KEKの初夢? 放射光施設に「ハイブリッドリング」《土着通信部》49

【コラム・相澤冬樹】高エネルギー加速器研究機構（KEK、つくば市大穂）を「高エ研」と呼んでいた1980年代初め、フォトンファクトリー（PF、直訳すると光の工場）というしゃれた名前の施設が運転を開始した。その初代施設長が3年前の冬に97歳で亡くなった高良和武さんで、第3代施設長の千川純一さんも昨年暮れ92歳で逝去された。

KEKが新年5日に、研究成果「放射光源設計の新機軸–ハイブリッドリングによる放射光2ビーム同時利用」の発表をすると知って2人の名を思い出した。フォトンファクトリーこそ放射光施設で、光といっても主にX線を幅広く用いる。その40年目の新機軸ということで、初夢感たっぷりの話が聞けるのではとオンライン記者会見への参加を申し込んだ。

10年かけて建設目指す

高エネルギーの電子など荷電粒子が磁場によって曲げられるとき、電磁波を放射する現象（シンクロトロン放射）が起こる。エネルギーのそろった強力なX線を得られることから、高良さんらは分子・原子レベルの構造解析や微細加工に利用できると目をつけた。PFは国内最初の放射光利用の専用施設として1982年にファーストビームの発生に成功、以来40年の長きにわたり、大学の基礎研究から企業の応用研究まで、幅広く活用されて成果を挙げてきた。

発表資料には、KEK加速器研究施設の原田健太郎准教授、小林幸則教授、KEK物質構造科学研究所の船守展正教授（放射光実験施設長）らの研究グループが、新概念による放射光源施設「ハイブリッドリング」を考案したとある。今のところ、線形加速器と蓄積リングとを組み合わせた新しい放射光源のアイデアの提案で、予算化や建設・稼働の時期などに見通しをつけたものではない。2030年代前半までにPFの後継施設の建設を目指しているという。

40年の間に、日本の放射光施設は11光源を数え、極めて高い輝度を得られるSPring-8が1997年、播磨科学公園都市（兵庫県）に稼働開始するなどし、「第4世代」に突入した。「第3世代」のPFは2つめの光源加速器PF-ARを設けるなど改良を加え、現在も一線級の放射光施設として運用されているが、輝度偏重から脱却し、汎用性と柔軟性を実現する方向に転換しようとしている。

使い勝手を優先した設計の蓄積リングを基本とし、入射器として長パルスの超伝導線形加速器を組み合わせた、ハイブリッド型が考案された。従来型の蓄積ビームからの放射光利用に加え、リングの⼀部分（3分の2周）に入射器からの超高性能電子ビームを⼀度だけ通過（シングルパス）させ、そのビームからの放射光利用も行う。線形加速器からのシングルパスビームを使えば、ビームサイズやパルス幅、ビーム繰り返しといった蓄積リングでは変更困難なパラメーターに対する柔軟性も得られ、さらに、蓄積ビームからの放射光と組み合わせることで、放射光2ビーム同時利用も可能になるという。

光源の設計や性能についての解説は、難解極まりない。会見で出た話の中では「光学・電子顕微鏡に出来て、放射光に出来ないことを実現するのがハイブリッドリングの目的になる」（原田准教授）という説明が分かりやすかった。

たとえば「大きな試料全体の測定から始め、特徴的な場所に向け倍率をあげていきながら、詳細な測定を段階的に行っていくこと」が放射光では出来ないそうだ。顕微鏡では対物レンズを替えながら倍率を大きくしていくが、放射光では焦点を当てた箇所が狙い通りとは限らない。輝度を上げることで細かいものは非常によく見えるようになっているが、どこを見ればいいか、その指標がない。放射光2ビームの同時利用で、段階的な詳細測定が可能になるという説明だった。

こうした開発研究から放射光科学を先導する新しい技術が生まれる期待がある。２つのビームの独立制御などシミュレーションを繰り返すなどして、10 年先の実現に向け、夢を追う形だ。船守教授は「PFの先人たちは40年前、世界に例のない施設を作って放射光科学を引っ張っていこうとしていた。今日、大変難しい技術が多いが、私たちも改めて難関に取り組んでいきたい」と語った。（ブロガー）