2019 Fiscal Year Annual Research Report
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19J20094
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
井上 陽登 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | X線自由電子レーザー / X線ミラー / コヒーレントX線散乱 / スペックル / X線集光 / Wolterミラー / 第三世代放射光施設 / 超精密加工計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
X線自由電子レーザー（XFEL：X-ray Free Electron Laser）は,ほとんど完全な空間コヒーレンスと，第三世代放射光施設の10億倍のピーク強度をもつ，極短パルスX線レーザー（パルス幅：数fs）である．XFELを小さく集光し，より高強度なX線場を作り出すことで，非線形X線光学分野の開拓が期待されている．本研究ではXFELを10nm以下に集光するX線ミラーを用いたシステムの確立を目指している．
X線をミラーにより集光する際，集光波面に致命的な収差を与える要素の一つは，ミラーのアライメント誤差である．申請者は，コヒーレントなX線が数ナノメートルスケールの無秩序な構造体により散乱した際に生じる干渉模様であるスペックルの形状変化を調べることによって，アライメント誤差を要素ごとに区別して検出・調節できると考えた．計算機シミュレーションで確認したところ，特に問題となる3軸のアライメントをすべて区別して評価可能であることを確認した．実証実験を日本のXFEL施設であるSACLAで行った結果，全軸のアライメントを必要精度で最適化し，XFELを10 nm以下に集光したことをスペックル基準で確認した．
更に申請者はWolter配置を基に，二枚の凹凸面ミラーを組み合わせてX線を集光する光学配置を導入した．これによりアッベの正弦条件を満たし，従来の光学系の数千倍の入射角度許容誤差を獲得できる．本光学系によるX線集光実験をSPring-8で行った．実験時の集光波面の収差を正確に計測し，それを補正するようにX線ミラーの表面形状を数値制御成膜システムにより誤差1 nm以下の高い精度で修正した．修正後のミラーを用いて再び実験を行い，その集光波面から光学系がX線を理想的に集光していることを確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
入念な計算機シミュレーションの結果，昨年度の早い段階でコヒーレントX線散乱によるスペックルを利用した高精度ミラーアライメントの実証実験に取り組むことができた．実証実験結果が計算機シミュレーション結果と一致しないことも多々あったが，試料の厚みを計算機シミュレーションに考慮することで最適な試料準備手順を確立したり，散乱強度分布の不均一さによるスペックル形状抽出計算誤差を実測データを適切に処理することで除去したりなど，実際に目の前で起こる物理を慎重に評価，考察することで正しく理解し，本手法の確立に成功した．また本手法により，スペックルの形基準ではあるが世界で初めてXFELを10nm以下に集光したことを実測した．この成果により，昨年度は3度の国際学会の発表に恵まれ，内1回は招待講演者として参加した．
本手法が想定以上に早く確立されため，形状可変ミラーよりも先に新型光学系の開発に取り組んだ．Wolter配置を基に，2枚の凹凸面ミラーを組み合わせてX線を集光する光学系を開発した．これによりアッベの正弦条件を満たし，従来の光学系の数千倍の入射角度許容誤差を獲得できる．実験時の集光波面を2018年に申請者が確立した手法で正確に計測し，その結果を元に光学素子であるX線ミラーの表面形状を誤差1 nm以下の高い精度で修正した．その結果，一次元だけであるがX線を10nm以下に高効率に集光したことを波面から確認できた．この成果により昨年度末の国内学会で発表の機会を得て，ベストプレゼンテーション賞をいただいた．
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| Strategy for Future Research Activity |
①高安定なSub-10nm集光に向けた，WolterⅢ型配置に基づく集光光学系の確立
従来の光学系では楕円凹ミラー単枚により光を集光させていたが，僅かなアライメント誤差が大きな収差を引き起こすことが問題視されていた．この解決策として，前段に入射光を発散させる双曲凸ミラーを導入することでアッベの正弦条件を満足し，ミラーユニットの角度ズレに対してロバストな集光光学系を設計できる(一種のWolter光学系)．SPring-8にて1次元の集光実験は行われているが，本光学系は今までと異なり垂直水平集光ミラーペアが交互に配置されており，初期のアライメント調整が従来と異なることが予想される．逐次計算機シミュレーションの結果と実証実験を比較し，高安定かつ高効率にX線を10nm以下に二次元集光する光学系の確立を目指す．
②形状可変ミラーによる高精度オンライン補償光学システムの構築
Sub-10nm集光を，いつでも理想的に実現するためには，補償光学システムを確立する必要がある．このためには，高精度な形状可変ミラーの導入が核となる．形状可変ミラー高精度化の課題はドリフト（形状のふらつき）である．形状を制御する量は僅かなため，従来のPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)でもドリフトを十分に小さくできると考えられるが，よりドリフト抑制性能に優れた単結晶型圧電素子PMN-PT(マグネシウムニオブ酸・チタン酸鉛固溶体)の評価も行い，総合的な観点から使用する圧電素子を決定する．
決定し次第，①で開発したミラーに圧電素子を張り付け，まずは可視光干渉計等の実験室ベースで温度環境を変化させて温度安定性等を評価する．その後にSPring-8にてX線集光波面を見つつ，補償光学の性能を評価し，Sub-10nm集光を長時間安定して創生するシステムを確立する．
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[Presentation] Precision KB mirror alignment using new nanobeam diagnosis2019
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
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[Presentation] Precision focusing mirror alignment at SACLA using new nanobeam diagnosis2019
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
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