Volume 28, No.1 Pages 34 - 39

1. 次期計画とXBPM
　回折限界ストレージリング（DLSR）は、サブnm radの低エミッタンスを実現し、第3世代に比べ水平方向ビームサイズが大幅に縮小される^[1][1] P. Raimondi, N. Carmignani, L. R. Carver, J. Chavanne, L. Farvacque, G. Le Bec, D. Martin, S. M. Liuzzo, T. Perron, and S. White: Physical Review Accelerators and Beams 24 (2021) 110701-1-5.。この結果得られる円形ビームをナノビーム集光することで、従来よりも3桁高い光子フラックスが得られる。ただし、これには光ビームの安定性10 nradを実現する必要があると言われている^[2][2] M. Yabashi and H. Tanaka: Nature Photonics 11 (2017) 12-14.。
　光位置モニター（X-ray Beam Position Monitor：XBPM）は光源点から20～30 m離れて光ビーム位置を観測することにより、光源の角度変動を敏感に捉えることができる。光源加速器の安定化には、電子ビームモニターだけでなく、光子ビーム位置モニターが必須であり、XBPMはDLSRのキーデバイスの1つである。
　光源を診断するXBPMは、光学系ドリフトの影響を避けるため、光学系の上流に配置する必要がある。この条件を満たすのは、光学系上流のフロントエンド部に設置されている光電子放出を利用したXBPMである^[3-5][3] H. Aoyagi, T. Kudo, H. Tanida and H. Kitamura: AIP Conference Proceedings 705 (2004) 933.
[4] D. Shu, H. Ding, J. Barraza, T. M. Kuzay, D. Haeffner and M. Ramanathan: Journal of Synchrotron Radiation 5 (1998) 632-635.
[5] H. Aoyagi, Y. Furukawa, S. Takahashi and A. Watanabe: Physical Review Accelerators and Beams 24 (2021) 032803.。しかしこれらは、アンジュレータ光軸の直接観測ではなく周辺部の放射の測定によって光軸を推定するものである。周辺部には、偏向電磁石放射の混入があり、その計測値から光軸を推定するためには、補正が必要である。このためXBPMは、ユーザー利用運転中のビーム安定化には使われず、主にサイクル間などでの定点観測に用いられてきた。しかしながら、フロントエンドは先述の通り、光源角度変動を敏感にとらえることのできる唯一のロケーションであり、DLSRを目指すSPring-8-IIにおいて、是非とも活用しなくてはならない。
　XBPMとは別に、我々はダイヤモンドを材料とし、光軸を直接見るビームモニターの開発にも取り組んできた^[6-8][6] T. Kudo, S. Takahashi, N. Nariyama, T. Hirono, T. Tachibana and H. Kitamura: Review of Scientific Instruments 77 (2006) 123105.
[7] S. Takahashi, T. Kudo, M. Sano, A. Watanabe and H. Tajiri: Review of Scientific Instruments 87 (2016) 083111.
[8] K. Tono, T. Kudo, M. Yabashi, T. Tachibana, Y. Feng, D. Fritz, J. Hastings and T. Ishikawa: Review of Scientific Instruments 82 (2011) 023108.。ダイヤモンド薄膜は、優れた耐熱性とX線に対する透過性を持つ材料である。このため、多くの放射光およびX線自由電子レーザー（XFEL）施設のビーム診断にダイヤモンド薄膜によるビームモニターが使用されている^[9-11][9] J. Y. Park, Y. Kim, S. Lee and J. Lim: Journal of Synchrotron Radiation 25 (2018) 869-873.
[10] R. van Silfhout, D. Pothin and T. Martin: Journal of Synchrotron Radiation 27 (2020) 37-43.
[11] J. Morse, M. Salomé, E. Berdermann, M. Pomorski, W. Cunningham and J. Grant: Diamond and Related Materials 16 (2007) 1049-1052.。
　XFELの光は光軸中心に集中し、優れた単色特性を備えている。そのため、ダイヤモンド薄膜の可視光発光による単純なスクリーンモニターでも、SACLAでは100 nradの分解能を実現し、安定な光軸制御に寄与している^[12][12] 田中均、後藤俊治、高野史郎、登野健介、正木満博、矢橋牧名、放射光 30 (2017) 28-38.。しかし、同じ方法をリング加速器のアンジュレータ光観測に適用することはできない。リング加速器のアンジュレータ放射は高次光を含む様々な光子エネルギーが広い範囲に分布する^[13][13] T. Tanaka: Journal of Synchrotron Radiation 28 (2021) 1267-1272.。ダイヤモンド薄膜を可視発光型のスクリーンモニターとしただけではプロファイルが平坦になり、ビームの重心を検出できない。図1は、SPring-8の分光器上流でのアンジュレータ光をダイヤモンド薄膜の可視光発光で見たものである。蓄積電流を10 mAまで下げ、試験的に3.2 mm × 2.8 mm（H × V）の大きなフロントエンドスリット（FE slit）サイズにした。ビームはFE slitの形のまま四角に見える。分光を行わずにビーム形状を正確に観察することは困難である。なんらかの原理によりエネルギー分解能を持つ光ビームモニターが必要である。

