シンクロトロン光源

シンクロトロン光源は、科学技術目的で通常蓄積リングによって生成される電磁放射線(EM)の光源です^{[1] 。}シンクロトロンで最初に観測されたシンクロトロン光は、現在では蓄積リングやその他の特殊な粒子加速器、典型的には電子を加速することによって生成されます。高エネルギー電子ビームが生成されると、蓄積リングや自由電子レーザー内の曲げ磁石や挿入装置(アンジュレータまたはウィグラー)などの補助コンポーネントに向けられます。これらは、高エネルギー電子を刺激して光子を放出するために必要な、ビームに垂直な強力な磁場を供給します。

シンクロトロン光の主な用途は、凝縮物質物理学、材料科学、生物学、医学です。シンクロトロン光を使用した実験の大部分は、電子構造のサブナノメートルレベルから、医療用画像診断で重要なマイクロメートルおよびミリメートルレベルまでの物質構造の調査です。実用的な産業用途の一例として、 LIGAプロセスによる微細構造の製造が挙げられます。

シンクロトロンは、知られている光源の中で最も高価な種類の 1 つですが、遠赤外線吸収分光法などの一部の用途では、遠赤外線波長範囲の広帯域放射の実質的に唯一の実行可能な光源です。

シンクロトロン放射のさまざまな源を比較するために使用される主な性能指標は、「明るさ」、「輝き」、「スペクトル輝度」と呼ばれており、後者の用語はシンクロトロン命名法ワーキンググループによって最良の選択として推奨されています。^[2]選択された名前に関係なく、この用語は、単位帯域幅(BW) あたりの特定の 6 次元位相空間における光子の総流量の尺度です。^[3]

スペクトル輝度は次のように表される。

${\displaystyle B={\frac {{\dot {N}}_{\text{ph}}}{4\pi ^{2}\sigma _{x}\sigma _{y}\sigma _{x'}\sigma _{y'}{\frac {d\omega }{\omega }}}},}$

ここで、はビーム内の1秒あたりの光子数、はビーム方向に垂直な軸におけるビームサイズの二乗平均平方根値、はx次元とy次元におけるビーム立体角のRMS値、は相対帯域幅、つまり中心周波数の周りのビーム周波数の広がりです。^[4]帯域幅の慣例的な値は0.1%です。^[2]${\displaystyle {\dot {N}}_{\text{ph}}}$${\displaystyle \sigma_{x}}$${\displaystyle \sigma_{y}}$${\displaystyle \sigma _{x'}}$${\displaystyle \sigma _{y'}}$${\textstyle {\frac {d\omega }{\omega }}}$

スペクトル輝度の単位は時間⁻¹ ⋅距離⁻² ⋅角度⁻² ⋅(% 帯域幅) ⁻¹です。

特に人工的に生成されたシンクロトロン放射は、次のような点で注目に値します。

• 従来のX線管で生成されるX線よりも桁違いに高い輝度：第3世代のX線源の輝度は通常、10 ¹⁸光子・s ⁻¹・mm ⁻²・mrad ⁻² /(0.1%BW) を超えます。ここで、0.1%BW は周波数ωを中心とした帯域幅 10 ⁻³ ωを表します。
• 高レベルの偏光（直線、楕円、円形）。
• 高いコリメーション、つまりビームの小さな角度発散。
• 放射率が低い、つまり放射源の断面積と放射の立体角の積が小さい。
• 単色化によるエネルギー/波長の幅広い調整可能性（サブ電子ボルトからメガ電子ボルトの範囲まで）。
• パルス光の放射（パルス持続時間は 1ナノ秒、つまり 10 億分の 1 秒以下）。

