X線自由電子レーザーのナノ集光システムの開発

• Project/Area Number: 19J20094
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 井上 陽登 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: X線自由電子レーザー / X線ミラー / 形状可変ミラー / Wolter ミラー / X線集光 / コヒーレントX線散乱 / スペックル / Wolterミラー / 第三世代放射光施設 / 超精密加工計測

Outline of Research at the Start

X線自由電子レーザー（XFEL：X-ray Free Electron Laser）は，従来の放射光光源を凌駕する優れた可干渉性，極短パルス性，極限的ピーク強度を持ち，蛋白質分子の無損傷状態分析や，X線領域での非線形光学の発展が期待されている．これらのためにはXFELの集光が不可欠であり，私の研究室では，独自の精密加工・計測法を用いてX線ミラーを開発し，集光サイズ10nm以下を目指している．

Outline of Annual Research Achievements

X線自由電子レーザー（X-ray free-electron laser）は，高いピーク輝度と空間コヒーレンスを有する極短パルスレーザーである．しかしながら1パルス毎のばらつきが大きいため，従来のX線光学素子では，高い安定性の下サイズ10nm以下に集光することが困難であった．そこで申請者はWolter配置に基づき凸面，凹面を有する2枚のミラーを組み合わせることで，コマ収差補正性能と高い縮小倍率を有した集光光学系を考案した．昨年度までに回折限界条件を満たすミラーの作製に成功している．本年度は日本のXFELであるSACLAにて，ばらつきの無いsub-10nm集光をX線干渉計，およびX線回折イメージング法ベースで実測した．
また申請者は，極限的な集光サイズ5nm以下の達成を目指した．このとき，ミラー形状には0.5nm PVの精度が求められ，現存の加工手法では達成が不可能であった．そこで，形状可変型多層膜ミラーを光学系に導入した．有限要素シミュレーションに基づき，加工法で残存すると考えられる形状誤差を十分に除去できることを確認した．そして，日本のSPring-8にて実証実験を行った結果，X線集光波面ベースでサイズ5nm集光が達成されていることを確認した．
最後に，アメリカのAPSのアップグレード計画の共同研究者としてビームラインの立ち上げに関わることになり，ハイブリッド型形状可変ミラーを開発した．有限要素シミュレーションと材料力学に基づき，ハイブリッド型形状可変ミラーの最適な変形手法を考案した．SPring-8にて実証実験を行った結果，変形に必要な印加電圧量を半分に抑えることに成功した．これは光学系の高安定化だけでなく，沿面放電などによる実験セットアップの制限の緩和につながると期待される．本成果の重要性から，APSメンバーとの国際共著で論文を執筆し，すでに出版された．