図1　ダイヤモンド薄膜の可視光発光によるSPring-8の分光器上流でのアンジュレータ光の可視化。

2. エネルギー分解してビームを見る
　フロントエンドの準白色ビームを、分光器を用いずにエネルギー分解するには工夫が必要である。例えば、アンジュレータ光をエネルギーフィルターに透過させれば、意図するエネルギーの光子を遮断することができる。図2は一次光ピークを18.48 keVにチューニングしたアンジュレータ光をZr板（t = 0.1 mm）に透過させ、下流でダイヤモンド薄膜の発光を見たものである。ZrのK吸収端（18 keV）により一次光ピーク近傍が遮断され、中央が凹んだビームを得た。この試験は、強力なフロントエンドのビームの熱負荷にZr板を耐えさせるため、水冷した上で高速移動させ、ビームをよぎる瞬間をカメラでとらえている。工夫すれば分光器を用いずともフロントエンドのビーム中心を観察することはできる^[7][7] S.Takahashi, T.Kudo, M.Sano, A. Watanabe and H.Tajiri: Review of Scientific Instruments 87 (2016) 083111.。

図2　ダイヤモンド薄膜の可視光発光によるSPring-8の分光器上流でのアンジュレータ光の可視化。Zr板を高速でビーム上を通過させ、その下流で観察した。

　しかしビームに直接フィルターを入れるのは、熱負荷と真空度の問題以外に、フィルター材料によって決まったエネルギーでしか使えないという制限がある。我々は、なんらかの方法で、ビームエネルギースペクトルとその空間分布を保持したまま、あたかもレプリカのように光軸外に取りだす方法を考案すべきだという結論に達した。それによりまず熱負荷の問題を回避しなければ、エネルギー分解方法のR＆Dを行うことができない。
　ところで、フロントエンドの水冷Be窓などからの散乱を、シリコンドリフト検出器（Silicon Drift Detector：SDD）を用いて測定すればアンジュレータ光のスペクトルを得ることが可能である^[14][14] S. Goto, S. Takahashi, T. Kudo, M. Yabashi, K. Tamasaku, Y. Nishino and T. Ishikawa: Proc. SPIE 6705 (2007) 67050H.。この方法は、FE slitのスキャンとの組み合わせにより光軸を明瞭に計測できることもわかっている。これはスキャン測定であるため時間を要するが、定点観測の有力な手段となり得る。水冷Be窓の散乱はアンジュレータ光のスペクトルの情報を保持しているのである。
　我々は以上のことから、薄膜からの散乱をなんらかの方法により光軸外でビームの形にもどすことができれば、究極のビームモニターになるであろうと考えた。熟考の末、それにはピンホールカメラが有効であるとの結論に達した。ピンホールは通過する光のエネルギーを全て保存するので、ビームエネルギーと空間分布のレプリカを光軸外に移すという目的に合致している。
　図3は、この考えに基づくエネルギー分解型光ビームモニターシステムの構成である。フロントエンド出射ビームをダイヤモンド薄膜に透過させ、その前方30度上方の散乱を、ピンホールを通じて二次元検出器で観測する。二次元検出器としては、光子エネルギーを計測し得るものを用いる。

