Development of X-ray nanobeam optics by precision wavefront control
| Project/Area Number |
21H05004
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Broad Section C
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山内 和人 大阪大学, 大阪大学・理化学研究所科学技術融合研究センター, 特任教授(常勤) (10174575)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 純平 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (10845027)
佐野 泰久 大阪大学, 大学院工学研究科, 准教授 (40252598)
藤 大雪 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (70910678)
松山 智至 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (10423196)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥154,180,000 (Direct Cost: ¥118,600,000、Indirect Cost: ¥35,580,000)
Fiscal Year 2024: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000)
Fiscal Year 2023: ¥29,380,000 (Direct Cost: ¥22,600,000、Indirect Cost: ¥6,780,000)
Fiscal Year 2022: ¥49,140,000 (Direct Cost: ¥37,800,000、Indirect Cost: ¥11,340,000)
Fiscal Year 2021: ¥56,940,000 (Direct Cost: ¥43,800,000、Indirect Cost: ¥13,140,000)
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| Keywords | 精密計測 / 精密加工 / X線ミラー / X線自由電子レーザー / X線顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
X線自由電子レーザーや次世代の蓄積リング型X線源から得られる空間的にコヒーレントなX線を極限まで活用することができるナノビームを形成し、X線非線形光学や高分解能X線顕微鏡科学などの未踏の学術分野を開拓する。特に光学系の開発では、X線集光の課題であるコマ収差を効果的に抑制できる凸凹面複合ミラー光学系を実現し、波動光学を駆使した補償光学に基づく波面の精密制御を行うことによって、コヒーレントX線の極限サイズ（10nm以下）のナノビームを実現する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
開口数の設定では、回折限界での集光系を波長1.2Åにおいて6nmとし、アンジュレータ出口を光源としてミラー光学系の設計を行い、ミラー形状を確定した。また、ミラー形状加工においては、第一段階として、形状評価法と形状創成法に、これまでに確立したRADSI法とEEM法を用いて行い、オフラインでの基本的な特性評価を終えた。オンサイトでの性能評価では、タルボ干渉効果に基づくグレーティング干渉計によって、ミラー起因の波面誤差とアライメント起因の波面誤差の分離手法を検討した。この結果、波面誤差のルジャンドル関数展開によってアラインメントに関する各軸成分が相関高く分離できることを確認でき、高精度かつ高効率なアライメント手順を確立できる可能性を得た。また、ミラーの形状誤差に起因する波面誤差成分については、差分成膜法によって、反射面形状のサブnmレベルでの補正を試みた。
一方、オンサイトでの補償光学に必要な位相補正ミラーは、諸事情からミラーの作製が遅れたが、２２年度に動作確認を終え、必要精度を満たす位相制御法実現の可能性を確認した。本件では、SPring-8での評価に加え、米国のAPS(Advanced Photon Source)での評価も行い、矛盾の無い性能の確認を行うことが出来た。
最終的なミラー表面の仕上げ法であるCARE(Catalyst Referred Etching)法の高度化では、Siへの適用性を確認し、(001)面の原子スケールでの平滑化を確認し、ステップテラス構造が得られることを確認した。Si(001)表面において、ウエットプロセスによるステップテラス構造はこれまでに確認されておらず、反射X線内のスペックルの低減だけでなく、新たに高機能な原子スケールの表面研磨技術を実現したものとなっており、更なる加工条件の最適化を行う段階にある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光学系の設計を終え、4枚光学系の製作の第一段階を完了した。これによって、波面誤差とアラインメント軸の関係に関する検討に大きな進展があった。グレーティング干渉計を適用した波面観測法を完了し、波面測定結果をもとにしたアライメント調整のためのアルゴリズムを確立した。
波面補正ミラーにおいては、設計と製作を終え、性能評価を完了し、λ/4PV以上の精度実現を確認した。APS (Advanced Light Source)のLTP（Long Trace Profiler）を用いたオフラインでの性能評価も終えており、アダプティブ光学系の展開において、国際共同研究への発展が期待できる。
CARE法を用いたSi基板の平滑化においても、所期性能の実現に成功している。
以上の様に、研究は順調に進捗しており、サブ10nm集光の実現が早々に期待できる状況にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
ここまでは予定通りに進捗しており、ミラー製作に関しては予定を超えて進捗している。アラインメント法に関しても、最終的な適用が可能なレベルに確立できている。
これらのことから、SACLAの10nm以下への集光を予定通り実現できる可能性を得ている。
今後、初期アラインメントとチューニングに関する制御の流れを確立し、並行してオンライン位相補正のための形状可変ミラーの性能向上を目指す。同時にSACLAでの現状波面の計測とオフラインでの位相補償を行い、サブ10nmビームの実現と応用研究への展開を進める。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment Comments (Rating)
A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.
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Report
(5 results)
Research Products
(19 results)
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[Presentation] XFEL sub-10nm focusing system using Wolter type III-based advanced KB mirrors2022
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)
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[Presentation] Optimization of mirror deformation strategy using mechanical and piezoelectric bending system2021
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
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