ＳＰring−８（大型放射光施設） (08-01-03-17)

＜本文＞
１．放射光の発生原理（図１参照）
　光速に近い速さの電子が磁場中で進行方向を急激に曲げられた時、その接線方向に発生する電磁波を放射光（あるいはシンクロトロン放射、synchrotron radiation、SR）と呼び、1940年代にソ連のヴェクスラー（V.I.Veksler）および米国のマクミラン（E.M.McMillan）が独立に提案して以来、（1）強度が高い（2）波長領域が広い（3）指向性がよい（4）偏光している等の特徴から、その利用技術は急速に発展してきた。
２．放射光施設の変遷
　放射光施設は、高エネルギー物理学実験用加速器からのビームを利用した第一世代の装置、次いで放射光専用の蓄積リングを用いた第二世代の装置へと発展してきた。これらの装置の光源は主として電子の方向を曲げる偏向電磁石である。これに対しSPring-8は第三世代の装置と呼ばれる。これは電子軌道を蛇行させることによって発生する放射光を干渉させる挿入光源（アンジュレータ、ウィグラー：図２参照）を主たる光源とし、従来の光源と比較して極めて高輝度の放射光が得られる装置である。
３．高輝度放射光と大型放射光施設
　輝度の高い放射光を望むのであれば、蓄積電子のビームサイズ（正確にはエミッタンス）を小さくした蓄積リングが必要になる。蓄積リングで設計可能なエミッタンスの最小値は、電子エネルギーの２乗と偏向電磁石総数の３乗に比例するので、同じ電子のエネルギーで低エミッタンスの放射光を得るには偏向磁石の数を増やす必要がある。これは必然的に周長が長い巨大な蓄積リングを持つ大型放射光施設であることを意味し、また同時にそのような蓄積リングでは偏向磁石と偏向磁石の間の直線部を多数設けることができるので、そこに挿入光源を導入してより輝度を高めることも可能となる。
　このような、蓄積リングの周長が1,000ｍを超える巨大な装置は第三世代（＊）の放射光施設と呼ばれ、現在ヨーロッパ17カ国で共同運営しているESRF、アルゴンヌ国立研究所にあるAPS、SPring-8の３つの大型施設が稼動中である（図３参照）。
４．大型放射光施設の放射光の特性（図４参照）
　SPring-8のような大型放射光施設で得られる光の特徴として次の３点がある。
（1）極めてつよいＸ線であり、一般に利用されているＸ線管方式のものと比較して百万倍以上も強い強度を持つ（高輝度）
（2）赤外線〜硬Ｘ線領域までの連続スペクトルであり、実験に必要な波長を任意に選択できる（連続スペクトル）
（3）指向性、偏向性を持つ極めて短いパルス光である（指向性、偏向光、パルス性）
　また、大型放射光施設では放射光を干渉させる挿入光源（アンジュレータ、ウィグラー）が主たる光源となるが、挿入光源から発生する放射光は50ｍ先で５mm程度しか広がらない、非常に指向性に優れた光である。
（4）先端実験施設（医学利用実験施設、RI実験棟、長尺（1km）ビームライン実験施設）まで導入された放射光の利用が可能である。
（5）高エネルギーガンマ線専用のレーザー電子光ビームライン（LEP）を備えている。
５．SPring-8の特徴
　SPring-8は第三世代の放射光施設として世界最高の性能となるよう、以下の方針で設計された。
（1）高輝度を得るために蓄積リングは電子ビームを５nm・rad程度の低エミッタンスとする。
（2）主たる光源となるアンジュレータの１次光で10〜20keVのエネルギーの光を、10E19光子数／秒／mm²／mrad²／0.1％バンド幅以上の輝度で実現する。
（3）多極ウィグラーで200keV程度のＸ線を10E17光子数／秒／mm²／mrad²／0.1％バンド幅程度の輝度で実現する。
（4）挿入光源用の直線部を40本程度確保する。また特別に長い直線部を４本準備する。
（5）加速粒子としては電子、陽電子の両方を可能とする。
６．SPring-8の概要
　SPring-8の加速器は電子を８GeVまで加速する入射系と、電子を長時間蓄積する蓄積リング、および放射光を取り出し利用するビームラインから成る。SPring-8の主要施設を図５に示す。線型加速器、シンクロトロンおよび蓄積リングの主要諸元をそれぞれ表１、表２、表３に示す。
（1）入射系
　入射系は１GeVの線型加速器と８GeVのシンクロトロンから構成される。
　線型加速器は250MeVの部分に陽電子コンバータを設置し、陽電子利用に対応できるよう配慮されている。またその際には小型の陽電子蓄積リングも設置できるようなスペースを建物内に確保している。
　シンクロトロンは線型加速器から入射された１GeVの電子を８GeVまで加速して蓄積リングに送る。偏向電磁石、四極電磁石、六極電磁石を規則正しくリング状に並べたFODO型と呼ばれる磁石配置で製作されている。
（2）蓄積リング
　蓄積リングは、Chasman-Green型と呼ばれる磁石配置で、挿入光源を設置するための直線部を多数確保している。また１周（1，436m）のうち４箇所は将来の利用に備え偏向電磁石を除いた磁石配置になっていて、特別に長い直線部になっている。
