(57)【要約】【課題】  簡易な構成で、位相の揃ったＸ線を集光することができるＸ線光学系を提供すること。【解決手段】  Ｘ線光学系は、Ｘ線源からのＸ線を導波する導波路と、前記導波路からのＸ線を集光する光学素子と、を備える。前記導波路は、コアとクラッドとを有する。前記コアは、周期構造を持つ。前記コアと前記クラッドとは、該コアと該クラッドの界面でのＸ線の全反射臨界角のほうが前記周期構造に起因するブラッグ角よりも大きくなるように、構成されている。前記光学素子は、少なくとも前記コアと前記クラッドとの界面に平行な方向において、前記導波路からのＸ線を集光する。【選択図】  図５
2013036893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源からのＸ線を導波する導波路と、
前記導波路からのＸ線を集光する光学素子と、を備え、
前記導波路は、コアとクラッドとを有し、
前記コアは、周期構造を持ち、
前記コアと前記クラッドとは、該コアと該クラッドの界面でのＸ線の全反射臨界角のほうが前記周期構造に起因するブラッグ角よりも大きくなるように、構成されており、
前記光学素子は、少なくとも前記コアと前記クラッドとの界面に平行な方向において、前記導波路からのＸ線を集光する
ことを特徴とするＸ線光学系。
【請求項２】
前記コアは、屈折率実部の異なる複数の部分が周期的に配列された周期構造を持ち、
前記コアは、前記ブラッグ角のほうが前記複数の部分の界面でのＸ線の全反射臨界角よりも大きくなるように、構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線光学系。
【請求項３】
前記コアは、複数の物質が周期的に積層された１次元周期構造を持つ
ことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線光学系。
【請求項４】
前記光学素子は、フレネルゾーンプレート、全反射ミラー、多層膜ミラー、導波路のいずれかを有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線光学系。
【請求項５】
前記光学素子は、前記コアと前記クラッドとの界面に平行な方向においてのみ、前記導波路からのＸ線を集光する
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＸ線光学系。
【請求項６】
前記光学素子は、少なくとも前記コアと前記クラッドとの界面と平行かつ前記導波路から出射したＸ線の出射方向と垂直な方向において、前記導波路からのＸ線を集光する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＸ線光学系。
【請求項７】
前記コアは、メソ構造体膜を含む
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＸ線光学系。
【請求項８】
前記コアは、メソポーラスシリカ膜を含む
ことを特徴とする請求項７に記載のＸ線光学系。
【請求項９】
前記複数の部分は、前記メソポーラスシリカ膜のシリカ部および孔部を含む
ことを特徴とする請求項８に記載のＸ線光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波は、異物質間における電磁波に対する屈折率差が１０−５以下と非常に小さく、また、極めて小さな全反射臨界角よりも大きな入射角に対する反射率は非常に小さい。そのため、Ｘ線光学系には、可視光等とは異なる光学素子が使用されている。例示すると、低角度での全反射を利用した全反射ミラー、全反射を利用したＸ線導波管、結晶や多層膜の周期構造に起因する回折を利用した回折格子や多層膜ミラー、フレネルゾーンプレート等があげられる。近年。Ｘ線光学系の小型化、高性能化を目指し、薄膜や多層膜中に電磁波を閉じ込めて伝播させる、Ｘ線導波路を用いたＸ線光学系が提案されている。例えば、低電子密度材料の薄膜を高電子密度材料でサンドイッチした構成の平板薄膜導波路（非特許文献１）や、全反射によりＸ線を閉じ込める形態の複数の平板Ｘ線導波路が隣接して配置されたＸ線導波路（非特許文献２）が提案されている。また、このようなＸ線導波路から出射されるＸ線を集光する光学系技術に関しても提案がされている。例えば、導波路中にゾーンプレートの働きをするＸ線遮蔽部を設けたもの（特許文献１）や、導波路の後方に積層型フレネルゾーンプレートを設けたもの（特許文献２）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８１４２１号公報