シンクロトロン放射は、加速器内で、粒子物理学の分野では望ましくないエネルギー損失を引き起こす厄介者として、または多くの実験室用途のために意図的に生成される放射源として発生することがあります。電子は数段階で高速に加速され、最終的に通常ギガ電子ボルト範囲のエネルギーに達します。電子は、強力な磁場によって閉じた経路を移動させられます。これはラジオアンテナに似ていますが、相対論的な速度により、ドップラー効果により観測される周波数が 倍に変化するという違いがあります。相対論的なローレンツ収縮により、周波数がさらに 倍に跳ね上がり、電子をX線範囲に加速する共鳴空洞のギガヘルツ周波数が倍増します。相対性のもう1つの劇的な効果は、放射パターンが、非相対論的理論から予想される等方性双極子パターンから、非常に前方を向いた放射円錐に歪むことです。これにより、シンクロトロン放射源は、最も明るい既知のX線源となっています。平面加速形状により、軌道面で観測すると放射線は直線偏光し、その面に対して小さな角度で観測すると円偏光する。^[要出典]${\displaystyle \gamma }$${\displaystyle \gamma }$

シンクロトロン放射を分光法や回折に使用する利点は、1960年代から1970年代にかけて、ますます成長を続ける科学界によって認識されてきました。当初、加速器は素粒子物理学のために構築され、ビームパイプに追加の穴を開けて偏向磁石放射を抽出する必要があったときに、シンクロトロン放射は「寄生モード」で使用されました。シンクロトロン光源として委託された最初の蓄積リングは、シンクロトロン放射センターのタンタラスで、1968年に初めて運用されました。 ^[5]加速器シンクロトロン放射がより強力になり、その用途がより有望になるにつれて、シンクロトロン放射の強度を高めるデバイスが既存のリングに組み込まれました。第3世代のシンクロトロン放射源は、明るいX線を生成するために最初から考案され、最適化されました。極めて^要求が厳しく、おそらくまだ考えられていない実験のために、超高輝度のパルス時間構造化X線を生成するための異なる概念を含む第4世代の放射線源が検討されています。^[要出典]

当初、この放射線を生成するために加速器の電磁石が使用されましたが、より強力な放射線を生成するために、他の特殊な装置、つまり挿入装置が使用されることもあります。現在の (第 3 世代) シンクロトロン放射線源は、通常、これらの挿入装置に依存しており、ストレージ リングの直線部分に周期的な磁気構造 (N 極と S 極が交互に並ぶパターンの多数の磁石で構成 - 上図を参照) が組み込まれ、電子を正弦波またはらせん状の経路に押し込みます。したがって、1 回の曲げではなく、正確に計算された位置での数十または数百の「揺れ」が、ビームの総強度を加算または倍増します。^{[引用が必要]}

これらの装置はウィグラーまたはアンジュレータと呼ばれます。アンジュレータとウィグラーの主な違いは、磁場の強さと電子の直線経路からの偏差の振幅です。^[要出典]

蓄積リングには開口部があり、そこから放射線が放出され、ビームラインに沿って実験者の真空チャンバーに入ります。このようなビームラインは、最新の第 3 世代シンクロトロン放射線源から多数生成されます。^{[引用が必要]}

電子は加速器本体から取り出され、超高真空の補助磁気貯蔵リングに貯蔵され、そこで何度も周回する。リング内の磁石は、電子束を乱す傾向のあるクーロン力（空間電荷）に逆らってビームを繰り返し再圧縮する必要もある。方向転換は加速の一形態であり、電子は GeV エネルギーで放射線を放出する。^[要出典]

• 磁場中を高エネルギーで周回する電子ビームのシンクロトロン放射は、ビーム内の電子の放射自己分極を引き起こす（ソコロフ・テルノフ効果）。^[6]この効果は、さまざまな実験で使用するために高度に分極した電子ビームを生成するために使用されています。^[要出典]
• シンクロトロン放射は、放射減衰と量子励起の効果を介して、電子蓄積リング内のビームサイズ（ビームエミッタンスによって決定される）を設定します。 ^[7]

