• 国家基幹技術−X線自由電子レーザー（XFEL）開発に向け世界を一歩リード
• 世界最高性能の電子ビーム発生・加速器技術を純国産技術で完成
• 究極の光源による新しい波長領域でのイメージング・計測・利用技術開発等に貢献

1.

背　景

X線の発見・発生、放射光やレーザーの発明は、新たな科学技術を切り拓き、産業の発展に寄与してきました。例えば現在、X線は病院での診察に使われており、レーザーも青色発光ダイオードやCDの読み取りなどに使われている半導体レーザー、視力回復手術に利用されているエキシマレーザーなど多くの分野に使用されています。 　大型放射光施設SPring-8※4は、世界最高性能の放射光施設として、材料科学・生命科学・産業利用などで多数の成果を輩出しています。SPring-8の出す放射光は、幅広い波長領域（主に硬X線から真空紫外線）で、非常に明るい（高輝度）という長所を持っています。一方、レーザーは、位相が揃っているという特長を持つため、干渉性が高く、特定の波長において放射光よりも高い輝度を持った光が得られます。このように、放射光とレーザーとは異なる性質を持った相補的な光であり、特にSPring-8が完成した現在、X線領域のレーザーが待望されていますが、その実現は非常に困難なものと考えられていました。

2.	研究手法
	（１）	鏡を使わずレーザー実現
		研究グループは、短波長レーザーを実現する上で「自由電子レーザー」という方法に着目しました。これまで自由電子レーザーは、アンジュレータの両端に鏡を置き、光が往復するたびに電子を入射し、光と電子の相互作用によってレーザーを発振させる方法が考えられていました。しかしこの方法では、波長が短いＸ線を反射することができる鏡が存在しないため、X線領域のレーザー光を得ることができませんでした。1990年代前半、「発振に至るまでに必要な光の共振に、何度もの光の往復が必要ならば、いっそ反射させずに往復分の距離を往路で稼げばよい」という画期的な提言がありました（図2）。つまり、光が反復する距離の分だけアンジュレータを長くすれば、反射鏡が無くともＸ線自由電子レーザーの実現が可能となるはずです。
	（２）	純国産技術による高効率でコンパクトな加速装置：Cバンド加速器
		2005年、同研究グループは、その実証実験として全長60メートルのプロトタイプ機の建設をスタートさせました。60メートルという短い距離で高輝度、短波長のレーザーを実現するためには、電子ビームを加速する高い効率の加速器が必要となります。新竹グループディレクターは、電子を加速する周波数が5712メガ※3ヘルツという「Cバンド加速器」を採用しました。このCバンド加速器は、新竹グループディレクターが1992年に提案したもので、加速に使用するマイクロ波の周波数が従来の2倍で、効率よく高いエネルギー(1メートルあたり30メガ電子ボルト)を与えられる加速器です。従来の加速器の2倍の効率ということは、従来の半分の長さで電子ビームを加速することが可能になるということですが、高純度の銅を高精度に加工した加速管、加速器に高周波を与える「クライストロン」や「パルス電源」を新規開発する必要がありました。新竹グループディレクターらは国内企業各社の協力を得て、10年以上の歳月をかけて開発に成功し、究極の性能の達成に繋がりました（図3）。
	（３）	高品質ビームの源：世界記録をもつ超高電圧電子銃
		加速器を短くする分、それを通る電子ビームにも高い品質が求められます。新竹グループディレクターらは、電子の発生源（カソード）として「セリウムボライト」の単結晶を用いました。通常のカソードは900℃程度の加熱で電子が発生しますが、セリウムボライトでは1450℃という超高温に加熱する必要があります。しかし、この温度では通常のヒーターはフィラメントが焼き切れてしまうため、熱電子が得られません。そこで、シリコンを超高温に加熱して単結晶をつくる際に使われるグラファイトヒーターを採用することで、独自の電子銃開発に成功しました（図4）。この電子銃から出る電子の平行性（エミッタンス）は、最高で1.1πミリメートル・ミリラディアンという世界記録を達成しました。
	（４）	高精度に装置を並べる：アライメント技術
		こうした個々の優れたパーツも、全てが高精度に設置されなければ、加速器は動きません。ビームを高い精度でまっすぐ通すための技術は、SPring-8で培った経験が最大限に発揮されました。研究グループの石川哲也プロジェクトリーダーらが手がけた世界最長の1キロメートルビームラインをはじめ、数々のビームライン建設により鍛えられた設置技術やビームの軌道制御技術が、今回の建設にも大きく貢献しています。また、プロトタイプ機では、コージライトという送電線の絶縁体に使用されるセラミックを架台として使用しました。この架台は、熱膨張が鉄の20分の1以下のため、機器を常時安定に支持するのに好都合です。さらに架台を水平に設置するため、新竹グループディレクターは床研削装置「ゆかとけんさく」を開発し、架台の接地面を10マイクロ※3メートル程度の凹凸になるまで研削を行いました（図5）。こうした努力により、直線誤差をわずか50マイクロメートル以下に押さえることができました。