【特許文献２】特開２００９−４７４３０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ  １００，ｐ．１８４８０１（２００８）
【非特許文献２】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，Ｖｏｌｕｍｅ  ６２，Ｎｕｍｂｅｒ  ２４，ｐ．１６９３９（２０００−II）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術には、いくつかの課題があった。上記、非特許文献、及び特許文献に記載の技術においては、Ｘ線集光光学系に用いられる導波路中の、Ｘ線が伝搬するコア部位として、２０ｎｍ未満程度の狭エアギャップや、軽元素から構成される材料の薄膜が用いられている。そのため、Ｘ線伝搬部のサイズが、導波路から出射されるＸ線強度を、低いレベルに制限してしまっていた。また、Ｘ線をコアに閉じ込めるためのクラッドは、電子密度の大きい物質により構成されるため、界面におけるＸ線の伝播損失が大きくなってしまっていた。さらに、クラッドに用いる材料の選択性も低く、さらに酸化されやすい物質が多いため、導波路の酸化劣化などの問題が存在していた。
【０００６】
そこで、本発明は、簡易な構成で、位相の揃ったＸ線を集光することができるＸ線光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
その目的を達成するために、本発明の一側面としてのＸ線光学系は、Ｘ線源からのＸ線を導波する導波路と、前記導波路からのＸ線を集光する光学素子と、を備え、前記導波路は、コアとクラッドとを有し、前記コアは、周期構造を持ち、前記コアと前記クラッドとは、該コアと該クラッドの界面でのＸ線の全反射臨界角のほうが前記周期構造に起因するブラッグ角よりも大きくなるように、構成されており、前記光学素子は、少なくとも前記コアと前記クラッドとの界面に平行な方向において、前記導波路からのＸ線を集光することを特徴とすることを特徴とする。
【０００８】
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のＸ線光学系によれば、簡易な構成で、位相の揃ったＸ線を集光することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のＸ線集光光学系に用いられるＸ線導波路の構造を説明するための模式図である。
【図２】本発明のＸ線集光光学系に用いられるＸ線導波路の周期構造を有するコアの構造を説明するための模式図である。
【図３】本発明のＸ線集光光学系に用いられるＸ線導波路の周期構造を有するコアの、構造周期に求められる条件を説明するための模式図である。
【図４】本発明に用いられるＸ線導波路へのＸ線の入射と、導波路から出射されるＸ線を説明するための模式図である。
【図５】Ｘ線導波路と、Ｘ線集光能を有するＸ線光学素子とから構成される、本発明のＸ線集光光学系を説明するための模式図である。
【図６】本発明の実施例１の、Ｘ線導波路と１次元フレネルゾーンプレートより構成されるＸ線集光光学系を説明するための模式図である。
【図７】本発明の実施例２の、Ｘ線導波路と湾曲多層膜ミラーより構成されるＸ線集光光学系を説明するための模式図である。
【図８】本発明の実施例４の、２つのＸ線導波路より構成される集光光学系を説明するための模式図である。
【図９】本発明の実施例５でＸ線導波路のコアとして使用される、シリカメソ構造体膜の構造周期性を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
