PFシンポジウム
２０１６年３月１６日

次期高輝度光源の検討〜ビームライン〜
放射光科学第一研究系 五十嵐教之

リング建屋修正案（日建設計）
現在の建屋案• リング内保守通路確保• ビームライン長さを、壁外で３０m程度確保• ホール外周通路を2m程度確保（ビームラインとは分離）• 装置準備用スペース、中尺ビームライン、研究施設については今後の検討ビームライン配置図

光学ハッチ

光源からの距離• １セルから5mアンジュレータ、1mアンジュレータ、偏向電磁石を光源とする３本のビームライン取り出し• 基幹部は全て遮蔽壁内に設置することを想定• 遮蔽壁の外壁は、今のところ29m地点を想定、上図では例として31m地点に分光器を設置している使用した光源パラメータ使用した光源パラメータ試料位置でのビーム性能の見積もり＊長尺アンジュレータ（5m）、壁外29m以降にBLコンポーネント設置（今後他の光源についても検討予定）• VUV-SXビームライン光学系
1keV領域での斜入射回折格子分光ビームライン◯エネルギー分解能の見積もり(標準:50meV，高分解能:10meV＠1keV )◯簡易集光のビームラインの例◯ナノビーム（50nm）生成の検討◯FZPを使った強集光ビーム生成の検討• X線ビームライン光学系
10keV領域での全反射光学系ビームライン◯コヒーレンス利用ビームラインの例◯ナノビーム（50nm）生成の検討◯強集光ビーム生成の検討◯高分解能モノクロを使った高エネルギー分解能性能

軟X線ビームラインのレイアウト例
簡易集光

Entrance
Toroidal Slit

Cylindrical VLSPG
Horizontal
Virtual Source

30m

Exit
Slit

6.0

8.0

ToroidalPlane
2.0

6.0

3.0

3.06.0• 前置集光系の縮小率(垂直方向) 5:1• 水平方向は入射スリットの6 m下流に一旦集光(水平方向の仮想光源)

K-B集光 (50 nm目標)
Entrance
Toroidal Slit

Cylindrical VLSPG

6.04.5

EllipticalPlaneHorizontal
Virtual Source
30m

Exit
Slit

8.0

2.0

6.05.7• 後置集光系は楕円ミラー2枚(K-B)• 水平方向は入射スリットの1.5 m上流に一旦集光(水平方向の仮想光源)

0.15 0.15

軟X線ビームラインのエネルギー分解能(1)標準分光器: 比較的容易に入手可能なスペックの回折格子を使用
Slope error = 0.25 mrad

8.E-05DE ~ 50 meV@ 1 keV

DE/E

6.E-05

4.E-05

2.E-05

G1 (600 l/mm) total
G2 (1000 l/mm) total
G3 (1800 l/mm) total

G1 slope error
G2 slope error
G3 slope error

0.E+00250500750

10001250

Photon Energy (eV)

1500

1750

2000

軟X線ビームラインのエネルギー分解能(2)高分解能分光器: 挑戦的なスペックの回折効率を想定(特にslope error)
Slope error = 0.1 mrad

2.E-05DE/E

DE ~ 10 meV@ 1 keV
1.E-05G1 (2400 l/mm) total
G2 (1800 l/mm) total
G3 (1200 l/mm) total

G1 slope error
G2 slope error
G3 slope error

0.E+00
500

600

700

800

Photon Energy (eV)

900

1000

軟X線ビームラインの集光特性(1)：簡易集光1000 l/mm, 1 keV, DE~50 meV
Entrance Slit: 5 mm
Exit Slit： 6 mm
Horizontal Virtual Source： 40 mm
3012Flux: ~3 X 10 ph/s
20 (Coherent flux: ~2 X 1011 ph/s)

Y (mm)

100-10-20-30-30Fluxの見積りでは反射率，回折効率も考慮

x = 3.6 mm, y = 2.6 mm
x' = 0.14 mrad, y' = 0.13 mrad-20-100X(mm)102030軟X線ビームラインの集光特性(2)：K-B集光
1000 l/mm, 1 keV, DE~45 meV
Entrance Slit: 5 mm
Exit Slit： 2.3 mm
Horizontal Virtual Source： 4 mm
10011Flux: ~1.4 X 10 ph/s
11(Coherent flux: ~1.1 X 10 ph/s)

Y (nm)

