ページトップへ戻る

Volume 23, No.3 Pages 227 - 232

2. 研究会等報告/WORKSHOP AND COMMITTEE REPORT

第17回APS-ESRF-SPring-8-DESY三極ワークショップ報告
Report on the 17th APS-ESRF-SPring-8-DESY Three-way Meeting

後藤 俊治 GOTO Shunji[1]、井上 伊知郎 INOUE Ichiro[2]、玉作 賢治 TAMASAKU Kenji[2]、矢橋 牧名 YABASHI Makina[3]

[1](公財)高輝度光科学研究センター 光源基盤部門 Light Source Division, JASRI、[2](国)理化学研究所 放射光科学研究センター XFEL研究開発部門 XFEL Research and Development Division, RIKEN SPring-8 Center、[3](公財)高輝度光科学研究センター XFEL利用研究推進室 XFEL Utilization Division, JASRI

pdfDownload PDF (623 KB)
SPring-8

 

1. はじめに
 ESRF-APS-SPring-8三極ワークショップは、1994年にESRFにて第一回が開催されて以来、ほぼ1年半の間隔で行われ今回で17回目となる。2010年からはDESYも加わり表題でもわかるように4施設にて行われている。今回はAPSがホストとなり2018年5月3日、4日の2日間の日程で開催された。高エネルギーの大型放射光施設としての各施設の現状を報告するとともに、共通して抱える課題、今後の方向性などを議論する場となっている。今回の三極ミーティングは、4施設の現状と、それぞれのアップグレードの実施/検討状況を俯瞰するのに大変に良い機会となった。図1に参加者の集合写真を示す。また、プログラムを末尾に示す。

 

図1 参加者の集合写真

 

 

2. 施設の現状とアップグレード
 各施設とも年間5,000時間程度で、概ね安定に運転が行われている。なかでも、SPring-8はトップアップの電流の安定さ0.03%、平均故障間隔約200時間であり、いずれも最も高いレベルで運転されている。サイエンスのトピックスとしてESRF、PETRA III、APSから共鳴非弾性散乱(RIXS)の結果が紹介された。ESRFでは、アップグレードフェーズIで整備されたビームラインID32(Nano-magnetism & Spectroscopy)におけるNdBa2Cu3O6のマグノンの観察結果が取り上げられた。また、PETRA IIIでは、ビームラインP01(Intermediate X-ray energy RIXS)におけるエネルギー2.5~3.5 keVのテンダーX線領域のRIXSの例としてRu系物質の結果が示された。ESRF、PETRA III、SPring-8から報告されたようにクライオ電子顕微鏡が整備され、タンパク質の構造解析において放射光との相補利用が始まっている。
 4施設ともにフェーズは異なるものの、6 GeVでエミッタンス100 pm.radか、それ以下へのアップグレード計画を有している。各施設1時間の持ち時間で、マシン、ビームライン、サイエンスなどについての報告が行われた。
 ESRF-EBS: ESRFは参加加盟11ヵ国で建設を開始してから今年で30周年を迎えた。アップグレードに関してもESRFが一歩先行している。すでにアップグレードのフェーズI(2009~2015年)を完了し、戦略的にビームラインの再編も行われている。現在、アップグレードのフェーズII(2015~2022年)が進行している。ハイブリッド7 bend achromat(BA)のラティスにより、エミッタンスはおよそ100 pm.radを目指している。すでに加速器コンポーネントの調達などが具体的に進行している。調達率は80%程度となっている。シャットダウンを今年の12月に控え、準備は着々と進んでいる。2019年11月末に加速器のインストールが完了し、その後コミッショニングが開始される予定となっている。
 PETRA III~IV: 現状のPETRA IIIでは、当初のMax-von-Laueホールに加え、拡充されたPaul P. Ewaldホール、Ada Yonathホールへの最終12本のビームラインの建設が進められている。現在Paul P. Ewaldホールは2本、Ada Yonathホールは1本のビームラインがすでに稼働中となっている。PETRA IVへのアップグレード計画では、ESRF-EBSのハイブリッド7BAラティスを踏襲し、周長2 kmの優位性を生かすことにより、少なくとも紙の上では、4施設中で最も小さいエミッタンス20 pm.radを目指している。2019年4月にConceptual design report、2020年12月にTechnical design reportに設計が取りまとめられ、2024年に建設を行い、2026年に運転開始する計画となっている。
 SPring-8-II: まずは後藤から5BA、100 pm.radのアップグレード計画の概要とR&Dの状況を紹介した。矢橋からミラーを用いた安定なX線光学系、プリズムとミラーを利用したピンクビームの利用などアップグレード光源において適用されるビームライン光学系について、また、玉作から3次元イメージングなどを中心にして期待されるサイエンスの展望を示した。
 APS-U: ESRF-EBS、PETRA IV同様のハイブリッド7BAラティスに加えlongitudinal gradient bendとreverse bendを適用し、42 pm.radを得る計画である。2022~2023年にシャットダウンしてマシンを建設、2023年から利用再開を目指している。偏向電磁石ビームラインも含め現ビームライン光軸を維持する境界条件での設計が行われている。各種電磁石、真空システム、ビームモニター、超伝導アンジュレータなど要素技術のR&Dが進められている。各施設のアップグレード時期を列挙するスライドでは、なぜかSPring-8-IIの開始が2027年となっており、PETRA IVや中国のHEPSに続き最後尾に配置されていた。

