X線自由電子レーザーパルスの特性を生かした高効率X線吸収分光法の開発 -超高速の化学反応を追跡するフェムト秒時間分解でのX線吸収分光が可能-

X線自由電子レーザーパルスの特性を生かした高効率X線吸収分光法の開発 -超高速の化学反応を追跡するフェムト秒時間分解でのX線吸収分光が可能-

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用語解説

X線自由電子レーザー(XFEL:X-ray Free Electron Laser)、SACLA

X線自由電子レーザーとは、X線領域におけるレーザーのこと。従来の半導体や気体を発振媒体とするレーザーとは異なり、真空中を高速で移動する電子ビームを媒体とするため、原理的な波長の制限はない。SACLAとは、理化学研究所と高輝度光科学研究センターが共同で建設した日本で初めてのXFEL施設。科学技術基本計画における5つの国家基幹技術の1つとして位置付けられ、2006年度から5年間の計画で建設・整備を進めた。2011年3月に施設が完成し、SPring-8 Angstrom Compact free electron LAserの頭文字を取ってSACLAと命名された。2011年6月に最初のX線レーザーを発振、2012年3月から共用運転が開始され、利用実験が始まっている。大きさが諸外国の同様の施設と比べて数分の1と、コンパクトであるにも関わらず、 0.1ナノメートル以下という世界最短波長のレーザーの生成能力を有する。

X線吸収分光法

試料にX線を照射すると、試料に含まれる元素に固有なエネルギーのX線が吸収される。照射するX線のエネルギーを変えながら物質による吸光度を測定する実験方法で、注目した原子周辺の局所的な構造や化学状態を知ることができる。分析する試料は結晶にする必要がなく、軽元素以外は大気中でも測定可能なため、測定できる試料の自由度が高い。

パルスの時間幅(パルス幅)

パルス光は一定の時間(時間幅)だけ発生する光のこと。パルス光の周期は、1秒間にパルス光が発生する回数であり、パルスの時間幅とは直接的には関係ない。

透過型回折格子

周期的な凹凸構造を持った光学素子。X線を照射すると透過する光に加えて、散乱波が互いに干渉しあい、特定の方向にだけ強い回折波(回折光)が進行する。

LCLS

米国スタンフォード線形加速器センター(現在のSLAC国立加速器研究所)で建設された世界で初めてのXFEL施設。Linac Coherent Light Sourceの頭文字をとってLCLSと呼ばれている。2009年12月から利用運転が開始された。

吸光度

光が物質を通過した際にどの程度弱まるかを示す無次元量(α)。入射光強度I0と透過光強度Iの比の対数をとり、吸収がある場合を正とするために負号を付けたもの

SASE(自己増幅自発放射)方式

Self Amplified Spontaneous Emissionの略。短波長のX線では反射率の高い鏡が存在せず共振器を作ることができない。そのため、加速した電子を非常に長いアンジュレータ(磁石列を上下に配置して、その間を通り抜ける電子から明るい光を放射させる装置)に通して、後ろの電子から出る光と前の電子との相互作用によって電子を波長間隔に並べ、コヒーレントなX線を発生させる方式。SASEのスペクトルおよび時間構造は、微細に観測すると細かいスパイク形状の集まりとなる。