4 GeVビームで上海の大型プロジェクトが稼働に近づく
上海の中国SHINE研究施設は、完成時に計画されている加速器のエネルギーの半分にあたる4ギガ電子ボルト（GeV）の電子ビームを使い、初めて自由電子レーザー光を発生させた。上海科技大学が10月21日にこの成果を発表し、2027年末までの完成・稼働というプロジェクト目標に向けた大きな前進となった。
目次
初発振は、長さ4メートルで、55ミリメートルごとに繰り返す磁気パターンを持つアンジュレーターモジュール18基を使って実現した。これらのモジュールを合わせると磁気構造の長さは72メートルに及ぶ。高速の電子を曲がりくねった経路に沿って進ませ、光を放射させることで、強力なレーザーパルスへと増幅する。
SHINEは「Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility」の略称で、ナノメートル規模の構造やフェムト秒単位で起きる変化を調べるために設計されている。ナノメートルは1メートルの10億分の1、フェムト秒は1秒の1000兆分の1だ。こうした時間・空間スケールを利用し、原子や分子の微細構造と急速な動きを研究できる。
建設は2018年4月に始まった。完成時には、超伝導線形加速器のエネルギーは8 GeVに達し、運転モードによっては毎秒最大100万回のX線パルスを発生させる見込みだ。最初の2本のアンジュレーターラインは、光子エネルギー0.2～15キロ電子ボルト（keV）に対応する予定。
今回の成果は、装置を稼働可能な状態に整え、性能を確認する試運転中にレーザー光を発生させたことだ。外部研究者を受け入れた定常的な実験は、2027年の稼働への移行計画に含まれている。上海科技大学は、正確な開所日や研究者向けの申請日程を発表していない。
電子の運動からX線レーザーが生まれる仕組み
多くの一般的なレーザーに使われる発光材料ではなく、SHINEは電子を利用する。線形加速器で電子にエネルギーを与えた後、アンジュレーターに通す。交互に向きを変える磁場によって電子が左右に動き、放射光を発生させる。
電子と放射光は、連続するモジュールを進む間に相互作用する。適切な条件下では、電子が微小な集団を形成して一斉に光を放ち、光を強力なパルスへと増幅する。電子のエネルギーと磁気構造の間隔は、生成される光を構成する個々のエネルギーの単位、すなわち光子のエネルギーを決める要因となる。
4 GeVという数値は、初発振に用いた電子ビームを表す。一方、0.2～15 keVは最初の2本のラインから得られると見込まれる光子のエネルギー範囲だ。これは装置の異なる部分を測る数値で、GeVはこの場合、プロセスを駆動する粒子を、keVは実験に使われるX線をそれぞれ表している。
SHINEは連続波の超伝導加速器を採用している。超伝導部品は極低温で動作し、電気抵抗が非常に小さい状態で電流を流す。連続波運転では加速器の高周波電場を連続して稼働できるため、間隔の大きく離れたバーストに頼らず、高頻度で電子バンチを発生させられる。
エネルギー範囲の異なる3本のビームライン
第1期の全体計画は、初発振の節目で使われた装置よりも大規模だ。国際粒子加速器会議で発表されたプロジェクトの2024年の進捗報告書は、3本のアンジュレーターライン、3本のX線輸送ビームライン、10カ所の実験ステーションを記載し、基準となる光子エネルギー範囲を0.4～25 keVとしている。
FEL-Iは3～15 keV、FEL-IIは0.4～3 keV、FEL-IIIは10～25 keVに対応する設計だ。FEL-IIは最もエネルギーが低く、軟らかいX線を発生させる。残る2本は、光子エネルギーが高く波長が短い、より硬いX線を発生させる。
今回の発表で示された0.2～15 keVという範囲は、最初の2本のラインに関するものだ。より広い0.4～25 keVの基準範囲にはFEL-IIIが含まれる。2024年の報告書は、5 GeVの電子ビームをFEL-IIに送る追加バイパスについても記載しており、これにより出力の下限を0.2 keVまで広げられる。
同報告書によると、FEL-Iには平面型アンジュレーターが42基、FEL-IIには32基設置されるほか、光の電場が振動する方向である偏光を調整できる下流側アンジュレーターが4基設けられる。初発振に使われた18基のモジュールは、より大規模な設置計画における試運転時の構成の一つだ。