500-50Fluxの見積りでは反射率，回折効率も考慮

x = 20 nm, y = 21 nm
x' = 5.6 mrad, y' = 5.0 mrad-100-100-500X(nm)50100

軟X線ビームラインの集光特性(3)：FZPによる集光1000 l/mm, 1 keV, DE~50 meV
Entrance Slit: 5 mm
Exit Slit： 6 mm
Horizontal Virtual Source： 40 mm
Virtual Source： 10 mm
簡易集光光学系の出射スリット以降を変更

10010Flux: ~2X 10 ph/s

Exit Slit

Y (nm)

502.5Source FZP

2.51.0FZP:
最外殻幅20 nm，直径100 mm

0-50

Toroidal Virtual

Fluxの見積りでは反射率，回折効率も考慮
FZPの効率は10%を仮定

x = 12 nm, y = 12 nm
x' = 21 mrad, y' = 21 mrad-100-100-500X(nm)50100

FZPの製作技術の進歩により，スポットサイズのさらなる向上が期待されるX線ビームラインのレイアウト検討（リング壁@29m、集光点@58m）◯コヒーレンス利用ビームライン

ミラー集光（K-B配置）

水平仮想光源鉛直スリットDCM

30m

1.0 1.0

1.9 0.823.3• 鉛直はDCM前にアパーチャースリット（180μm）、水平は32mに仮想光源（18μm）• 集光系は楕円ミラー2枚（K-B配置）、0.1mrad程度のビーム発散• 100%に近いコヒーレントフラクション◯ナノ集光 (50 nm目標)
鉛直スリットミラー集光（K-B配置）

鉛直仮想光源
水平仮想光源

DCM
ミラー集光（K-B配置）

30m

1.0

3.5 0.５ 4.5

7.5

10.4

0.3 0.3• 前置集光系により、鉛直方向は39.5m、水平方向は47mに一旦集光（仮想光源）• 前置集光系、後置集光系はK-B配置の楕円ミラー2枚• 末端フランジから集光点まで約130mmのスペース確保（現BL-15A2相当）

X線ビームラインのレイアウト検討（リング壁@29m、集光点@58m）◯強集光ビーム生成

ミラー集光（K-B配置）

水平仮想光源スリット DCM

鉛直仮想光源ミラー集光（K-B配置）

30m

1214.52.50.1 0.1515.75• 前置集光系により、水平方向は39.5m、鉛直方向は42mに一旦集光（仮想光源）• 後置集光系は楕円ミラー2枚(K-B)、Pt-coat、入射角6mrad（11.4keV cut-off）◯高分解能（ΔE/E〜10-6）マイクロビーム
高分解能モノクロ

スリット

水平集光ミラー

DCM

30m

132

水平集光ミラー

水平仮想光源鉛直集光ミラー

8437

X線ビームライン検討〜集光点でのビーム特性〜

１．コヒーレンス利用

500 nmコンポーネント

位置 (m)

仕様

スリット

30.0180μm(V)分光器

31.0Si(111) 2結晶、(＋−)配置

水平仮想光源32.018μm(H)

鉛直集光ミラー

55.3

非球面、Rh、4mrad, 200mm長
約20.5:1集光

水平集光ミラー

57.2

非球面、Rh、4mrad, 200mm長
約31.5:1集光

集光点

58.0

その他：Be窓 ( 総厚：0.5mm )Fluxの見積りでは反射率，回折効率も考慮

Flux: 1.2x1012 phs/s(Coherent Flux： 1.0x1012 phs/s)

570 nm
ΔE: 1.3 eVDivergence： 0.12(H) x 0.10(V) mrad

X線ビームライン検討〜集光点でのビーム特性〜

２．ナノビーム（50nm目標）

48 nm

コンポーネント

位置 (m)

仕様

スリット

30.0

160μm(V)分光器

31.0Si(111) 2結晶、(＋−)配置

鉛直集光ミラー

34.5

Rh、100mm長、4mrad、約6.9:1集光

水平集光ミラー

35.0

Rh、300mm長、4mrad、約2.9:1集光

鉛直仮想光源39.5

open

水平仮想光源47.0

1.8μm(H)

鉛直集光ミラー

57.4

Rh、200mm長、4mrad、約30:1集光

水平集光ミラー
集光位置

57.7
58.0

Rh、200mm長、6mrad、約36:1集光その他：Be窓 ( 総厚：0.5mm )Fluxの見積りでは反射率，回折効率も考慮

Flux: 1.5x1012 phs/s(Coherent Flux： 8.6x1011 phs/s)