シンクロトロン施設では、電子は通常、シンクロトロンによって加速され、次に蓄積リングに注入されてリング内を循環し、シンクロトロン放射を生成しますが、それ以上のエネルギーを得ることはありません。放射は、電子蓄積リングの接線方向に投影され、ビームラインによって捕捉されます。これらのビームラインは、蓄積リングの角にある曲げ磁石、または蓄積リングの直線部分にある挿入装置から発生する場合があります。X 線のスペクトルとエネルギーは、2 つのタイプ間で異なります。ビームラインには、帯域幅、光子束、ビーム寸法、焦点、および光線のコリメーションを制御する X 線光学装置が含まれます。光学装置には、スリット、減衰器、結晶モノクロメータ、およびミラーが含まれます。ミラーは、ビームを焦点を合わせるために曲線またはトロイダル形状に曲げることができます。小さな領域での高い光子束は、ビームラインの最も一般的な要件です。ビームラインの設計は、アプリケーションによって異なります。ビームラインの端には実験エンドステーションがあり、サンプルが放射線のライン上に配置され、結果として生じる回折、散乱、または二次放射線を測定するための検出器が配置されます。

シンクロトロン光は、材料科学、物理学、化学の多くの種類の研究に理想的なツールであり、学術、産業、政府の研究所の研究者によって使用されています。いくつかの方法は、特定の種類の実験用に設計されたビームラインで、シンクロトロン放射の高強度、調整可能な波長、コリメーション、および偏光を活用しています。シンクロトロンX線の高強度と透過力により、特定の環境用に設計されたサンプルセル内で実験を行うことができます。サンプルは、加熱、冷却、またはガス、液体、または高圧環境にさらされる場合があります。これらの環境を使用する実験は、in situと呼ばれ、他のほとんどの特性評価ツールではアクセスできない原子からナノスケールの現象の特性評価を可能にします。in operando測定は、材料の実際の動作条件を可能な限り模倣するように設計されます。^[8]

X 線回折(XRD) と散乱実験は、結晶性物質と非晶質物質の構造解析のためにシンクロトロンで行われます。これらの測定は、粉末、単結晶、または薄膜に対して行うことができます。シンクロトロン ビームの高解像度と強度により、希薄相からの散乱の測定や残留応力の分析が可能になります。ダイヤモンド アンビル セルを使用して高圧で物質を研究し、極端な地質環境をシミュレートしたり、異質な物質を作成したりできます。^{[引用が必要]}

タンパク質やその他の高分子（PXまたはMX）のX線結晶構造解析は日常的に行われています。シンクロトロンベースの結晶構造解析実験はリボソームの構造を解明する上で不可欠でした。^{[9] [10]}この研究は2009年にノーベル化学賞を受賞しました。

ナノ粒子のサイズと形状は、小角X線散乱（SAXS）を使用して特徴付けられます。表面上のナノサイズの特徴は、同様の技術である斜入射小角X線散乱（GISAXS）で測定されます。^[11]この方法や他の方法では、入射ビームに対して結晶表面を小さな角度に配置することで表面感度が実現され、全外部反射が達成され、材料へのX線の浸透が最小限に抑えられます。^{[引用が必要]}

表面、界面、薄膜の原子からナノスケールの詳細は、X線反射率（XRR）や結晶切断ロッド（CTR）分析などの技術を使用して特徴付けることができます。^[12] X線定在波（XSW）測定は、表面上または表面近くの原子の位置を測定するためにも使用できます。これらの測定には、動的回折現象を解像できる高解像度の光学系が必要です。^[13]

液体や溶融物などの非晶質材料や、局所的に無秩序な結晶性材料は、高エネルギーX線散乱データを必要とするX線ペア分布関数解析を使用して調べることができます。 ^[14]

対象とする特定の元素の吸収端を通るビームエネルギーを調整することで、その元素の原子からの散乱が修正されます。これらのいわゆる共鳴異常X線散乱法は、サンプル内の特定の元素からの散乱寄与を解明するのに役立ちます。^{[引用が必要]}

その他の散乱技術には、エネルギー分散型X線回折、共鳴非弾性X線散乱、磁気散乱などがある。^[要出典]