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] X-ray adaptive zoom condenser utilizing an intermediate virtual focus (2021)
  • Author(s): Matsuyama Satoshi、Yamaguchi Hiroyuki、Inoue Takato、Nishioka Yuka、Yamada Jumpei、Sano Yasuhisa、Kohmura Yoshiki、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • Journal Title: Optics Express Volume: 29 Issue: 10 Pages: 15604-15604
  • DOI: 10.1364/oe.422723
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hard X-ray nanoprobe scanner (2021)
  • Author(s): Yamada Jumpei、Inoue Ichiro、Osaka Taito、Inoue Takato、Matsuyama Satoshi、Yamauchi Kazuto、Yabashi Makina
  • Journal Title: IUCrJ Volume: 8 Issue: 5 Pages: 713-718
  • DOI: 10.1107/s2052252521007004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optimal deformation procedure for hybrid adaptive x-ray mirror based on mechanical and piezo-driven bending system (2021)
  • Author(s): Inoue Takato、Nishioka Yuka、Matsuyama Satoshi、Sonoyama Junki、Akiyama Kazuteru、Nakamori Hiroki、Ichii Yoshio、Sano Yasuhisa、Shi Xianbo、Shu Deming、Wyman Max D.、Harder Ross、Kohmura Yoshiki、Yabashi Makina、Assoufid Lahsen、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 92 Issue: 12 Pages: 123706-123706
  • DOI: 10.1063/5.0070465
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation of an X-ray nanobeam of a free-electron laser using reflective optics with speckle interferometry (2020)
  • Author(s): Inoue Takato、Matsuyama Satoshi、Yamada Jumpei、Nakamura Nami、Osaka Taito、Inoue Ichiro、Inubushi Yuichi、Tono Kensuke、Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Ohashi Haruhiko、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 27 Issue: 4 Pages: 883-889
  • DOI: 10.1107/s1600577520006980
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Focus characterization of an X-ray free-electron laser by intensity correlation measurement of X-ray fluorescence (2020)
  • Author(s): Nakamura Nami、Matsuyama Satoshi、Inoue Takato、Inoue Ichiro、Yamada Jumpei、Osaka Taito、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • Journal Title: Journal of Synchrotron Radiation Volume: 27 Issue: 5 Pages: 1366-1371
  • DOI: 10.1107/s1600577520009868
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] X-Ray Single-Grating Interferometry for Wavefront Measurement and Correction of Hard X-Ray Nanofocusing Mirrors (2020)
  • Author(s): Yamada Jumpei、Inoue Takato、Nakamura Nami、Kameshima Takashi、Yamauchi Kazuto、Matsuyama Satoshi、Yabashi Makina
  • Journal Title: Sensors Volume: 20 Issue: 24 Pages: 7356-7356
  • DOI: 10.3390/s20247356
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Advanced KBミラーに基づく硬X線自由電子レーザー sub-10 nm 集光システム (2022)
  • Author(s): 山田純平，松山智至，井上陽登，伊藤篤輝，田中優人，大坂泰斗，井上伊知郎，犬伏雄一，小山貴久，湯本博勝，大橋治彦，山内和人，矢橋牧名
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 形状可変ミラーを用いたX線sub-5 nm集光システムの開発 (2022)
  • Author(s): 井上陽登，松山智至，田中優人，伊藤篤輝，一井愛雄，山田純平，佐野泰久，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 結像型 X 線顕微鏡を用いた波動伝搬ベースの位相イメージング (2022)
  • Author(s): 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，木村隆志，志村まり，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 高空間分解能な結像型X線顕微鏡のためのin-situ波面計測法の開発 (2022)
  • Author(s): 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，香村芳樹，矢橋牧名，表和彦，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2022年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] XFEL sub-10nm focusing system using Wolter type III-based advanced KB mirrors (2022)
  • Author(s): J. Yamada, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, Y. Tanaka, A. Ito, T. Osaka, I. Inoue, Y. Inubushi, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, K. Yamauchi, and M. Yabashi
  • Organizer: 14th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of hard X-ray sub-5-nm focusing system with an adaptive multilayer focusing mirror (2022)
  • Author(s): T. Inoue, S. Matsuyama, Y. Tanaka, Y. Ichii, J. Yamada, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: 14th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of image-based wavefront measurement for adaptive full-field X-ray microscopy (2022)
  • Author(s): Y. Tanaka, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, J. Yamada, Y. Kohmura, M. Yabashi, K. Omote, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: 14th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 結像型 X 線顕微鏡におけるマルチハイト位相回復法の開発 (2021)
  • Author(s): 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2021年度関西地方定期学術講演会
• [Presentation] 形状可変ミラーと多層膜の高次光反射を利用したX 線sub-5 nm集光光学系の開発 (2021)
  • Author(s): 二村浩平，井上陽登，松山智至，田中優人，一井愛雄，山田純平，佐野泰久，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2021年度関西地方定期学術講演会
• [Presentation] 圧電素子駆動型形状可変ミラーを用いたX線sub-5 nm集光システムの開発（第２報） 差分成膜を組み合わせたハイブリッド波面修正 (2021)
  • Author(s): 井上陽登，松山智至，田中優人，二村浩平，一井愛雄，山田純平，佐野泰久，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [Presentation] 結像型X線顕微鏡における位相イメージング手法の開発 (2021)
  • Author(s): 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，木村隆志，志村まり，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [Presentation] 結像型 X 線顕微鏡を用いた位相イメージング手法の開発 (2021)
  • Author(s): 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，木村隆志，志村まり，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会 Optics and Photonics Japan 2021
• [Presentation] Single-grating interferometer for hard X-ray sub-10 nm focusing mirror system (2021)
  • Author(s): J. Yamada, S. Matsuyama, N. Nakamura, T. Inoue, T. Osaka, I. Inoue, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, K. Yamauchi, and M. Yabashi
  • Organizer: 6th International Conference on X-ray Optics and Applications 2021 (XOPT2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of sub-5 nm focusing system based on precise deformable mirrors (2021)
