿一，峯廻 洋美，熊井 玲児（KEK-PF）他

正確な位置に微量のインクを滴下するインクジェット印刷の技術を応用し，有機半導体の薄膜を「印刷」して電子デバイスを作成する方法が開発されている。有機半導体を溶かしたインクと，有機半導体の結晶化を促すインクの２種類を交互に滴下する「ダブルショット」印刷法により，これまで制御が難しかった有機半導体の結晶化をうまく制御することが可能になった。Ｘ線結晶構造解析により，この手法で作成した薄膜が高い結晶性を持つことが確認された。

Crystallization ink

Semiconductor ink「電子型」強誘電体での巨大な分極発現機構
熊井 玲児（KEK-PF），堀内 佐智雄（産総研），嘉川 史敬（東大）他

電場下回折実験による電場と分子変位の方向の対応から、単純なイオン変位では説明できないTTF-CAの巨大な分極が、電子の移動によるものであることを明らかにした。この新たな分極発現原理により、小さな価数(1分子あたり±0.6価)しかもたない分子性誘電体でも大きな分極を発現させることが可能であることを証明した。

試料において非常に重要な元素であり，環境科学関連研究が広く行われている。

ごみ飛灰中の芳香族塩素化合物の生成機構の解明
藤森 崇，高岡 昌輝（京大工）他

P

PCBなどの芳香族有機塩素化合物は生体毒性が強く，環境汚染で問題となる物質である。ごみ焼却飛灰中の芳香族有機塩素化合物の生成因子として，飛灰中に含まれるFeCl3に着目した。FeCL3を含んだ飛灰のモデルを加熱しながら塩素K殻吸収端XAFSを測定したところ，芳香管炭素と塩素の結合が生じていることがわかった。

T.Fujimori et al., Environ. Sci.
Technol., 44, 1974-1979 (2010).

H. Minemawari et al.,Nature, 475, 364-367(2011).

K. Kobayashi et al.,Phys. Rev. Lett, 108, 237601 (2012).

その他のビームラインにおける研究成果
白金フリー磁気記録材料の薄膜化と構造評価 (BL-4C)
新関 智彦，柳原 英人，喜多 英治（筑波大），中尾 裕則（KEK-PF），小池 和幸（北大）他

これまで薄膜化が困難とされていた磁性材料のコバルトフェライトを，量産化可能な手法で高品位な薄膜にする技術が開発された。この薄膜は白金などの貴金属を含む磁性材料に匹敵する強い垂直磁気異方性を持つことが確認され，白金フリーの次世代磁気記録材料の有力な候補となる。放射光によりこの薄膜の構造評価を行い，基板と薄膜の格子定数，格子歪などの情報を得ることに成功し，特定の方向に歪みを導入することにより，強い垂直磁気異方性を持つ材料を開発する指針を得た。

MnNi合金のインバー/逆インバー特性の起源を解明(BL-9C)横山 利彦 (分子研)，江口 敬太郎（総研大）Mn88Ni12合金は，正方晶系で，c軸には熱膨張がなく，a軸には普通より大きな熱膨張を持つインバー／逆インバー効果を示す。XAFS測定により，それぞれの元素の周囲の平均原子間距離の温度変化を求めた。この実験結果を量子力学的シミュレーションで解析した結果，このインバー／逆インバー効果は，低温で卵形をしたマンガン原子が，温度上昇につれて球形に変化することに起因することを解明した。 T. Yokoyama and K. Eguchi, Phys. Rev. Lett., 110,075901 (2013).

T. Niizeki et al., Appl. Phys. Lett., 103, 162407 (2013).

反射高速陽電子回折法によるシリセンの構造決定
兵頭 俊夫 (KEK-PF)，河裾 厚男 (JAEA)，松田 巌（東大物性研）他(SPF)
陽電子ビームを用いた反射高速陽電子回折法(RHEPD)は，表面敏感な解析法として注目されている。KEKの低速陽電子実験施設では，世界最高強度の陽電子ビームによるRHEPD実験ステーションを原子力機構とともに整備し，シリセンの最表面の構造解析に成功した。
グラフェンと異なり，凹凸のある構造であることを初めて実験的に確認することができた。さまざまな物質最表面の構造決定に有効な手段として多方面への応用が期待される。

Y. Fukaya et al., Phys. Rev. B, 88,205413 (2013).

コバルトフェライトの原子配置（左，青：鉄，緑：鉄またはコバルト，紫：酸素）と，この薄膜と酸化マグネシウム基板の結晶格子定数（右）。

Mn88Ni12合金の結晶構造（上）と，格子定数，最近接結合距離の温度変化（右）。

銀単結晶（灰色）表面上のシリセンの構造（上）と，RHEPDパターン測定の模式図。