シンクロトロン挿入光源（アンジュレータ・ウィグラー）：仕組みと種類

シンクロトロン挿入光源（アンジュレータ・ウィグラー）の仕組みと種類を図解でわかりやすく解説。周波数特性・用途・選び方まで初心者向けに紹介。

物理学では、粒子加速器の直線部分に設置し、シンクロトロン光源とすることができる磁石群のことを指す。粒子線の経路を維持するために必要な真空を保持するパイプの代わりとなるため、「挿入光源」と呼ばれる。挿入光源は、シンクロトロンや蓄積リングの円形経路に設置されることが多い。

挿入光源には2種類あります。アンジュレータは、狭い周波数帯に調整された電磁波を作る。ウィグラー（Wiggler）は、幅広い周波数帯の電磁波を作る。

仕組み（簡単な概説）

挿入光源は、電子（もしくは陽電子）が磁場の周期的な配列を通過するときに発生する放射（シンクロトロン放射）を利用します。電子が磁場によって横方向に振られると加速度運動をするため電磁波を放射します。磁場の周期（磁場が同じ向きに戻るまでの長さ）を磁場周期（λu）、周期数を段数（N）と呼びます。

アンジュレータとウィグラーの主な違い

• デフレクションパラメータ K：Kは磁場強度と周期長に依存する無次元量で、概ね K = 0.934・B0[T]・λu[cm]（実用的な近似）で表されます。一般に、
  • K ≲ 1：アンジュレータ（Undulator）に分類され、干渉効果により狭い周波数帯のピーク（高い輝度の調和成分）が得られます。
  • K ≫ 1：ウィグラー（Wiggler）に分類され、各周期からほぼ独立した放射が重なり、幅広いスペクトル（連続的に広がる）になります。
• スペクトルの特徴：アンジュレータは基本波と高次高調波からなる鋭いピークを示し、帯域幅はおおよそ1/Nで狭くなります。ウィグラーは各周期の放射が重畳して滑らかなスペクトルを示し、高エネルギー側まで強い放射があります。
• 輝度とコヒーレンス：アンジュレータは位相整合により非常に高い輝度（ブライトネス）と部分的なコヒーレンスを持ち、X線実験で好まれます。ウィグラーは総フラックス（フォトン数）が多く、ブロードバンドの光源として適します。

主要パラメータ（実務的な視点）

• 磁場周期（λu）：短いほど高エネルギーの光（短波長）を得やすい。
• 段数（N）：多いほどアンジュレータのスペクトルは鋭く、ピークの輝度が高くなる。
• K値（デフレクションパラメータ）：装置の動作領域（アンジュレータかウィグラーか）を決める重要な値。
• 電子エネルギー（γ）：蓄積リングの電子エネルギーが上がるほど、放射の平均エネルギー（光子エネルギー）も上がる。
• 放射角度（θ）：観測角によりスペクトルの中心波長は微妙に変化する（λ ∝ 1 + K^2/2 + γ^2 θ^2 の形で現れる）。

種類と構造のバリエーション

• 平面アンジュレータ（Planar）：磁場が一方向に振動する基本的なタイプで、線偏光に近い光を出す。
• ヘリカル（螺旋）アンジュレータ：螺旋状の磁場で円偏光を発生させる。磁場位相を変えることで偏光を制御できる。
• 可変偏光アンジュレータ（例：APPLE-II）：偏光の向きを柔軟に変えられ、円偏光や直線偏光を切り替えられる。
• インバキューム（in-vacuum）アンジュレータ：真空中に磁石を配置することで磁場周期を短くでき、より短波長のX線を得る。
• 超伝導・低温永久磁石型：より高磁場を実現して高K値や短周期化を図る方式。
• ウィグラー：高いK値で多数の周期を持ち、強いブロードバンド放射を与える。磁石配列はアンジュレータと同様だが磁場強度が大きい。

設置と運用上の注意点

• 挿入光源はリングの直線部に置かれるため、ビームダイナミクス（軌道やエミッタンス）へ影響を与える。設計段階でリングとの整合（閉軌道や位相）が必要。
• 発生する光の熱負荷（特にウィグラー）は高く、光学系や真空チャンバーの冷却・耐熱設計が重要。
• 真空封止やビームアライメント、磁場整列の精度が性能に直結するため高度な調整と保守が必要。

用途・応用例

挿入光源は基礎から応用まで幅広い研究に使われます。例：

• 高輝度X線回折・結晶構造解析
• X線吸収分光（XAS）、X線磁気円二色性（XMCD）
• イメージング（位相コントラスト、トモグラフィー）
• 時間分解実験（フェムト秒・ピコ秒領域のポンププローブ）
• 材料科学、生命科学、化学反応解析など産業利用

まとめ

挿入光源はシンクロトロン光源の重要な構成要素で、アンジュレータは狭帯域で高輝度の放射を作り、ウィグラー（Wigglerは

高フラックス・広帯域の放射を与えます。用途や要求される光の性質（輝度、帯域、偏光、フラックス）に応じて最適な挿入光源が選ばれます。

質問と回答

Q: 挿入器具とは何ですか?

Q: なぜ挿入光源と呼ばれるのですか?

Q: どこで使用されていますか?

Q: 挿入装置には何種類ありますか?

Q: アンジュレータとは何ですか?

Q: ウィグラーとは何ですか?

Q: 挿入装置の目的は何ですか?

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