Volume 09, No.2 Pages 94 - 101

1． はじめに
　最近の本誌では利用成果が紙面を賑わせ、所内外で耳にする「本格利用期に入ったSPring-8」を実感させられる。ビームライン建設が一段落した昨今では、新たなビームラインのコミッショニングに関する記事は2002年９月号以来で、軟Ｘ線ビームラインでは４年前のBL27SUに関する拙文^［1］［1］大橋治彦、為則雄祐：本誌　Vol.5, No.4 (2000) 267.にまで遡ることになる。表題ビームラインの狙いについては計画当初に理研放射光物性研究室・辛埴主任らの報告 ^［2］［2］辛埴、大浦正樹、高田泰孝、渡邊正満、鎌倉望、北村英男、田中隆次、高橋直、大橋治彦：本誌 Vol.6, No.5 (2001) 368.があり、このたび同研究室のご好意により、久々のビームライン建設の現状を現場担当者から紹介する機会を頂戴した。実験ステーションの詳細など利用研究に関してはユーザからの成果報告を楽しみにお待ちいただくとして、本稿では輸送チャンネルの建設に絞ってお伝えしたい。多くの読者には退屈な細かい技術的話題に偏るが、最近では珍しい建設顛末記としてご容赦願いたい。


2．BL17SU輸送チャンネルの技術的要点
（1）ビームライン光学系の概要
　BL17SU光学ハッチとビームライン輸送チャンネルの全景を写真１に示す。２本のブランチ（ａとｂ）が計画され、２組の前置鏡による切り替え式で、排他利用となる。ａブランチに図１に示すような光学系の回折格子分光器^［3］［3］M. C. Hettrick and S. Bowyer : Appl. Opt. 22 (1983) 3921.が建設された。先行する他の３本の軟Ｘ線ビームラインと同様に不等間隔刻線平面回折格子と球面鏡により離散的に偏角を選択する（表1）。エネルギー範囲は0.1〜3 keVである。



写真1　BL17SU光学ハッチと輸送チャンネル（aブランチ）の全景




図1　BL17SU（aブランチ）の光学系概要


表1　BL17SU（aブランチ）分光器の光学素子パラメータ一覧





（2）超高真空対応回転エンコーダの採用
　この光学系では、回折格子の回転だけでエネルギーを走査する。SPring-8の軟Ｘ線ビームラインの特徴である高分解能104を実用に供するには0.1秒台の回転角度の位置決めと安定性が必要である。
　駆動は、真空中で保持された揺り篭状の回転ステージに接続されたバーを真空外のリニアステージに沿って押すサインバー方式である。サインバーの長さ400㎜では先の回転を生む変位量はサブミクロンである。回転角度のモニタには、このステージの送り量をリニアエンコーダで読み取る方法が簡便である。しかし、機械的連結部を介するため、サブ秒の回転に対して誤差を含む恐れがある。BL27SUを建設した1997年当時にもこの点が技術課題として取り上げられ、超高真空中の回転軸角度を直接読み取るために分解能0.04秒のレーザ干渉計を導入した。真空外のリニアエンコーダと比べ、冷却水振動の影響を直接観測^［4］［4］Y. Tamenori, H. Ohashi, E. Ishiguro, H. Okumura, T. Fukui, T. Miura, H. Kishimoto, J. Tanase, N. Kamachi, K. Endo and T. Ishikawa : Nucl. Instrum. and Meth. A467-468 (2001) 789.でき一定の成果を挙げたが、アライメントの煩雑さに問題があった。
　そこで、BL17SUでは超高真空対応の回転エンコーダ^［5］［5］F. Senf, H. Lammert, R. Follath, T. Zeschke, W. Gudat, K. Feichtinger, P. Fischer, W. Hubner and R. Strobel : J. Synchrotron Rad. 5 (1998) 584. を採用した。アブソリュート型で0.2秒のシステム精度を有し、分解能は0.036秒以下である。制御グループによって、SPring-8標準のＶＭＥバス上で読み取りがサポートされ、ユーザＰＣからも他の軸と同様のプロトコルで回折格子の回転角度の取得が可能である。なお、エンコーダを収納している真空チャンバは10^-8Paに到達しており、超高真空環境での使用に対しても十分といえよう。このエンコーダは安定して動作しており、後述するように副次的効果としてエネルギードリフト原因を探索する際に役立っている。


