大型放射光施設 SPring-8

公開日

2012年09月20日

2012年9月20日
独立行政法人理化学研究所
公益財団法人高輝度光科学研究センター

本研究成果のポイント
● エネルギースペクトルの計測からXFELのフェムト秒パルス幅を世界で初めて評価
● 独自開発した超高分解能のスペクトロメーターを活用能
● フェムト秒・アト秒X線サイエンスを切り開く基盤技術

背景
　20世紀後半に誕生したレーザーは、半世紀を経た今なお、科学技術に大きな変革をもたらし続けています。通常のレーザーが発振する波長範囲は赤外線から可視光に限られますが、より短波長であるX線領域のレーザーを発振する手法としてSASE方式（自己増幅自発放射方式）^※3が考案され、自由電子レーザーの開発が進められてきました。近年、米国のLinac Coherent Light Source（LCLS）や日本のSPring-8 Angstrom Compact free electron Laser（SACLA）といったX線自由電子レーザー（XFEL）施設が完成し、カメラのフラッシュのように極短時間だけ物質を照らすXFELパルスが利用できるようになりました。このXFELの特徴として、（1）非常に高い輝度（SPring-8^※4が放つX線の10億倍の明るさ）、（2）波が完全にそろっている（良質な空間コヒーレンス）、（3）数十フェムト秒以下という超短パルス性が挙げられ、生物試料の構造解析、原子物理やX線非線形光学、化学反応や吸着反応などの超高速現象観測といった研究への貢献が期待されています。特に、超高速現象を精緻に観察するには、パルス幅が短いほど時間分解能が高くなるため、パルス幅が短いことが鍵となります。可視光や赤外線領域のフェムト秒パルス幅評価では、非線形光学効果^※5を利用した手法が広く用いられていますが、X線領域での非線形光学効果の研究はXFELの誕生によって始まったばかりであり、X線パルス幅計測に用いるには至っておらず、新たなパルス幅評価手法が求められていました。2012年3月から供用運転を開始したSACLA が発振するパルス幅も、加速した電子の特性から数フェムト秒から数十フェムト秒であると推測していましたが、実測には至っていませんでした。

研究手法と成果
　現在のSASE方式で発振するXFELでは、エネルギーごとの強度分布（エネルギースペクトル）は微細なスパイク形状の集まりになります。エネルギースペクトルのスパイク幅とパルス幅は密接な関係があり、スパイク幅を精密に計測することによりパルス幅の知見を得ることができます。研究チームは、このエネルギースペクトルの実測と独自開発のXFELシミュレーション「SIMPLEX」を組み合わせ、パルス幅を導き出す手法を考案しました。 1フェムト秒～100フェムト秒レベルのパルス幅を評価するには、エネルギースペクトルの分解能は10meV程度、観測範囲は数eV程度を必要とします。また、SASE方式のXFELでは、パルスごとにスペクトルの波形が変化するため、1つ1つのパルスを評価する必要があります。研究チームは、エネルギースペクトルの観測範囲を広げるための楕円ミラーと、高い分解能を得ることができるシリコン分光結晶、そして独自に開発した高感度のX線CCDカメラを組み合わせたスペクトロメーターを構築し（図1）、SACLAのビームラインにおいて、10keV（波長1.24Å）のXFELを用いて計測を行いました。3種類の異なる運転条件で評価したところ、エネルギースペクトルの平均スパイク幅はそれぞれ110meV（図2a）、290meV（図2b）、600meV（図2c）と計測できました。このときのスペクトルの観測範囲は4eV、分解能は14meVであり、パルス幅の評価に十分な性能を満たしていました。これら計測値と一致するような条件を「SIMPLEX」でシミュレーションすることに成功し（図2d～f）、そのときのパルス幅を導き出した結果、各条件でのパルス幅はそれぞれ31フェムト秒（fs）、8.9fs、4.5fsと分かりました（図3）。

今後の期待
　今回開発した手法を用いると、XFELのパルス幅を精度良く、パルスごとに評価できるため、化学反応などの超高速過程の解明のようなXFELの短パルス性を生かした科学技術分野へ大きく貢献すると期待できます。また、加速した電子バンチの時間幅とXFELパルス幅の関係を知ることが可能となり、より短パルスのXFEL発振のための条件検討に重要な情報を得ることができました。今後の研究開発によりXFELのパルス幅は将来さらに短くなり、アト秒領域に到達すると予想されます。今回開発した手法はアト秒領域のパルス幅評価にも適用が可能です。例えば、10アト秒程度のパルス幅に対しても、スペクトロメーターの分光結晶を適切に選択することで対応可能です。将来の短パルスXFELのパルス幅評価に有力なツールとして期待できます。

《参考資料》

《用語解説》
＊1　SACLA
理研が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある日本初のXFEL施設。利用者支援は高輝度光科学研究センターが行っている。SACLAの名前は SPring-8 Angstrom Compact free electron LAserに由来。XFELとは、X線領域で発振するレーザーのこと。可干渉性を持ち、短いパルス幅、高いピーク輝度を持つ。SACLAは2012年3月に供用運転を開始し、利用実験が始まっている。

＊2　電子ボルト
光子や電子、原子などが持つエネルギーを表すときに広く利用されるエネルギーの単位。1Vの電位差がある自由空間内で電子 1個が得るエネルギーを 1電子ボルト（1eV）とする。

＊3　SASE方式（自己増幅自発放射方式）
Self Amplified Spontaneous Emissionの略。短波長のX線では反射率の高い鏡が存在せず共振器を作ることができない。そのため、加速した電子を非常に長いアンジュレータ（磁石列を上下に配置して、その間を通り抜ける電子から明るい光を放射させる装置）に通して、後ろの電子から出る光と前の電子との相互作用によって電子を波長間隔に並べ、コヒーレントなX線を発生させる方式。SASEのスペクトルおよび時間構造は、微細に観測すると細かいスパイク形状の集まりとなる。

＊4　SPring-8
理研が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す施設。その運転管理と利用者支援は高輝度光科学研究センターが行っている。SPring-8の名前は Super Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて小惑星探査機「はやぶさ」が取得した粒子の解析などの基礎科学からリチウムイオン電池や製薬などの産業利用までの幅広い研究が行われている。

＊5　非線形光学効果
光を物質に照射した時に起こる現象は、多くの場合、光の強度に比例してその度合いが変化する。すなわち、光の強度が2倍、3倍になれば対象とする現象の強度も2倍、3倍になる。非線形現象は、このような単純な比例関係の成立しない光学現象の総称で、レーザーのように強い光が物質に入射したときに起こる。例えば、光の強度の2乗に比例する現象では、光の強度が2倍、3倍になれば現象の度合いは4倍、9倍となる。