図3　ピンホールカメラを用いるX線ビームモニターシステムの模式図。

3. ピンホールカメラでビームを見る
　アンジュレータ光は水平方向に直線偏光しており、弾性散乱には方向性がある。また高次光ではコンプトン散乱の寄与が増え、純粋なアンジュレータ光のスペクトルから乖離してゆく。このような状況で果たして、ピンホールカメラはビームモニターとして本当に機能するのであろうか？単純な構造とはいえ、ビームラインの分光器上流に新しいコンポーネントとして、このコンセプトのモニターを設置するのにはコストも手間もかかるため、慎重な検討が必要である。筆者らは、この装置の製作に先立ち、ある形状のビームがダイヤモンド薄膜に当たって出てくる散乱が、ピンホールを通じてどう見えるかというシミュレーションをPHITS 3.10^[15][15] https://phits.jaea.go.jp/indexj.htmlにより行った。図4は、ビームを円環形状とした場合のピンホールカメラ画像である。コンプトン散乱と弾性散乱の寄与などにより、どのような形状が得られるか懸念したが、計算上は図4のようにビーム形状の像が得られることがわかった。
　このシミュレーションは単色ビームを仮定しているが、検出器にエネルギー分解能があれば、図4のようなビーム形状を、エネルギー毎に分解して絵にすることができるということになる。

図4　45度傾けた厚さ30 µmのダイヤモンドに単色X線を入射し、ダイヤモンドの真横1 cmの位置に、半径100 µmのピンホールをもうけ、さらに1 cmの位置でのプロファイルを計算した。ビーム形状は半径500 µm、太さ100 µmの円環形状とした。

4. エネルギー分解型ビームモニター
　エネルギー分解したビームをとらえるキーポイントは、ダイヤモンド薄膜の品質と、二次元検出器の性能である。
　SACLAで用いられているフォトルミネッセンスを利用したビームモニターにはBドープした多結晶ダイヤモンド薄膜が用いられている^[6][6] T. Kudo, S. Takahashi, N. Nariyama, T. Hirono, T. Tachibana and H. Kitamura: Review of Scientific Instruments 77 (2006) 123105.。図3の構成のビームモニターは、多結晶だとピンホールカメラ画像に大量の回折スポットが出現し著しく画質が劣化する^[16][16] T. Kudo, M. Sano, T. Itoga, H. Tajiri, K. Ozaki and S. Takahashi: Review of Scientific Instruments 91 (2020) 033103.。一方、最近単結晶ダイヤモンド薄膜の価格は格段に下り、単結晶ダイヤモンド薄膜にコスト的な問題はなくなった^[17][17] T. Kudo, M. Sano, T. Itoga, T. Matsumoto and S. Takahashi, Journal of Synchrotron Radiation 29 (2022) 670-676.。そこで散乱体としては単結晶ダイヤモンド薄膜（t = 70 µm）を用いた。もちろん、単結晶でも決まった位置に強い回折が出ることになるが、計算によると、ピンホール位置に回折が飛び込んでくる確率は極めて少ないことがわかっている。
　二次元検出器として、当初エネルギー分解能に優れた液体窒素冷却CCDカメラでR&Dを進めた^[16][16] T. Kudo, M. Sano, T. Itoga, H. Tajiri, K. Ozaki and S. Takahashi: Review of Scientific Instruments 91 (2020) 033103.。これは優れたエネルギー分解能（ΔE = 200 eV）がある反面、フレームレートが遅く、エネルギー分解画像を取得するのに長時間かかる。リアルタイム性が重要なビームモニターとして失格である。実用的な精度で光軸付近の成分を切り出すだけなら、エネルギー分解に対する要求水準を緩和してよい。我々は理研の開発した直接検出型二次元検出器SOPHIAS-L^[18,19][18] T. Hatsui, M. Omodani, T. Kudo, K. Kobayashi, T. Imamura, T. Ohmoto, A. Iwata, S. Ono, Y. Kirihara and T. Kameshima, H. Kasai, N. Miura, N. Kuriyama, M. Okihara, Y. Nagatomo, M. Nagasaki, T. Watanabe and M. Yabashi: Proc. Int. Image Sensor Workshop (2013) Art. No. 3.05.
[19] T. Hatsui and H. Graafsma: IUCrJ 2 (2015) 371-383.（ΔE = 2 keV）を採用した。更に、1光子のエネルギーを正確に算出する高速ドロップレット解析アルゴリズムを開発し、SOPHIAS-Lのデータ取得プログラムに組み込んだ^[17][17] T. Kudo, M. Sano, T. Itoga, T. Matsumoto and S. Takahashi, Journal of Synchrotron Radiation 29 (2022) 670-676.。
　本ビームモニターはSPring-8 BL05XU光学ハッチの最上流に設置した。BL05XUの光源は、磁気周期長32 mm、全長3 mの真空封止型アンジュレータである。FE slitは、光源点から約29 m離れた位置に配置されている。さらにそこから6.5 m下流で、ビームはダイヤモンド薄膜を透過し、前方散乱X線（上方30度）を、W製ピンホール（t = 500 µm, φ = 10 µm）を通じてSOPHIAS-L^[20][20] M. Abe, F. Kaneko, N. Ishiguro, T. Kudo, T. Matsumoto, T. Hatsui, Y. Tamenori, H. Kishimoto and Y. Takahashi: Journal of Synchrotron Radiation 28 (2021) 1610-1615.上で像として検出した。ダイヤモンド薄膜からピンホールまでの距離は19.4 cm、ピンホールから検出器までの距離は40 cmであり、倍率約2倍のピンホールカメラとなる。
　測定は、ビームライン調整の一部として行った。定常運転の1/10（10 mA）に蓄積電流を抑えることで、アンジュレータGAP 17.26 mm（12.4 keV@1st）の設定で、FE slitの開口サイズを通常より広い3.6 mm × 2.8 mm（H × V）にした。これにより、広範囲にわたるアンジュレータ放射の空間分布を観測することができた。
　計測結果を図5に、またそれぞれに対応するエネルギーのアンジュレータ光の形状をSPECTRAで計算したものを図6に示す。

