コヒレント光源とサイエンスに関するWS〜第4世代光源の新たな基準とは

筆者がNSRL滞在中に開催された”Workshop on Coherent Light Source and Sciences”というワークショップに出席する機会を得た。ここでは会議の概略と筆者の感じた3GeV放射光の新展開(第4世代光源)について簡単に記したい。3GeV放射光問題の根底にある問題の理解と解決の糸口となれば幸いである。

 

NSRLは昨年800MeV蓄積リングHLS(800MeV)のアップグレードを完了したばかりで、新しい所長の元で昨年、”The second workshop on soft X-ray science opportunities using diffraction-limited storage rings” を開催している。SXSOはSoft x-ray science opportunityの略で、DLSRはdiffraction-limited storage ringを指す。つまり3GeVクラスの第4世代蓄積リング(注1)で可能になる軟X線領域のサイエンスの可能性を議論する会議である。

(注1)第3世代光源の中で、主流となっている3GeV光源を筆者は(6GeV以上の3光源と差別化して)第3.5世代と定義している。英語では3+という表現も多く使われ、3+ GENや3.5 GENは3GeV光源を意味している。ちなみに第4世代光源とはMAXIV以降のMBAラテイスとその発展系のラテイスを持つ光源と3.5世代光源のアップグレードを指す。なおPEP-XやKEK-Xも(スペック上は)第4世代光源に入る。

 

HALS
NSRLのあるHeifei市は中国政府の科学技術重点拠点に選出され、習近平中央委員会総書記が大学(USTC)を訪れて以来、市が中型放射光施設に積極的なこともあって新キャンパスにHALS(Heifei Advanced Light Source)と呼ぶ高輝度光源を整備する計画が前倒しになった(実現が前倒しになる放射光HALSについて)。今回のワークショップで発表されたがマシンのスペックは先の記事内容と大きな変更は無い。

しかし前倒しとはいえスケジュール的に2018-2020年のR&D、2021-2016年の建設・立ち上げで2016年度完成(10年)というのは、少々厳しいスケジュールかと思う。800MeVから2.4GeVへの変化だけでも大きいのに、いきなり第4世代光源の先端に立とうとするのは挑戦的すぎる。確かに中国の高層ビルや高速鉄道の建設ピッチは驚異的だし、円形加速器(計画中)、電波望遠鏡、量子暗号通信衛星など世界一の規模・水準のものが続々誕生しているのも事実だが、このワークショップで筆者が一番驚いたのは、NSRL所長が会議冒頭でHALSがDLSR(回折限界SR)となることを宣言したことである。いうまでもなく中国ではトップの宣言は絶対である。

HALS copy copy

Credit: NSRL

 

ワークショップの概略
ワークショップのプログラムは非常にタイトであったが、世界の先端に位置する第3.5世代3GeV放射光の現状とアップグレードについて、各施設のサイエンスデイレクターから詳しい説明が聞けた。

第4世代光源の先端を走るMAXIVを皮切りに以下の3GeV光源の現状とアップグレードが紹介された。MAXIVに合わせるかのようにアップグレードに力点が置かれたため、実現していないものも含めて第4世代マシンが出揃う形となった。MAXIVだけはMAXIV加速器主任のTavaresであったので、担当者からMBAラテイスの話が直接聞くことができた。筆者が注目したのはMBAラテイスの立ち上げの話だったが、苦労したと言う話は一切なかった。

 

また後述するようにHALSのお手本となるALS-U(オンデマンド放射光となるALSアップグレード(ALS-U))は、リングエネルギー1.9GeVに固執する。2016年9月にALS-U計画はDOEの予算申請の最初の段階(CD-0、Critical Decision Zero)に到達し、レビューに進むことになった。新計画ではコヒレント・フラックス(下図)は第4世代リングの中でも突出しており40keV以下では最高値となる。輝度で競う時代は過去のものとなり、今はコヒレント・フラックスが焦点となっている。さらにALS-Uは後述するようにラウンドビームも併せ持つ。しかしALS-Uでは独自のバンチ制御も移行するかどうかは未定だということであった。サイエンス的にはRIXとコヒレントイメージング(PCXI)で時間分解実験についてはコヒレントでpsecオーダーの時間分解脳の両立ができれば良い、とする話が多かった。

