ビームラインの現状（2023年度）｜Beamlines in 2023
UVSORは、電子エネルギー1GeV以下の放射光施設では世界最高輝度の極端紫外光を発生する光源です。2012年に完了した蓄積リングのアップグレードプロジェクト（UVSOR-III計画）により、自然エミッタンス17.5nm-radという低エミッタンスの蓄積リングが実現しました。UVSORでは、8台の偏向電磁石と6台の挿入光源がシンクロトロン光源として利用可能です。稼働中のビームラインは全部で13本あります。そのうち11本は「共用ビームライン」と呼ばれ、大学や政府機関、公共団体、民間企業、そして海外の研究者に開放されています。ビームラインBL6Uは「専用ビームライン」であり、分子科学研究所内の研究グループ専用です。ビームラインBL1Uは、一部が「共用」、一部が「専用」のビームラインです。2結晶分光器を備えた1つの柔X線（TX）ステーション、 6つの極端紫外線（EUV）および軟X線（SX）ステーション（斜入射分光器付き）、3つの真空紫外線（VUV）ステーション（直入射分光器付き）、フーリエ変換干渉計を備えた2つの赤外線（IR）ステーション、および2つのタンデムアンジュレーターの後にある1つの照射用ステーションが、2023年のUVSORのすべての利用可能なビームラインとして「ビームライン一覧」に示されています。アンジュレータビームラインの更新の詳細は以下の通りです。
●BL1Uでは、新しい光源の開発とガンマ線の利用が行われています。このビームラインには、バンチャー部を備えたタンデムアンジュレータが設置されており、可視光から深紫外光、真空紫外コヒーレント高調波発生、および光渦ビーム、ベクトルビーム、ダブルパルス波束などの時空間構造光の発生に利用できます。また、加速器と同期したフェムト秒レーザーシステムを備えており、コンプトン散乱ガンマ線の発生に利用されています。ユーザーには、バルク材料のナノメートルオーダーの欠陥を分析できるガンマ線誘起陽電子消滅分光法が提供されています。 消滅ガンマ線の計数率を高めるため、8個のBaF2シンチレータからなるアレイ検出器が開発されました。 金属試料の測定は数時間で完了します。
●BL3Uでは、低エネルギーX線吸収分光法（XAS）用の極薄液体セルが開発されました。C、N、OのK吸収端を用いたオペランドXASにより、いくつかの水溶液の局所構造や、触媒反応、電気化学反応などの溶液中でのさまざまな化学プロセスの研究や、マイクロ流路における層流の観測が行われました。さらに、高次X線の除去により60～240 eVの領域で高次X線の除去に有効なアルゴンガスウィンドウが完成しました。このエネルギー領域にはLiとBのK吸収端、Si、P、S、ClのL吸収端が含まれるため、化学分野の研究の発展が期待されます。 また、ソフトマテリアルを対象とした共鳴軟X線散乱（RSoXS）も適用可能です。RSoXSは小角X線散乱（SAXS）と類似しており、試料のメゾスコピック構造（1-100 nm）に関する情報を得ることができます。RSoXSでは、元素、官能基、分子配向の選択的観測が可能です。軟X線領域には軽元素（C、N、O）のK吸収端エネルギーが含まれているため、本手法はソフトマターの研究に非常に有効です。
●BL4Uでは、走査型透過軟X線顕微鏡（STXM）が整備され、学術利用だけでなく、多くの産業利用にも活用されています。STXMは、高分子科学、材料科学、細胞生物学、環境科学など、幅広い科学分野に適用できます。2020年度には、リチウムK吸収端で72nmの空間分解能でのイメージングに成功しました。また「はやぶさ2」の2021年度夏期サンプルリターン試料の有機物分析に向けて、試料の気密輸送系および試料輸送容器の最終調整を行いました。
●BL5Uでは、高エネルギー分解能角度分解光電子分光（ARPES）が可能です。最新のARPESアナライザーの導入により、すべての運動エネルギーとレンズモードで、いわゆる「ディフレクターマッピング」が利用可能になりました。また、マイクロビーム（50 μm）を用いて、固体表面の電子状態の位置依存性を取得することも可能です。アルカリ金属蒸着装置が導入されました。これにより、例えば、試料を低温マニピュレーターに装填したまま、カリウムを蒸着することができます。スピン分解 ARPES の開発の一環として、Au(111)表面のラシュバ分裂のスピン分解スペクトルの2次元画像を取得することに成功しました。
●専用ビームラインBL6Uでは、実空間および運動量空間で高分解能を実現した、新概念の多目的電子状態解析装置である光電子運動量顕微鏡（PMM）が設置され、稼働中です。PMMの大きな特徴は、逆格子空間で半径数Å-1、実空間で半径数百μmの範囲の、光電子のエネルギー等高線を2次元検出器に直接投影することで、放射線誘起損傷を非常に効果的に低減できることです。マイクロメートルスケールでの価電子帯光電子分光や軟X線励起による共鳴光電子回折などの実験が行われています。2023年度には、PMMの性能がさらに向上し、2次元スピンフィルターが追加されました。BL5Uに続き、Au(111)表面のラシュバ分裂のスピン分解スペクトルの2次元画像の取得にも成功しました。入射角の浅い軟X線励起に加えて、PMMの同じ焦点位置で、新たに追加されたBL7Uからの分岐により、偏光（水平/垂直）を可変できる直入射の真空紫外（VUV）ビームも利用可能になりました。この非常に対称性の高い測定配置により、価電子帯の円二色性測定におけるp偏光の線二色性効果が完全に排除され、遷移行列要素の解析がよりシンプルかつ信頼性の高いものになります。
