過去と未来を照らす「光」のビームがあります |中国のシンクロトロン放射源

制作：中国科学普及協会

著者: Ziqian

プロデューサー: 中国科学博覧会

テーブルに着席、BEPCの困難な起業の旅

4世代が共に暮らすHEPSは新たな栄光を刻み続ける

シンクロトロン放射が最初に発見されてから70年以上が経ちました。当初は「嫌われている」状態だった放射光も、今では「賞賛されている」状態へと、人々の放射光に対する意識も大きく変化しました。元々のシンクロトロン放射源は粒子加速器に「寄生」していました。既存の粒子加速器をベースに放射光研究を実施しました。これを第一世代のシンクロトロン放射光源と呼びます。第 2 世代の光源は、粒子加速器や粒子物理学の研究に依存しない専用のシンクロトロン放射源です。第 3 世代の光源では多数のインサートが使用され、シンクロトロン放射の性能が向上します。現在、シンクロトロン放射光源は第4世代まで発展しています。

中国のシンクロトロン放射もまた4世代にわたる発展を遂げてきた。当時、1977年に、シンクロトロン放射施設の建設が国家科学技術発展計画に含まれていました。現時点では、2023年3月14日、「第13次5カ年計画」国家重点科学技術インフラである中国の第4世代シンクロトロン放射光源である高エネルギーシンクロトロン放射源（HEPS）線形加速器がフルエネルギーでビームを放出し、最初の電子ビームの加速に成功しました。これは、HEPS 装置の構築におけるもう一つの重要な節目であり、中国のシンクロトロン放射の発展における重要な節目でもあります。今号では中国のシンクロトロン放射源の開発の歴史についてお話します。

HEPS線形加速器トンネル内部

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

第一世代: 北京シンクロトロン放射施設 - 北京電子陽電子衝突型加速器に「寄生」する光源

1972年8月、張文宇と他の18人の科学技術者は周恩来首相に手紙を書き、中国の高エネルギー物理学研究の発展に対する意見と希望を表明した。 1972年9月11日、周恩来首相は返答の中で次のように指示した。「この問題はこれ以上先送りすることはできない。高エネルギー物理学の研究と高エネルギー加速器の予備研究は、科学アカデミーが重点的に取り組むべき主要プロジェクトの一つになるべきだ。」 1988年10月、中国科学院高エネルギー物理研究所に北京電子陽電子衝突型加速器が建設されました。 3年後の1991年には、北京シンクロトロン放射施設（BSRF）も設立されました。シンクロトロン放射は、加速器の接線方向に沿って複数の地点から取り出され、それに対応した実験室も加速器の周囲に建設されます。

周首相の返答

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

北京シンクロトロン放射施設は建設当初からユーザーに開放されていました。その研究内容は、材料科学、凝縮物質物理学、化学、化学工学、生命科学、医学、地質学、資源、環境科学、マイクロエレクトロニクス、マイクロメカニカル技術など、さまざまな学問分野と領域にわたります。過去30年間の運営を通じて、多くの重要な科学研究成果が生み出されました。最も重要な成果の一つは、2003年の春にSARSが全国に急速に広がり、SARSウイルスに対する薬の研究が急務となったことです。 2003年6月、清華大学の饒子和教授率いる研究チームは、2002年末に中国初のタンパク質結晶構造研究ビームラインと実験ステーションを建設し、SARSコロナウイルスの主要プロテアーゼの結晶構造を解明した。その後、研究者らはシンクロトロン放射実験を利用して効果的な薬剤標的分子を取得し、SARSウイルスの治療薬開発に重要な情報を提供した。

北京シンクロトロン放射施設は、我が国で初めて建設され、運用された大規模なシンクロトロン放射施設であり、30年以上にわたって順調に稼働しています。第一世代の放射光源ではありますが、継続的な改良とアップグレードにより、その性能は第二世代の放射光源に近づいています。現在でもこの「後方」光源は成果を上げており、まだまだ健在であると言えます。

北京シンクロトロン放射施設のビームラインと実験ステーションの概略図

（画像出典：http://bsrf.ihep.cas.cn/keyanchengguo/nianbao/201507/P020150713624664899951.pdf）

第2世代: 合肥シンクロトロン放射光源 - シンクロトロン放射アプリケーション向けに特別に設計

第一世代のシンクロトロン放射源の主な欠点は、粒子加速器に「寄生」していることです。粒子加速器の主な役割は、高エネルギー物理学の実験を行うことです。シンクロトロン放射光の要件に従って動作することはできず、実験に使用できる実際のマシン時間は大幅に制限されます。そのため、北京シンクロトロン放射施設は年間3か月程度しか使用されておらず、科学研究のニーズを満たすには程遠い状況となっている。当時、中国の第二世代シンクロトロン光源である合肥シンクロトロン放射源は、シンクロトロン放射の応用のために特別に設計されました。

実際、合肥シンクロトロン放射源と北京シンクロトロン放射源は基本的に同時期に建設されました。これらは1989年に完成し、発光を開始しました。これは、我が国で独自に建設された最初の専用のシンクロトロン放射源でもあります。有利なエネルギー範囲は真空紫外線と軟X線帯域です。電子ビームのエネルギーは最大 0.8 GeV、自然エミッタンスは 40 nm•rad 未満です (すべての電子が蓄積リング内で同じ軌道を移動することを期待していますが、現実には常に偏差があります。ほとんどの実際の電子は理想的な軌道から外れるため、電子束には特定のサイズと発散角があります。これら 2 つの積は「エミッタ」と呼ばれます。明らかに、エミッタンスが小さいほど光が集中し、光源の性能が向上します)。