 

ワークショップで紹介された蓄積リングのリスト

MAXIV
ALS-U
SOLEIL
SLS
Diamond-II
CLS-2
SIRIUS

ALS U coherent flux 450x340 

Credit: ALS-U

 

MBAのダイナミック・アパーチュア問題は解決できる

これだけ第4世代のマシンの話をまとめて聞ける機会は加速器関連の会議や放射光国際会議でもないことだろう。紙面の都合で個々の内容には立ち入れないが、全体を通じて低エミッタンスあるいは高輝度だけを競う時代は過去のものとなり、かわってコヒレント・フラックスとラウンドビームにマシンスペックのキーパラメータが移行しつつあることが実感できた。特にラウンドビームについては、日本でも光源と並行してもっと議論を深めて行くべきなのだろう。つまりコミュニテイの大半を占めるユーザー側が新光源ができたら利用すればよい、という受身的な態度を変えて行くべきだと痛感させられた。

 

エミッタンスが同じでも扁平なビームでなく真円に近いラウンドビームの方が光学系にとって都合が良い。ラウンドビームの重要性は、SOLEILのラウンドビームプロジェクトが一足早かった。今や各施設がアップグレードに積極的な「位相空間制御」でこれを盛り込もうとしている。MAXIVの報告ではMAXIV-MBA(注2)の欠点(注3)は深刻な問題ではないことが確認された。ビームダクト形状も扁平から楕円に変化している。真空対応についてはMAXIVのようにCuパイプにNEG加工をするリングと従来のNEGポンプ配置を撮るものに分かれた。ちなみにSIRIUSは自分たちでNEG加工マシンを持っていて、加工がインハウス作業となる。

 

(注2)筆者はSIRIUSラテイスを5BAと勘違いしていたが、セル接続部に2BA入るのでESRF-EBS以降のいわゆる7BAラテイスと同じ7BAラテイスとなる。厳密にはそのためハイブリッドでない7BAラテイスと呼ぶべきなのだろう。ESRF-EBSがH-MBAラテイス採用に至ったのは狭すぎる7BAのダイナミック・アパーチュア問題のためであった。

(注3)6極磁石の磁場が強いためダイナミック・アパーチュアが狭くなって電子が周回できない恐れがあること。

 

ダイナミック・アパーチュアは2番目の第4世代マシンとなるSIRIUSで8mmくらいだが、On-axis入射では1mmで事足りるなどという過激な意見も出てきて筆者には驚きであった。MAXIVの加速器主任や他の施設の話も総合すると、この問題は理解度が進み解決できない問題ではないということらしい。筆者の記憶では4極の特殊なコイル(recessed coil)補正とリバースベンドでエミッタンス〜100pmradというのが標準的なエミッタンスになりつつあるという。ただし磁石のアラインメン誤差は100ミクロンに抑えなくてはならない。それはそれで大変ではあるが解決で機内問題ではな、要するに努力すればダイナミック・アパーチュア問題は解決できると理解した。

なお現状のCLSはこの会議では「場違い的なスペック」だが、CLS-2はアップグレードではなく新規マシンである。CLS-2ではKEK-LSと同じ8BAで16セル、3GeV、周長500mでエミッタンスが100pmrad以下となる。ちなみにダイナミック・アパーチュアは10mmである。これが以前の3GeVに関する記事で、SLiT-JもKEK-LSもスペックに不満が残ると書かせていただいた理由である。これからはエミッタンス100pmrad以下でしかもラウンドビームであることが、標準的なスペックになるならば、日本勢はまだまだ改良の余地がある。最後に示された最終パラメータは3GeV、周長576.5m、エミッタンス30pmrad(H: 66.2, V: 23.2)であった。なおSOLEIL-Uの最終パラメータは32pmradで第4世代の先頭に立つ。同じレベルの数値かどうかは少々疑問だがHALSの目標も30pmrad。2020年代後半にはこのあたりが先端的なエミッタンスなのだとしたら、筆者にはちょっとしたカルチャーショックだった。

