X線自由電子レーザーのナノ集光システムの開発

• 研究課題/領域番号: 19J20094
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分18020:加工学および生産工学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 井上 陽登 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 3,100千円 (直接経費: 3,100千円); 2021年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2020年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円); 2019年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
• キーワード: X線自由電子レーザー / X線ミラー / 形状可変ミラー / Wolter ミラー / X線集光 / コヒーレントX線散乱 / スペックル / Wolterミラー / 第三世代放射光施設 / 超精密加工計測

研究開始時の研究の概要

X線自由電子レーザー（XFEL：X-ray Free Electron Laser）は，従来の放射光光源を凌駕する優れた可干渉性，極短パルス性，極限的ピーク強度を持ち，蛋白質分子の無損傷状態分析や，X線領域での非線形光学の発展が期待されている．これらのためにはXFELの集光が不可欠であり，私の研究室では，独自の精密加工・計測法を用いてX線ミラーを開発し，集光サイズ10nm以下を目指している．

研究実績の概要

X線自由電子レーザー（X-ray free-electron laser）は，高いピーク輝度と空間コヒーレンスを有する極短パルスレーザーである．しかしながら1パルス毎のばらつきが大きいため，従来のX線光学素子では，高い安定性の下サイズ10nm以下に集光することが困難であった．そこで申請者はWolter配置に基づき凸面，凹面を有する2枚のミラーを組み合わせることで，コマ収差補正性能と高い縮小倍率を有した集光光学系を考案した．昨年度までに回折限界条件を満たすミラーの作製に成功している．本年度は日本のXFELであるSACLAにて，ばらつきの無いsub-10nm集光をX線干渉計，およびX線回折イメージング法ベースで実測した．
また申請者は，極限的な集光サイズ5nm以下の達成を目指した．このとき，ミラー形状には0.5nm PVの精度が求められ，現存の加工手法では達成が不可能であった．そこで，形状可変型多層膜ミラーを光学系に導入した．有限要素シミュレーションに基づき，加工法で残存すると考えられる形状誤差を十分に除去できることを確認した．そして，日本のSPring-8にて実証実験を行った結果，X線集光波面ベースでサイズ5nm集光が達成されていることを確認した．
最後に，アメリカのAPSのアップグレード計画の共同研究者としてビームラインの立ち上げに関わることになり，ハイブリッド型形状可変ミラーを開発した．有限要素シミュレーションと材料力学に基づき，ハイブリッド型形状可変ミラーの最適な変形手法を考案した．SPring-8にて実証実験を行った結果，変形に必要な印加電圧量を半分に抑えることに成功した．これは光学系の高安定化だけでなく，沿面放電などによる実験セットアップの制限の緩和につながると期待される．本成果の重要性から，APSメンバーとの国際共著で論文を執筆し，すでに出版された．

