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2016 年度 実施状況報告書

軟X線レーザー時間分解小角散乱法によるフェムト秒レーザーアブレーションの研究

研究課題

研究課題/領域番号 15K04706
研究機関国立研究開発法人日本原子力研究開発機構

研究代表者

熊田 高之  国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 物質科学研究センター, リーダー (00343939)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワードレーザーアブレーション / X線レーザー / 小角散乱 / 反射率測定
研究実績の概要

軟X線レーザーを用いた斜入射X線小角散乱測定装置の開発、および本装置を用いたフェムト秒レーザーアブレーションにより金表面に生じた欠損(クレーター)の構造研究に関する昨年度の研究成果をInternational Conference of X-ray Laser 2016において発表するとともにProceedingsを執筆し受理された。また、類似の条件でアブレーションされた試料の顕微鏡観測に関する研究も同Conferenceで発表し、そのProceedingsも受理されている。また、派生技術としてレーザーアブレーションによって石英表面に過渡的に生じる自由電子による反射(プラズマミラー技術)を用いた真空紫外光の波形測定技術を確立し、その論文が掲載された。
X線と並行して中性子ビームを用いた小角散乱および反射率測定実験も積極的に進めた。報告者は自身が持つ核偏極技術を用いて、薄膜試料中の水素核スピンを熱平衡の50倍に相当する偏極度10%程度まで高めた上、その水素核偏極度を変化させながら偏極中性子の反射率を測定するスピンコントラスト中性子反射率測定を世界で初めて成功させた。これによってシリコン基板上にスピンコートされたジブロック共重合体のうち、どちらの基が優先的にシリコン基板に吸着するかを見分けられることを見出した。このほか、水素核偏極中性子小角散乱法を用いた自動車用タイヤゴムの構造研究や、時分割中性子小角散乱法を用いて開発された高分子フォトニック結晶の作成手法に関する論文が掲載された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

軟X線レーザーを用いた斜入射X線小角散乱測定装置については赤外光用グレーティングを標準試料を用いて期待通りの散乱プロファイルが得れれることを確認した。その結果は国際会議で発表し、その場において活発な議論が展開されるとともに、Proceedingsが受理されるなどの一定の評価を得るに至った。その一方で、グレーティングのような明確な周期構造を持たない金表面のアブレーション欠損面の測定では、CCDカメラの熱ノイズに隠れて構造情報を反映した微小な散乱信号を抽出することができなかった。問題を解決するにはフォトンカウンティングができる光電子増倍管をベースとした低ノイズ2次元検出器が必要である。しかし現在、軟X線に関してはそのようなデバイスは開発されていないことからその解決策が模索されている。
本研究開発の派生技術として、真空紫外光(波長160nm)の波形計測技術を確立し、論文にまとめた。真空紫外光は、軽元素分子の励起やリソグラフィーによる集積回路作成などの用途から注目されている一方、物質透過性が極端に悪くその計測技術も他の光に対して大きく遅れていた。我々が開発した本技術が将来実用化されることが期待される。
中性子ビームを用いた小角散乱および反射率測定においては、中性子と水素核の散乱能が互いのスピンの向きによって大きく異なることを利用したスピンコントラスト変調技術を用いた研究を展開した。スピンコントラスト中性子小角散乱法を用いて自動車用ゴムタイヤ中におけるシリカ粒子の分散状態を決定した論文が掲載された。また、スピンコントラスト中性子反射率測定を世界で初めて成功させた。

今後の研究の推進方策

今後、時間分解斜入射X線小角散乱技術の開発を進めるには、より短い波長のX線パルスが得られるSACRAのような施設にフォトンカウンティング型低ノイズ2次元検出器を組み込まなくてはならない。残された期間と予算の手当てを考えるとそれも現実的ではない。そこで、次年度はスピンコントラスト中性子小角散乱測定および反射率測定に注力する。