 

 

3. パラレルセッション
3-1 Strategies for time-resolved studies at storage ring sources
 時分割のパラレルセッションでは、まず、SRとXFELとのすみ分け・相補利用が議論された。主な内容は次の通りである。①XFELが専ら破壊実験を行うのに対し、SRでは非破壊型の実験、特に「ポンプ・プローブ・プローブ・プローブ ・・・」型、若しくは、自発的な揺らぎをみる「プローブ・プローブ・プローブ ・・・」型の計測が適している、②プローブの時間間隔に関して、将来MHz繰り返しの超伝導XFELが登場した際にも、SRは原理的にはより細かいステップで刻むことができる、③高エネルギー領域(例えば30 keV以上)は、専らSRのみでしかアクセスできない。一方で、フェムト秒に至る究極の時間分解能を達成しようとするとXFELの独壇場である。SRでもピコ秒領域のポンプ・プローブ計測は行われてはいるものの(例: PETRA IIIにおける銅錯体の計測)、SR単独で閉じた研究というよりは、XFELの予備実験という位置づけがなされている場合が多い。
 非破壊型の実験の場合、高速カメラとの組み合わせが重要になる。APSでは、フレームレート50 kHzのPhotron製の検出器を使って、レーザーを使った金属3Dプリンタ(粉末床溶融結合法)の加工過程の観察が行われている。また、Dynamic Compression Sectorビームラインでは、イメージインテンシファイヤを備えたカメラ4台を使って、24バンチモード(154 ns間隔)の連続4バンチを撮像するシステムを構築し、スラッパー起爆式雷管に用いる高速フライヤの観察を行っている。島津製の10 Mfpsの超高速カメラもいくつかの施設で用いられ始めている。
 バンチ純度(メインバンチとその近傍のバンチの電子数の比)は、核共鳴実験等においてデータの品質を決める重要な要素であるが、蓄積リングの運転中に徐々に悪化していくという報告が複数の施設からなされた(例: PETRA IIIではメインバンチの5桁下)。このような現象はSPring-8ではみられていない。
 さらに、将来のMulti bend achromat(MBA)における時分割計測の展望について議論が行われた。高輝度化による各種顕微法へのメリットは大きく、またピンクビームの活用も有望である。一方で、MBA光源ではバンチモードの制約が厳しくなる。特に、Swap-out方式を採用するAPS-Uでは、技術的な制約からハイブリッドモードは不可となり、等間隔・均等チャージモードのみとなる。APS-Uでは、タイミングモード(48バンチ、77 ns間隔)と高輝度モード(324バンチ)の2種類が検討されている。いずれも3rdハーモニックキャビティを用いて、バンチ長を200 ps(FWHM)程度まで伸ばす。タイミングモードでも、バンチ間の時間間隔は現行の24バンチモードの半分となり、時間領域のメスバウワー分光などに制約が出てくるという指摘がなされた。
 全体の印象として、XFELの認知・普及が進み、全体としてそれなりに合理的なすみ分けができつつあると感じた。しかしながら、例えばAPSやESRFは、XFEL施設とは地理的に遠いこともあり、無理をしてでもXFEL向けの実験を取り込もうとしている部分もまだある。一方で、SACLAを隣接して持つSPring-8は、2つの施設を一体として考えることで時分割研究のポートフォリオの最適化を図ることができる。また、高速検出器・高エネルギーX線を使った時分割計測は、産業を含む広範な対象に適用可能であり、SPring-8でも今後重点的に推進すべきテーマであろう。

 

