BL40XU 概要

問い合わせ番号

INS-0000000537

ビームラインの概要

高フラックスビームライン（BL40XU）はヘリカルアンジュレータを光源とし、分光器を用いず垂直水平2枚のミラーで集光を行う、高輝度なＸ線の利用を目的としたビームラインである。アンジュレータから放射される一次光は非常にシャープなエネルギー幅であるため準単色光として扱うことができ、この一次光だけを取り出すことによって二結晶分光器を用いて単色化された光の100倍以上の輝度を持つＸ線の利用が可能になる。このような高輝度のＸ線を利用することにより、回折・散乱法による蛋白質分子の機能発現時における構造変化を追う時分割実験、蛍光Ｘ線分析あるいはスペックル実験（X-ray intensity fluctuation spectroscopy）のような新しい手法の開発研究などが行われることが期待される。

研究分野

高速時分割回折および散乱実験
X線光子相関分光法
マイクロビームを用いた回折および散乱実験

キーワード

研究分野
高輝度X線, 構造生物学, X線小角散乱/回折, 時分割実験, 蛍光X線分析
装置
X線シャッター, 高速CMOSカメラ, X線イメージインテンシファイア, YAG laser, 小角散乱用真空パス, 光子計数型検出器

光源と光学系

ビームライン光学系の模式図

光源
本ビームラインのヘリカルアンジュレータは、周期長36 mmで一次光として8 keVから17 keV（波長：1.5 Åから0.7 Å）のエネルギー範囲で光を出すことができる。本ビームラインには分光器がないので、実験に使用できるX線のエネルギー範囲はこのアンジュレータから出る光のエネルギー範囲によって既定される。ヘリカルアンジュレータは元来、円偏光の放射光を得るためのものである。このアンジュレータの最大の特色として、軸上ではほとんど一次光しか観測されず、高調波は軸外に放射されるということがあげられる。このため、アンジュレータ放射X線の中心部だけを取り出せば、準単色光である一次光が輝度を損なうことなく利用できる。この基本概念を実現するために最も重要な光学要素が光源から33 mの距離にあるフロントエンドスリットである。このフロントエンドスリットの開口を調整することで一次光だけを取りだし、同時に大部分の高調波を除去し、それによって大部分の熱を取り除くことができる。フロントエンドスリットは現在、通常水平15 µrad×垂直5 µradの開口で使用している。さらに輝度が必要な実験のためには50 µ rad程度までの開口で使用できる設計になっている。
実験に使うX線
フロントエンドスリットによって一次光のみに切り出されたX線は、水平集光ミラーおよび垂直集光ミラー（水平集光ミラー：長さ70 cm、幅50 mm、厚さ50 mm、垂直集光ミラー：長さ40 cm、幅50 mm、厚さ50 mm）によって集光される。アンジュレータからの光を直接受けるので、母材には熱特性の優れたシリコン単結晶を使用し、どちらのミラーにも側面に間接冷却機構を取り付けた。さらにミラー上でのビームのフットプリントを大きくして熱負荷を下げるために一枚目は水平ミラーとし、3 mradの視射角で使用することとした。水平ミラーの反射方向は下流に向かって右側である。垂直方向は4 mradの視射角で下はねとなっている。4 mradのロジウムコーティングのミラーでは、16 keV以上のX線の反射率は非常に低く、22 keV以上では二枚のミラーによる反射率は0.1%以下になる。どちらのミラーも視射角が固定であることからミラーより下流のコンポーネントは、下流に向かって右側（実験ホール側）に6 mrad、下に8 mradの傾きで設置され、実験ハッチにも同様の傾きでX線が導入される。ミラーは光源とフォーカス点を4 ：1 に分ける位置に設置されるので、全体として4 ：1 の縮小光学系となっている。このように二枚のミラーで水平垂直双方向に集光されたX線はその後二つの水冷スリットにより整形されたのち実験ハッチへと入射される。Fig.1に示すようにフォーカスされたX線のビームサイズはおおよそ水平250 µm、垂直40 µmである。フラックスはTable1に示すように蓄積電流が100 mAのとき、7×10¹⁴ photons/sec（8 keV）、9×10¹⁴ photons/sec（10 keV）、1×10¹⁵ photons/sec（12 keV）および6×10¹⁴ photons/sec（15 keV）である。フラックス密度はおおよそ10¹⁷ photons/sec/mm²台であると見積もっている。エネルギースペクトルをFig.2に示す。各エネルギー領域において高次光は観測されず、エネルギー幅はそれぞれ1.8%（8 keV）、1.8%（10 keV）、1.7%（12.4 keV）および2.0 %（15 keV）である。

Table 1. フラックス

Energy (keV)	Flux (photons/sec)
8	7 × 10¹⁴
10	9 × 10¹⁴
12	1 × 10¹⁵
15	6 × 10¹⁴

Fig.1. ダイレクトビーム

Fig.2. エネルギースペクトル

X-rays at Sample

Energy range	8 ~ 17 keV
Energy resolution	0.02
Photon flux	10¹⁵（12 keV） photons/s
Beam Size	0.25(H) × 0.04(V) mm² (with focusing mirrors)

実験ステーション

実験ハッチ1はおおよそ4 m×6 mの大きさで、検出器等の配置は実験によって自由に選択、変更できるようになっている。現在、実験ハッチ最上流にある水冷ベリリウム窓のすぐ下流に、アルミニウムのアッテネータ（厚さの異なる2種類）、ソレノイドX線シャッター、回転チョッパー式高速シャッター(Fig.4)、および試料直前に位置する四象現スリットが定常的に設置されている。また必要に応じてガルバノ式高速X線シャッターを設置可能である。ソレノイドシャッターとガルバノ式シャッターを同期させて開閉させることにより、実験に適したパルス幅を持つX線を切り出すことができる。また、これらのシャッターは必要なければX 線の経路上から退避させることもできる。これらのコンポーネントをうまく組み合わせて用いることにより、試料へのダメージを避けつつ、効率よくデータ収集ができる最適な実験条件を実現することができる。実験ハッチにはこのほかにYAGレーザー（Fig.6）が定常的に設置されており、経路調整さえすればいつでも試料に照射できる状態にある。さらに最長3 m程度の長さが確保できる小角散乱用の真空パイプが用意されている（Fig.3）。検出器としてはフラットパネル検出器、Pilatus 100Kのほか、低残光型X線イメージインテンシファイア（Fig.5）と組み合わされる冷却CCDカメラ、高速CMOSカメラが用意されている。後者の時間分解能は1024×1024ピクセル6,400フレーム/秒であるが、画素数を低減させることにより更に高い時間分解能が得られる。

Fig.3. 小角散乱用真空パス

Fig.4. X線シャッター

Fig.5. X線イメージインテンシファイア

Fig.6. YAG laser

実験ハッチ2は 5 m x 4 m x 3.3 mの大きさで BL40XUビームラインの下流側にある。通常X線の減衰をなくすため上流の実験ハッチに4 mの真空パスまたはヘリウムパスを設置して使用する。ハッチ内にはX線チョッパー（Fig.7）、Si(111)チャンネルカットモノクロメータ（Fig.8）、精密回折計（Fig.9）、窒素吹付け型低温装置およびフェムト秒レーザー（波長 800 nm）を設置している。X線チョッパーにより1000または2000 HzのX線パルスを使用でき、その周波数でレーザーを同期させ光照射することができる。このシステムによりポンプ＆プローブ法による時分割X線測定が可能である。