●BL7Uでは、極低温6軸マニピュレータを用い、試料温度4.5-350 Kで、極低エネルギー光子（6 eV~）を用いた高エネルギー分解能ARPESが可能です。2021年度には、半球アナライザー用の偏向型検出器が設置され、自動マニピュレータ制御による効果的な2D測定を実現しました。固体のバルク敏感な電子状態の測定や、低励起光子エネルギーにおける大きな光イオン化断面積を活用した分子性物質の高スループット測定が可能です。
共同利用ビームラインおよび専用ビームラインの利用を希望される方は、各ビームラインの担当者（「ビームライン一覧」を参照）までご連絡ください。 利用申請はNOUS（https:// nous.nins.jp/user/signin）から行うことができます。すべてのユーザーは、実際の実験を実施する際に、ビームラインのマニュアルとUVSORガイドブックを参照する必要があります。UVSORに関する最新の情報については、http://www. uvsor.ims.ac.jpをご覧ください。
UVSOR is one of the highest-brilliance light sources in the extreme-ultraviolet region among the synchrotron radiation facilities with electron energies of less than 1 GeV. The low natural emittance of the UVSOR-III storage ring, 17.5 nm-rad, was accomplished after the successful completion of the storage ring upgrade project (the UVSOR-III project) in 2012. Eight bending magnets and six insertion devices are available as synchrotron light sources at UVSOR. There are a total of thirteen operational beamlines. Eleven of them are the so-called “Public beamlines”, which are open to scientists from universities and research institutes belonging to the government, public organizations, private enterprises and also those from foreign countries. The beamline BL6U is the “In-house beamlines”, and are dedicated to the use of research groups within Institute for Molecular Science (IMS). The beamline BL1U is a partially "Public" and partially "In-house" beamline. There is one tender X-ray (TX) station equipped with a double-crystal monochromator, six extreme ultraviolet (EUV) and soft X-ray (SX) stations with grazing incidence monochromators, three vacuum ultraviolet (VUV) stations with normal incidence monochromators, two infrared (IR) stations equipped with Fourier Transform interferometers, and one direct radiation station located after two tandem undulators, as shown in the appended table (next page) for all available beamlines at UVSOR in 2023. The details of the updates for undulator beamlines are the followings.
●In BL1U, the development of a new light source and the utilization of gamma-rays are being carried out. This beamline is equipped with a tandem undulators with a buncher section, which can be used for free electron laser in the range from visible to deep UV, VUV coherent harmonic generation, and generation of spatiotemporal structured light such as an optical vortex beam, a vector beam and double-pulsed wave packets.