  • Author(s): T. Inoue, S. Matsuyama, Y. Tanaka, K. Futamura, Y. Ichii, J. Yamada, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: 6th International Conference on X-ray Optics and Applications 2021 (XOPT2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimization of mirror deformation method for hybrid bender combining mechanical and piezoelectric bending (2021)
  • Author(s): Y. Nishioka, T. Inoue, S. Matsuyama, J. Sonoyama, K. Akiyama, H. Nakamori, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Organizer: 6th International Conference on X-ray Optics and Applications 2021 (XOPT2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of wavefront sensing in full-field X-ray microscopy (2021)
  • Author(s): Y. Tanaka, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, J. Yamada, Y. Kohmura, M. Yabashi, K. Omote, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: 6th International Conference on X-ray Optics and Applications 2021 (XOPT2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimization of mirror deformation strategy using mechanical and piezoelectric bending system (2021)
  • Author(s): T. Inoue, Y. Nishioka, S. Matsuyama, J. Sonoyama, K. Akiyama, H. Nakamori, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, L. Assoufid, K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Image-based wavefront measurement for full-field X-ray microscopy (2021)
  • Author(s): Y. Tanaka, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, J. Yamada, Y. Kohmura, M. Yabashi, K. Omote, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] X線ミラーを用いたsub-5nm集光システムの開発 (2021)
  • Author(s): 井上陽登，松山智至，一井愛雄，山田純平，佐野泰久，山内和人
  • Organizer: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 圧電素子駆動型形状可変ミラーを用いたX線sub-5nm集光システムの開発 (2021)
  • Author(s): 井上陽登，松山智至，田中優人，二村浩平，一井愛雄，山田純平，佐野泰久，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2021年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] X線自由電子レーザー用sub10nm 集光システムの開発 ― 高反射率多層膜ミラーの作製 ― (2020)
  • Author(s): 井上陽登，松山智至，山田純平，中村南美，大坂泰斗，湯本博勝，小山貴久，大橋治彦，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 第33回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] WolterⅢ型AdvancedKBミラーを用いたX線自由電子レーザーsub-10nm集光システムの開発（第2報）-高反射率多層膜の作製と差分成膜による形状修正- (2020)
  • Author(s): 井上陽登，松山智至，山田純平，中村南美，大坂泰斗，湯本博勝，小山貴久，大橋治彦，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2020年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] WolterⅢ型Advanced KBミラーを用いたX線自由電子レーザーsub-10 nm集光システムの開発（第3報） －差分成膜によるX線ミラーの高精度形状修正およびSPring-8における性能評価－ (2020)
  • Author(s): 井上陽登，山田純平，松山智至，中村南美，田中優人，大坂泰斗，湯本博勝，小山貴久，大橋治彦，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2020年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [Presentation] Ultraprecise fabrication of X-ray mirrors for XFEL sub-10 nm focusing system based on Wolter type III geometry (2020)
  • Author(s): T. Inoue, J. Yamada, S. Matsuyama, N. Nakamura, T. Osaka, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: 5th International Conference on X-ray Optics and Applications 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of x-ray mirrors for XFEL sub-10 nm focusing system based on Wolter type III geometry (2020)
  • Author(s): T. Inoue, J. Yamada, S. Matsuyama, N. Nakamura, T. Osaka, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of ultraprecise X-ray focusing mirrors based on Wolter geometry (2020)
  • Author(s): T. Inoue, J. Yamada, S. Matsuyama, N. Nakamura, T. Osaka, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: 18th International Conference on Precision Engineering 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] WolterⅢ型Advanced KBミラーを用いた X線自由電子レーザーsub-10 nm集光システムの開発（第2報） －高反射率多層膜の作製と差分成膜による形状修正－ (2020)
  • Author(s): 井上陽登，松山智至，山田純平，中村南美，大坂泰斗，湯本博勝，小山貴久，大橋治彦，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2020年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] Sub-10 nm focusing system using multilayer KB mirror at SACLA (2019)
  • Author(s): T. Inoue
  • Organizer: SPIE Optics+Optoelectronics 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Precision KB mirror alignment using new nanobeam diagnosis (2019)
  • Author(s): T. Inoue, S. Matsuyama, N. Nakamura, H. Yumoto, Y. Inubushi, T. Koyama, T. Osaka, I. Inoue, K. Tono, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: 4th International Conference on X-ray Optics and Applications 2019 (XOPT2019) in OPIC2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Precision focusing mirror alignment at SACLA using new nanobeam diagnosis (2019)
  • Author(s): T. Inoue, S. Matsuyama, N. Nakamura, H. Yumoto, Y. Inubushi, T. Koyama, T. Osaka, I. Inoue, K. Tono, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] WolterⅢ型Advanced KBミラーを用いたX線自由電子レーザーsub-10 nm集光システムの開発 (2019)
  • Author(s): 井上陽登，松山智至，山田純平，中村南美，大坂泰斗，湯本博勝，小山貴久，大橋治彦，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • Organizer: 2019年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [Remarks] 最先端の「光」。集光径 6nm の X 線レーザービームの精密計測に成功！
  • URL: https://www.eng.osaka-u.ac.jp/wp-content/uploads/2020/07/43577bbce0993a42db6d11337f899faf.pdf
• [Remarks] 最先端の「光」。集光径6nmのX線レーザービームの精密計測に成功！（プレスリリース）
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2020/200701/
• [Remarks] Old X-rays, new vision: A nano-focused X-ray laser
  • URL: https://eurekalert.org/pub_releases/2020-07/ou-oxn070720.php
• [Remarks] Old X-rays, new vision: A nano-focused X-ray laser
  • URL: https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/194890?returnurl=https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/194890
• [Remarks] Old X-rays, new vision: A nano-focused X-ray laser
  • URL: https://www.tunisiesoir.com/tech/tech-old-x-rays-new-vision-a-nano-focused-x-ray-laser-22115-2020/