X 線吸収分光法(XAS) は、物質や分子内の原子の配位構造を調べるために使用されます。シンクロトロン ビームのエネルギーは、対象元素の吸収端に調整され、吸収の変調が測定されます。光電子遷移により吸収端付近で変調が生じ、これらの変調 ( X 線吸収近端構造(XANES) または近端 X 線吸収微細構造(NEXAFS) と呼ばれる)を分析すると、その元素の化学状態と局所的対称性に関する情報が明らかになります。入射ビームのエネルギーが吸収端よりもはるかに高い場合、光電子散乱により拡張 X 線吸収微細構造(EXAFS) と呼ばれる「リンギング」変調が生じます。EXAFS領域のフーリエ変換により、吸収原子の周囲の結合長と数が得られます。そのため、液体や非晶質材料^[15]だけでなく、不純物などの希薄種の研究にも役立ちます。関連技術であるX線磁気円二色性（XMCD）は、円偏光X線を使用して元素の磁気特性を測定します。^[要出典]

X 線光電子分光法(XPS) は、光電子分析装置を備えたビームラインで実行できます。従来の XPS は、通常、真空下で材料の表面数ナノメートルのプローブに限られています。しかし、シンクロトロン光の高強度により、大気圧に近いガス圧で表面の XPS 測定が可能になります。大気圧 XPS (AP-XPS) は、模擬触媒または液体条件下での化学現象の測定に使用できます。^[16]高エネルギー光子を使用すると、実験室の XPS 装置で生成されるものよりもはるかに長い非弾性平均自由行程を持つ高運動エネルギー光電子が生成されます。したがって、シンクロトロン XPS のプローブ深度を数ナノメートルまで長くすることができ、埋め込まれた界面の研究が可能になります。この方法は、高エネルギー X 線光電子分光法 (HAXPES) と呼ばれます。^[17]さらに、シンクロトロンX線光子エネルギーの調整可能な性質は、2～50nmのオーダーの広範囲の深さ感度を示します。^[18]これにより、より深い深さでのサンプルの探査と非破壊的な深さプロファイリング実験が可能になります。

物質の組成は、蛍光X線（XRF）を使用して定量的に分析できます。XRF検出は、特定の元素の吸収の変化を測定する必要があるXASやXSWなどの他のいくつかの技術でも使用されます。^{[引用が必要]}

その他の分光技術には、角度分解光電子分光法(ARPES)、軟X線発光分光法、およびメスバウアー分光法に関連する核共鳴振動分光法などがある。^[要出典]

シンクロトロンX線は、従来のX線イメージング、位相コントラストX線イメージング、およびトモグラフィーに使用できます。オングストロームスケールのX線波長は、可視光の回折限界をはるかに下回るイメージングを可能にしますが、実際にこれまでに達成された最小解像度は約30 nmです。^[19]このようなナノプローブ源は、走査透過型X線顕微鏡（STXM）に使用されます。イメージングは​​、 X線蛍光またはX線吸収分光法などの分光法と組み合わせて、サンプルの化学組成または酸化状態をサブミクロンの解像度でマッピングすることができます。^[20]

その他の画像化技術としてはコヒーレント回折画像化がある。^[要出典]

同様の光学系は、 MEMS構造のフォトリソグラフィーにも使用でき、 LIGAプロセスの一部としてシンクロトロンビームを使用できます。^{[引用が必要]}

調整可能なコリメートされた コヒーレントX 線放射の有用性のため、シンクロトロンによって生成される光源をより小型で経済的なものにする努力がなされてきた。その目的は、コストと利便性の理由から、そのような光源を研究室で利用できるようにすることである。現在、研究者は実験を行うために施設まで出向く必要がある。コンパクトな光源を作る方法の 1 つは、数十メガ電子ボルトの比較的低いエネルギーで貯蔵された電子からのコンプトン散乱近可視レーザー光子のエネルギーシフトを利用することである (たとえば、コンパクト光源 (CLS) ^[21]を参照)。しかし、この方法では比較的低い衝突断面積しか得られず、レーザーの繰り返し率は、通常の貯蔵リング放射で自然に生じるメガヘルツの繰り返し率ではなく、数ヘルツに制限される。別の方法は、プラズマ加速を使用して、電子を静止状態から磁気装置内で UV または X 線放射に必要なエネルギーまで加速するために必要な距離を短縮することである。^[要出典]

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• 光源一覧

• エレットラ シンクロトロン トリエステ - エレットラおよび FERMI 光源
• シンクロトロン光源で古代の昆虫を撮影 -- BBC
• IOPのシンクロトロン光