X線シングルショット顕微分光イメージングの実証

• 研究課題/領域番号: 20H04451
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分80040:量子ビーム科学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 木村 隆志 東京大学, 物性研究所, 准教授 (50531472)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2022年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2021年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2020年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
• キーワード: X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

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

本研究では、X線自由電子レーザーのフェムト秒パルスを活用したシングルショット顕微分光イメージングの実現を目指した。全反射光学素子であるウォルターミラーを用いた顕微システムの採用により、異なる波長のX線を同じ倍率で結像できるアクロマティック光学系を構築した。さらに、試料の拡大像を分光するためのX線用透過型回折格子を、電子ビーム描画を用いた微細加工技術で作製した。SACLA BL1に設置したシステムにより、フェムト秒X線シングルパルスを用いた顕微分光イメージングの実証に成功し、不均一材料中の超高速化学状態変化の可視化、またX線自由電子レーザーのビーム診断などへの応用が可能であることを示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

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。

研究成果

• [雑誌論文] Developing a Simple Scanning Probe System for Soft X-ray Spectroscopy with a Nano-focusing Mirror (2023)
  • 著者名/発表者名: Ando Hiroshi、Horio Masafumi、Takeo Yoko、Niibe Masahito、Wada Tetsuya、Ando Yasunobu、Kondo Takahiro、Kimura Takashi、Matsuda Iwao
  • 雑誌名: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology 巻: 21 号: 3 ページ: 200-206
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2023-020
  • ISSN: 1348-0391
  • 年月日: 2023-02-18
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fabrication of ultrashort sub-meter-radius x-ray mirrors using dynamic stencil deposition with figure correction (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimamura Takenori、Takeo Yoko、Kimura Takashi、Perrin Francois、Vivo Amparo、Senba Yasunori、Kishimoto Hikaru、Ohashi Haruhiko、Mimura Hidekazu
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 94 号: 4 ページ: 043102-043102
  • DOI: 10.1063/5.0135367
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ウォルターミラーを利用した軟X線タイコグラフィ装置の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: 放射光 巻: 36 ページ: 10-16
  • 査読あり
• [雑誌論文] Soft X-ray ptychography system using a Wolter mirror for achromatic illumination optics (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 30 号: 15 ページ: 26220-26220
  • DOI: 10.1364/oe.462190
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design of soft x-ray fluorescence microscopy beyond 100-nm spatial resolution with ultrashort Kirkpatrick-Baez mirror (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimamura Takenori、Takeo Yoko、Moriya Fumika、Kimura Takashi、Shimura Mari、Senba Yasunori、Kishimoto Hikaru、Ohashi Haruhiko、Shimba Kenta、Jimbo Yasuhiko、Mimura Hidekazu
  • 雑誌名: Advances in X-Ray/EUV Optics and Components XVII 巻: 12240 ページ: 1224004-1224004
  • DOI: 10.1117/12.2632949
  • 査読あり
• [雑誌論文] An arrayed-window microfluidic device for observation of mixed nanoparticles with an X-ray free-electron laser (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Optical Review 巻: 29 号: 1 ページ: 7-12
  • DOI: 10.1007/s10043-021-00716-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] XFEL coherent diffraction imaging for weakly scattering particles using heterodyne interference (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 10 号: 5 ページ: 055219-055219
  • DOI: 10.1063/1.5129406
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Micro-liquid enclosure array and its semi-automated assembling system for x-ray free-electron laser diffractive imaging of samples in solution (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Review of Scientific Instruments 巻: 91 号: 8 ページ: 083706-083706
  • DOI: 10.1063/5.0008398
  • NAID: 120007053062
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A highly efficient nanofocusing system for soft x rays (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 117 号: 15 ページ: 151104-151104
  • DOI: 10.1063/5.0027118
  • 査読あり
• [学会発表] 深層学習を用いたコヒーレント回折パターンのノイズ除去 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石川卓門, 竹尾陽子, 木村隆志, 吉見一慶
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] 超高速大面積電子ビーム露光装置を利用したXFEL用マルチ開口回折格子の作製と評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 古谷 登, 竹尾 陽子, 江川 悟, 吉永 享太, 櫻井 快, 山口 豪太, 大和田 成起, 矢橋 牧名, 木村 隆志
