X線自由電子レーザーでの 検出器への要請
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Transcript X線自由電子レーザーでの 検出器への要請
放射線検出器と電子回路の課題と展望
―光子検出器を中心に―
X線自由電子レーザーでの
検出器への要請
平成17年5月11日
播磨研究所
線型放射光研究開発グループ
石川 哲也
[email protected]
本日お話すること
• 播磨研究所での硬X線自由電子レーザー建
設計画（SPring-8 Compact SASE Source
Project: SCSS)
• X線自由電子レーザーからの光の特性
• X線自由電子レーザーでのサイエンスの一端
• どのような検出器が要請されるか？
• まとめ
1895年以来の8keV X線輝度の変遷
20世紀の2大光技術の統合による新しい光技術を！
◆ 原子レベルでの構造と動きを「見る」基盤的なツールの確立を！
X線技術
レーザー技術
医学応用
量子エレクトロニクス
量子物理学の基礎
原子分子物理学
ナノ計測（X線結晶解析）
レーザー計測
金属材料
レーザー加工
有機物合成
光通信技術
DNA構造（分子生物学の基礎）
ホログラフィ
半導体材料
光センサー
放射光
タンパク解析
触媒機能
光記憶(CD/DVD)
X線自由電子レーザー
SASEの原理
強度のめやす
TESLA
TTFFEL
Xe H13
Ar H27
Ne H59
TESLA
TTFFEL
海外の状況
Linac Coherent Light Source (LCLS)
European XFEL
SLAC, Stanford, CA, USA
DESY, Hamburg, Germany
Compact SASE Source
Undulator Radiation
magnet
photon 2
E
m0c2
magnet
を小さくすると、小さなEで、短波長に到達可能
SPring-8 In-Vacuum Undulator
線形加速器の加速勾配を大きくすると、短い加速器で高エネルギーに到達
KEK C-Band Linac
SCSS(SPring-8 Compact SASE Source)
①Ultra Low Emittance e-gun
②High Gradient C-Band Accelerator
③Short Period In-Vacuum Undulator
Short Saturation
Length
Short Linac
Lower Electron
Energy
Compact
Lower
Cost
&
Higher
Stability
On a One-Rock Mountain
(Mountain-Top FEL)
SCSS Prototype（250MeV） for 60 nm Laser
60 m
①Thermic Electron Gun
Single crystal CeB6 electron gun for
ultra-low-emittance electron beam
②High Gradient C-Band Accelerator
③In-Vacuum Undulator
C-Band (5.712 GHz) accelerator with 15 mm period in-vacuum undulator
40MV/m acceleration gradient
SCSS(8GeV)
SCSS Parameters
SPring-8 Campus
Electron Energy
8GeV
X-ray Wavelength 0.1nm
e-Beam Emittance 0.85 pmm mrad
Peak Current
3kA
Bunch Length
80fs
Peak Power
4GW
Band Width D/ 7×10-4
3×1024photons/s in0.1%b.w.
Peak Flux
2
2
Peak Brightness 1033photons/sec/mm /mrad in0.1%b.w.
8
6×10
Degeneracy
全長800m
Beam Lines
Experimental Hall
Linac
Undulators
E=8 GeV
Milestone
nm
0.06
X線
0.1
8 GeV, 0.06 nm
0.15 nm
0.10 nm
1
6nm
10
真空紫外
60nm 250 MeV プロトタイプ
100
（進行中）
可視
目標波長
（計画段階）
1000
2002
03
04
05
06
年
07
08
09
2010
12
X線自由電子レーザーからの光の特性
• 短パルス
– σ＝80 fs w/o seeding
– σ＜10 fs with seeding
• 超高ピーク輝度
– 1015~1018 photons/pulse
• 周波数
– 60~240 Hz
Scattering of x-rays by a point
charge
(Thomson Scattering)
I0
o 2
E0
o
Eradiation
Point Charge,
mass=m,
charge=e
Electromagnetic Plane Wave
E E0 exp i Ko r - t
kˆ
B E0 exp i Ko r - t E
c
k
e x r r
4p0c2
r3
1
r
I o
o
2
e2 sin
I0
2
2
E
r
sin
0
r2
2 0
4
p
mrc
e2
r0
: Classical Electron Radius
4po mc2
2.81776 10-15 m
Lorentz Force
mx e( E x B)
x c x
e
E
m
Scattering of x-rays by distributed charge
K0 : Incident Wave Vector
KS : Scattered Wave Vector
KS
r(x) : Number Density of Electron
r(x)
K0
x
Contribution from a volume element d3x at x
distribution
point charge
dEradiation
Eradiation
r x exp -i K s - Ko x d 3 x
Scattering of x-rays by distributed
charge
distribution
point charge
3
Eradiation
Eradiation
r
x
exp
i
K
K
x
d
s
o
x
3D Fourier Transform of Charge Density
Scattered Intensity
I I
single
r x exp -i K
ro2 sin 2
Io
2
r
- Ko x d x
3
s
r x exp -i K
2
- Ko x d x
3
s
2
Nature, 406 (2000) 752.