 

第3.5世代の最後を飾るNSLSII
NSLSIIの報告は主に立ち上げ状況の報告で、第3.5世代の最後のマシンということもあって、新規建設の光源にしては存在感が感じられないのが残念だった。3GeV、500mAの設計値に対して、現在は350mAまで電流の積み上げができているが、RFパワーの不足で500mAにするには空洞の増強が必要とのこと。超伝導空洞(注4)とダンピングウイグラーが特徴で、長短直線部それぞれ15カ所を持つがそのうち28本のビームラインが完成している。超伝導ウイグラーを3年以内に設置する計画である。

(注4)超伝導空洞に対する考え方は様々で、MAXIVは安定性を重視して既存技術を採用したことを強調していた。またMAXIVはRF電源を周波数を100MHzとして携帯基地局の高周波(UHF)電源を流用したとのことである。FCC用のRF電源をスイスの電力会社が開発に協力しているということからも、(産業利用の他に)R&Dを企業も含めて行うことは参考になるのではないだろうか。

2017年のNSLSIIのビーム利用率は97%ということで、ここまでは順調な立ち上がりといえる。しかし「20年前のラテイス」と皮肉られるラテイスの陳腐化に対応するために、DBAからDDBAラテイスのNSLSIIIへのアップグレードを考慮中とのこと。DDBAといえばDiamondもDDBAに固執していて、将来はDTBA、DQBAと発展させるということだった。

またNSLSは光源動力学の各種シミュレーションコードの開発に余念がない。現在進めているのは下記のコード開発である。あたかも最先端のマシンでない代わりに、先進的な計算機コード開発に積極的に取り組んでいる姿勢をアピールしているかのようだ。

・ Nonlinear optics dynamics Square MatrixMethod
・ AC orbit bump method of local impedance measurement
・ Self-consistent Prallel Tracking Code SPACE

 

SIRIUSとラウンドビーム
2日目はSIRIUSとHALSの話が中心で最後に、第4世代光源の発表者たちによるパネルデイスカッションで締めくくられた。SIRIUSはスーパーベンドを用いる点でALSと似ているが、光源だけでなく様々な光学系のR&Dを真面目に取り組んでいる点に感心させられた。

SIRIUSはブラジルの施設で、国の財政難のあおりで建設が危ぶまれたり、第4世代として目立たない存在だが実はそうではない。MAXIV同様、個性あふれる新規性の極めて高い光源として建設は順調に進んでいる。

SIRIUSの2017年度予算規模は5200万ドル(日本円で約62.4億円)で、加速器に100M$、ビームライン(13本)に140M$、建物に220M$、雇用に60M$となる。スペックは3GeV、周長518.4mでエミッタンスは245pmrad。硬X線はスーパーベンドで3.2T磁石は永久磁石だといっていた。

SIRIUSの特徴はラウンドビームで3x5μmのビームが供給される。また加速器担当者によればこれまでよりベータ関数の役割が重要になるという。これはSIRIUSが独自に進めているナノプローブBL用のデルタアンジュレータ(注5)とも関連している。立ち上げは2018年のフェーズ1で20mA、2019年からのフェーズ2で350mAを目標とする。下図はAPS-Uの場合のラウンドビーム(右側)で、SOLEIL、ALS-U、SIRIUSはエミッタンスだけでなく、ラウンドビームを実現する点で第4世代光源を先導している印象を持った。