　低エミッタンス実現のためには、機器の配置、特に各種の誤差に対して非常に敏感な磁石の配置が重要であり、磁石の製作精度は数ミクロン以内に抑えられている。また建物の変形にも対策が必要であり、強固な岩盤上に建物を建設し、断熱対策も十分に施されている。さらに磁石の精密な設置には特に注意を払い、１台数百キログラムから数トンにもなる電磁石約1，000台が50ミクロン以内の誤差精度で据え付けられている。
　蓄積リングは８GeVの電子ビームを安定に100時間以上の長時間にわたって蓄積するため、電子ビームを蓄積した状態で約10E−8Pa（10E−10Torr）以下の真空を実現させる必要がある。そのため電子ビームの通り道となる真空ダクトにはＮＥＧポンプを内蔵するような工夫を払っている。
（3）ビームラインと利用研究分野例（図６）
　放射光は、ミラーや分光器を設置したビームラインを通って実験ステーションに導かれる。SPring-8のビームラインは、偏向電磁石から23本、挿入光源（4.5mビームライン34本、25mビームライン4本）から38本設置することが可能である。それらのビームラインは、多数のユーザが交互に使用する共用ビームラインと、一部のユーザが専有して使用する専用ビームラインに分けられる。ビームラインは要素機器の規格化が図られ、また建設はユーザからの申請に基づきビームライン検討委員会で審査される。
　ビームラインの長さは蓄積リング棟実験ホール内で光源から80ｍの長さで設置される。このうち30ｍ程は蓄積リングを収納している放射線防護用コンクリート壁で囲われたマシン収納部内にあり、残りの部分が実験ホールに設置される。しかし実験の種類によってはより長いものが必要になる場合があり、300ｍあるいは1,000ｍの長さにまで延長できる中尺、長尺ビームラインをそれぞれ９本と３本設置することが可能である。また、敷地内には兵庫県立大学高度産業科学技術研究所が、SPring-8の線型加速器から電子ビームの供給を受けて電子ビームを1.0〜1.5GeVで蓄積する。主リングは周長119mで、14mの直線部を２箇所もつユニークなレーストラック型小型放射光施設（ニュースバル）である。ビームラインは８本稼動し、真空紫外線から軟Ｘ線領域の高輝度放射光で、光微細加工、物質評価と創薬などの産業利用技術の研究に使われている。
７．放射光の利用研究例（表４および表５参照）
　Ｘ線は物質を透過しやすいとともに、波長が短いため、電子と直接相互作用するという特性により、物質の構造を調べるのに適した光である。放射光はこのＸ線領域の光の輝度を飛躍的に向上させ、物性物理、化学、材料科学、ライフサイエンスなどの幅広い分野で多くの研究成果が得られ、生命科学への利用、物質科学への利用、地球科学への利用、環境科学への利用、医学への利用、産業への利用、核物理への利用と基礎研究から応用研究、産業利用に役立っている。
８．SPring-8の所在地
　SPring-8は、兵庫県が整備を進めている西播磨テクノポリス計画の中核を成す、播磨科学公園都市（計画都市面積約2，000ヘクタール、計画人口約25，000人）内に1997年10月に建設され供用を開始した。敷地は赤穂郡上郡町、揖保郡新宮町、佐用郡三日月町の三町にまたがる約140ヘクタールの広さがある。敷地の概観を図７に示す。
　SPring-8までの交通アクセスは以下のとおり、
（1）山陽新幹線相生駅から北へ約17キロメートル、播磨科学公園都市行きの路線バスで所要時間約30分
（2）中国自動車道佐用インターチェンジから南へ15キロメートル、所要時間約20分近隣には兵庫県立姫路工業大学理学部、住友電工播磨研究所（小型放射光装置を設置）がある。

［用語解説］
（＊）第一世代は、放射光の専用施設ではなく、素粒子物理学研究として建設された加速器により、放射光利用を行った時代のもの。第二世代は、放射光専用施設だが偏向磁石からの放射光利用が主なもの。第三世代は、専用の加速器にアンジュレータ主体の挿入光源を多数設置できるように設計された施設のもの。

＜図／表＞

＜関連タイトル＞
シンクロトロン放射光 (08-01-03-08)
SPring-8計画 (08-04-01-06)

＜参考文献＞
（1）日本物理学会（編）：シンクロトロン放射、培風館、（1986）
（2）原雅弘、宮原義一：大型放射光施設SPring-8について、Engineering、No.60、18-21（1993.8）
（3）大野英雄：大型放射光施設SPring-8の現状と利用研究、The Journal of Science Policy and Research Management、Vol.9，No.1-2，29-33（1994）
（4）大西正視、寺井隆幸ほか：特集高輝度放射光の発生と利用、日本原子力学会誌、Vol.36、No.7、587-610、（1994）
（5）日本原子力研究所・理化学研究所：大型放射光施設SPring-8（パンフレット）（1995年6月）
（6）上坪宏道：SPring-8計画の現状とその利用計画、原子力工業、40（11），15-20（1994）