| 研究課題/領域番号 |
15K13397
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
伊藤 雅英 筑波大学, 数理物質系, 教授 (30150874)
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| 研究分担者 |
青木 貞雄 筑波大学, 数理物質系(名誉教授), 名誉教授 (50016804)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 電磁場解析 / 準結晶構造 / Ｘ線集光素子 / 回折限界 |
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| 研究実績の概要 |
Ｈ２７年度に得られた設計指針に基づいて、穴のサイズを大きくして、集光点の輝度を大きくすることで、軟Ｘ線強度の検出を試みた。穴のサイズの増大は、ＦＩＢ(Focused Ion Beam)での集光素子の製作も容易にした。
また、５回対称準結晶の穴の数最少個数の６個と、４６個で設計した。穴の間隔と穴の径を集光素子からの距離が１６mmで集光するようにフラウンホーファー近似で計算・最適化して、ＦＩＢで製作した。素子の基板は窒化珪素100nmの上に白金100nmを蒸着して、光を十分遮る一方で、ＦＩＢでの加工が可能な厚さとした。放射光による散乱パターンの計測を行った。放射光は高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）のビームラインＢＬ１１－Ｄを用いた。
軟Ｘ線は空気中を透過できないので、計測は、真空中で行う。また、離れた２点間でのコヒーレンスを確保できていることを確認するために、ピンホールを通してから、ＣＣＤイメージセンサで観測した。 ピンホールの径と散乱パターンの関係を調べ、径５０ミクロンであればある程度のコヒーレンスがあることが分かった。
真空系で、ピンホール、集光素子、スリット、ＣＣＤカメラの順にならべ、ピンホールとスリットを動かした。６穴および４６穴、それぞれの集光素子の散乱パターンを観察した結果、シミュレーションと同様の、三角が円形に並んだパターンが得られた。計測時間は１０秒程度で十分な信号強度が得られた。以上の結果より、軟Ｘ線の準結晶集光素子による集光を、シミュレーションにより間接的に確認でき、６穴の時に集光径は３ミクロン、集光効率は２%程度ある。
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| 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
集光素子の設計を行い、集光素子の製作やその評価を放射光施設で行うことができた。
【素子製作】利用できるＦＩＢ装置の性能により、準結晶集光素子穴の数は最大１００程度に制約を受ける。また、軟Ｘ線は硬Ｘ線に比べて光源の強度が弱いため、高い集光効率が求められる。集光素子作成に向けて、計測可能な光量と、長い集光距離を確保できる穴径および間隔の設計を検討した。さらに、穴の開いていないところでは、光を十分に遮るような十分な膜厚を作成した。一方、ＦＩＢ(Focused Ion Beam)できれいに多数の穴を貫通させるこつを、筑波大学の専門家に相談して検討した。この結果、径４ミクロンで５回対称６穴の素子と、径２ミクロンで５回対称４６穴の素子を作成できた。
【計測】加速器研究機構（ＫＥＫ）の協力を得て、放射光の強い光を利用した集光の計測を行うことができた。集光素子に、コヒーレンスの高い光を当て、スリットを集光点の端をよぎらせることで、その集光の様子の観察を試みた。散乱パターンについては、計算と同じものを計測することができた。６穴と４６穴の二種類の集光素子について、計測した。５０φピンホール－(767mm)－集光素子－(16mm)－５０ミクロン幅スリット－(247mm)－ＣＣＤイメージセンサの順に、それぞれの間隔で並べ、分布を計測した。
【計算】フラウンホーファー近似のプログラムを作成し、軟Ｘ線の散乱パターンを再現することができた。このことから、計算通り集光径３ミクロンが実現できていると予想される。
【研究体制】学生４人研究員一人、教員４人（内ＫＥＫ１人）の体制となり、人員体制は十分である。
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| 今後の研究の推進方策 |
ＦＩＢによる穴の作成は、内作で行った。条件だしに時間がかかったが、穴あけ時の基板の固定条件改良、穴径の設計値拡大、露光時間最適化などを行った結果、穴をきれいにあけることができた。また、ＫＥＫの共同研究プロジェクトに採用され放射光を使うことができ、本学の軟Ｘ線技術の蓄積を活用することで、ＣＣＤによる散乱パターンの計測に至った。これは、さらに、フラウンホーファー近似を用いて計算した散乱パターンを再現した。予想集光径は３μｍ程度と大きいが、初期目標を最低限クリアしたことになる。
これ以降の方向性は、次の２点である。
１．集光径を波長レベルまで下げる。２．集光強度を上げる。
これらの目標達成の一つの手段は、穴径を小さくすると同時に、穴の数を増やすことが挙げられる。しかし、ＦＩＢの穴あけの最少径が軟Ｘ線波長より大きいこと、穴のアスペクト比が高いと貫通が難しくなることから、実現は困難である。例えば、最新のＦＩＢ装置で、一点加工での穴の最少径を窒化珪素で試作・検討したところ、50nmであった。また、白金の膜厚を100nmと200nmで穴あけ試作を行ったところ、６穴では、白金膜厚が100nmと200nmの両方とも穴が貫通したが、４６穴では、膜厚100nmのみ貫通した。また、加工時間は、４６穴では１６分である。ＦＩＢは安価かつ最小限の条件だしで、穴を作成するには適しているが、より小さくかつ多くの穴を空ける手法としては電子線露光等他の手法で行うのがよいと思われる。
ＦＩＢは、作成の負荷が小さいことから、穴の配置について、５回対称以外の準結晶を検討し、多くの施策をこなすことで、最適な配置を見出すのに向いている。今後、配置と集光パターンの関係をシミュレーションし、実験を進めたい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
準結晶パターンをモデル化したＸ線集光素子は数ミクロンの大きさのピンホールパターンを窒化シリコン基板に多数配列して製作する。微細なピンホールの製作は電子線蒸着装置とイオンビーム装置を利用して製作するが、その試作において、最適な条件を見つけるためには、放射光を利用した実験結果を見てフィードバックさせる必要がある。放射光実験は半年に1回程度したできないため、窒化シリコン基板の購入費と試作費が必要である。
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| 次年度使用額の使用計画 |
具体的な予算計画は以下の通りである。光学素子、電子部品などの消耗品の購入の他、窒化シリコン基板購入および集光素子製作費、放射線バッチ代などである。学会発表費用、および、論文発表費用として使用する。
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