Ｈ28.3.2 数理物質融合科学
数理物質融合科学センター
センター光量子計測器
光量子計測器ワークショップ
ワークショップ

放射光Ｘ線回折数理物質系・数理物質融合科学センター
環境エネルギー材料研究拠点・ネルギー変換・貯蔵物質部門
西堀 英治

SPring-8の放射光
世界最高性能の第三世代光源
軟X線～硬X線の範囲で、世界最高輝度の光源
挿入光源を多数設置
先進的な長尺挿入光源が利用可能長尺(1 km)ビームラインなどの先端実験施設有大強度： 微小部解析

偏光特性： 磁気散乱・吸収

高平行度： イメージング

高エネルギー分解能： 非弾性散乱

パルス特性

： 時分割

波長可変

： XAFS等分光X線回折による構造研究時間・空間平均
Disorder、欠損など局所構造の変化は見れない。

電子による散乱
水素、電荷移動など少ない電子の構造は見れない。

X線回折

2d sin θ = λ2

回折強度:I(k)I (k ) ∝ F (k ) =∫ ρ (r ) exp(2πik ⋅ r )dv

Unit Cell2

電子密度： ρ(r)構造・機能観測のための高分解能化

統計精度と実空間(d or Q)分解能の向上

0.3

放射光Ｘ線回折の対象
分子の折り畳み分子の原子配列

0.2
物性の舞台設定生物

0.10.1
化学
物理

00
01010

1

10

210単位胞の構成原子数3104

電子密度分布と回折データ
原子

電子

熱振動

電子密度分布
回折データ
2θ ⇒
原子＋電子

2θ ⇒2θ ⇒広がった電子雲(分子軌道電子、電荷移動等)⇒ 低角
熱振動⇒ 高角

低角～中角のみのデータでは区別は困難
熱振動

電荷分布の直接観測 ⇒ 広い逆空間の情報が必要

電子密度解析におけるデータ分解能の影響
d > 0.3 Å

d > 0.6 Å(λ=1.0Å)

d > 0.8 Å(CuKα)

THE DEVELOPMENT OF X-RAY ANALYSIS
Sir Lawrence Braggエネルギー分解能(∆E/E)の違いによる回折線幅の角度依存性
・SPring-8のＸ線
高い輝度
微量試料からでも十分な回折強度高いエネルギー分解能 (ΔE/E≒10-4)高角領域でも幅の細い回折線
高エネルギーが使用可能高い実空間分解能(d>0.2Å)

F.W.H.M[deg.]

レイトレース

0.080.06∆E/E=10-5∆E/E=10-4∆E/E=10-3∆E/E=5×10-4

-0.2

0.04

-0.1

00.1

DyFeO3のBragg反射数0.02

d>0.8Å(CuKα) 約300本

00d>0.22Å

202θ[deg.]

4060

約12000本

0.2

SPring-8 で得られるX線回折データ

Intensity [a.u.]

粉末回折D1CuKα : d > 1.2 Å~ 1.0 × 106 counts
MoKα : d > 0.55Å2θ : 119.5°
D2d > 0.207 Å

35keV :d > 0.30Å~ 1000 counts2θ [deg.]

単結晶回折d = 0.23 Å79count245486countCharge Density Study.
Observed Intensity, I(k),of X-ray Diffraction

22I (k ) ∝ F (k ) =∫ ρ (r) exp(2πik ⋅ r)dv

Unit Cell

APS, USA

Acta Cryst. A. 2013.
SPring-8 Partner User Project 2014～2017

CoSb3“Application of synchrotron radiation in materials crystallography”

Leader: Prof. B. Iversen, CMC, Denmark.
Member: Prof. C. Lecomte, CRM2, France
Dr. C. Wilson, Diamond, UK.
Prof. Y. Kuroiwa, Hiroshiam Univ, JP.
Prof. E. Nishibori, Univ. Tsukuba, JP.

Four pillars of PU team makes it even stronger

Charge Density
Visualizationof Functional Materials
Under External Field
Prof. Iversen, Aarhus Univ.
Dr. Wilson, NCS/Diamondhybrid pixel XPAD detector
Prof. Lecomte, CRM2 UMR – CNRS 7036
Picosec.. dynamics
Picosecof dielectric materials
High speed super capacitors
Actuators
Inkjet nozzle

SPring-8

X-ray chopper

SRdetector

RF
X-ray chopper andpump source
controller

HV generator

Control PC

Picosec. time-resolved XRDProf. Kuroiwa, Hiroshima Univ.

High Pressure Low Temperature Diffraction
Prof. Nishibori, Tsukuba Univ.

Photo stimulus response materials

Multiferroic materials

Light-driven
Lightdriven molecular crystal
actuators

Multiple-state
Multiplestate memory

Need for faster readout time
Replacing IP technology with single photon counting detector
Required reading and erasing time (> 7 min.)Blind time less than 3 msec
Si-chip based

Fast readout

Image plate (IP) currently
installed at BL02B1

XPAD3 detector

A semiconducting layer of Silicon is not sufficient at high X-ray energies
CdTe
Replacement of SC
material required

GaAs
Si

BL02B1

施設 - パートナーユーザー 協力体制
イメージングプレート検出器と半導体検出器を組み合わせることにより無機材料からタンパク質のような巨大分子に対してin-situやoperand等の多彩な外場下で物質の３次元構造決定を可能とする構造計測基盤を構築し当該分野の拡大・推進および利用者支援を行う

無機材料系
構造物性研究の発展および利用者の開拓とサポート

ガス吸着系を始めとする構造物性研究のさらなる展開

巨大分子構造研究および測定・解析技術の基盤の構築

施設側高度化プロジェクト ～大型デバイシェラーカメラの高度化～
IP MODE

2次元検出器 Imaging Plate
IP: imaging plate

2θ

X-ray
sampleIP - MYTHEN切り替え利用による新たな研究の展開
迅速オペランド構造計測ステーションの整備

1次元半導体検出器 MYTHEN
・高速データ読み込み・読み取りノイズフリー
・蛍光X線の抑制

MYTHEN MODE

MYTHEN検出器の仕様
MYTHEN1 K (DECTRIS社製)

仕様

 X線検出原理：シングルフォトンカウンティング 高速データ読み取り（～0.3 msec.）
 蛍光X線の抑制 読み取りノイズフリー
 高ダイナミックレンジ（24bits）
 106counts/sec./channel

X線検出面線検（64 ×8 mm2）
・Si センサー（幅 5050 μm/channel）
・1280 channel
channel 並列
・厚み1 mmタイプを導入
mmタイプを導入(Energy(Energy range:range: 7.4
7.4 ~~ 40
40 keV）
keV）

ＩＰ検出器と相互的・相補的な時間・空間分解能の高い粉末回折データの測定へ

MYTHEN検出器におけるX線検出効率のエネルギー依存性
BL02B2 Energy range

Fink, L. et al., Acta Cryst. A69, (2013) s57

まとめ• X線回折の観測量は波数空間の強度データであり、高次の波数までの測定が物質の基礎科学の推進には必須。大型放射光の高エネルギーＸ線の利用がそれを可能にする。
• 現状、放射光Ｘ線回折用の検出器は、Si半導体に基盤としたものが殆ど。実験室や生体高分子の利用には最適。しかし、波長0.5Å程度からの検出効率は著しく低い。
• 海外検出器メーカーと高エネルギー放射光施設では、既に次世代に向けた高エネルギー回折の実験が始められている。