3-2 High energy (E > 30 keV) beamlines and their science drivers
 30 keV以上の高エネルギーX線利用についてのパラレルセッションでは、各施設における研究ハイライトや建設中のビームラインなどが紹介された。参加者の内訳は、APSの関係者が20人程度、ESRF、PETRA IIIからそれぞれ5人程度であった。SPring-8からは理研の井上が参加した。以下、各発表の概要について述べる。
 ESRFからはHarald Reichertが、“An overview on the high energy beamlines”と題して、Pair Distribution Function(PDF)解析とCTとの複合利用や原人の骨の位相イメージングといったESRFでの高エネルギーX線の利用実験のハイライトを紹介した。ESRFでは60 keV以上を高エネルギーX線と呼んでおり、全体のビームラインのうち15%程度が高エネルギーX線用のビームラインである(30 keV以上が使用できるビームラインは全体の30%程度)。ESRF-EBSでの将来計画として、(i)Coherent X-ray dynamics and imaging application、(ii)Serial macromolecular crystallography、(iii)Hard x-ray diffraction microscopy、(iv)High throughput large field phase-contrast tomographyの4つのビームラインをパイロットビームラインと定めて優先的に開発する予定である。このうちの(ii)を除く3つが30 keV以上の高エネルギーX線を使用するビームラインである。これらのビームラインは、ESRF-EBSへとアップグレードする前から段階的に高度化を進め、光源がアップグレードされた際にスムーズに利用実験を開始できるようにする。施設が高エネルギーX線利用を明確に推進している印象を受けた。
 続いて、PETRA IIIから、現在建設中の2つのビームライン: Swedish materials science beamline(P21)と大容量プレスを使用する高圧ビームライン(P61B)の紹介があった。P21は、標準的なアンジュレータビームラインであり、スウェーデンが建設費用と運転費用を負担している。Si結晶(平板結晶1枚、二結晶分光器、double Laueなど様々なバリエーションがある)をモノクロメータとして用いて、40 keVから150 keVの範囲の単色X線を生成し、物質系材料の各種回折実験(PDF解析や単結晶構造解析、広角散乱、小角散乱)に使用する予定である。このビームラインは2018年の春から実験ハッチにX線を導き、装置のコミッショニングを開始する予定である。
 P61Bは、電子ビームのエミッタンスを下げるために設置されているダンピングウィグラーを光源としたユニークな高圧ビームラインである。光子数は実験ハッチにおける、1 mm × 1 mmのアパーチャーの条件下で1011~1012 ph/s/0.1%b.w.と、同様の高圧ビームラインであるSPring-8のBL04B1と比較して約1桁高い光子数を実現できる予定である。フロントエンド部の建設は2018年夏に終了する見込みで、実験ハッチに光がやってくるのは2018年の12月ごろを予定している。ラジオグラフィーとX線回折が主な計測手法であるが、光子数が大きいためにシリコンドリフト検出器を使ったエネルギー分散型の回折実験をする際にはX線強度を弱める必要があるだろうとの発表者からのコメントがあった。
 APSからは、ESRFと同様に最近の研究ハイライトの紹介があった。APSでは、現在30 keV以上が使用できるビームラインは全体の30%程度であり、アップグレード後もこの比率が維持される見込みである。新しい試みとして、2019年からPDF解析のメールインサービスを始めるとのことであった。ただし、APS-Uへのアップグレード時に各ビームラインをどのように高度化するかのロードマップはまだ定まっていない印象を受けた。
 SPring-8からは、電子ビームの低エミッタンス化によってアンジュレータのon-axis放射のスペクトル幅が現在の第3世代放射光源と比較して劇的に狭くなることと、プリズムを使ってアンジュレータの特定次数を取り出す光学手法(X線ハーモニックセパレーター、Inoue et al., J. Synchrotron Rad. 25 (2018) 346)についての紹介を行った。目新しい話題だったため概ね関心を持って捉えてもらったようであった。
 高エネルギーX線の利用は6 GeVの電子ビームを用いる高エネルギー次世代放射光源での中心的なアクティビティになることが期待されている。どのようにビームラインを作っていく/高度化していくのかは、各施設で検討が始まったところである。それぞれの施設の方針を注視しつつ、SPring-8も方向性を定めていくことが必要になるだろう。また、各発表で話題になっていたが、高エネルギーX線の集光光学系や高繰り返し検出器といった要素技術は発展途上であり、次世代光源の性能を活かすためにはさらなる進化が必要になる。さらにアンジュレータビームを単色化することなくピンクビームとして使用する場合には、ビームラインの各光学機器の熱負荷対策も課題になる。これらの要素技術の開発は、次世代光源の光源性能を十分に活かすために今後重点的に推進すべきテーマであろう。

 

