大型放射光施設 SPring-8

公開日

2025年04月30日

2025年4月30日
高輝度光科学研究センター
理化学研究所

従来、アンジュレータ放射光の正確なビーム中心の決定は、偏向電磁石からの放射光の混入によって困難でした。各国の放射光施設では、この問題を解決するために、アンジュレータギャップ値ごとのX線ビーム位置モニター（XBPM）による測定値の補正や、偏向電磁石からの放射光の混入を最小限に抑えるためのマグネット配置のなどの対策が導入されています。しかし、このようにビームモニター技術が進歩しているにもかかわらず、偏向電磁石からの放射光の混入を完全に無くすことは依然として難しいのが現状です。そのため、X線ビーム中心を正確に決定するための新しい方法が求められていました。研究グループは、この問題を解決するためにエネルギー分解能を有する2次元検出器を用いたピンホールカメラ^[※5]型ビームモニターが有効であることを明らかにしてきました^(注2)。この方法を推し進め、更に検出器のエネルギー分解能を向上させることで、より詳細なビーム形状の情報を得ることができると予想しました。

本研究では、薄いダイヤモンド膜を散乱体として使用し、シンクロトロン放射ビームの詳細なプロファイルを可視化する方法を開発しました。
まず、フロントエンドスリット（FES）を0.4 mm×0.4 mmの開口で2次元スキャンすることにより、固定位置に配置したSDDを使用してエネルギー分解能イメージを取得することに成功しました（図１、図３、図４、図５）。これらの画像から、FES上流の前置スリット（開口φ4 mm）を通過後の広範囲のアンジュレータ放射分布が計測され、SPECTRA^[※6](注3)による計算機シミュレーションと良好に一致しました。このような測定はこれまで行われておらず、本研究の重要な成果の一つです。
次に、FESは固定位置のままで、ダイヤモンド膜を通過したX線をピンホールカメラの原理で結像し、SDDの二次元スキャンで測定しました（図２）。この構成により、FESによって整形された1.5 mm×1.5 mmの開口サイズ内のピンクX線ビームの各エネルギーレベルでの放射パターン分布を可視化することで、ビーム中心を正確に決定することが可能になりました（図６）。
これらの方法では、従来のアプローチでの大きな問題であった周辺の偏向電磁石からの放射光の混入（数％）がエネルギー分解により0.01％以下に抑制されることで効果的に排除され、真のビーム中心を直接かつ高精度に決定できます。

本研究で開発された測定法は、放射光施設のビームラインの初期アライメントの効率化に貢献することが期待されます。また今後、2次元検出器や多素子SDDを用いることで、より高速なビーム位置の測定や光源の安定化フィードバックへの応用が期待されます。また、現在計画が進められているSPring-8-II計画における光源の放射光ビーム診断・制御への応用も期待されます。

図１　広視野X線ビームモニターのセットアップ図。 図の左から放射光（SR beam）が入射し、FES（フロントエンドスリット）を通って、ダイヤモンド薄膜を通過する。散乱光はピンホールを通り、SDD（シリコンドリフト検出器）で検出される。

図２　光軸計測X線ビームモニターのセットアップ図。図1とは異なり、ピンホールが2つの構成となっている。

図３　1次光のビーム形状(a)～(d)は検出したX線のエネルギーの違いを示す。

図４　2次光のビーム形状

図５　3次光のビーム形状

図６　高空間分解能型ビームモニターシステムによるビーム画像

注１）H.Tanaka et,al., Journal of Synchrotron Radiation 31 (2024) 1420-1437.
注2）T. Kudo, M. Sano, T. Itoga, T. Matsumoto and S. Takahashi, Journal of Synchrotron Radiation 29 (2022) 670-676.
注3）Tanaka, T. (2021). Journal of Synchrotron Radiation 28, 1267-1272.

【用語解説】