本発明においてＸ線とは、物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波を指す。具体的には、極端紫外光（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。このような短い波長の電磁波の周波数は、非常に高く、物質の最外郭電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なり、Ｘ線に対しては物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは一般的に、下記の式（１）
【００１３】
【数１】
2013036893.tif 000003
【００１４】
で表されるように、実数部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部の
【００１５】
【数２】
2013036893.tif 000004
【００１６】
を用いて表される。δは物質の電子密度ρｅに比例するため電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることになる。また、屈折率実部は、
【００１７】
【数３】
2013036893.tif 000005
【００１８】
となる。さらに、ρｅは原子密度ρａと原子番号Ｚに比例する。このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。
【００１９】
次に、本実施形態に用いられるＸ線導波路について説明する。本実施形態のＸ線導波路は、図１に模式的に示すように物質の屈折率実部が１以下となる波長帯域のＸ線を導波させるためのコア部１１と、前記コアに界面での全反射によってＸ線をコア内に閉じ込めるためのクラッド部１４より構成される。コア部１１は、屈折率実部が異なる複数の部材（複数の部分）１２、１３が周期的に配列された周期構造を有する。コア部１１とクラッド部１４の界面でのＸ線の全反射臨界角が、コア部１１の構造周期に起因するブラッグ角よりも大きくなるように構成されている。クラッド部の外側には、機械的強度向上目的の部材１５が設けられることもある。Ｘ線の帯域では、屈折率実部が最大の１となる物質は真空であり、空気に代表される気体は真空とほぼ同じ屈折率を持つが、気体以外のほぼすべての物質の屈折率実部は、１よりも小さい値となる。Ｘ線に対する物質の屈折率は、物質中の電子密度に依存するため、前述の屈折率実部が異なる複数の部材とは、多くの場合電子密度が異なる複数の部材であるということもできる。
【００２０】
本発明に用いられるＸ線導波路は、コアを形成する部材の周期構造に起因する多重干渉を起こしたＸ線が、コア内を低伝搬損失で導波する、本発明者らが発見した特異なＸ線の導波現象を利用している。この特異なＸ線の導波モードは構造周期性により形成され、Ｘ線の電場分布や電場強度分布の腹と節の位置は、基本構造を構成しているそれぞれの物質領域内の位置に一致する。その際、前記周期性構造体の電子密度の小さい物質にＸ線の電場強度が集中する導波モードの伝搬損失が、他の導波モードに比べて小さくなり、その導波モードを選択的に取り出すことが可能となる。以下、この導波モードを周期共鳴導波モードと称する。この周期共鳴導波モードを可能にする、本発明に用いられるＸ線導波路を構成するためには、いくつかの条件が満たされる必要がある。これについて以下に詳しく説明する。
【００２１】
まず、屈折率実部が異なる複数の部材が周期構造を形成した構造を有するコア部について説明する。ここでいう複数の部材とは、安定な周期構造が定義できるいかなる組み合わせをも包含し、部材の定義には真空や空気も含まれる。つまり、材料とエアギャップが交互に周期構造を形成したような材料も本発明に含まれる。ここでいう周期構造は、構造周期の次元を問わない。つまり、１次元、２次元、３次元、いずれの周期構造をも適用することができる。ここで、１次元周期構造とは、図２（Ａ）に示すような、層状の複数の材料が積層方向に周期性をもったものである。２次元周期構造とは、図２（Ｂ）に示すような、１方向に無限の広がりを有する構造ユニットが、断面において２次元的に規則低配置されているもので、その配置には図示した六方配置、立方配置等がある。３次元周期構造には、例えば図２（Ｃ）に示す、球のような構成単位が、立方細密充填や六方細密充填したものや、複数の成分が構造規則性をもって相分離して形成されるダブルジャイロイド構造のようなものが含まれる。