（3）床面振動対策
　前置鏡から試料点までは50ｍ以上で、微小スポットが求められている点から、振動に強い輸送チャンネルを計画した。
　実験ホールＢゾーン床コンクリートは、下から捨コンクリート100㎜、土間コンクリート200㎜、嵩上コンクリート100㎜の三層構造である。土間コンクリートと嵩上コンクリートの界面に間隙を有する場所が一部あり、振動対策上問題となる恐れがある。そこで、BL17SU建設予定地で事前に環境振動測定を実施し、床面から伝わる振動の多寡について評価を行った。その結果、以下に示すような床面への振動対策工事の有用性を確認した^［6］［6］岸本輝、三浦孝紀、大橋治彦、竹下邦和、後藤俊治、石川哲也：第16回日本放射光学会年会　10 (2003) 120.。
　前置鏡、回折格子、入射・出射スリットなど光学系を保持する架台足周りで嵩上げコンクリート部分をφ150〜φ400㎜の円柱状に取り除き（写真2-ａ）、土間コンクリートとの密着性を確保し、周囲の嵩上げコンクリート部との間にゴム板を敷き詰め（写真 2-ｂ）、島状に孤立したコンクリート（写真2-ｃ）の上で精密機器架台を支持した（写真2-ｄ）。



写真2-a　φ300㎜×100㎜で床を抜く





写真2-b　底面密着性向上とゴム取付





写真2-c　コンクリート充填




写真2-d　回折格子架台を設置



　回折格子架台周辺で、加速度計による実測で、振幅にして水平方向で約80％減、鉛直方向で約20％減の効果が確認されている。


3．光学系の調整と評価
（1）光学素子の設置と０次光導入
　調整機構ごとの精密据付に加え、光学素子取付けに際してレーザセオドライトを用いて各軸の原点確認を行った。
　例えば、入射スリットから13ｍ離れた光軸上に置いたセオドライトで、２枚の前置鏡（Ｍ0ａ，Ｍ1ａ）とφ38㎜のダクトを通して見ると、スリットの刃の開口（約１㎜）が辛うじて確認できる程度に過ぎない（写真3-ａ）。同じセオドライトからレーザを出射すると入射スリットのビューポートから写真3-ｂに示すように反射光が鮮明に観測される。



写真3-a　入射スリットから13ｍ上流の光軸に置いたセオドライトから見たスリットの刃。前置鏡Ｍ0a，Ｍ1aで反射した像はこのように不鮮明。





写真3-b　S1上のレーザ反射光。上記と同じセオドライトから投影。


　同様にレーザセオドライトを光軸基準に設置して可視光の回折パターンを投影させ、回折格子の面内回転位置を微調整した。
　斜入射で数十ｍの光学系を超高真空中で位置決めするにあたり、予め前置鏡の偏向角や高さの駆動パルス位置を知っておけば、調整段階で不必要な箇所に放射光を照射して光学素子表面を汚す程度を少なくすることができる。
　放射光導入前の調整が功を奏し、初めて前置鏡に光を導いた後、約12分で、光源からおよそ50ｍ点の入射スリットで放射光を確認できた。また、球面鏡、回折格子及び出射スリットを経て、光源から71ｍ点にあるφ1㎜のアパーチャに対しても簡単に光を抜くことができた。
　各コンポーネントが高精度に据付され、かつ安定に然るべき軌道で加速器が当たり前のごとく運転されていることに有り難さを感じる。限られたスペースの収納部内でこれらを形作り、支えている関係者の努力を改めて思い起こさせる。