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] X-ray adaptive zoom condenser utilizing an intermediate virtual focus (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsuyama Satoshi、Yamaguchi Hiroyuki、Inoue Takato、Nishioka Yuka、Yamada Jumpei、Sano Yasuhisa、Kohmura Yoshiki、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 29 号: 10 ページ: 15604-15604
  • DOI: 10.1364/oe.422723
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hard X-ray nanoprobe scanner (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada Jumpei、Inoue Ichiro、Osaka Taito、Inoue Takato、Matsuyama Satoshi、Yamauchi Kazuto、Yabashi Makina
  • 雑誌名: IUCrJ 巻: 8 号: 5 ページ: 713-718
  • DOI: 10.1107/s2052252521007004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Optimal deformation procedure for hybrid adaptive x-ray mirror based on mechanical and piezo-driven bending system (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoue Takato、Nishioka Yuka、Matsuyama Satoshi、Sonoyama Junki、Akiyama Kazuteru、Nakamori Hiroki、Ichii Yoshio、Sano Yasuhisa、Shi Xianbo、Shu Deming、Wyman Max D.、Harder Ross、Kohmura Yoshiki、Yabashi Makina、Assoufid Lahsen、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 92 号: 12 ページ: 123706-123706
  • DOI: 10.1063/5.0070465
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Generation of an X-ray nanobeam of a free-electron laser using reflective optics with speckle interferometry (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 27 号: 4 ページ: 883-889
  • DOI: 10.1107/s1600577520006980
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Focus characterization of an X-ray free-electron laser by intensity correlation measurement of X-ray fluorescence (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Nami、Matsuyama Satoshi、Inoue Takato、Inoue Ichiro、Yamada Jumpei、Osaka Taito、Yabashi Makina、Ishikawa Tetsuya、Yamauchi Kazuto
  • 雑誌名: Journal of Synchrotron Radiation 巻: 27 号: 5 ページ: 1366-1371
  • DOI: 10.1107/s1600577520009868
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] X-Ray Single-Grating Interferometry for Wavefront Measurement and Correction of Hard X-Ray Nanofocusing Mirrors (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamada Jumpei、Inoue Takato、Nakamura Nami、Kameshima Takashi、Yamauchi Kazuto、Matsuyama Satoshi、Yabashi Makina
  • 雑誌名: Sensors 巻: 20 号: 24 ページ: 7356-7356
  • DOI: 10.3390/s20247356
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Advanced KBミラーに基づく硬X線自由電子レーザー sub-10 nm 集光システム (2022)
  • 著者名/発表者名: 山田純平，松山智至，井上陽登，伊藤篤輝，田中優人，大坂泰斗，井上伊知郎，犬伏雄一，小山貴久，湯本博勝，大橋治彦，山内和人，矢橋牧名
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 形状可変ミラーを用いたX線sub-5 nm集光システムの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井上陽登，松山智至，田中優人，伊藤篤輝，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
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 結像型 X 線顕微鏡を用いた波動伝搬ベースの位相イメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，木村隆志，志村まり，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • 学会等名: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 高空間分解能な結像型X線顕微鏡のためのin-situ波面計測法の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，香村芳樹，矢橋牧名，表和彦，石川哲也，山内和人
  • 学会等名: 2022年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] XFEL sub-10nm focusing system using Wolter type III-based advanced KB mirrors (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Yamada, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, Y. Tanaka, A. Ito, T. Osaka, I. Inoue, Y. Inubushi, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, K. Yamauchi, and M. Yabashi
  • 学会等名: 14th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of hard X-ray sub-5-nm focusing system with an adaptive multilayer focusing mirror (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, S. Matsuyama, Y. Tanaka, Y. Ichii, J. Yamada, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • 学会等名: 14th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of image-based wavefront measurement for adaptive full-field X-ray microscopy (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanaka, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, J. Yamada, Y. Kohmura, M. Yabashi, K. Omote, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • 学会等名: 14th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation (SRI2021)
  • 国際学会
• [学会発表] 結像型 X 線顕微鏡におけるマルチハイト位相回復法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • 学会等名: 2021年度関西地方定期学術講演会
• [学会発表] 形状可変ミラーと多層膜の高次光反射を利用したX 線sub-5 nm集光光学系の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 二村浩平，井上陽登，松山智至，田中優人，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
  • 学会等名: 2021年度関西地方定期学術講演会
• [学会発表] 圧電素子駆動型形状可変ミラーを用いたX線sub-5 nm集光システムの開発（第２報） 差分成膜を組み合わせたハイブリッド波面修正 (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [学会発表] 結像型X線顕微鏡における位相イメージング手法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，木村隆志，志村まり，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • 学会等名: 2021年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [学会発表] 結像型 X 線顕微鏡を用いた位相イメージング手法の開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中優人，松山智至，井上陽登，山田純平，木村隆志，志村まり，香村芳樹，矢橋牧名，石川哲也，山内和人
  • 学会等名: 日本光学会年次学術講演会 Optics and Photonics Japan 2021