【００２２】
このような周期構造がある場合、複数の材料の界面において起こるＸ線の散乱が干渉を起こし、結晶のＸ線回折のように、散乱Ｘ線が強め合って明確な回折を起こし得る。本発明に用いられる導波路のコア部材の構造周期が、Ｘ線の波長に匹敵するレベル（１ナノメートル〜数十ナノメートル）の場合には、各部材の中に原子レベルでの構造規則性が無くても、Ｘ線回折が観測される。構造規則性が高い場合には、多重干渉が起こる結果、規則構造中でＸ線は特異な伝搬挙動を示す。前述したように、本発明のＸ線導波路は、このＸ線の多重干渉を利用している。従って、本発明に用いられるコア部位の構造周期も、１ナノメートル〜数十ナノメートルの範囲であることが好ましい。また、コア部位の周期構造の数としては１０層乃至５００層程度の範囲であることが好ましい。層数が過小な場合には、導波路の透過率が低下する傾向にある。結果的に、コア部位の厚さは、１０ナノメートル〜１０μｍ程度とすることが好ましいことになる。
【００２３】
本実施形態のＸ線導波路のコア材料としては、人工多層膜や、界面活性剤の分子集合体と無機物とが規則的に配列した構造を有するメソ構造体薄膜、ブロック共重合体のミクロ相分離によって形成される規則構造を有する膜等を用いることができる。しかし、Ｘ線の多重干渉を起こし得る材料であれば、これらに限定されることなく使用することが可能である。
【００２４】
人工多層膜は、スパッタリングや蒸着等の手法によって複数の材料を所定の厚さで積層したもので、構造体の周期は成膜時間によって自在に制御することができる一方で、形成可能な構造は１次元周期構造に限定されること等の制限がある。
【００２５】
メソ構造体膜は、界面活性剤と無機物の前駆体を含む前駆体溶液を基板上に付与し、基板上で界面活性剤と無機種の自己集合を起こさせることで作製される無機−有機複合体で、２ナノメートル〜５０ナノメートル程度の周期構造を有する膜である。使用する界面活性剤や無機前駆物質、及びその濃度等を変化させることで、膜中の規則構造の次元や対称性、構造周期を変化させることができる。特に、メソポーラス膜は、空気と無機物が３次元的に規則配列した構造体の膜であり、Ｘ線が低損失の空洞部位に集中することにより、低損失のＸ線伝搬を可能にする意味で、本発明に好ましく用いられる部材である。なお、メソポーラス膜は、界面活性剤−無機材料メソ構造体膜から、界面活性剤を除去して作製される。
【００２６】
ブロック共重合体の相分離構造は、複数の性質の異なる高分子セグメントが共有結合で連結された高分子化合物で、構成する各成分の性質と分子量によって規則正しいミクロ相分離構造を形成する。各セグメントの分子量を制御することによって得られる規則構造の対称性を制御することも可能である。無機物に転換できる材料を用い、電子密度のコントラストの大きな周期構造体を作製することもできる。ブロック共重合体は、基板に塗布した後に加熱するなどの簡単なプロセスで、規則構造を形成できるという特長がある。
【００２７】
次にクラッド部について説明する。前述したように、クラッドは、コアの周期構造によって多重干渉したＸ線を全反射でコア内に閉じ込める働きを有する。物質に対するＸ線の全反射臨界角は、使用するＸ線の波長と、物質の電子密度によって決定され、電子密度が大きい物質ほど屈折率が低くなるために全反射臨界角は大きくなる。前述したように、コアの周期構造に対応するブラッグ角は、全反射臨界角よりも小さい必要があるため、軽元素でクラッドを形成した場合にはコアのブラッグ角を小さくする、すなわち構造周期を大きくする必要がある。しかし、構造周期を大きくすると、構造規則性の低下に繋がることがあるため、一般にクラッド材料は電子密度の大きな物質で形成するのが好ましい。例示すると、タングステン、タンタル、金、ビスマス等が好ましく用いられる。
【００２８】