(注5)2014年にLCLSに設置された100周期(4磁石で1周期)3.2mの4極磁石列のアンジュレータ。偏光特性が自由に制御できる。

光学系R&Dで筆者が興味を持ったのは、2結晶分光器で2結晶のそれぞれにレーザー干渉計を取り付けた初めての機構(High Dynamic DCM, HD-DCM)である。これは意欲的な試みであり、実際には2+2配置で4結晶分光器として使用される。エネルギー変化でのビーム角度の誤差は25nmradに抑えられる。この他2D検出器として1536x1536〜2.36Mピクセルのπ-MEGA Projectがある。

 

ALS ALS U beam comparison

Credit: ALS-U

 

SIRIUSラテイスはTBAから5BAに変更された。この5BAは筆者がMAXIVで勘違いしていたものと同じならば実際は7BA同等となるが果たしてどうなのだろうか。3GeV、周長518m、20セルでエミッタンス245pmradでダイナミック・アパーチュアは8mmとなる。ここでの特徴はウイグラーは使用せず、挿入光源用の長直線部もないことである。入射器(150MeV)には特殊なものを使わずSSRFのものを購入する。

今回の会議では磁石設置の方式にも注目が集まり、MAXIV以来、磁石は通常の架台の上に自由度を持って固定され、測量しながらアラインしていく手法が過去のものとなったことを実感した。”Girder”(日本語のガード)と呼ばれる架台に磁石は標準に合わせて固定され、それらを設置するだけだという。MAXIVでは磁石はガード上のケースに収納され、レゴブロックを組み立てるような感覚で加速器を組み上げていく。

 

SIRIUSは建物設計でもパイルの上に厚い基礎を置く MAXIVタイプと置かないDiamondタイプの実物大ブロックを作り、地中に埋め込んで振動源を置いた周波数解析を行った。結論はMAXIVタイプが優れているということだったが、これについてはDiamond側からコメントがありDiamondは局所的に振動対策を施す主義で、建物全体に振動対策を行うことは考えなかったということらしい。

まとめるとSIRIUSはMAXIVに続く2番目の第4世代光源として2019年から1-7keV領域(Tender x-ray)では世界最高のスペックを持つ光源となる。もちろんアップグレード組も2020年代には続々登場するので世界最高スペックは次々に塗り替えられることになる。したがって2020年以降をみれば3GeV光源のスペックはSLiT-Jはもちろんのこと、KEK-LSでも明らかに役不足である。

 

HALSの挑戦
HALS設計グループはエネルギーを2.4GeVとして8BA、7BA、6BAラテイスを比較しながら最適な設計を試行錯誤している。その結果、”Locally symmetric MBA of the first kind”(注5)と呼ばれるラテイスを採用した。しかしこのワークショップ冒頭でHALSはDLSR(エミッタンス100-10pmrad)となることが宣言されたため、要求されるスペックはハードルが高い。

(注5)β関数がセル中心から離れた2鏡面に局所的に対称なMBAラテイス。

ラテイスのスペックを整理すると、8BAでエミッタンス35.8pmrad、6BAで26.5pmrad、7BAで52.1pmrad(ただし周長はそれぞれ異なる)となる。しかしこれらの数値は、まずIBSの取り込まれていないことと摂動のエラーの考慮不足が指摘され、額面通り受け取れない。それでも現実的なスペックがエミッタンス100pmradから遠く離れた世界のことではないという印象を持った。ちなみに7BAで”golf-club longitudinal injection”すなわちOn-axis入射では20pmradとなるとのこと。

 

