2013 Fiscal Year Annual Research Report
部分回転楕円面ミラー型光学素子による硬X線自由電子レーザーの高強度集光ビーム形成
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25286095
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Japan Synchrotron Radiation Research Institute |
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Principal Investigator |
湯本 博勝 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 光源・光学系部門, 研究員 (20423197)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | X線光学素子 / X線ミラー / 超精密加工 / 形状計測 / 放射光 / X線自由電子レーザー |
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| Research Abstract |
部分回転楕円面ミラー型光学素子による硬X線ナノ集光の実現を本研究の目的とする．開発した部分回転楕円面集光ミラーを利用して，硬X線自由電子レーザーの高強度集光ビームの形成を行う．このため平成25年度は，部分回転楕円面ミラー光学素子の作製上の課題であった基盤技術「高精度表面加工法」と「高精度表面形状計測法」を開発した．
高精度表面加工法：「回転球型加工装置」と「ノズル吐出型加工装置」の特殊研磨法に基づく2種類の高精度表面加工装置の開発を行った．両者とも加工ヘッドの滞在時間分布制御型の数値制御を行うことで，部分回転楕円面ミラーの急峻な表面形状に対応した形状修正加工（～1nm(Height)）を可能とした．回転球型加工装置は，弾性流体潤滑状態を利用することで，特に表面粗さの除去加工に優れており，表面粗さ2.1nm(RMS: Root-Mean-Square)の研削痕の残る表面を，0.3nm(RMS)のX線ミラーに対応可能な高品質な表面に加工可能であることを実証した．また，ノズル吐出型加工装置は，単位加工痕サイズ0.2mmを実現し，高分解能なX線ミラーの数値制御加工に適応可能であることを示した．
高精度表面形状計測法：可視光位相シフト顕微干渉計を利用したスティッチング干渉法に基づく部分回転楕円面ミラー用高精度表面形状計測装置を開発し，安定化評価と共に，系統誤差補正法を開発した．本件の急峻な形状を計測する際に，計測装置固有のレンズ収差が原因で発生する系統誤差を補正することで，1計測画面内の形状データに残存する系統誤差形状を取り除き，ミラー全体形状の算出精度向上を図った．本装置を評価した結果，X線ミラーの作製上要求される測定精度の1nm(RMS)を満足し，0.8nm(RMS)の測定再現性を達成した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
部分回転楕円面ミラー光学素子の作製上の課題であった基盤技術「高精度表面加工法」と「高精度表面形状計測法」に関して，平成25年度は当初の計画通り，これらの基盤技術を開発した．加工法において，得られた表面粗さ（0.3nm(RMS)）や加工精度（～1nm(Height)），加工空間分解能（< 0.2mm）はX線ミラーに対応可能な精度を持つことを確認した．一方，形状計測法においては，0.8nm(RMS)の測定再現性を実現し，X線ミラーの作製要求精度を満足する結果を達成した．さらに，実際に部分回転楕円面ミラー形状に対して形状修正加工を実施した．加工と形状計測を繰り返すミラー作製工程において，計測システムの確からしさと加工再現性を比較検討し，本X線ミラー作製システムを実際に部分回転楕円面ミラーに対応し，安定性と再現性を評価するまでに至った．以上の様に，本研究は当初の計画以上に進展している．
加工法のさらなる高空間分解能化を実施することを予定し，一部消耗品購入費に関して次年度に繰り越したが，繰越金額は研究費全体に対して約4%であり，ほぼ予算執行計画通り研究が進捗している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度に開発した基盤技術「高精度表面加工法」と「高精度表面形状計測法」を利用し，部分回転楕円面硬X線ナノ集光ミラーを作製する．加工と形状計測を繰り返すX線ミラー作製過程において，計測システムの確からしさと加工再現性を比較検討し，本作製システムの安定性と再現性の向上を図りつつ，X線ミラー基板を完成させる．
平成25年度における進捗状況を踏まえると，部分回転楕円面X線ミラーの作製において，ノズル吐出型加工装置における体積加工レートと加工の横空間分解能が不足する可能性が想定される．将来の研究の発展性を追求するため，並行して予め次の対応策を検討している．加工レートと横空間分解能の両方の向上を図り，加工液吐出ノズル形状の変更を行う．体積加工レートは，諸条件の中でも加工液の流速に対して非線形的に増加することを確認しており，加工レート向上のためには，ノズル流路の圧損による流速低下を防止することが有効である．また，加工の横空間分解能は，ノズルの吐出径により単純に決まる．このため，改良版のノズルでは，従来と比較して流路長を短くした上で，小径の吐出径とすることで，体積加工レートを向上しつつ，小さな加工痕を得る．マイクロドリル加工により直径50umの微小穴を平成25年度に試作し，実現可能性について検証済みである．
部分回転楕円面X線ミラー基板形状の完成後，最後に表面金属コーティング（白金，もしくは，タングステン）を行い，硬X線領域の全反射に対応する．
平成26年度後期には，SPring-8の放射光コヒーレントX線による部分回転楕円面ミラーの集光強度分布・集光ビームサイズ，反射率等の特性評価を行う．7keVのX線エネルギーにおいて理想的な集光径40nm×60nmを実現することで，開発した加工法と形状計測法による表面形状作製精度が部分回転楕円面ナノ集光ミラー開発に適用可能であることを示す．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
加工法のさらなる高空間分解能化を実施することを予定し，一部消耗品購入費に関して次年度に繰り越した．繰越金額は研究費全体に対して約4%であり，ほぼ予算執行計画通り研究が進捗している．
平成25年度に開発した超精密加工法と超精密表面形状計測法から成るX線ミラー作製プロセスを利用し，部分回転楕円面硬X線ナノ集光ミラーを作製するために，予算を執行する．ミラー基板の入手や加工精度向上のための基礎試験装置の開発に重点的に予算を配分する．
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Research Products
(4 results)