前述したように、本発明のＸ線導波路は、周期構造を有する材料からなるコア中において多重干渉したＸ線がコアの外部に出ていかないように、コア−クラッド界面での全反射で、Ｘ線をコア内に閉じ込める必要がある。つまり、必然的に、導波路を構成しているコア部材の周期構造に対応するブラッグ角が、コア−クラッド界面における全反射臨界角よりも小さいという前記条件が必要になる。図３（Ａ）は、この構成を模式的に示したもので、多重干渉したＸ線がクラッド界面で全反射する。この条件が満たされない場合には、図３（Ｂ）に記載したように、多重干渉したＸ線は、コア部材からクラッド部材に大きく漏れ出し、導波路として機能しなくなる。上記のことは、下記のように数式を用いて表すことができる。
【００２９】
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をｎｃｌａｄ、コア側の物質の屈折率実部をｎｃｏｒｅとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θｃ−ｔｏｔａｌ（°）は、ｎｃｌａｄ＜ｎｃｏｒｅとして、
【００３０】
【数４】
2013036893.tif 000006
【００３１】
と表される。
【００３２】
またコアをなす周期構造体の構造周期をｄとした場合、コア中での多重回折の有無に関わらず次のようにブラッグ角θＢ（°）を定義する。
【００３３】
【数５】
2013036893.tif 000007
【００３４】
ｍは定数、λはＸ線の波長である。本発明のＸ線導波路を構成している物質の物性パラメータ、導波路の構造パラメータ、およびＸ線の波長は次式を満たす必要がある。
【００３５】
【数６】
2013036893.tif 000008
【００３６】
本発明においては、もう一つの条件が満たされることが好ましい。これは、特に、コアの周期構造が１次元の場合において重要となる条件である。これについて説明する。周期構造が、屈折率実部が異なる複数の部材から構成される場合、各部材間の界面におけるＸ線の反射を考慮する必要がある。本発明の集光光学系に用いられるＸ線導波路が機能するためには、周期構造に由来する多重干渉が起こらなければならない。周期構造を構成する材料の界面で全反射が起こる場合には、図３（Ｃ）に示すように、積層構造を形成する材料のうちで最も屈折率の高い材料膜中にＸ線が閉じ込められ、多重干渉が阻害されて本発明の目的を果たすことができなくなる。言い換えれば、周期構造を構成するユニットがマルチ全反射Ｘ線導波路として機能することになり、従来の平板型導波路と同じ構造になってしまう。従って、コアの周期構造を形成する屈折率実部が異なる部材間の界面における全反射臨界角が、前記ブラッグ角よりも小さいという条件が必要になる。このことは、数式を用いて下記のように表わすことができる。
【００３７】
コアの周期構造を構成する屈折率実部の異なる材料間での全反射臨界角をθＣ＿ｍｕｌｔｉ（°）とする場合、下記の式が満たされる。
【００３８】
【数７】
2013036893.tif 000009
【００３９】
以上述べたような条件が満たされる場合、クラッドとコアとの界面による全反射により閉じ込められる導波モードを、コア内に局在させることができる。膜に平行な方向から測った有効伝搬角度θＥは、導波モードの伝搬方向の波数ベクトル（伝搬定数）ｋｚ、真空中の波数ベクトルｋ０を用いて次式で表される。
【００４０】
【数８】
2013036893.tif 000010
【００４１】
以上説明したような、本発明に用いられるＸ線導波路においては、多重干渉によって規則構造の周期に共鳴する導波モードのＸ線のみを、選択的に低損失で伝搬させることができる。この導波モードのＸ線は、位相がコアの厚さ全体にわたって揃っている、つまり、空間的にコヒーレントなＸ線となり、導波路の端面から小さな発散角で出射される。
【００４２】
