Development of next-generation full-field X-ray microscope based on X-ray mirrors

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H01073
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 松山 智至 大阪大学, 工学研究科, 招へい准教授 (10423196)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: X線 / X線ミラー / X線結像 / X線顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

２０１９年度は引き続き，①新規結像光学系の実証，②グレイディッド多層膜成膜技術の高度化，③X線実験，④新しい光学系の検討　を実施した．
①では，複数のミラーを高精度にアライメントできる手法を確立するために，X線波面計測を用いたアライメントモニターを検討した．波面計測法として1枚の回折格子から成るグレーチング干渉計を構築した．実験の結果，アライメント誤差はコマ収差として波面収差上に現れ，これ手掛かりに高精度なアライメントを実施することができた．アライメント後に残る収差はミラー上に残る形状誤差と理解でき，形状誤差の精密計測も実施できた．
②では，多層膜成膜装置の精度検証を進めると共に，その精度向上を図った．また，様々な材料の多層膜を作製し，界面粗さ特性の評価を行った．特に，重元素と軽元素の比を最適化することで界面粗さの低減を図ることができた．
③では，①②の完成度を評価するために，SPring-8のBL29XULにてX線結像実験を行った．タンタル製のテストチャート像を拡大結像することでその分解能や視野特性を評価した．実験の結果，約30nmの線幅を解像することができた．視野特性についてはおおむね予想通りの結果を得た．また，ミラー配置は長時間安定に維持することができ，実用的な顕微鏡を構築することができた．本顕微鏡を使ってイメージングXAFSを実施したところ，吸収スペクトルを内包した２Dイメージを得ることができた．
④では，アライメント問題を解決できる新しい結像光学系の設計・シミュレーションを行った．実用的な設計が可能であって，意図した性能を発揮することを確認した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ミラー作製，ミラーアライメント，多層膜成膜，顕微鏡構築を進めることができ，計画は順調に進んでいる．

Strategy for Future Research Activity

今後は，SPring-8における性能評価実験とミラーマニピュレータの改造，高精度形状可変ミラーの導入などを進め，顕微鏡の更なる高精度化を進める．

Research Products

• [Journal Article] Compact full-field hard x-ray microscope based on advanced Kirkpatrick?Baez mirrors (2020)
  • Author(s): Yamada Jumpei、Matsuyama Satoshi、Hirose Raita、Takeda Yoshihiro、Kohmura Yoshiki、Yabashi Makina、Omote Kazuhiko、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • Journal Title: Optica Volume: 7 Pages: 367～367
  • DOI: 10.1364/OPTICA.386012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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 Pages: 883～889
  • DOI: 10.1107/S1600577520006980
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of X-ray imaging of intracellular elements and structure (2020)
  • Author(s): Matsuyama Satoshi、Maeshima Kazuhiro、Shimura Mari
  • Journal Title: Journal of Analytical Atomic Spectrometry Volume: 35 Pages: 1279～1294
  • DOI: 10.1039/D0JA00128G
  • Peer Reviewed
• [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 Pages: 1366～1371
  • DOI: 10.1107/S1600577520009868
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Full-field X-ray fluorescence microscope based on total-reflection advanced Kirkpatrick?Baez mirror optics (2019)
  • Author(s): Matsuyama Satoshi、Yamada Jumpei、Kohmura Yoshiki、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • Journal Title: Optics Express Volume: 27 Pages: 18318～18318
  • DOI: 10.1364/OE.27.018318
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 多層膜結像ミラーを用いた高分解能結像型X線顕微鏡の開発 (2020)
  • Author(s): 松山智至，山田純平，井上陽登，表和彦，廣瀬雷太，武田佳彦，香村芳樹，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] High-Resolution Full-Field X-Ray Microscope Based on Multilayer Advanced Kirkpatrick-Baez Mirror Optics (2019)
  • Author(s): S. Matsuyama
  • Organizer: XOPT2019
  • 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: XOPT2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of XFEL sub-10 nm focusing system based on Wolter III-advanced KB optics (2019)
  • Author(s): J. Yamada, S. Matsuyama, T. Inoue, N, Nakamura, T. Osaka, I. Inoue, Y. Inubushi, K. Tono, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi, and M. Yabashi
  • Organizer: XOPT2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reflective imaging device using concave-convex mirrors for compact full-field X-ray microscope (2019)
  • Author(s): T. Hagiwara, J. Yamada, S. Matsuyama, Y. Sano, R. Hirose, Y. Takeda, Y. Kohmura, M. Yabashi, K. Omote, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: XOPT2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanobeam diagnosis for XFEL sub-10nm focusing system (2019)
  • Author(s): N. Nakamura, S. Matsuyama, T. Inoue, H. Yumoto, Y. Inubushi, T. Koyama, T. Osaka, I. Inoue, K. Tono, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: XOPT2019
  • 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] Development of high-resolution full-field X-ray microscope based on multilayer advanced Kirkpatrick-Baez mirrors (2019)
  • Author(s): S. Matsuyama
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Beam size measurement for XFEL nanobeam using intensity interferometer of X-ray fluorescence (2019)
  • Author(s): N. Nakamura, S. Matsuyama, T. Inoue, I. Inoue, T. Osaka, Y. Inubushi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of XFEL sub-10 nm focusing mirrors: wavefront-corrected multilayer KB system and upgrade to advanced KB system (2019)
  • Author(s): J. Yamada, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, T. Osaka, I. Inoue, Y. Inubushi, K. Tono, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi, and M. Yabashi
  • Organizer: X RIAO-XIII OPTILAS-MOPM 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High-resolution full-field X-ray microscope with multilayer advanced Kirkpatrick-Baez mirror optics (2019)
  • Author(s): S. Matsuyama
  • Organizer: The 15th Symposium of Japanese Research Community on X-ray Imaging Optics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication, metrology, and alignment of the newly-developed ML advanced KB mirror for sub-10 nm focusing (2019)
  • Author(s): S. Matsuyama
  • Organizer: APS-U Metrology Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 多層膜結像ミラーを用いた高分解能 X 線顕微鏡の開発（第二報） (2019)
  • Author(s): 松山智至，山田純平，井上陽登，表和彦，廣瀬雷太，武田佳彦，香村芳樹，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
• [Presentation] 凹・凸面形状可変ミラーを組み合わせたX線ズームコンデンサの開発 (2019)
  • Author(s): 山口浩之，松山智至，園山純生，秋山和輝，中森紘基，佐野泰久，香村芳樹，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
• [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
• [Presentation] X 線自由電子レーザーナノ集光システムの開発 （第2報）-蛍光X線の強度干渉現象を利用したビーム径計測手法の実証- (2019)
  • Author(s): 中村南美，松山智至，井上陽登，井上伊知郎，大坂泰斗，山田純平，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
• [Presentation] AKBミラーこの10年―これから何をしなくてはならないか？― (2019)
  • Author(s): 松山智至
  • Organizer: X線ナノ集光技術研究会 10周年記念研究会
  • Invited
• [Remarks] 名古屋大学松山研究室
  • URL: https://x-ray.mp.pse.nagoya-u.ac.jp/