Oversampling Phase
Retrieval
What we can measure in diffraction/scattering experiment
= Intensity
All phase information is lost!
Non-Crystalline Charge Distribution:
ro2 sin 2
I
Io
2
r
r x exp-iK x d x
2
3
o
E E*
o
E* : complex conjugate of E
If
E
ro sin
Io o
r
o
I
r x exp-iK x d
3
x
o
exp(i )
o
is obtained, we can calculate r(x) by Fourier inversion.
Iterative Phase Retrieval
(Jianwei Miao & David Sayre)
X-ray intensity data: Phase Information is Lost!
Scattered pattern in Far Field with Coherent Illumination, Phase can be
retrieved.
Phase Retrieval → Iterative Algorism developed by Gerchberg &
Saxon, followed by the improvement by Fienup (Opt. Lett. 3 (1978) 27.)
Real Space Image
Scattered Intensity
Phase Retrieval
Reconstruction of Complex Real Space Images
Real Space
Phase Retrieval
Scattered Intensity
Original Image
Reconstructed Image
After 5000 iteration
Structural of Biomolecules from Single-Molecule
Diffraction Image (Simulation)
J. Miao, K. O. Hodgson and D. Sayre: PNAS, 98, 6641 (2001)
3D electron density map of the
rubisco molecule
The active site with Mg (II)
Diffraction pattern, noise added, central part
removed
Reconstructed
electron density
Diffraction pattern, noise added, central
part removed
Diffraction pattern
Reconstructed active site
3D electron density map of the
The active site with Mg (II)
rubisco
molecule Diffraction
Reconstructed
Calculated
Electron Density
Pattern
X-Ray Crystallography
Reconstructed electron density
Reconstructed active site
Diffraction pattern
タンパク研究の新しい可能性
◆ X線レーザーからのコヒーレントX線はタンパク解析のボトルネックを解消する
細胞内の個々のタンパクの動
きや相互作用が観察可能に
1つの分子で原子配列構造解析が
可能に（結晶化が不要に）
検出器1
検出器2
X線レーザー
ビーム
タンパク分子
SPring-8で解析可能
易
結晶化
NMRで解析可能
難
X線回折パターン
小
分子量
大
X線レーザーで
初めて解析可能
となる領域
◆ タンパク解析は欧米計画の駆動力
生きている細胞
内のタンパクの
原子レベルでの
構造と動き
自由電子レーザー（XFEL）の応用（医科学：理研林崎提案）
Cell Map の開発 ・・・ 従来の病理学を塗り替える、細胞全体の情報を記述する革新的ＤＢ
従来技術
遺伝子クローン（約53,000種類）は得られたが、個々の細胞におけるこれら遺伝子の発現量は
わからない。 → 細胞の状態はわからない。
XFELによるブレークスルー
胎児～成体までの各成長段階における個々の細胞の遺伝子の発現量の解析が可能。
データベース化により、細胞全体の完全なキャラクタリゼーション（Cell Map）が実現。
７８
XFEL
P
t
XFEL
蛍光Ｘ線検出
63
E
u
同位体元素による標識
（生体に存在しない
50～100種類を利用）
Pt標識遺伝子
異なる元素で標識した複数の遺伝子の発現量を、
XFELを用いて、一度で高精度に測定。
（原理的に全ての同位体元素の検出が可能。）
※ 既存の蛍光プローブ技術では、プローブが５種類しか使えないうえ、
それぞれの蛍光色素に合わせた特定の波長を持つ光源が必要。
期待される効果
ガン細胞の分類（悪性度、転移性、薬剤耐性等）方法の確立
→ 治療薬、治療方法を個々に最適化
細胞や核の形態学的な変化の観察による診断から、遺伝子レベルの確実な診断へ
どのような検出器が要請されるか？
エリア検出器に対するユーザーからの勝手な要求
400 M Pixel Detector
• Area Detector: at least 200 mm x 200 mm
• Pixel Size: less than 10-2 mm x 10-2 mm
Wide Dynamic Range
• Each Pixel should have >106~108 Dynamic
Range
Fast Data Transfer
• 400 M Pixel Data Transfer at > 240 Hz
High Quantum Efficiency at >10 keV
どのような検出器が要請されるか？
エネルギー分散型検出器に対するユーザーからの勝手な要求
High Count Rate
• >1010 photons/sec
Moderate Energy Resolution
• ~100 eV Resolution at 10 keV
Wide Area for Larger Solid Angle
• >50 mm x 50 mm
• Multi-Segment?
おわりに
• X線自由電子レーザーからの光のスペックは
現時点では「絵に描いた餅」
• 萎む可能性と膨れる可能性の両方がある
• X線検出器開発は、X線自由電子レーザー利
用に向けての最重点項目のひとつであると同
時に、現在のSPring-8利用でも重点項目
• 高エネルギー物理、原子核、宇宙での光子
検出器との共通点・相違点を明確にしつつ理
研内で情報・技術の交換を
ご静聴ありがとうございました