（2）回折光の調整
　分光器を構成する球面鏡（Ｍ21、Ｍ22及びＭ23）は並進及び偏角調整機構に取り付けられている。これにより、入射−出射スリット間距離（20ｍ）を変えることなく、曲率半径の製作誤差を補正している。
　例えば、Ｍ21の曲率半径は設計値が332.97ｍであるが、製作誤差が＋1.8％であった。そこで、基準位置から入射スリット方向にＭ21を33.2ｍｍ移動させた上で、偏角88.5度を若干調整することで、この曲率誤差を補正している。
　Neガスの全イオン収量スペクトルの1ｓから3ｐへの吸収ピークを用いてＭ21球面鏡の焦点を確認したところ、上述のオフライン調整のみで十分な分解能を予想させるスペクトルを得られた。コミッショニング開始後、正味１週間を要さずにここに至っている。
　Neの全イオン収量スペクトルの典型例を図２に示す。入射・出射スリットは各々50µｍと10µｍに設定され、ガスセル排気室の圧力は10^-3Paで、計測に要した時間は約10分であった。分解能8000程度以上でなければ埋もれてしまう6ｐピークが観測されており、回折光の調整もオフラインでほぼ完了していた。
　なお、光量については、金板からの光電流の簡便な計測から、狭い範囲であるが、オーダとして設計値が得られていることを確認した。



図2　Neの全イオン収量スペクトル


（3）共鳴Auger電子スペクトルから分光器分解能の評価
　昨今の軟Ｘ線ビームライン分光器のエネルギー幅は、励起状態の寿命で決まる自然幅（例えばNeのＫ端の場合、数百meV）と同等かそれより狭い。自然幅は固有であるはずだが分光性能が向上する都度狭く報告される歴史を繰り返している。先に示した図２のような吸収スペクトルでは、自然幅の影響等のため分光器のエネルギー幅にはフィッティング誤差を少なからず含む。このため、１次過程の観測から光の分解能評価は困難である。
　そこで、BL17SUでは、BL27SUと同様にガスセル付の高分解能電子エネルギー分析器をビームライン評価用に設置し、２次過程で生成される電子の運動エネルギーを精密に計測した。ビームライン分光器のエネルギー幅は励起状態の自然幅に比べて狭い。このため、寿命の長いAuger終状態への遷移時に放出されるAuger電子の運動エネルギー幅は、自然幅の影響を無視できる。
　測定されたスペクトル幅（W_f）は、光のエネルギー幅（W_S2）と電子エネルギー分析器のエネルギー幅（W_P）及びNeガスのドップラー効果（W_Ne）によって次のように与えられる。すなわち、

と、近似できる。なお、ドップラー幅（W_Ne）は、Neについて室温では79meVで一定である。
　装置パラメータである電子エネルギー分析器のパスエネルギー（E_p）と、分光器出射スリット幅（S2）を変えることで光のエネルギー幅（W_S2）をそれぞれ順次変化させ、６通りのNeの共鳴Auger電子スペクトル（1s^-13p→2p^-2（¹Ｄ）3p）を計測した（図３の○印が計測結果である）。



図3　NEe共鳴Augerスペクトル。出射スリット幅（S2）と電子エネルギー分析器のパスエネルギー（Ep）を変えて6種類測定

　このAugerスペクトルは３つの成分から構成されることが知られている^［7］［7］Y. Shimizu, H. Yoshida, K. Okada, Y. Muramatsu, N. Saito, H. Ohashi, Y. Tamenori, S. Fritzsche, N. M. Kabachnik, H. Tanaka and K. Ueda : J. Phys. B　: At. Mol. Opt. Phys. 33 (2000) L685-L689.。そこで、各ピークの半値全幅（W_f）が等しいという拘束条件のもとで３本のガウス関数で分離した（図３の青線で分離ピークを、合成結果を赤線で示した）。W_fを測定条件ごとに求め（図中にW_fとして記した）、それぞれ上述の関係を連立方程式として解きW_S2とW_Pを算出した結果が表２と表３である。

表2　出射スリット幅（S2）ごとに算出したフォトンエネルギー867 eVでの光のエネルギー幅（W_S2）。