• [学会発表] Single-grating interferometer for hard X-ray sub-10 nm focusing mirror system (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Yamada, S. Matsuyama, N. Nakamura, T. Inoue, T. Osaka, I. Inoue, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, K. Yamauchi, and M. Yabashi
  • 学会等名: 6th International Conference on X-ray Optics and Applications 2021 (XOPT2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of sub-5 nm focusing system based on precise deformable mirrors (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, S. Matsuyama, Y. Tanaka, K. Futamura, Y. Ichii, J. Yamada, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • 学会等名: 6th International Conference on X-ray Optics and Applications 2021 (XOPT2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Optimization of mirror deformation method for hybrid bender combining mechanical and piezoelectric bending (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Nishioka, T. Inoue, S. Matsuyama, J. Sonoyama, K. Akiyama, H. Nakamori, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • 学会等名: 6th International Conference on X-ray Optics and Applications 2021 (XOPT2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of wavefront sensing in full-field X-ray microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanaka, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, J. Yamada, Y. Kohmura, M. Yabashi, K. Omote, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • 学会等名: 6th International Conference on X-ray Optics and Applications 2021 (XOPT2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Optimization of mirror deformation strategy using mechanical and piezoelectric bending system (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, Y. Nishioka, S. Matsuyama, J. Sonoyama, K. Akiyama, H. Nakamori, Y. Sano, Y. Kohmura, M. Yabashi, T. Ishikawa, L. Assoufid, K. Yamauchi
  • 学会等名: SPIE Optics+Photonics2021
  • 国際学会
• [学会発表] Image-based wavefront measurement for full-field X-ray microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Tanaka, S. Matsuyama, T. Inoue, N. Nakamura, J. Yamada, Y. Kohmura, M. Yabashi, K. Omote, T. Ishikawa, K. Yamauchi
  • 学会等名: SPIE Optics+Photonics2021
  • 国際学会
• [学会発表] X線ミラーを用いたsub-5nm集光システムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 井上陽登，松山智至，一井愛雄，山田純平，佐野泰久，山内和人
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2021年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] X線自由電子レーザー用sub10nm 集光システムの開発 ― 高反射率多層膜ミラーの作製 ― (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2020年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] 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） －差分成膜によるX線ミラーの高精度形状修正およびSPring-8における性能評価－ (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2020年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [学会発表] Ultraprecise fabrication of X-ray mirrors for XFEL sub-10 nm focusing system based on Wolter type III geometry (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, J. Yamada, S. Matsuyama, N. Nakamura, T. Osaka, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • 学会等名: 5th International Conference on X-ray Optics and Applications 2020
  • 国際学会
• [学会発表] Development of x-ray mirrors for XFEL sub-10 nm focusing system based on Wolter type III geometry (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, J. Yamada, S. Matsuyama, N. Nakamura, T. Osaka, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • 学会等名: SPIE Optics+Photonics2020
  • 国際学会
• [学会発表] Development of ultraprecise X-ray focusing mirrors based on Wolter geometry (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, J. Yamada, S. Matsuyama, N. Nakamura, T. Osaka, H. Yumoto, T. Koyama, H. Ohashi, M. Yabashi, T. Ishikawa, and K. Yamauchi
  • 学会等名: 18th International Conference on Precision Engineering 2020
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2020年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] Sub-10 nm focusing system using multilayer KB mirror at SACLA (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue
  • 学会等名: SPIE Optics+Optoelectronics 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Precision KB mirror alignment using new nanobeam diagnosis (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 4th International Conference on X-ray Optics and Applications 2019 (XOPT2019) in OPIC2019
  • 国際学会
• [学会発表] Precision focusing mirror alignment at SACLA using new nanobeam diagnosis (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: SPIE Optics+Photonics2019
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2019年度精密工学会秋季大会学術講演会
• [備考] 最先端の「光」。集光径 6nm の X 線レーザービームの精密計測に成功！
  • URL: https://www.eng.osaka-u.ac.jp/wp-content/uploads/2020/07/43577bbce0993a42db6d11337f899faf.pdf
• [備考] 最先端の「光」。集光径6nmのX線レーザービームの精密計測に成功！（プレスリリース）
  • URL: http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2020/200701/
• [備考] Old X-rays, new vision: A nano-focused X-ray laser
  • URL: https://eurekalert.org/pub_releases/2020-07/ou-oxn070720.php
• [備考] Old X-rays, new vision: A nano-focused X-ray laser
  • URL: https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/194890?returnurl=https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/194890
• [備考] Old X-rays, new vision: A nano-focused X-ray laser
  • URL: https://www.tunisiesoir.com/tech/tech-old-x-rays-new-vision-a-nano-focused-x-ray-laser-22115-2020/