X線ポンプ・X線プローブ法によるフェムト秒X線ダメージ過程の解明

• 研究課題/領域番号: 17K14137
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 量子ビーム科学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 井上 伊知郎 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (30783401)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: X線自由電子レーザー / フェムト秒 / 放射損傷 / ポンププローブ法 / フェムト秒X線ダメージ / X線構造解析

研究成果の概要

本研究の目的は、X線自由電子レーザー(XFEL)から出射された高強度X線が物質に照射された際に起こるフェムト秒X線ダメージ過程を解明することにある。そのために、ダイヤモンド薄膜を試料としてXFEL照射後にフェムト秒の時間スケールで起こる電子励起や構造変化を時間間隔を制御したダブルパルスX線レーザーを利用することで測定した。実験の結果、XFEL照射後約10 フェムト秒程度で炭素-炭素間の共有結合が破壊されて原子間のポテンシャルが等方的になり、このポテンシャルの変化によってXFEL照射後20フェムト秒後から原子変位が起こることが明らかになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

高強度のX線自由電子レーザー用いた実験では、パルス幅と同程度のフェムト秒時間スケールで起こるX線ダメージが無視できないという問題点がある。本研究によって明らかになった、電子励起による化学結合の切断や原子変位といったフェムト秒の時間スケールで起こるXFELの物質へのダメージ過程は、X線１分子構造解析などをはじめとした高強度XFELの利用実験を支える基礎となることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Generation of narrow-band X-ray free-electron laser via reflection self-seeding (2019)
  • 著者名/発表者名: Inoue Ichiro、Osaka Taito、Hara Toru、Tanaka Takashi、Inagaki Takahiro、Fukui Toru、Goto Shunji、Inubushi Yuichi、Kimura Hiroaki、Kinjo Ryota、Ohashi Haruhiko、Togawa Kazuaki、Tono Kensuke、Yamaga Mitsuhiro、Tanaka Hitoshi、Ishikawa Tetsuya、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 13 号: 5 ページ: 319-322
  • DOI: 10.1038/s41566-019-0365-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] X-ray Hanbury Brown-Twiss interferometry for determination of ultrashort electron-bunch duration (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue Ichiro、Hara Toru、Inubushi Yuichi、Tono Kensuke、Inagaki Takahiro、Katayama Tetsuo、Amemiya Yoshiyuki、Tanaka Hitoshi、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Physical Review Accelerators and Beams 巻: 21 号: 8 ページ: 080704-080704
  • DOI: 10.1103/physrevaccelbeams.21.080704
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] X線ハーモニックセパレーター: 「従来の100倍明るいX線ビームを実現する光学技術」 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上伊知郎, 矢橋牧名
  • 雑誌名: アイソトープニュース 巻: 760 ページ: 23-25
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] An X-ray harmonic separator for next-generation synchrotron X-ray sources and X-ray free-electron lasers (2018)
  • 著者名/発表者名: I. Inoue, T. Osaka, K. Tamasaku, H. Ohashi, H. Yamazaki, S. Goto and M. Yabashi
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 25 号: 2 ページ: 346-353
  • DOI: 10.1107/s160057751800108x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] XFELの新奇特性の開拓とその利用 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上伊知郎
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 蛍光X線の強度干渉現象を利用したXFELのパルス幅計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 井上伊知郎, 玉作賢治, 犬伏雄一, 大坂泰斗, 矢橋牧名
  • 学会等名: 第32回日本放射光学会年・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] Reflection self-seeding at SACLA (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue I., Osaka T., Inagaki T., Goto S., Hara T., Inubushi Y., Kinjo R., Ohashi H., Tanaka T., Togawa K., Tono K., Tanaka H., and Yabashi M.
  • 学会等名: XOPT2018
  • 国際学会
• [学会発表] Optics developments at SACLA: harmonic separator and u-channel cut crystal (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue, I.
  • 学会等名: APS-ESRF-SPring-8 3-way meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Reflection self-seeding at SACLA (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue, I.
  • 学会等名: SRI2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Extracting specific harmonics of undulator radiation using an X-ray harmonic separator (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue, I.
  • 学会等名: SRI2018
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal diagnostics of femtosecond e-bunches via X-ray intensity interferometry (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue I., Hara T., Inubushi Y., Tanaka H., and Yabashi M.
  • 学会等名: IBIC2018
  • 国際学会
• [学会発表] X線自由電子レーザー・次世代放射光源のためのハーモニックセパレータの検討 (2018)
  • 著者名/発表者名: 井上伊知郎, 大坂泰斗, 玉作賢治, 大橋治彦, 山崎裕史, 後藤俊治, 矢橋牧名
  • 学会等名: 第31回日本放射光学会年・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] Determination of XFEL pulse duration via X-ray intensity interferometry (2017)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Inoue, Toru Hara, Yuichi Inubushi, Kensuke Tono, Hitoshi Tanaka, and Makina Yabashi
  • 学会等名: XOPT2017
  • 国際学会
• [学会発表] Recent developments of X-ray optics and photon diagnostics at SACLA (2017)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Inoue
  • 学会等名: PhotonDiag 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of X-ray interaction with matter in femtosecond-angstrom resolutions (2017)
  • 著者名/発表者名: Ichiro Inoue, Yuichi Inubushi, Taito Osaka, Toru Hara, and Makina Yabashi
  • 学会等名: Gordon Research Conference on X-ray Science
  • 国際学会
• [備考] 電子ビームの時間幅「1,000兆分の1秒」の評価法を開発
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180615_1/
• [備考] SACLAの明るさを6倍にすることに成功
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2019/20190305_1/
• [備考] X線ハーモニックセパレーター －従来の100倍明るいX線ビームを作り出す新技術－
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180301_1/