図４は、本発明に用いられるＸ線導波路４０へのＸ線の入射と、導波路から出射されるＸ線を説明するための模式図である。図４において、４１はＸ線源から導波路へ入射するＸ線ビーム、４２は導波路から出射されるＸ線ビーム、４３は周期構造を有する材料から構成されるコア、４４はクラッド、４５はクラッドの外側に設けられた基材、４６はＸ線入射部の上部クラッドである。また、４７は出射したＸ線のコア／クラッド界面に垂直な方向でのビームサイズ、４８は出射したＸ線のコア／クラッド界面に平行な方向でのビームサイズをそれぞれ示す。図４では、上部クラッド側からＸ線を入射させる配置が例示されているが、本発明のＸ線導波路へのＸ線の入射方法は、この図と同じである必要はなく、例えば導波路端面からＸ線を入射させる配置等も用いることができる。また、図４では、クラッドの外側に、基材が設けられた構成になっているが、これはＸ線の導波に影響を与える必須構成要素ではない。図４において、Ｘ線導波路から出射されるＸ線は、端面から、導波路パラメータとＸ線の波長によって規定される角度の方向に出射される。位相が揃っているために、導波路の厚さ方向の発散角は０．０１°未満の非常に小さい値となる。導波路のコア部の厚さを考慮すると、図４に示すように、この方向には非常に小さなサイズ４７のＸ線ビームが得られることになる。しかし、コア／クラッド界面に平行な方向では、導波路から出射されるＸ線の径は、導波路に入射するＸ線の径、もしくは膜厚方向に垂直な方向における導波路の幅のいずれかによって規定される幅４８になるため、一般にビーム径は小さくならない。単に導波路の幅を小さくする方法は、得られるビームの絶対強度を減少させるため、有効な手法とは言えない。
【００４３】
本発明の集光光学系は、以上述べたような、Ｘ線導波路から出射される、１方向では微小なビーム径を有する扁平な形状の、位相の揃ったＸ線ビームを、強度を落とすことなく、小さなビーム径に集光するための光学系である。すなわち、図５に示すように、上述のＸ線導波路４０と、導波路から出射したＸ線ビーム４２を１方向に集光することのできるＸ線光学素子５２を組み合わせたＸ線光学系５０である。Ｘ線光学素子５２は、１方向にＸ線を集光させるためのＸ線光学素子であり、コアとクラッドとの界面と平行かつ導波路から出射したＸ線の出射方向と垂直な方向において導波路からのＸ線を集光する。Ｘ線光学素子５２としては、１次元のフレネルゾーンプレート、全反射ミラー、多層膜ミラー等を使用することができる。また、Ｘ線導波路を２個用い、１つ目のＸ線導波路の後方に、ビームの広い方の径を集光できるよう、２つ目のＸ線導波路を９０度回転させて配置させる構成でも良い。この図では模式的に、上記光学素子をＸ線が透過するような配置が記載されているが、上記光学素子は透過配置での使用に限定されるわけではなく、反射配置で使用するものでも良い。光学素子５２を出射したＸ線は焦点５３に集光され、結果的に、強度の強い、微小Ｘビームが得られることになる。
【００４４】
以下、実施例を用いて、さらに詳しく本発明のＸ線集光光学系を説明するが、本発明は実施例の内容に限定されるわけではない。
【実施例１】
【００４５】
本実施例は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の多層膜から成るコアを、タングステンのクラッドで挟み込んだ構成のＸ線導波路から出射されるＸ線を、１次元のフレネルゾーンプレートを用いて１方向に集光する集光光学系に関する例である。
【００４６】
シリコン基板上に２０ｎｍのタングステンを成膜した後、スパッタリングによって炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の交互積層膜を形成した。Ｂ４Ｃの膜厚は１２ｎｍ、Ａｌ２Ｏ３の膜厚は３ｎｍで構造周期は１５ｎｍ、総数は１００層である。タングステンと接する材料は、Ａｌ２Ｏ３である。この多層膜の上に２０ｎｍのタングステンをスパッタリングで形成し、導波路を形成した。Ｘ線の入射部位は、エッチングによって上部タングステンの膜厚を５ｎｍとなるようにした。また、導波路長は３ｍｍとした。
【００４７】
本導波路に１０ｋｅＶのエネルギーのＸ線を入射させ、Ｘ線の導波を観測した。このエネルギーのＸ線の、Ａｌ２Ｏ３／Ｗ界面における全反射臨界角は０．３６°で、一方、構造周期１５ｎｍに対応するブラッグ角は０．２３°である。また、Ｂ４ＣとＡｌ２Ｏ３の界面における全反射臨界角は０．１４°である。
【００４８】