3-3 User Trends and Demands
 ESRF: European Molecular Biology LaboratoryおよびInstitut de Biologie Structurale(バイオロジー関係)、Institut de Recherche Technologique Nanoelec(ナノテク関係)などの周辺施設との連携によりユーザープラットフォーム、インハウス研究基盤、および地域シナジーが構築されている。これらを活用することによりESRFの放射光ユーザーの試料準備、解析など多方面での利便性向上が図られている。
 DESY: ナノラボと計算機インフラに関する2件の話題が提供された。1)ナノラボ: PETRA III、FLASH、XFELのユーザーおよびインハウススタッフがナノラボのオフライン装置(SEM、FIB、XRD、XPSなど)を利用することが可能で、大型施設の限られたビームタイムを有効に利用できるような支援環境が整えられている。2)計算機インフラ: DESY内にHigh performance computing infrastructure、データストレージなどの共通インフラが整備され、ユーザーにも利用環境が提供されている。なお、データの保存期間はESRF、DESYでは10年間を目安にしている。
 APS: 電気化学、高圧試料、光学素子計測・製作などの各種ラボ、検出器プール、計算機インフラなどAPS/ANLにおけるユーザーおよびインハウススタッフの利用支援環境が紹介された。
 SPring-8: 京を含む計算機インフラ、タンパク試料準備環境、クライオ電子顕微鏡などのSPring-8におけるユーザー利用環境について紹介された。また、将来の放射光ユーザー像を想定し、学術利用~産業利用、初心者~上級者の2軸の分類から、ビームラインを汎用~エキスパート用の軸で3段階に再編するアイデアが示された。
 計算機、データストレージ、ITインフラに関しては、性能・仕様の差はあれ、各施設とも相当のものが整備されており、さらなる増強も計画されている。セッションの最後の議論では、特に今後の計測技術の発展において急速にデータ容量が増加すると予想される(すでに増加している)ユーザーのデータの取り扱いについて議論が集中した。データは誰のものか、何年間どのようなフォーマットのデータを保存すべきか、保存の責任は誰にあるのかなど、このセッション内だけでは当然明確な結論は出ないままではあるが、今後も運用を進めながら議論をすべき課題である。

 

 

4. Coordinating Strategies
 Edgar Wecker(DESY)より、欧州の16の放射光/FEL施設のメンバー(放射光: 13施設、FEL: 6施設)から構成されるLeague of European Accelerator-based Photon Sources(LEAPS)Programの概要が紹介された。現在、チェアーはDESYのHelmut Dosch所長が務めている。基礎・応用科学および産業利用における研究の質やインパクトを向上させ、欧州の科学技術や社会に対して利益をもたらすことを基本目標としている。このプログラムで光源、光学系、検出器開発などの放射光技術の開発戦略が議論されるとともに、若手人材育成に関しても取り組みが行われている。2035年までのロードマップの作成が進められている。
 Stephen Streiffer(APS)からは、Basic Energy Sciences関連施設の運営に関するDOEの基本戦略が紹介された。これまでの施設のアップグレードについて、多くの議論を経て優先順位を決定し、一つずつ予算化、実現させていく道筋が示された。2000年から2019年のアップグレード予算の推移を示すグラフでは、多少の年次のオーバーラップを持たせながら、Spallation Neutron Source、LCLS、NSLS-II、LCLS-II、APS-Uの順番で予算がつけられていることがわかる。APS-Uもその路線に乗り、アップグレード計画が具体的に進み始めている。また、ALS、APS、NSLS-II、SSRL、LCLSの5つの光源施設の間で5極ミーティングが開催され、APS-U建設・運転停止時の協力の仕方などが議論されている。
 後藤からは、現在日本では新しい3 GeV放射光施設建設が最優先事項となっており、実現に向けて様々な検討が進められていることを報告した。また、次世代光源建設のための加速器技術開発の戦略として、入射器としてのCバンドライナックの安定化/高度化開発と、蓄積リングへの低振幅ビーム入射技術開発の2件について紹介した。

 

 

5. おわりに
 5月2日に行われたサテライトのOptics Workshopと、パラレルセッションのサマリーが報告され、議論が行われた。最後は、パラレルセッションUser Trends and Demandsのサマリーを受け、データポリシーなどの話で再び盛り上がった。現状で各施設の抱える最もホットな話題の一つということなのであろう。
 次回は本来SPring-8の順番であるが、1年半後がちょうどESRF-EBSのマシンのインストールが完了する2019年11月末にあたることから、ESRFがホストとなることが決まった。

 

 