性能はラインごとに異なる。設計上、FEL-IとFEL-IIのパルス幅は約30フェムト秒、繰り返し周波数は最大1 MHz、つまり毎秒100万回だ。2023年の技術研究では、FEL-IIIは最大0.1 MHz、すなわち毎秒10万回とされている。
ごく短いパルスで見える現象
生命科学、量子材料、次世代エネルギー研究は、SHINEの想定用途に含まれる。微小な空間スケールと極めて短い照射時間の組み合わせは、こうした研究の柱となる。研究者は物質の構造と、その構造がどのように変化するかの両方を明らかにしようとしている。
短いX線パルスを使えば、急速な現象の一段階を捉えられる。現象の開始から観測までの時間を変えながら実験を繰り返すことで、別々のコマから動画を組み立てるように、変化の連続を再構成できる。高頻度のパルスは測定の機会を増やすため、一回ごとの信号が弱い場合に特に役立つ。
初期の実験ステーションでは、コヒーレント回折イメージング、超高速X線分光、光電子測定、シリアルフェムト秒結晶構造解析を行う計画だ。回折イメージングは、試料にX線を照射して散乱させたときにできるパターンから構造を再構成する。分光法では、物質が放射をどのように吸収・放出するかを調べ、電子構造に関する情報を得る。
シリアルフェムト秒結晶構造解析では、多数の微小結晶に極短パルスを照射し、回折パターンを集める。光電子測定は、光によって放出される電子を測定し、材料内部で電子がどのように振る舞うかを調べるのに役立つ。計画されている手法を組み合わせることで、SHINEは微視的構造と急速な物理・化学変化を結び付けて研究する複数の手段を提供する。
光そのものをより精密に制御
SHINEの軟X線ラインは、単一のパルスではなく、複数の運転モードに対応するよう設計されている。『Frontiers in Physics』に掲載された2023年のビームライン研究は、基準となる選択肢として、自己増幅自発放射、セルフシーディング、外部シーディング、偏光制御を挙げている。
一般にSASEと略される自己増幅自発放射では、電子が最初に放つ放射をもとにレーザー光を増幅する。シーディングは、より制御された信号を出発点にする。セルフシーディングではX線放射の一部を選別して、さらなる増幅に使う。外部シーディングでは別のレーザーを起点とする。これらの方法は、スペクトルや時間構造をより精密に制御した光の生成を目指す。
同研究が記載する軟X線放射器は、長さ4メートルのモジュール32基で構成され、主磁気周期は55ミリメートルだ。上流側の14基は、55ミリメートルと75ミリメートルの周期を切り替えられる設計となっている。この柔軟性により、さまざまな運転条件に対応し、シードレーザーの放射をより短い波長に変換する技術を利用できる。
関連技術の一部は、SXFELとして知られる別施設、上海軟X線自由電子レーザー施設ですでに試験されていた。同研究は、電子を制御してシードレーザーの周波数の整数倍で放射させるエコー対応高調波発生法を用い、第47次および第54次高調波でレーザー発振を確認したと記録している。また、第61次高調波の信号も記録された。
光子エネルギーの狭い範囲を選択する光学機器、モノクロメーターは、2022年末にSXFELで試験された。520電子ボルトで5300を超える分解能を達成した。こうした開発は、SHINEでより精密に選別したX線パルスを供給する取り組みを支える。同研究では、フェムト秒の1000分の1の長さであるアト秒パルスなど、将来の可能性についても論じている。
極限環境をつくる100ペタワットレーザー
SHINEは、自由電子レーザーと出力100ペタワットの超短パルスレーザーを組み合わせる「極限光ステーション」も計画している。プロジェクトは、これほどの出力のレーザーと自由電子レーザーを組み合わせる世界初の実験ステーションと説明している。
1ペタワットは1000兆ワットだ。100ペタワットという値は、極めて短いパルスのピーク出力を示す。このように短い時間にエネルギーを集中させることで、極限環境下の物質を研究するための強力な電磁場を実験で作り出せる。
2024年の進捗報告書は、このステーションの研究目標に、強電場量子電磁力学を挙げている。量子電磁力学は、光と電荷を持つ粒子の相互作用を記述する理論だ。極めて強い場を使えば、通常の実験室では見られない条件下でその相互作用を研究できる。
この複合施設は、高エネルギー密度物理学の研究も支援する計画だ。これは、小さな体積に大量のエネルギーが集中した物質を研究する分野である。高強度の光学レーザーとX線プローブを同じ実験で使えば、極限環境を作り、その内部で何が起きるかを調べられる。