図４、５のように、Ｘ線の進行方向をｚ、コア／クラッド界面に垂直な方向をｙ、その両方に垂直な軸をｘとした場合、入射Ｘ線のビーム径はｙ方向で０．１５ｍｍ、ｘ方向で０．４ｍｍである。
【００４９】
この導波路のＸ線透過率は、Ｘ線の入射角をｙ−ｚ平面内で変化させた場合、入射角がブラッグ角にほぼ一致した場合に選択的に大きくなり、周期構造に共鳴した導波モードによるＸ線の低損失伝搬が確認された。
【００５０】
この導波路を出射したＸ線は、ｙ方向での位相が揃っており、それ故に、ｙ方向の発散角は、０．００８°と非常に小さいものである。Ｘ線導波路端面におけるコアの断面厚さは１．５μｍであるため、得られるＸ線ビームはｙ方向には小さな径を有しているが、ｘ方向では入射したＸ線のサイズと同じ０．４ｍｍの幅を持ったものである。
【００５１】
このＸ線ビームの後方に、１０ｋｅＶのＸ線に対して焦点距離ｆが３００ｍｍになるように設計された、１次元のフレネルゾーンプレート６１を設置する。本実施例の構成を模式的に図６に示す。このフレネルゾーンプレートは、Ｘ線ビームの中心に対してｘ方向に、左右６００ずつの直線状のゾーンを有しており、（２ｎλｆ）１／２と｛（２ｎ＋１）λｆ｝１／２との間にＸ線を遮蔽する材料が直線的に設けられている。ここでλはＸ線の波長＝０．１２ｎｍである。
【００５２】
図６に示すように、前記Ｘ線導波路を出射したＸ線４２は、このフレネルゾーンプレートに入射した後、ｘ方向に集光され、焦点位置５３でのｘ方向のビーム径は、１μｍ未満となる。
【００５３】
ｙ方向でのビームの発散角は小さいため、３００ｍｍ離れた点においても、ｙ方向のビーム径は３０μｍ以下の小さな径を保持している。
【００５４】
以上の様に、本発明の集光光学系では、位相の揃ったＸ線の微小ビームを簡単な構成で得ることができる。
【実施例２】
【００５５】
本実施例は、実施例１で使用したものと同じ構成のＸ線導波路から出射されるＸ線を、湾曲多層膜ミラーを用いて１方向に集光する集光光学系に関する。本実施例で用いられるＸ線導波路は、実施例１で使用したものと同一のサイズと構成を有するもので、導波路へのＸ線の入射条件も実施例１と同じである。また、使用するＸ線のエネルギーも、実施例１と同じ１０ｋｅＶである。
【００５６】
使用した湾曲多層膜ミラー７１は、放物面上にタングステン（Ｗ）と炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）の多層膜が１００層形成されたもので、その焦点距離は１２０ｍｍである。
【００５７】
本実施例の構成を模式的に図７に示す。図７に示すように、前記Ｘ線導波路を出射したＸ線４２は、この湾曲多層膜ミラーに入射した後、ｘ方向に集光され、焦点位置５３でのｘ方向のビーム径は、約５μｍとなる。
【００５８】
ｙ方向でのビームの発散角は小さいため、１２０ｍｍ離れた点においても、ｙ方向のビーム径は１５μｍ以下の小さな径を保持している。
【００５９】
以上の様に、本発明の集光光学系では、位相の揃ったＸ線の微小ビームを簡単な構成で得ることができる。
【実施例３】
【００６０】
本実施例は、実施例１、２で使用したものと同じ構成のＸ線導波路から出射されるＸ線を、全反射楕円ミラーを用いて１方向に集光する集光光学系に関する。本実施例で用いられるＸ線導波路は、実施例１、２で使用したものと同一のサイズと構成を有するもので、導波路へのＸ線の入射条件も実施例１、２と同じである。また、使用するＸ線のエネルギーも、実施例１、２と同じ１０ｋｅＶである。
【００６１】
使用した全反射楕円ミラーは、表面が楕円面になるように形状加工された石英ガラスの表面に、白金をスパッタリングにより形成したもので、その焦点距離は７０ｍｍである。
【００６２】
その配置は、図７に示したものと同じであり、Ｘ線導波路を出射したＸ線は、この全反射楕円ミラーに入射した後、ｘ方向に集光され、焦点位置でのｘ方向のビーム径は、約５μｍとなる。
【００６３】
ｙ方向でのビームの発散角は小さいため、７０ｍｍ離れた点においても、ｙ方向のビーム径は約８μｍの小さな径を保持している。
【００６４】
以上の様に、本発明の集光光学系では、位相の揃ったＸ線の微小ビームを簡単な構成で得ることができる。
【実施例４】
【００６５】
