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Demonstration of X-ray single-shot microspectroscopic imaging

Research Project

Project/Area Number 20H04451
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 80040:Quantum beam science-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Kimura Takashi  東京大学, 物性研究所, 准教授 (50531472)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 三村 秀和  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30362651)
志村 まり  国立研究開発法人国立国際医療研究センター, その他部局等, その他 (90226267)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
KeywordsX線顕微鏡 / X線分光 / X線自由電子レーザー / X線ミラー / 回折格子 / 電子ビームリソグラフィ / ウォルターミラー / 超精密加工 / 分光イメージング / X線吸収微細構造 / X線吸収分光 / X線光学 / 電子ビーム露光 / X線 / 微細加工
Outline of Research at the Start

本研究提案では、X線自由電子レーザーなどの超短パルスX線光源での利用を想定した、X線シングルショット二次元顕微分光イメージングの実現を目指す。上記事項を達成するために、拡大結像した二次元試料イメージを分光するための、新規分光光学素子を新たに開発、色収差の無い全反射X線ミラー結像光学系と組み合わせた新規X線イメージング光学系を構築する。本研究の実現により、従来困難であった二次元での超短時間X線分光分析の実現という、新たな物性分析技術を確立する。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we realized single-shot microspectroscopic imaging using femtosecond pulses from an X-ray free-electron laser. Using a microscopic system with a total reflection mirror known as a Wolter mirror, we constructed an achromatic optical system capable of imaging X-rays of different wavelengths at the same magnification. We also fabricated an X-ray transmission diffraction grating for spectroscopic imaging of the magnified image of the sample using electron beam lithography. With the system installed at SACLA BL1, we successfully demonstrated microspectroscopic imaging using a single femtosecond X-ray pulse. This demonstration showed the potential for applications such as the visualization of ultrafast chemical state changes in heterogeneous materials and the beam diagnostics of X-ray free-electron lasers.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

X線を用いた物性分析技術は、元素分布や化学状態を知ることが出来るため、現代の科学技術に取って不可欠なものとなっている。しかし、従来の集光プローブを走査する手法では計測時間を要してしまうため、一般的にミリ秒程度でのイメージングが限界であった。本研究では、この限界を打破するため、X線アクロマティック結像素子と、独自開発の透過型回折格子を組み合わせた新たなシングルショット顕微分光イメージングシステムを構築し、フェムト秒での観察の実証に成功した。本成果により、微細化が進むデバイス内の電子状態解析や、不均一材料の化学反応解析など、X線物性分析技術の適用範囲が大きく拡がると期待される。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 6 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Developing a Simple Scanning Probe System for Soft X-ray Spectroscopy with a Nano-focusing Mirror2023

    • Author(s)
      Ando Hiroshi、Horio Masafumi、Takeo Yoko、Niibe Masahito、Wada Tetsuya、Ando Yasunobu、Kondo Takahiro、Kimura Takashi、Matsuda Iwao
    • Journal Title

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      Volume: 21 Issue: 3 Pages: 200-206

    • DOI

      10.1380/ejssnt.2023-020

    • ISSN
      1348-0391
    • Year and Date
      2023-02-18
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    • Author(s)
      Shimamura Takenori、Takeo Yoko、Kimura Takashi、Perrin Francois、Vivo Amparo、Senba Yasunori、Kishimoto Hikaru、Ohashi Haruhiko、Mimura Hidekazu
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 94 Issue: 4 Pages: 043102-043102

    • DOI

      10.1063/5.0135367

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      木村隆志、竹尾陽子、櫻井快、古谷登、江川悟、山口豪太、松澤雄介、久米健大、三村秀和、志村まり、大橋治彦、松田巌、原田慈久
    • Journal Title

      放射光

      Volume: 36 Pages: 10-16

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      Kimura Takashi、Takeo Yoko、Sakurai Kai、Furuya Noboru、Egawa Satoru、Yamaguchi Gota、Matsuzawa Yusuke、Kume Takehiro、Mimura Hidekazu、Shimura Mari、Ohashi Haruhiko、Matsuda Iwao、Harada Yoshihisa
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 30 Issue: 15 Pages: 26220-26220

    • DOI

      10.1364/oe.462190

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      Shimamura Takenori、Takeo Yoko、Moriya Fumika、Kimura Takashi、Shimura Mari、Senba Yasunori、Kishimoto Hikaru、Ohashi Haruhiko、Shimba Kenta、Jimbo Yasuhiko、Mimura Hidekazu
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      Advances in X-Ray/EUV Optics and Components XVII

      Volume: 12240 Pages: 1224004-1224004

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      10.1117/12.2632949

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      Matsumoto Yutaka、Takeo Yoko、Egawa Satoru、Yamaguchi Gota、Yokomae Shunya、Takei Masashi、Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Ohashi Haruhiko、Tono Kensuke、Yabashi Makina、Mimura Hidekazu、Kimura Takashi
    • Journal Title

      Optical Review

      Volume: 29 Issue: 1 Pages: 7-12

    • DOI

      10.1007/s10043-021-00716-x

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      C. F. Huang, W. H. Chang, T. K. Lee, Y. Joti, Y. Nishino, T. Kimura, A. Suzuki, Y. Bessho, T. T. Lee, M. C. Chen, S. M. Yang, Y. K. Hwu, S. H. Huang, P. N. Li, P. Chen, Y. C. Tseng, C. Ma, T. L. Hsu, C. H. Wong, K. Tono, T. Ishikawa, and K. S. Liang
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      AIP Advances

      Volume: 10 Issue: 5 Pages: 055219-055219

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      10.1063/1.5129406

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      Takashi Kimura, Akihiro Suzuki, Ying Yang, Yoshiya Niida, Akiko Nishioka, Masashi Takei, Jinjian Wei, Hideyuki Mitomo, Yasutaka Matsuo, Kenichi Niikura, Kuniharu Ijiro, Kensuke Tono, Makina Yabashi, Tetsuya Ishikawa, Tairo Oshima, Yoshitaka Bessho Yasumasa Joti, and Yoshinori Nishino
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 91 Issue: 8 Pages: 083706-083706

    • DOI

      10.1063/5.0008398

    • NAID

      120007053062

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    • Author(s)
      Y. Takeo, H. Motoyama, T. Shimamura, T. Kimura, T. Kume, Y. Matsuzawa, T Saito, Y. Imamura, H. Miyashita, K. Hiraguri, H. Hashizume, Y. Senba, H. Kishimoto, H. Ohashi, and H. Mimura
    • Journal Title

      Appl. Phys. Lett.

      Volume: 117 Issue: 15 Pages: 151104-151104

    • DOI

      10.1063/5.0027118

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    • URL

      https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=16120

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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