超高強度のX線レーザーを開発
 X線レーザーは、X線のレーザーである。X線は波長が短く、1pm(ピコメートル)~10nm(ナノメートル)程度しかない電磁波である。波長がおよそ10pm(ピコメートル)よりも短い電磁波であるγ線(ガンマ線)はX線の一部である。 

 レーザーというと、DVDなどで使われるレーザーが身近にあるが、これらは、可視光や紫外光の波長領域、つまり波長が数100ナノメートルの光を出すレーザーである。これに対し、X線レーザーの波長は、0.1ナノメートル以下である。この波長は原子の大きさ程度に相当するため、原子や電子の分布といった、今まで見ることができなかった非常に小さな世界を映し出すことができる。

 今回、 高輝度光科学研究センター、大阪大学、東京大学、理化学研究所、科学技術振興機構の5者は12月17日、X線自由電子レーザー(XFEL)施設「SACLA」において、原子レベルの表面精度を持つ集光鏡により、世界で最も強いX線レーザーのマイクロビームの実現に成功したと発表した。

 XFELは極めて強い光のため、通常の虫眼鏡のような屈折レンズにその光を入射した場合、屈折レンズがほんの少しの光を吸収しただけでも、温度上昇によりレンズが破壊され、集光ビームを安定して利用できない。

 そこで研究グループは、XFELを集光するために反射鏡を利用して、光を1点に集める方法を採用することにした。鏡の表面にすれすれの入射角(約0.1°)でXFELを照明し反射させることで、鏡材料へのXFELの吸収を桁違いに低減可能とし、さらに、反射現象を利用することで100%に近い反射率が得られるというわけだ。


XFEL

 しかし、原子サイズの短波長の光であるX線を反射するため、表面でX線が乱れて反射されないように、鏡には原子レベルの凹凸にまで整えた滑らかな表面と、原子レベルの精度で設計した楕円に近い形状が必要であった。

 今回の研究では、原子レベルの表面精度を持つ集光鏡を開発することで、XFELを1μmの小さな領域に集めた超高強度ビームを実現した。


 X線自由電子レーザー(XFEL)とは何か?
 SACLAは理研が所有し、JASRIが運用する、大型放射光施設SPring-8の施設の1つで、2012年2月に供用を開始した。それに先立つ2011年10月には、世界最短波長のXFELを実現している。

 XFELとは、X線領域の波長を持つレーザーのことだ。一般的なレーザーとは異なり、物質中から真空中に抜き出された電子(自由電子)を使用してレーザー光を発生させる。XFELの光の特徴は4つの特徴を持つ。

 1つ目は、物質を構成する最小単位である原子とほぼ同じ、微小なサイズ(100億分の1メートル)の波長を持つこと(X線であること)。2つ目は、光の波が完全にそろっていること(レーザーであること)。3つ目は、非常に高い輝度を持つこと(SPring-8の10億倍の明るさ)。4つ目は、100兆分の1秒という超短パルス光であること(カメラのフラッシュのように光の時間幅が短い)という点だ。

 これらの優れた性質を持つ光を利用することで、基礎科学から産業応用まで、物理、化学、生物・医学、材料などのあらゆる分野において従来手法を革新する先端のサイエンスが拓かれるものと期待されている。

 XFELの利用の可能性は、光を集めることで、格段に向上することが可能だ。できるだけ多くの光を小さな領域に集めて観察対象を照明することで、ミクロな世界を明るく照らし出して観ることができる。例えば、タンパク質1分子にXFELの光を集めることで、動いているタンパク質分子の原子構成を、瞬時に観察できるようになるといったことだ。

 このような、「原子分解能」で「原子の動き」をとらえるスナップショット撮影が、XFELの光を利用した分析技術の1つに挙げられている。このためにカギとなるのが、XFELの強烈なX線を集めるための光学素子の開発だ。

 しかし、強烈なXFELの照明下で安定して利用可能であり、かつ集光効率の高い光学素子は今まで存在せず、高強度集光ビームを利用することができていなかったのである。


 原子レベルの表面精度の集光鏡
 XFELは極めて強い光のため、通常の虫眼鏡のような屈折レンズにその光を入射した場合、屈折レンズがほんの少しの光を吸収しただけでも、温度上昇によりレンズが破壊され、集光ビームを安定して利用できない。

 そこで研究グループは、XFELを集光するために反射型の光学素子である鏡を利用して、光を1点に集める方法を採用することにした。鏡の表面にすれすれの入射角(約0.1°)でXFELを照明し反射させることで、鏡材料へのXFELの吸収を桁違いに低減可能とし、さらに、反射現象を利用することで100%に近い反射率が得られるというわけだ。

 しかし、原子サイズの短波長の光であるX線を反射するため、表面でX線が乱れて反射されないように、鏡には原子レベルの凹凸にまで整えた滑らかな表面と、原子レベルの精度で設計した楕円に近い形状が必要になる。