3.

研究成果

プロトタイプ機の試験運転をスタートしてから2005年11月25日に、初めて電子銃から発生した電子ビームがアンジュレータの先まで通過しました。そして詳細に渡る調整を経て、今回、エミッタンス3πミリメートル・ミリラディアン、電荷量0.25ナノクーロン、パルス時間幅1ピコ秒という高質な電子ビームを安定に供給・加速できるようになり、XFELの実現に大きな一歩を踏み出しました。この電子ビームをレーザー媒質としてプロトタイプ機のアンジュレータに導入したところ、波長49ナノメートル、最大出力110キロワットのレーザーを確認しました（図6）。特に、自由電子レーザーの波長としてはドイツのDESY （Deutsches Elektronen-Synchrotron）が2006年4月に達成した13ナノメートル（2006年6月の国際会議The 9th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation （SRI 2006）で発表）に次いで、世界第2位の値です。

4.

今後の期待

XFELは、短い波長、高い干渉性と高い輝度等の優れた特長から、様々な利用研究への応用が期待されています。例えば、創薬ターゲットとして注目されており、生物学・医学等で重要な、細胞膜に存在する膜タンパク質の多くは、その構造が明らかになっていないため反応機構が詳しく分かっていません。X線構造解析では、一度タンパク質を結晶化するプロセスが必要ですが、膜タンパク質のほとんどは結晶化が困難です。XFELであれば、その高い輝度と干渉性から結晶化をせずにタンパク質1分子からでも構造を明らかにできるのではないかと注目されています。 　現在、XFELは第3期科学技術基本計画における国家基幹技術の一つに認定され、人類の英知を生む、国力の源泉を創る、健康と安全を守るという3つの理念の実現に向けて、日本の国家プロジェクトとして推進されています。SPring-8サイトに建設するXFEL（図7）は、全長約800メートル、最大加速エネルギー8ギガ電子ボルト、レーザーの波長0.06ナノメートルであり、2010年の完成を目指しています。XFELは、アメリカのSLAC （Stanford Linear Accelerator Center）やドイツのDESYをはじめ、世界中で熾烈な開発競争が行われています。 　合同本部が開発を進めるXFELは、欧米のものの半分以下のコスト・全長で、世界で最もコンパクトですが、こうしたコンパクト化を実現できるのは、研究グループの優れた技術と経験があるからです。今回開発した電子銃・Cバンド加速器だけでなく、電子ビームから放射光を取り出すアンジュレータは、研究グループの北村英男グループディレクターらが手がけた真空封止型アンジュレータを採用します（図8）。真空封止型アンジュレータは、ビームが通過する磁石列を丸ごと真空タンクに入れることにより、上下の磁石列を近接することができるという利点がある一方、高い真空度や磁力の消失防止など、極めて高い技術レベルが必要な装置です。このようなアンジュレータを製作できるのは世界中でも北村グループディレクターらの研究グループだけであり、北村グループディレクターが手がけた真空封止型アンジュレータは、SPring-8や韓国（Pohang Light Source(ポーハン ライト ソース)）、スイス（Paul Scherrer(ポール シェラー)研究所）などで活躍しています。プロトタイプ機やXFELで使用するアンジュレータは、1個の磁石の幅を従来の3分の1である15ミリメートルとすることにより、装置全体のコンパクト化に大きく貢献します。性能と効果の面で比較すると、同機能を実現する世界最小のアンジュレータと言えるでしょう。その性能の高さは、このプロトタイプ機で確認されました。さらに、今回の方法でレーザーの作動に成功した光源は、世界でDESYと日本の2つしかありません。つまり、今回レーザーを確認できたことで、日本がXFELの実現に世界で最も近い存在の一つであることを証明したと言えます。 　このプロトタイプ機とXFELは、完成後はSPring-8同様の供用施設として広く一般に供用される計画です。プロトタイプ機は、XFEL実現のために必要な研究開発に使用されるだけでなく、高い干渉性と適度な強度を活かし、様々な利用研究が期待できます。例えば、特定の物質を選択的に励起することにより、光触媒材料の開発や感度の高い分析法の開発に貢献するでしょう。また、これまで実用化されていない波長域での光通信技術への応用により、光通信技術のブレークスルーとなるでしょう。