第二世代の光源ですが、比較的初期に構築されました。北京シンクロトロン放射施設と同様に、合肥シンクロトロン放射施設が提供するパフォーマンスとマシン時間は、科学研究のニーズを満たすには程遠いものです。また、合肥光源のエネルギーは比較的低く、主に真空紫外線と軟X線の研究を行っており、硬X線を生成することはできません。

合肥光源シンクロトロン放射ホール

（画像提供：中国科学技術大学国家シンクロトロン放射研究所）

合肥シンクロトロン放射光源蓄積リングの一角

（画像提供：中国科学技術大学国家シンクロトロン放射研究所）

第3世代：上海シンクロトロン放射光源 - 低放射率とインサートの広範な使用を備えた専用光源

1990 年代までに、第 3 世代のシンクロトロン放射源が国際的に登場しました。この世代の光源では、インサート（同じ N 極と S 極を持つ一連の周期的に配置された磁石）が広く使用されました。光源の放射率は非常に小さく、その量は長期間にわたって安定しており、輝度は非常に高く、偏光とコヒーレンスの品質も優れていました。

上海シンクロトロン放射光源は2004年12月に建設が開始され、2009年に運用が開始されました。これは中国本土で最初の第3世代シンクロトロン放射光源です（中国台湾の第3世代光源である台湾光源は1994年に建設されました）。上海光源は電子ビームのエネルギーを 3.5 GeV まで増加させ、エミッタンスを 4 nm•rad まで低減しました。これは合肥光源よりもはるかに低い値です。

上海シンクロトロン放射施設

（画像提供：上海張江先進光源大型科学施設群）

上海光源以外にも、英国のDIAMOND、フランスのSOLEIL、スペインのALBA、米国のNSLS-IIなども代表的な第3世代中エネルギー放射光源です。

2020年初頭、中国の研究者らは上海光源を利用して、新型コロナウイルスの主要タンパク質の高解像度構造の解明に先鞭をつけた。

新型コロナウイルスの主な加水分解タンパク質とN3の複合体の結晶構造

(画像出典: 現代物理学知識雑誌 https://www.ccnta.cn/article/8242.html)

第4世代：高エネルギーシンクロトロン放射光源 - より明るい光がミクロの世界を照らす

現在、世界では第4世代の放射光光源が開発されています。この世代の光源は、回折限界ストレージリング技術に基づいています。電子ビームの放射率は前世代よりも 1 ～ 2 桁低く、X 線の回折限界放射率に近づいているか、またはそれに達しており、平均輝度は高くなっています。実際、回折限界蓄積リングの重要な物理と技術におけるブレークスルーによって回折限界蓄積リングの実現が可能になったのは、2010 年頃になってからでした。ブラジルのシリウス、ヨーロッパのESRF-EBS、米国のAPS-Uはすべて第4世代の光源です。現在進行中

北京市懐柔区に建設された高エネルギー光子源（HEPS）は、第4世代のシンクロトロン放射源です。 HEPSは国家発展改革委員会の承認を受け、中国科学院高エネルギー物理研究所によって建設された。これは「第13次5カ年計画」における国家の主要な科学技術インフラです。 2019年半ばにすべての事前準備が完了し、6月29日に工事が開始されました。工期は約6年半で、2025年末までに完成し、引き渡しが行われる予定です。

高エネルギーシンクロトロン放射源 (HEPS) は、電子エネルギーが 6 GeV、エミッタンスが 0.06 nm·rad 以下の高性能高エネルギーシンクロトロン放射源です。その主な目的は、国家開発戦略に関連する研究のニーズを満たすために、高エネルギー、高輝度の硬X線を提供することです。例えば、航空宇宙エンジン材料や核物質の研究には、このような高性能X線が欠かせません。同時に、産業分野や基礎科学分野に対するより優れたサポートプラットフォームも提供します。完成すれば、中国初の高エネルギーシンクロトロン放射源となり、世界でも最も明るい第4世代シンクロトロン放射源の一つとなる。これは我が国の既存の光源のエネルギー範囲を補完し、我が国の国家開発戦略と最先端の基礎科学およびハイテク分野における独自の革新能力を強化する上で大きな意義を持つでしょう。

高エネルギーシンクロトロン放射光源（効果画像）

（画像提供：中国科学院高エネルギー物理研究所）

2023年3月14日、高エネルギーシンクロトロン放射源（HEPS）線形加速器が最大エネルギーでビームを放射し、最初の電子ビームの加速に成功しました。これは高エネルギーシンクロトロン放射源にとって重要なマイルストーンです。

また、中国科学技術大学国家シンクロトロン放射研究所が提案した合肥先進光源施設（HALF）も第4世代光源です。そのコンセプトは、低エネルギーゾーンの第4世代の蓄積リング光源であり、2027年に完成する予定です。その時までには、合肥先進光源は、放射スペクトル全体で最高の明るさと空間コヒーレンスを備えた回折限界光源になります。同時に、合肥先進光源を頼りに、先進的な低エネルギー自由電子レーザー装置と世界唯一のテラヘルツ蓄積リング光源の建設を拡大し、「合肥先進光源」クラスターを共同で形成し、低エネルギー領域における世界最先端の光源センターとなる予定です。国内外の科学者に開放され、量子情報、エネルギー・環境、生命科学の分野における最先端の研究のための公開プラットフォームを提供します。

合肥先端光源レンダリング

（画像提供：中国科学技術大学）

北京電子陽電子衝突型加速器に「寄生」する北京シンクロトロン放射施設から、世界をリードする高エネルギーシンクロトロン放射源に至るまで、中国はシンクロトロン放射源の分野で驚異的な30年を歩んできました。最初の光源として、北京シンクロトロン放射施設は現在も稼働しています。そして、最新の光源である高エネルギーシンクロトロン放射源は、ほんの始まりに過ぎません。さらなる科学の発展を期待しています！