次年度使用額が生じた理由

実験に用いるパルスNMR実験用機器の納入が大幅に遅れたため、当初計画どおりに実験を行うことができなかったため、実験に係る費用について次年度使用額として生じることとなった。

次年度使用額の使用計画

次年度使用額については、平成28年度に行うことができなかった、実験に係る費用として使用し、平成29年度分の研究経費については、当初計画どおり、装置開発及び実験に係る費用及びデータ解析や研究成果についての論文投稿や学会発表に係る費用として使用する。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Plasma-mirror frequency-resolved optical gating for simultaneous retrieval of a chirped vacuum-ultraviolet waveform and time-dependent reflectivity2016

    • 著者名/発表者名
      R. Itakura, T. Kumada, M. Nakano, and H. Akagi
    • 雑誌名

      High-Power Laser Science and Engineering

      巻: 4 ページ: e18-1-5

    • DOI

      https://doi.org/10.1017/hpl.2016.18

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Photonic Crystals Fabricated by Block-Copolymerization-induced Microphase Separation」Macromolecules2016

    • 著者名/発表者名
      R. Motokawa, T. Taniguchi, T. Kumada, Y. Iida, S. Aoyagi, Y. Sasaki, M. Kohri, and K. Kishikawa
    • 雑誌名

      Macromolecules

      巻: 49 ページ: 2036-2045

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.6b01190

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Contrast variation by dynamic nuclear polarization and time-of-flight smallangle neutron scattering. I. Application to industrial multi-component nanocomposites2016

    • 著者名/発表者名
      Y. Noda, S. Koizumi, T. Masui, R. Mashita, H. Kishimoto, D. Yamaguchi, T. Kumada, S. Takata, K. Ohishi, J. Suzuki
    • 雑誌名

      Journal of Applied Crystallography

      巻: 49 ページ: 2036-2045

    • DOI

      https://doi.org/10.1107/S1600576716016472

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 中性子反射率実験用動的核スピン偏極装置の開発2017

    • 著者名/発表者名
      熊田高之、阿久津和宏、大石一城、森川利明、河村幸彦、鈴木淳市、鳥飼直也
    • 学会等名
      日本物理学会年会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17 – 2017-03-20
  • [学会発表] 放射線を用いた極低温化学反応の研究と核スピン偏極試料の作成2017

    • 著者名/発表者名
      熊田高之
    • 学会等名
      先端放射線化学シンポジウム(SARAC)2017
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2017-02-28
    • 招待講演
  • [学会発表] J-PARC BL17中性子反射率実験用動的核スピン偏極装置の開発2016

    • 著者名/発表者名
      熊田高之、阿久津和宏、大石一城、森川利明、河村幸彦、鈴木淳市、鳥飼直也
    • 学会等名
      中性子科学会年会
    • 発表場所
      名古屋大学(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2016-12-01 – 2016-12-02
  • [学会発表] 中性子反射率実験用動的核スピン偏極装置の開発2016

    • 著者名/発表者名
      熊田高之、阿久津和宏、大石一城、森川利明、河村幸彦、鈴木淳市、鳥飼直也
    • 学会等名
      第55回電子スピンサイエンス学会年会(SEST 2016)
    • 発表場所
      大阪市立大学(大阪府大阪市)
    • 年月日
      2016-11-10 – 2016-11-12
  • [学会発表] スピンコントラスト中性子実験に向けた安定常磁性ラジカル添加試料と電子線照射試料における動的核偏極挙動の研究2016

    • 著者名/発表者名
      熊田高之、能田洋平、石川法人
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [学会発表] スピンコントラスト中性子法の普及に向けて ~DNPと中性子反射率実験~2016

    • 著者名/発表者名
      熊田高之
    • 学会等名
      CROSSROAD研究会
    • 発表場所
      いばらき量子ビームセンター(茨城県東海村)
    • 年月日
      2016-06-15
    • 招待講演

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公開日: 2018-01-16  

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