図5　一次光12.4 keVを与えるアンジュレータ光のエネルギー分解画像。

図6　SPECTRAにより計算された、一次光12.4 keVを与えるアンジュレータ光の各エネルギー成分の形状。

　図5(a)に示すように、低エネルギー光は、画像の上部と下部に分裂した。エネルギーが上がると、光は中心に寄ってゆき、一次光ピーク付近では図5(c)に示すように、水平垂直とも中心にまとまる。さらに高エネルギーでは、上下方向と水平方向に分離し始める（図5(d)）。その後、図5(f)に示すように、二次光が再び中心に集まる。
　図6は、SPECTRAを使用して計算した各エネルギーのビーム形状である。図6(c)は、一次光であり、光軸に鋭く集まっている。一方、(a)と(b)は低エネルギー成分である。(f)は二次光ピークであり、(d)と(e)は二次光の低エネルギー成分である。図5に示した本モニターにより得られた画像は、SPECTRAの計算結果とよく一致していることがわかる。エネルギー値の差異は、SOPHIAS-Lのエネルギー分解能とアンジュレータスペクトル形状のコンボリューションによるものである。

5. まとめと展望
　我々は、アンジュレータ光がダイヤモンド薄膜を透過して発生するX線散乱をピンホールカメラで像とし、これを二次元検出器によるカラーイメージング技術で解析することで、初めてSPring-8のアンジュレータ光のエネルギー空間分布を測定した。光の芯を捉えることに成功しているため、従来から言われ続けて来た偏向電磁石放射の混入の影響は無視できるレベルである。次期計画において、新しい光源としてリニューアルされた暁に、このタイプのビームモニリングにより光がどのように仕上がっているかを観察できるということは、プロジェクトを進めてゆく上で大きな力となるだろう。
　図5(c)でわかる通り、現状では一次光のビームサイズはまだ大きく広がって見えている。これは用いた検出器SOPHIAS-Lのエネルギー分解能がΔE = 2 keV（@5.9 keV：FWHM）が不十分なためである。図6(c)のSPECTRA計算は、エネルギー分解能0.1% B.W.としている。これはΔE～数eVの2結晶分光器レベルである。ここまでは無理としても、計算上では検出器のΔE～500 eV程度を実現できれば、FE slit開口を実用的なサイズにしても十分光軸を捉えることができる。
　本報告は蓄積電流を下げての試験結果であるが、実運用では、より多数の光子が検出器に入射する。更にSPring-8-IIでは、実効フラックスが30倍となる。これらは、リアルタイムモニターの観点からは有利である。
　一方で、二次元検出器を用いたエネルギー分解画像処理は、一画素に複数光子が入射すると不可能となる。入射光子数が増えてもこの条件を満足するためには、フレームレートが30 HzのSOPHIAS-Lでは対応できず、数十kHzレベルの高いフレームレートを有する二次元検出器が必要である。
　つまり本ビームモニターが次期計画で活躍するためには、二次元検出器のエネルギー分解能、フレームレートが重要な項目になる。このような条件を満たす検出器として、我々は理研の開発しているCITIUSに期待している^[21][21] 初井宇記：企画講演7　動き出した次世代X線画像検出器CITIUS「高速・積分型検出器CITIUSの開発」第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム（2022年1月9日）。
　エネルギー分解能とリアルタイム性において、改善すべき点を残しているとはいえ、我々は、SPring-8が運転を開始してから、優に25年を過ぎても解決にいたらなかった問題、光軸の計測による光源の安定化、に一歩近づいたという手ごたえを感じている。