全長3キロ超の装置を連携させる
SHINEの全長は約3.1キロメートルで、地下約29メートルに建設されている。この規模では、加速器や磁石だけでなく、タイミング制御、機器制御、迅速な保護機能も科学装置の重要な要素となる。
『Nuclear Engineering and Technology』掲載の制御システムに関する論文は、最大1万台の装置を制御するシステムについて記述している。対象には電源、レーザー、真空装置など、加速器施設全体に配置された機器が含まれる。
このシステムは、実験物理・産業制御システム（EPICS）の枠組みを使い、機器制御を運転員用インターフェース、データ収集、監視機能に接続する。White Rabbit技術に基づくタイミングネットワークが、施設全体にクロック信号を配信する。入射器のタイミングシステムは設置され、正常に使用されており、1.003086 MHzの信号を配信していた。
機械保護も難しい課題だ。設計では約5000件の異常信号を監視し、機器の状態に応じてビームを減速または停止するためのプログラム可能な電子機器を使う。論文によれば、応答時間はステーション内で1マイクロ秒未満、ステーション間で30マイクロ秒未満だ。強力なビームが想定外の状態で進んだ場合、迅速な保護によって損傷を抑えられる。
論文の投稿時点では、運用可能な状態にあったのは入射器だけで、加速器全体の制御システムはまだ開発中だった。その後の初発振の発表は、試運転が次の段階に進んだことを示す。加速器、放射線輸送、保護システム、実験ステーションを統合する作業は、定常的な科学利用への移行に向けて引き続き重要となる。
SHINEの建設を担う機関と今後の予定
建設を担う法的主体は上海科技大学だ。プロジェクト計画、エンジニアリング監督、品質・安全管理、将来の運用と一般公開を担当する。また、土木工事、5カ所の実験ステーション、ビームライン建設の一部も担っている。
中国科学院上海高等研究院は、加速器、アンジュレーター、ユーティリティ設備、一部のビームラインを担当する。上海光学精密機械研究所は、極限光物理学ビームラインのステーションを建設している。この分担により、加速器、実験設備、将来の利用者対応は複数機関が担う。
公表された節目からは、地下工事からビーム試運転までの進捗をたどることができる。
- 2018年4月：上海で土木工事が始まる。
- 2022年末：SXFELでのモノクロメーター試験が、520電子ボルトで5300を超える分解能を達成。
- 2023年4月：SHINEの入射器の設置が始まる。
- 2023年末：2024年の進捗報告書によると、すべての立坑とトンネルが完成。
- 10月21日の発表：上海科技大学が、4 GeVの電子ビームとアンジュレーターモジュール18基を使った初発振を公表。
- 2027年末：SHINEの完成・稼働目標。
建設の進展に伴い、以前の技術スケジュールは変更されてきた。2023年のビームライン研究は、2025年春にFEL-IIの試運転を見込んでいた。2024年の進捗報告書は、2025年末までの初発振は可能だが困難とし、2027年の利用者実験を見込んでいた。最新の発表では、完成・稼働の目標を2027年末としている。
SHINEは、高頻度のパルスと硬X線自由電子レーザーの性能を兼ね備えた、特定の種類の施設の一つとされる。もう一つは、米国で建設中のLinac Coherent Light Source II高エネルギー増強施設だ。研究者にとって上海のプロジェクトがもたらす実用的な価値は、試運転の完了後、計画されているエネルギー範囲、パルスモード、実験ステーションを利用できるかどうかにかかっている。
要点
- SHINEは上海で、4 GeVの電子ビームとアンジュレーターモジュール18基を使った初発振を達成した。
- 完成時の加速器は8 GeVを目指しており、今回の節目で使われた電子エネルギーの2倍となる。
- 最初の2本のラインは0.2～15 keVに対応する見込みで、3本全体の基準範囲は25 keVまで広がる。
- 一部の運転モードでは、数十フェムト秒のパルスを毎秒100万回発生させることを目指す。
- 第1期では10カ所の実験ステーションを計画し、その中にはX線と100ペタワットレーザーを組み合わせる施設も含まれる。
- 上海科技大学がプロジェクトを主導し、2027年末の完成・稼働を目指す。