  • 学会等名: 2023年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] 軟X線XAFSタイコグラフィーによる細胞内化学状態解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 櫻井快, 竹尾陽子, 古谷登, 江川悟, 寶本俊輝, 井上圭一, 志村まり, 木村隆志
  • 学会等名: 2023年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] 軟X 線結像型分光顕微鏡の構築に向けたウォルターミラーとマルチ開口グレーティングの開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉永享太, 竹尾陽子, 古谷登, 櫻井快, 江川悟, 木村隆志
  • 学会等名: 2023年度精密工学会春季大会学術講演会
• [学会発表] Development of soft X-ray focusing and imaging systems using precise rotational mirrors (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Egawa, Y. Takeo, T. Kimura
  • 学会等名: SACLA Users' Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 先端光源を活用したX線顕微イメージング技術 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木村隆志
  • 学会等名: 兵庫県マテリアルズ・インフォマティクス講演会（第９回）
  • 招待講演
• [学会発表] 筒形Wolterミラーを用いた軟X線顕微イメージング技術の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹尾陽子、木村隆志、三村秀和
  • 学会等名: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] SACLAによるシングルショット軟X線顕微分光 イメージング技術の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 古谷 登, 竹尾 陽子, 江川 悟, 吉永 享太, 櫻井 快, 山口 豪太, 大和田 成起, 矢橋 牧名, 木村 隆志
  • 学会等名: 第36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] 軟X線タイコグラフィを利用した細胞内化学状態イメージング技術の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 櫻井快, 竹尾陽子, 古谷登, 江川悟, 寶本俊輝, 井上圭一, 志村まり, 木村隆志
  • 学会等名: 第36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] 軟X線結像型分光顕微鏡用ウォルターミラーの設計 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉永享太, 竹尾陽子, 古谷登, 櫻井快, 江川悟, 木村隆志
  • 学会等名: 第36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] Development of Soft X-ray Ptychography System with Electroformed Wolter Mirror (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura, Takeo Yoko, Kai Sakurai, Noboru Furuya, Satoru Egawa, Gota Yamaguchi, Yusuke Matsuzawa, Takehiro Kume, Hidekazu Mimura, Mari Shimura and Haruhiko Ohashi
  • 学会等名: 15th International Conference on X-ray Microscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-Aperture Grating for Spectroscopic and Microscopic Imaging with Single-Shot Pulse of X-ray Free-Electron Laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoko Takeo, Satoru Egawa, Noboru Furuya, Kai Sakurai, Shigeki Owada, Makina Yabashi, Takashi Kimura
  • 学会等名: 15th International Conference on X-ray Microscopy
  • 国際学会
• [学会発表] In-Situ Observation of Nanoparticles in Solution by Combining X-ray Free-Electron Laser and Microfluidic Device Technology (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura
  • 学会等名: Conference on Laser and Synchrotron Radiation Combination Experiment 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Direct Observation of Nanoparticle Structures in Microfluidic Device using Single Pulses of X-ray Free-Electron (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kimura
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Soft X-ray imaging of living cells with a micro solution holder (2022)
  • 著者名/発表者名: Kai Sakurai, Yoko Takeo, Noboru Furuya, Satoru Egawa, Mari Shimura, Masashi Takei, and Takashi Kimura
  • 学会等名: International Conference on X-ray Optics and Applications
  • 国際学会
• [学会発表] X 線顕微分光イメージングを実現するマルチ開口回折格子の作製 (2022)
  • 著者名/発表者名: 古谷登、竹尾陽子、櫻井快、江川悟、木村隆志
  • 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] ウォルターミラーを利用した軟Ｘ線タイコグラフィー装置の開発と細胞解析の試み (2022)
  • 著者名/発表者名: 櫻井快、竹尾陽子、古谷登、江川悟、志村まり、木村隆志
  • 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] 超小型KBミラーを用いた軟X線sub 50 nm集光システムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 島村勇徳、竹尾陽子、木村隆志、仙波泰徳、岸本輝、大橋治彦、三村秀和
  • 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] X線自由電子レーザーを用いたイメージングとデータ解析の高効率化 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本豊, 山口豪太, 横前俊也, 三村秀和, 竹尾陽子, 江川悟, 湯本博勝, 小山貴久, 大橋治彦, 木村隆志
  • 学会等名: 精密工学会2020年度秋季大会
• [学会発表] X線自由電子レーザーとマイクロ流路デバイスを用いた液中試料観察法の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本豊, 竹尾陽子, 山口豪太, 横前俊也, 三村秀和, 江川悟, 湯本博勝, 小山貴久, 大橋治彦, 木村隆志
  • 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
• [備考] 高精度ミラーと計算を組み合わせた軟X線顕微鏡を開発
  • URL: https://www.issp.u-tokyo.ac.jp/maincontents/news2.html?pid=16120