50 nm

Divergence： 2.0(H) x 1.1(V) mrad

ΔE: 1.3 eV

X線ビームライン検討〜集光点でのビーム特性〜
３．強集光ビーム（25nm以下はFZP等を利用）
27 nm

コンポーネント
スリット

260μm(V)×140μm(H)分光器

31.0Si(111) 2結晶、(＋−)配置

鉛直集光ミラー

33.0

Rh、100mm長、4mrad、約3.7:1集光水平集光ミラー

34.0

Rh、100mm長、4mrad、約6.2:1集光

水平仮想光源39.52.0μm(H)

鉛直仮想光源42.0

open

水平集光ミラー

57.75

Pt、100mm長、6mrad、約73:1集光

鉛直集光ミラー

57.85

Pt、100mm長、6mrad、約105.7:1集光

集光位置

58.0

その他：Be窓 ( 総厚：0.5mm )Fluxの見積りでは反射率，回折効率も考慮

Flux: 1.1x1012 phs/s(Coherent Flux： 6.8x1011 phs/s)

26 nm

Divergence： 2.1 (H) x 3.9(V) mrad

概要

位置(m)
30.0

ΔE: 1.3 eV

X線ビームライン検討〜集光点でのビーム特性〜
４．高分解能ビーム（25nm以下はFZP等を利用）
2.0 μmコンポーネント

位置(m)

概要

スリット

30.0

300μm(V)分光器

31.0Si(111) 2結晶、+-配置

高分解能分光器

34.0Si(333) 4結晶、+--+配置

水平集光ミラー

36.0

Rh、300mm長、4mrad、約4.5:1集光

水平仮想光源44.02μm(H)

鉛直集光ミラー

48.0

Rh、200mm長、4mrad、約4.8:1集光

水平ミラー

51.0

Rh、200mm長、4mrad、約1:1集光

集光位置

58.0

その他：Be窓 ( 総厚：0.5mm )Fluxの見積りでは反射率，回折効率も考慮

Flux: 8.7x1010 phs/s(Coherent Flux： 1.4x1010 phs/s)

2.2 μm
ΔE: 0.053 eV

Divergence： 0.091(H) x 0.047(V) mrad

各BL案についてレイトレース計算によるビーム性能評価まとめ＊フラックスの見積もりでは反射率、回折効率も考慮 (FZPの効率は10%を仮定)＊幾何光学計算のみなので、今後波動光学による検討も必要（特に回折限界に近いところ）◯VUV-SXビームライン例@1keV [１] （回折格子の性能向上でエネルギー分散10meVも可能）
簡易集光ナノビーム利用

FZP集光ビーム

BL-16A

ビームサイズ [nm]8500(H) x 6100(V)

47(H) x 49(V)

28(H) x 28(V)140,000(H) x12,000(V)

ビーム発散角[mrad]

0.33(H) x 0.31(V)

13(H) x 12(V)

49(H) x 49(V)

1.1(H) x 0.33(V)

Flux [phs/s]

3.0x1012

1.4x1011

2.0x1010

1.0x1012

Coherent Flux [phs/s]

2.0x1011

1.1x1011-4.9x108

エネルギー分散 [meV]

504550150[1] SRXRAY [Y. Muramatsu, Y. Ohishi, and H. Maezawa, A new ray-tracing program capable of simulating insertion device synchrotron
radiation sources, Jpn. J. Appl. Phys., 27, L1539-L1542 (1988)]を改良して使用。

◯X線ビームライン例@10keV （by SHADOW/XOP）
コヒーレンス利用

ナノビーム利用

強集光ビーム高分解能

ビームサイズ [nm]500(H) x 570(V)

48(H) x 50 (V)

27(H) x 26(V)

2,000(H) x 2,200(V)

ビーム発散角[mrad]

0.12(H) x 0.10(V)

2.0(H) x 1.1(V)

2.1(H) x 3.4(V)0.091(H) x 0.047(V)

Flux [phs/s]

1.2x1012

1.5x1012

1.1x1012

8.7x1010

Coherent Flux [phs/s]

1.0x1012

8.6x1011

6.8x1011

1.4x1010

エネルギー分散 [eV]

1.3

1.3

1.3

0.053