次世代放射光とは？｜東北大学・多元研・放射光産学連携準備室

次世代放射光施設計画 (Super Lightsource for Industrial Technology, Japan)

イノベーション創出のカギを握る放射光

放射光とは

ナノを見て、私たちの今日を支え、明日を拓く光です。
次世代放射光施設は、その光を、日本の技術の粋を集めて創る研究開発の先端施設です。

私たちの生活にとって

放射光は学術研究や産業技術開発の重要なツールです。たとえば、

人工光合成の実現のカギを握る植物の光合成反応の触媒の構造を明らかにしました。
“IGZO”の開発を支援し、携帯端末ディスプレイの省エネ化に貢献しました。
エコタイヤの開発に、住友ゴム工業、横浜ゴム、ブリジストンなどが産学連携で成功しました。
達成した約６％の燃費向上は、年間約7,000億円の燃費節約、約10％のCO₂削減に相当すると言われています。
燃料電池や、リチウムイオン電池の開発にも利用されています。

他の応用事例は？

海外では

文部科学省「次世代放射光施設に関するニーズ調査」報告書にMAX-IVのデータを追加したもの

エミッタンス10nm・rad以下の高輝度第三世代放射光施設の建設または運用開始年次推移
文部科学省「次世代放射光施設に関するニーズ調査」報告書にMAX-IVとTPSのデータを追加したもの。赤は2-3 GeVクラスの放射光光源

日本の産業活用の成功に刺激され、海外では多くの科学技術立国を目指す国々が最新技術を搭載した放射光施設を相次いで建設しています。高性能の光を求めて、技術開発競争が激化し、光の明るさで日本を100倍上回る施設も登場してきました。また、その放射光施設の周囲に企業が集積し、リサーチコンプレックスを形成しています。

今後の我が国の国際競争力を強化していく上で、新しい放射光施設が必要となっています。

日本では

最先端の放射光施設であるSPring-8の建設から20年が経過しています。我が国のものづくりを支える炭素やリチウム、鉄やコバルトなど、重要な元素の振る舞いをナノレベルで見るには、海外に比べて、光の明るさで100倍劣っています。

このような現状を受け、2018年7月3日、文部科学省は「官民地域パートナーシップによる次世代放射光施設の推進」を発表し、同施設の整備・運用の検討を進める国の主体である量子科学技術研究開発機構とともに、整備・運用に積極的に関わる地域及び産業界のパートナーとして、一般財団法人光科学イノベーションセンターを代表機関とする、同財団、宮城県、仙台市、国立大学法人東北大学、及び一般社団法人東北経済連合会を選定しました。

今、学術・産業界から、一刻も早い「次世代放射光施設の建設実現」が求められています。
次世代放射光施設計画は、それに応え、イノベーション創出に貢献するものです。

ナノを見る施設

次世代放射光施設計画は、新しい放射光施設の建設計画です

放射光は、リング型の加速器の中を光速で運動する電子が方向を曲げられた時に発生します。
たとえば、

台湾 TPS (周長:518ｍ)では、エミッタンス1.6 nmradの電子ビーム
米国 NSLS-II (周長:792ｍ)では、エミッタンス0.55 nmradの電子ビーム
スウェーデン MAX-IV (周長:528ｍ)では、エミッタンス0.33 nmradの電子ビーム

が加速エネルギー3 GeVでリング型加速器を周回し、放射光を発生しています。
次世代放射光施設は、周長:350m、エミッタンス1.1 nmrad、加速エネルギー3 GeVのコンパクトで高性能の放射光施設です。

*エミッタンス: 電子ヒ?ーム径と角度広か?りの積。ヒ?ームエミッタンスか?小さい加速器は、電子や放射光か?狭い範囲に集まっており、高輝度光源となりうる。

光の性能は、これまでの100倍以上に

太陽光の明るさの10億倍の輝度
軟X線領域で、国内最高性能のSPring-8の100倍の輝度
5メガワット（SPring-8の1/10)の省エネ運転で発生

施設の性能 >

デカナノからシングルナノへ

ナノサイエンス・テクノロジーは、イノベーションの源泉です。
放射光科学は、ナノアプリケーションの国際競争の時代に入りました。スピントロニクスデバイス、燃料電池、リチウムイオン電池、ヘルスケア等の研究開発でも、これまでの100ナノメートル以下のデカナノから、10ナノメートル以下のシングルナノでの非破壊観察のニーズが高まっています。

次世代放射光施設の光は、このシングルナノアプリケーションを可能にします。

すなわち、次世代放射光施設は、ナノを見るための巨大な顕微鏡です。

放射光で何が見える？

原子・分子・ナノの構造や、電子が関わる機能が見えます。それにより新しい機能を持つ材料やデバイスの開発、生命機能、創薬の研究開発なども可能になります。

一般に、光の波長より大きなのものしか鮮明に「見る」ことができません。ナノメートル単位の大きさで物質の細部やその性質を鮮明に可視化するには、光の波長がそれ以下のX線領域の放射光が適しています。

測定手法を詳しく >