2018 Fiscal Year Research-status Report
硬X線分割遅延光学系によるメゾスケールピコ秒ダイナミクス測定に関する研究
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18K18307
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
大坂 泰斗 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (70782887)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ダイナミクス / XFEL / ナノ集光 / XSVS / 分割遅延光学系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は提案した測定手法である，X線分割遅延光学系と集光光学系とを組み合わせたX線スペックル可視度分光法の実現可能性の検討に重きをおいて研究を実施した．具体的には，(1) X線フラックスの過不足，(2) 分割したX線パルス間の空間重複調整精度・安定性，(3) ショット毎の強度測定精度を評価した．(1)に関して，X線自由電子レーザー (XFEL) SACLAにおいて実施した事前の評価において，ターゲットの一つである純水に対してはフラックスが足りないことが分かっていた．しかし，新たに開発したギャップ100マイクロメートル以下の"マイクロチャネルカット結晶"を利用したセルフシード法の実現により，高強度な単色XFELが利用できるようになり，分割遅延光学系通過後のX線フラックスを約10倍にまで向上させることに成功した．(2) に関してはサブマイクロ分解能のX線カメラを製作し，直接集光X線を観察することで，0.2~0.3マイクロメートルの精度で空間的に重複出来ることを確認した．(3) に関しては，2箇所の強度モニタを利用することで，誤差5%程度で強度を評価できることを確認した．そして実際にセットアップを組み上げ，SACLAにおいて1マイクロメートルにまで集光したXFELビームを利用して純水からの散乱を取得し，水の第一回折ピーク近傍では十分な散乱強度が得られることを確認した．ただし，本研究課題で目標としているメゾスケールにおいては十分な散乱強度が得られず，さらにフラックスを向上させる必要がある．
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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
SACLAにおいて実際に実験セットアップを組み上げ，分割遅延光学系と集光光学系とを組み合わたX線スペックル可視度分光法を実現するために重要な点である，(1) 試料からの散乱強度，(2) 試料上での空間重複度，そして(3) 各分割パルスの強度測定精度に関して評価を進めることが出来た．(1)に関しては開発したマイクロチャネルカット結晶を利用したセルフシードを実現，発展させることで，水の第一回折ピーク近傍において十分な散乱強度を得ることに成功し，(2)に関しては導入した高空間分解能X線カメラにより集光ビームを直接観察することで，0.2~0.3マイクロメートルの精度で分割ビームを重複させることが出来た．また(3)に関しては，測定条件を最適化させることで，誤差5%程度の精度でショット毎の強度を測定できることを確認出来た．メゾスケールの測定にはまだフラックスが不足している，集光ビームの位置ドリフト等の課題も確認されてはいるものの，おおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の評価において，(1) X線フラックス不足，(2) 集光ビームの位置ドリフト，(3) 不可避な入射角度ミスマッチという課題が確認された．(1) に対しては，現在大気中で稼働している分割遅延光学系をHe雰囲気で稼働させることを計画している．これにより空気による吸収を減少させ，10 keVにおいて2~3倍のフラックスを向上させる．(2) に対しては，分割遅延光学系の温度を安定化させ，安定性そのものを向上させつつ，試料位置下流にも高空間分解能カメラを設置し，常にビーム位置をモニタリング，フィードバックを行うことで，長時間の位置安定性を実現させる．(3) は提案したダイナミクス測定手法の実現可能性を左右する大きな課題である．現在ビームスプリッタとして利用している波面分割結晶では，試料面上において分割ビームを空間重複させた際に入射角度のミスマッチが避けられず，検出器面上においてスペックルが空間的にずれることで，最大のスペックル可視度が低下してしまう（完全に分離している場合，最大可視度=最低可視度となり，ダイナミクスの情報を抽出することが出来ない）．これを避けるため，角度ミスマッチを生じない新たなビームスプリッタ結晶の開発を進める．具体的には，現在ビームの左右で分けており，角度ミスマッチの原因となっているが，周期数十マイクロメートルの櫛状の結晶を利用することで，角度ミスマッチを大幅に減少させることが出来ると考えている．これまで無い新しい素子であり，試作とビーム分割性能の評価を進める．
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