<補足説明>

※1	アンジュレータ
	N、Sの磁極をハーモニカのように上下に配置して、その間を通る電子を周期的に小さく蛇行させて明るい特定の波長を持った光を作り出す装置。理研の大型放射光施設「SPring-8」では世界に先駆けて実用化した真空封止型アンジュレータ、27メートルにおよぶ長尺アンジュレータなどを整備し、世界最高レベルの放射光発生を実現している。
※2	エミッタンス
	ビームの断面積と広がりを掛けた値で、電子ビームの性質を表す指標の一つ。エミッタンスが大きいと、全体として広がりやすい電子ビーム、逆に小さければシャープで良質な電子ビームと言える。x
※3	ピコ・ナノ・マイクロ・キロ・メガ・ギガ
	ピコは一兆分の一、ナノは十億分の一、マイクロは百万分の一、キロは千、メガは百万、ギガは十億を表す。
※4	大型放射光施設SPring-8
	兵庫県にある大型共同利用施設。ほぼ光速で進む電子が、その進行方向を磁石などによって変えられると接線方向に電磁波が発生する。これが「放射光（シンクロトロン放射）」と呼ばれるものであり、電子のエネルギーが高く進む方向の変化が大きいほど、Ｘ線などの短い波長の光を含むようになる。特に第三世代の大型放射光施設と呼ばれるものには、世界にSPring-8、APS（アメリカ）、ESRF（フランス）の3つがある。SPring-8（電子エネルギー：8GeV）の場合、遠赤外から可視光線、真空紫外、軟X線を経て硬X線に至る幅広い波長域で放射光を得ることができ、国内外の研究者の共同利用施設として、物質科学・地球科学・生命科学・環境科学・産業利用などの分野で利用されている。

<参考資料>

• 加速器
• 放射光
• レーザー
• コヒーレント

図1：X線自由電子レーザー(XFEL)プロトタイプ機収納部。電子銃側から電子ビームの進行方向に向かっての全景。

図2：自由電子レーザーの原理。

図3： 左) Cバンド加速管。 右) 手前がクライストロン、奥の銀の箱はモジュレータ電源のタンク。

図4：低エミッタンス電子銃。

図5：床研削を行う「ゆかとけんさく」。左下のように、長方形状に研削する。

図6-1：電子ビームのプロファイル。蛍光板で測定したため、実際のビームサイズはさらに小さい。

図6-2：X線のスペクトル。波長49nm、従来のアンジュレータ光の6000倍の強さのレーザー光が観測された。

図6-3：X線のピーク出力。出力は電荷量の増加に対して指数関数的に増加し、レーザー発振していることを示している。

図7： 黄）プロトタイプ機が設置されている組立調整実験棟。 赤）合同本部が建設をスタートした8GeVのXFEL完成予想図。

図8：真空封止アンジュレータ。銀色の円筒の中に磁石列が入っている。