It is also equipped with a femto-second laser system synchronized with the accelerator, which is used for the generation of Compton scattered gamma-rays. Users are provided with gamma-ray induced positron annihilation spectroscopy that can analyze nanometer-order defects in bulk materials. To increase the counting rate of annihilation gamma rays, an array detector with eight BaF2 scintillators was developed. The measurement can be completed in a few hours for metal samples.
●In BL3U, the ultrathin-liquid cell for low-energy XAS has been developed. The studies of local structures of several aqueous solutions and various chemical processes in solution such as catalytic and electrochemical reactions, and laminar flows in microfluidics by using operando XAS in C, N, and O K-edges were demonstrated. Moreover, an argon gas window that is effective from 60 to 240 eV with the removal of high-order X-rays, which will develop chemical research since it includes K-edges of Li and B and L-edges of Si, P, S, and Cl was established.
Resonant soft X-ray scattering (RSoXS) for soft materials is also applicable. RSoXS is similar to small angle X-ray scattering (SAXS) and can provide information on the mesoscopic structure (1-100 nm) of sample. This method has selectivity of elements, functional groups and molecular orientation. Since soft X-ray region include K-edge energies of light element (C, N, O), RSoXS is a powerful tool to investigate soft matters.
●BL4U, which is equipped with a scanning transmission soft X-ray microscope (STXM), is actively used not only by academic users but also by many industrial users. The STXM can be applied to wide range of sciences, such as polymer science, material science, cell biology, environmental science, and so on. In FY2020, it became possible to image the lithium K-edge with a spatial resolution of 72 nm. Final adjustments for the airtight sample transport system and the sample transport container were carried out for the organic substance analysis of the Hayabusa2 returned samples for the summer of FY2021.
●In BL5U, high energy resolution angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) is available. Users can now use so-called “deflector mapping” for all kinetic energies and lens modes by using the latest version of ARPES analyzer. Users can also obtain spatial-dependence of the electronic structure of solid surfaces using micro-focused beam (50 μm). An alkali-metal deposition system has been installed. Potassium for example can be deposited while the sample is still mounted on the manipulator at low temperatures. As part of the development of spin-resolved ARPES, two-dimensional images of the spin-resolved spectrum of the Rashba splitting of Au(111) surface has been successfully obtained.
●At BL6U, one of the In-house beamlines, photoelectron momentum microscope (PMM), which is a new-concept multi-modal electronic structure analysis system with high resolution in real space and momentum space, has been installed and is in operation. A key feature of the PMM is that it can very effectively reduce radiation-induced damage by directly projecting a single photoelectron constant energy contour in reciprocal space with a radius of a few Å-1 or real space with a radius of a few hundred μm onto a 2D detector. Experiments such as valence band photoelectron spectroscopy on the micrometer scale and resonance photoelectron diffraction by soft X-ray excitation are performed. In FY2023, PMM's capabilities were further expanded by introducing an additional 2D spin filter. Two-dimensional images of the spin-resolved spectrum of the Rashba splitting of Au(111) surface has been also successfully obtained too following BL5U. In addition to grazing-incidence soft X-ray excitation, normal-incidence vacuum ultraviolet (VUV) beam with variable polarizations (horizontal/vertical) became also available at the same focal position of the PMM via a newly added branch from the next BL7U. This highly symmetrical measurement geometry completely eliminates the p-polarized linear dichroism effect in the circular dichroism measurements of valence band, making transition matrix element analysis much simpler and reliable.
●At BL7U, high-energy resolution ARPES is available with extremely low energy of photons (6 eV~) using the low-temperature 6-axis manipulator with a sample temperature 4.5-350 K. In FY2021, the deflector-type detector for the hemispherical analyzer was installed to realize an effective 2D measurement with the automated manipulator control. Users can perform the measurement of the bulk sensitive electronic structure of solids and the high-throughput measurement for molecular materials using high-photoionization cross-section using low-excitation photon energy.
Those wishing to use the open and in-house beamlines are recommended to contact the appropriate beamline contact persons (see next page). Applications can be submitted at NOUS (https:// nous.nins.jp/user/signin). All users are required to refer to the beamline manuals and the UVSOR guidebook, on the occasion of conducting the actual experimental procedures. For updated information on UVSOR, please see http://www. uvsor.ims.ac.jp.
UVSOR Synchrotron Facility, Institute for Molecular Science
Fumihiko MATSUI