参考文献
[1] P. Raimondi, N. Carmignani, L. R. Carver, J. Chavanne, L. Farvacque, G. Le Bec, D. Martin, S. M. Liuzzo, T. Perron, and S. White: Physical Review Accelerators and Beams 24 (2021) 110701-1-5.
[2] M. Yabashi and H. Tanaka: Nature Photonics 11 (2017) 12-14.
[3] H. Aoyagi, T. Kudo, H. Tanida and H. Kitamura: AIP Conference Proceedings 705 (2004) 933.
[4] D. Shu, H. Ding, J. Barraza, T. M. Kuzay, D. Haeffner and M. Ramanathan: Journal of Synchrotron Radiation 5 (1998) 632-635.
[5] H. Aoyagi, Y. Furukawa, S. Takahashi and A. Watanabe: Physical Review Accelerators and Beams 24 (2021) 032803.
[6] T. Kudo, S. Takahashi, N. Nariyama, T. Hirono, T. Tachibana and H. Kitamura: Review of Scientific Instruments 77 (2006) 123105.
[7] S. Takahashi, T. Kudo, M. Sano, A. Watanabe and H. Tajiri: Review of Scientific Instruments 87 (2016) 083111.
[8] K. Tono, T. Kudo, M. Yabashi, T. Tachibana, Y. Feng, D. Fritz, J. Hastings and T. Ishikawa: Review of Scientific Instruments 82 (2011) 023108.
[9] J. Y. Park, Y. Kim, S. Lee and J. Lim: Journal of Synchrotron Radiation 25 (2018) 869-873.
[10] R. van Silfhout, D. Pothin and T. Martin: Journal of Synchrotron Radiation 27 (2020) 37-43.
[11] J. Morse, M. Salomé, E. Berdermann, M. Pomorski, W. Cunningham and J. Grant: Diamond and Related Materials 16 (2007) 1049-1052.
[12] 田中均、後藤俊治、高野史郎、登野健介、正木満博、矢橋牧名、放射光 30 (2017) 28-38.
[13] T. Tanaka: Journal of Synchrotron Radiation 28 (2021) 1267-1272.
[14] S. Goto, S. Takahashi, T. Kudo, M. Yabashi, K. Tamasaku, Y. Nishino and T. Ishikawa: Proc. SPIE 6705 (2007) 67050H.
[15] https://phits.jaea.go.jp/indexj.html
[16] T. Kudo, M. Sano, T. Itoga, H. Tajiri, K. Ozaki and S. Takahashi: Review of Scientific Instruments 91 (2020) 033103.
[17] T. Kudo, M. Sano, T. Itoga, T. Matsumoto and S. Takahashi, Journal of Synchrotron Radiation 29 (2022) 670-676.
[18] T. Hatsui, M. Omodani, T. Kudo, K. Kobayashi, T. Imamura, T. Ohmoto, A. Iwata, S. Ono, Y. Kirihara and T. Kameshima, H. Kasai, N. Miura, N. Kuriyama, M. Okihara, Y. Nagatomo, M. Nagasaki, T. Watanabe and M. Yabashi: Proc. Int. Image Sensor Workshop (2013) Art. No. 3.05.
[19] T. Hatsui and H. Graafsma: IUCrJ 2 (2015) 371-383.
[20] M. Abe, F. Kaneko, N. Ishiguro, T. Kudo, T. Matsumoto, T. Hatsui, Y. Tamenori, H. Kishimoto and Y. Takahashi: Journal of Synchrotron Radiation 28 (2021) 1610-1615.
[21] 初井宇記：企画講演7　動き出した次世代X線画像検出器CITIUS「高速・積分型検出器CITIUSの開発」第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム（2022年1月9日）

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