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

2020 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

２０２０年度では，①新規結像光学系アライメント法の高度化，②グレイディッド多層膜成膜技術の高度化，③性能評価実験，④形状可変ミラーの検討，⑤新規光学系の検討　を実施した．
①では，複数のミラーを必要精度でアライメントできる，X線波面計測ベースの手法を確立しこれを高度化した．格子干渉計やタイコグラフィ，位相回復法を導入・検討し，正確な2次元波面収差の計測を可能であることを実験で確かめた．これに基づいたミラーアライメントが可能であることを実験で示した．
②では，昨年度に引き続き，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．最適な材料の探索によって，高入射角条件下でも高い反射率を持つ多層膜を得た．
③では，①②の完成度を評価するために，SPring-8にてX線結像実験を行った．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．最終的に，約20nmの線幅の解像に成功した．また，焦点方向に試料位置を変化させたデータ（フォーカススタック）から試料の位相を再構成することを試みた．試料厚みから推測される位相差の検出に成功した．
④では，形状可変ミラーを用いた能動性を有するX線結像光学系をテストした．ピエゾバイモルフミラーを作製し，変形性能やドリフトを評価した．印加電圧に対する応答関数を得ることができ，これは有限要素法で予想される値をほとんど一致した．
⑤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実施した．必要精度や像特性の評価を行い，高い実用性を有していることを確認した．

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．また，新型結像光学系の実用化についても検討を進める．

Research Products

• [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 Pages: 7356～7356
  • DOI: 10.3390/s20247356
• [Presentation] 結像型 X 線顕微鏡における in-situ 波面計測手法の開発 (2021)
  • Author(s): 田中優人，松山智至，井上陽登，中村南美，山田純平，香村芳樹，矢橋牧名，表和彦，石川哲也，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] Wolter III 型 advanced KBミラーによる XFEL sub-10 nm 集光光学系の開発 (2021)
  • Author(s): 山田純平，松山智至，井上陽登，中村南美，田中優人，大坂泰斗，井上伊知郎，犬伏雄一，湯本博勝，小山貴久，大橋治彦，山内和人，矢橋牧名
  • 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] 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] コヒーレントX線散乱を用いたXFELナノビーム強度プロファイルの再構成 (2021)
  • Author(s): 中村南美，松山智至，山田純平，井上陽登，井上伊知郎，矢橋牧名，石川哲也，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] 像型X線顕微鏡における波面計測手法の開発 (2021)
  • Author(s): 田中優人，松山智至，井上陽登，中村南美，山田純平，香村芳樹，矢橋牧名，表和彦，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] 複数の凸面鏡を持つ?度な硬 X 線結像光学系の開発（第?報） (2021)
  • Author(s): 松山智至，波多健太郎，山内和人
  • Organizer: 2021年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] Precise wavefront measurement using grating interferometer for sub-10 nm focusing system (2020)
  • Author(s): N. Nakamura, J. Yamada, S. Matsuyama, T. Inoue, 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] 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] Adaptive x-ray zoom condenser system based on concave and convex mirrors (2020)
  • Author(s): Y. Nishioka, H. Yamaguchi, S. Matsuyama, J. Sonoyama, K. Akiyama, H. Nakamori, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, L. Assoufid, 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: SPIE Optics+Photonics2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Precise wavefront measurement using grating interferometer for sub-10 nm XFEL focusing system (2020)
  • Author(s): N. Nakamura, J. Yamada, S. Matsuyama, T. Inoue, 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 adaptive focusing optics with four mirrors deformable between concave and convex shapes (2020)
  • Author(s): Y. Nishioka, H. Yamaguchi, S. Matsuyama, J. Sonoyama, K. Akiyama, H. Nakamori, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • Organizer: 5th International Conference on X-ray Optics and Applications 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3報） (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
• [Remarks] 名古屋大学松山研究室
  • URL: https://x-ray.mp.pse.nagoya-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] X線光学装置 (2020)
  • Inventor(s): 松山智至
  • Industrial Property Rights Holder: 松山智至
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2020-183795