Ｘ線自由電子レーザー

日本、アメリカ、ヨーロッパでＸ線自由電子レーザー （XFEL= X-ray Free electron Laser）の開発と、これを利用する研究競争が繰り広げられている。
電磁気学では、加速運動する荷電粒子から電磁波が放出されると習う。その一例が円運動である。 これがシンクロトロン放射光源の基本である。光をもっと強くしようとすると、ほぼ直線上を蛇行運動させれば良い。 各蛇行運動は円運動に対応し、しかしほぼ直線であるので、放出される光はほぼ同じ方向に進む。 加えて、荷電粒子が光速で走ると、それぞれの蛇行運動で放出された光が重なり、干渉性を示すようになる。 これが前項でも顔を出したアンジュレータである。 さらにアンジュレータを非常に長くすると、重なり合った電磁波が振動電場を作り、その電場を荷電粒子自身が感じるようになる。 このとき荷電粒子が一つの集団となって動くため、放出される光の干渉性は著しく高まって波の位相が揃い(coherent）、レーザーと呼ぶに値するようになる（下図参照）。 これが自由電子レーザーである。通常の可視光のレーザーは、二枚の鏡の間（共振器）を光が行き来して増幅されるが、上述のXFELでは自らの電場に左右されるので、SASE(＝Self-Amplified Spontaneous Emission)と呼ばれている。
詳細は SACLA(XFEL)公式サイト「SACLAとは」 を参照。

↑XFELの原理図

単結晶のX線回折では、ラウエ斑点と呼ばれる干渉スポットが現れる。 これは、たとえX線の位相が揃っていなくても、物質（＝結晶）中の電子密度波が揃っているからである。 XFELで不規則系を調べる場合には、これとは逆に、たとえ物質中の電子密度波が揃っていなくても、X線側の位相が揃っているので干渉スポットが現れる。 これまで不規則系の構造解析は、X線も物質も位相が揃っていなかったので、ハローパターンと呼ばれる滲んだ輪が見えるだけであり、１次元情報（＝動径分布関数）しか得られなかったが、XFELの出現により、不規則系でも少なくとも２次元情報が得られ、それらを組み合わすことにより、３次元像の構築も夢ではなくなる。 こうなれば、液体構造論の教科書は、全部書き直さなければならない。
重要な応用が、タンパク質等の生体分子の構造解析である。従来は結晶化できる分子だけが研究対象であったが、XFELによりその制限が取り除かれる。 しかし克服すべき課題もある。XFEL光が強いため、１ショットで一つの回折像を得られるという長所があるが、同時に、その１ショットで試料が著しい放射線損傷を被ってしまう短所もある。 Ｘ線吸収による光電子放出に伴い、内殻ホールが形成される。 オージェ電子や蛍光Ｘ線を放出しつつ、そのホールはエネルギー的に低い方へと緩和していく。 ホールは増殖され隣接原子へと移動し、ついにはクーロン爆発を引き起こす。 XFEL利用研究が大きく発展するためには、このような素過程の研究 が不可欠であり、これも不規則系物理学の責務でもある。

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