3GeV放射光のジレンマ

一方、MBAラテイスの著しい進歩にあってはSLiT-Jが900pmrad、KEK-LSは200pmradなので、(IBSを考慮した現実的な数値とはいえ)不足の感が拭えない。SLiT-Jが使いやすさいスペックで産業利用を目指した新しい運用形態を目指したなら一理ある。しかし3GeV放射光がSLiT-Jに置き換えられたことが誤解と混乱につながった。この経緯については3GeV光源の期待値とリスク〜放射光の取り組み方に見る米国と日本の違いを参照されたい。一方、東日本を中心とする共同利用光源となるKEK-LSには第4世代光源の標準になりつつあるスペックが要求される。ALS-Uの輝度を他施設と比較した図をもう一度見て欲しい。軟X線(Tender x-ray)にこだわるなら、1.9GeVで十分、というのがALSの主張でMAXIVといえども、この領域ではALS-Uに一歩譲らざるを得ない。したがって、もし本当に軟X線を考えるなら3GeVである必要はない。まず軟X線という意味はTender x-rayであり、第4世代光源と新しい運用形態の要求が取り違えられたことが3GeV放射光の誤解と混乱を生んでいる。産業利用に適した運用形態の光源があってもよいと思うが、それと第4世代光源を一緒に考えるのは乱暴すぎる。この会議でそのことがよくわかった。

HALSに話を戻すと、こちらもシビアな状況に置かれており、IBSや誤差を含めて現実的な建設計画を作成しなければ「砂上の楼閣」に等しい。またALS-UではCD0〜CD5まで今後の予算化には6つの壁(Critical Decision)を突破しなければならないのと同じように、実際の予算化にはCDR、TDRに相当する詳細な設計案を示す必要がある。SSRFの際にはMACやCDRなど国際的な加速器建設の手順が踏まれ、SLS(元はESRF)から相当な技術援助があった。SSRFの実験ホールが洗練されているのはそのためである。HALSが世界の加速器に肩を並べるには、そうした手順を踏む必要があるだろう。

ちょうどワークショップの開催される前の週に、HALSには5500万ドル(日本円で約66億円)の予算が認められた。もちろん2.4GeVの第4世代光源としてはもっと予算が必要だろうが(注6)、10年後に100pmrad光源が果たしてNSRLに誕生するのかどうか楽しみである。

(注6)SIRIUSの場合加速器とビームライン(13本)の2017年度の予算比率は1:2.2である。リング建設が先行しているからなのだろうが、先端光源のビームライン整備コストは第2世代とは比較にならない。なお第4世代光源ではビームライン整備コストも大きいことに注意しなくてはならない。すなわち光源スペックに回折限界を求めればビームラインコストも増大するジレンマを抱える。

日本の3GeV光源が遅々として進まない理由は、(筆者の理解では)3GeV光源の運用形態とスペックの取り違えにある。産業利用には使いやすいスペックで十分だし、光源の先端性(注7)を求めるなら、スペックアップが必要だが両者は別次元に存在するからだ。

(注7)コヒレントフラックス、ラウンドビーム、On-axis入射、デルタアンジュレータなどのエキゾチック挿入光源など。

 

HALSは大きな期待が集まると同時に、これから大きな試練を迎えるであろう。しかし筆者がかつてSSRF建設前のプドン地区の準備室を訪れたとき、設計図と格闘していたのは数名だった。PF建設時代も3名体制からのスタートだった。現在の放射光ではそうはいかないだろうが、少数精鋭でも建設に専念できる人材と予算を確保することさえできたら、日本の第4世代光源にも世界の先頭に立つ機会がまわってくるかもしれない。ただし既存施設の運営と建設作業の両立は難しいので、既存施設間の人的交流が重要になるだろう。またエミッタンスだけを目標とするのは危うい。すぐ後ろにアップグレードでこの会議で紹介された第3.5世代光源が迫っているからだ。

 

イノベーションには破壊的なものと持続的なものがあり、テクノロジーが移り変わる境目の時期はジレンマが発生するという(Clayton M. Christensen)(注8)。どうやら3GeV放射光といってもスペックや運営形態にもそのジレンマがおきているようだ。そう考えると現在の誤解や混乱が不自然ではないと思える。

(注8)Bower, Joseph L. & Christensen, Clayton M. (1995). "Disruptive Technologies: Catching the Wave" Harvard Business Review, January-February 1995.

 

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