Agenda of 17th 3-Way Meeting (May 3-4, 2018)
May 3, 2018

8:00 Welcome and facility reports (Chair: Dennis Mills)
 Welcome address (Dennis Mills)
 Status Report ESRF (Francesco Sette)
 Status Report PETRA III (Edgar Weckert)
 Status Report SPring-8 (Tetsuya IshikawaMakina Yabashi)
 Status Report APS (Stephen Streiffer)
 
9:30 ESRF Talks (Chair: Francesco Sette)
 EBS Accelerator Project (Pantaleo Raimondi)
 EBS Science/Beamlines (Jean Susini)
 EBS Enabling Technologies (Michael Krisch)
 
11:00 PETRA III Talks (Chair: Edgar Weckert)
 PETRA III Extension (Wolfgang Drube)
 PETRA IV Science Scope/Science Case (Christian Schroer)
 PETRA IV Status of the Conceptual Design (Rainer Wanzenberg)
 
12:00 SPring-8 Talks (Chair: Dennis Mills)
 SPring-8-II Light Source (Shunji Goto)
 SPring-8-II Beamlines (Makina Yabashi)
 SPring-8-II Sciences (Kenji Tamasaku)
 
(Lunch)  
 
14:00 APS Talks (Chair: Stephen Streiffer)
 APS-U Project Update (Bob Hettel)
 Beamlines for the APS-U Project (Dean Haeffner)
 
(Break)  
 
15:15
Parallel sessions 1: Strategies for time-resolved studies at storage ring sources (Chair: Kenji Tamasaku)
An overview of X-ray time-resolved experiments at the ESRF (Alexander Rack)
Pump-Probe Experiments at PETRA III (Oliver Seeck)
Timing mode applications at PETRA III and PETRA IV (Ralf Röehlsberger)
Time resolved applications at SPring-8 campus (Makina Yabashi)
The APS Strategy for TR Programs pre- and post- APS-U (Stefan Vogt)
 
15:15
Parallel sessions 2: High energy (E > 30 keV) beamlines and their science drivers (Chair: Dean Haeffner)
An overview on the high energy beamlines (Harald Reichert)
The Swedish high-energy materials science beamlines (Ulrich Lienert)
The large volume press beamline for ED diffraction and radiography at extreme conditions (Robert Farla)
High energy pink beam line (Ichiro Inoue)
Supply and Demand for HE Beamlines at the APS (Jon Almer)
 
15:15
Parallel sessions 3: User Trends and Demands (Chair: George Srajer)
Infrastructure integration (inter-institute) (Jean Susini)
DESY NanoLab (Vedran Vonk)
Big data and scientific computing strategy at DESY (Steve Aplin)
APS and ANL User Support Facilities (Patricia Fernandez)

 

May 4, 2018

8:00
Parallel sessions 1: Strategies for time-resolved studies at storage ring sources
Discussion
 
8:00
Parallel sessions 2: High energy (E > 30 keV) beamlines and their science drivers
Discussion
 
8:00
Parallel sessions 3: User Trends and Demands
User trends and facility responses (Tetsuya Ishikawa)
Discussion
 
10:30 Coordinating Strategies (Chair: Dennis Mills)
 The LEAPS Program (Edgar Weckert)
 DOE Coordinating Strategies (Stephen Streiffer)
 Japanese Coordinating Strategies (Shunji Goto)
 
(Lunch)  
 
13:00 Summaries (Chair: Jean Susini)
 Summary - Optics Workshop (Lahsen Assoufid)
 Summary - Parallel Session Time Resolved (Stefan Vogt)
 Summary - Parallel Session High Energy (Jon Almer)
 Summary - Parallel Session User Trends (Patricia Fernandez)
 Summary Discussions

 

 

 

後藤 俊治 GOTO Shunji
(公財)高輝度光科学研究センター 光源基盤部門
〒679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
TEL : 0791-58-0831
e-mail : sgoto@spring8.or.jp

 

井上 伊知郎 INOUE Ichiro
(国)理化学研究所 放射光科学研究センター
XFEL研究開発部門
〒679-5148 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
TEL : 0791-58-0802
e-mail : inoue@spring8.or.jp

 

玉作 賢治 TAMASAKU Kenji
(国)理化学研究所 放射光科学研究センター
XFEL研究開発部門
〒679-5148 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
TEL : 0791-58-2806
e-mail : tamasaku@spring8.or.jp

 

矢橋 牧名 YABASHI Makina
(公財)高輝度光科学研究センター XFEL利用研究推進室
〒679-5198 兵庫県佐用郡佐用町光都1-1-1
TEL : 0791-58-2869
e-mail : yabashi@spring8.or.jp

 

 

Print ISSN 1341-9668
[ - Vol.15 No.4(2010)]
Online ISSN 2187-4794