 今回の研究の目的は、原子レベルの表面精度を持つ集光鏡を開発することで、XFELを1μmの小さな領域に集めた超高強度ビームを実現することだ。そこで研究グループは今回、反射面が楕円形状の2枚の集光鏡を用いて、XFELを1点に集光する配置を設計した。X線は非常に浅い角度で集光鏡に入射するため、420mmの大きな鏡を開発することで、光源から来るXFELを逃さず、ほぼすべて反射し集光できるようにしたのである。

 SACLAと集光鏡を組み合わせることで、SACLAが発する強烈なXFELの密度をさらに4万倍に向上することができ、人類が手にしたことのない超高強度のXFELによって新しいサイエンスが切り拓かれる。

 このような大型の集光鏡を原子レベルの精度で作製するには、非常に高精度な加工技術が必要だ。そこで、理研によって開発された世界先端の高効率・精密鏡面加工法「ELID(Electrolytic In-process Dressing)研削法」と、阪大によって開発された超精密表面加工法「EEM(Elastic Emission Machining)加工法」を駆使することで、集光鏡が作製された。

 420mmの大型鏡の表面は、ナノメートルの精度を持つ表面にまで仕上げられた。鏡の材料には、加工のしやすさなどから石英ガラスを用い、原子レベルの精度で表面が加工された後、表面に炭素膜を原子精度で均一にコーティングが施された。炭素はX線の吸収が非常に小さく、また融点も高いことから、反射時の鏡表面の損傷を防ぐことができるのである。


 超高強度X線自由電子レーザー集光ビームが拓く世界
 今回の研究の意義は、大きく2つ挙げられるという。まず1つには、X線集光鏡の開発において、今まで以上に日本が世界を大きくリードし、今後のさらなる超高強度ビーム実現へのステップになるという点だ。今回の研究の結果をもとに、XFELを10nm以下に集光し、今回開発されたマイクロビームよりも、さらに1万倍強いナノビームの実現へと研究が進んでいるという。

 2つ目には、今回の研究により実現したXFELの超高強度マイクロビームは、すでにSACLAの実験者が利用できるという点だ。先端研究で開発された集光鏡による高強度マイクロビームが道具としてすでに利用され、次の先端研究を拓いているのである。

 超高強度ビームを利用することで、化学反応の瞬間の超高速の原子の動きの観察や、タンパク質など生命活動に重要な分子の原子構造の観察、さらには宇宙空間における激しい反応状態を作り出すことや、物質・反物質が何もない空間から生まれる「真空崩壊」に迫るといった極限状態の創出(通常は起こらない特異な物理現象(X線非線形光学))が将来期待されるという。

 これにより、日常生活を支える優れた触媒や燃料電池などの高機能材料の開発、疾病の原因解明や新薬の開発など、今回の研究で開発された集光ビームは未来科学を支えるさまざまな先端分野に大きく貢献していくものと期待されるとしている。(マイナビニュース 2012/12/17)


 X線自由電子レーザー(XFEL)の誕生
 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た。X線はオングストロームレベルの短い波長を持つため、原子を見分ける高い空間分解能を有するという特性がある。一方、1960年代に可視光領域で実用化されたレーザーは、位相のそろったコヒーレントな光であり、きれいで(高干渉性)、指向性に優れ、輝度が高く、発光時間が短い(短パルス)などの特性がある。これら2つの特性を併せ持つX線レーザーは、その実現が長らく待望されていた。

 1980年代、「X線自由電子レーザー(XFEL)」という、高度な加速器技術に基づく方式を用いることで、コヒーレントな光の波長をX線領域まで到達できる可能性があるということが理論的に提唱された。1990年代から本格的な技術的検討と要素技術開発が行われ、2000年代にはアメリカ・欧州・日本の3カ所で施設の建設が進められた。

 欧米の施設LCLSが全長約3km~4kmであるのに対して、日本のXFEL装置は全長約700mと半分以下というコンパクトな設計が特徴だ。 これを実現するために、 電子銃、線型電子加速器、アンジュレータという主要3要素に日本独自の技術を採用している。2005年にはコンセプト検証のためのプロトタイプ機SCSS試験加速器を建設し、真空紫外光(波長600Å、最大出力30μJ/pls)のレーザー発振に成功した。

 2006年度には、「国家基幹技術」としてXFEL施設の建設プロジェクトを開始し、2011年3月に施設を完成、愛称を「SACLA」と名付けた。

 SACLAは、第3期科学技術基本計画において国家基幹技術の1つとして選定され、日本の最先端テクノロジーを結集して2006年度より5年間にわたって整備が行われてきた。2011年2月末からビーム運転を開始し、調整を進めた結果、運転開始からわずか3カ月という短期間で波長1.2ÅのX線レーザーの発振に成功した。

 この波長は、2009年4月に世界で最初にX線レーザーを発生させた米国のXFEL施設Linac Coherent Light Source (LCLS) の1.5Åという記録を抜いて、世界最短波長となった。


参考HP アイラブサイエンス:世界最短波長のX線レーザーでアルミを200万℃に一気に加熱 マイナビニュース:X線自由電子レーザーの密度を4万倍に強化


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