本実施例は、実施例１−３で使用したものと同じ構成のＸ線導波路を、互いに垂直に２個連結して配置することによって、位相の揃った微小ビームを形成し得る集光光学系を作製する例である。本実施例で用いられるＸ線導波路は、実施例１、２で使用したものと同一のサイズと構成を有するもので、導波路へのＸ線の入射条件も実施例１〜３と同じである。また、使用するＸ線のエネルギーも、実施例１〜３と同じ１０ｋｅＶである。
【００６６】
本実施例における２つのＸ線導波路の配置を図８に示す。第一の導波路を出射したＸ線４２は、第一の導波路のコア／クラッド界面に垂直な方向には狭い発散角を有しているが、界面に配向な方向には広がったビーム形状をしている。このＸ線に対して、図８に示すように、第二の導波路８１を、そのコア／クラッド界面が第一の導波路のコア／クラッド界面と直交するように配置する。第１の導波路と第二の導波路の距離は１０ｍｍである。
【００６７】
この配置のＸ線集光光学系により得られたＸ線ビームの径は、第二の導波路の出口から５０ｍｍの位置において、ｘ方向、ｙ方向ともに約５μｍの小さな径を保持している。
【００６８】
以上の様に、本実施例の集光光学系では、位相の揃ったＸ線の微小ビームを簡単な構成で得ることができる。
【実施例５】
【００６９】
本実施例は、界面活性剤の自己集合によって形成される、ナノスケールの構造規則性を有する材料である、メソポーラスシリカ膜をコアとし、これをタングステンクラッドでサンドイッチした構造のＸ線導波路を用いる。つまり、本実施例では、コアを構成する複数の部材は、メソポーラスシリカ膜のシリカ部と孔部である。また、本実施例は、この導波路から出射されるＸ線を実施例１で使用したのと同じ、１次元のフレネルゾーンプレートを用いて集光する。
【００７０】
シリコン基板上に、スパッタリングによって１５ｎｍの膜厚のタングステンを成膜し、その上に２次元ヘキサゴナル構造を有するシリカメソ構造体膜を、以下の手順に従って作製する。
【００７１】
エタノール、０．０１Ｍ塩酸、テトラエトキシシランを加え２０分間混合した溶液にブロックポリマーのエタノール溶液を加え、３時間攪拌して前駆体溶液を作製する。ブロックポリマーとしては、エチレンオキサイド（２０）プロピレンオキサイド（７０）エチレンオキサイド（２０）（以降、ＥＯ（２０）ＰＯ（７０）ＥＯ（２０）と記載する（カッコ内は、各ブロックの繰り返し数））を用いる。本実施例では、溶媒にエタノールを使用しているが、エタノールにかえてメタノール、プロパノール、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルを使用することも可能である。前駆体溶液中の各成分の組成比（モル比）は、テトラエトキシシラン：１．０、塩酸：０．００１１、エタノール：５．２、ブロックポリマー：０．００９６、エタノール：３．５とする。膜厚調整は、この前駆体溶液に溶媒を添加し、粘度を変化させることによって可能であるが、その場合、攪拌時間等の他のパラメータを、適宜最適化する。
【００７２】
タングステンを形成した上記基板に、ディップコート装置を用いて０．５〜２ｍｍｓ−１の引き上げ速度で、前記前駆体溶液を塗布する。ディップコートを行う環境の温度は、２５℃、相対湿度は、４０％である。製膜後、膜は、２５℃、相対湿度５０％の恒温恒湿槽で２４時間保持される。
【００７３】
この工程の後、基板上の膜は、８０℃において、クロロトリメトキシシラン蒸気に１２時間暴露した後、エタノールに浸漬して細孔内の界面活性剤を抽出除去し、中空の細孔を有するメソポーラスシリカ膜とする。界面活性剤の除去は、赤外吸光分析で確認される。このメソポーラスシリカ膜を、ブラッグ−ブレンターノ配置のエックス線回折分析によって評価し、このメソ構造体膜は，基板面の法線方向に高い秩序性をもち、その面間隔つまり閉じ込め方向における周期が、１０．２ｎｍであることが確認される。膜厚はおよそ４００ナノメートルである。
【００７４】
形成されたメソ構造体膜の模式図を図９に示す。図に示すように、チューブ状の細孔９３がメソ構造体膜９２全体にわたって規則的に配列しており、基板９１に対して垂直な方向における周期構造が形成されているものである。本実施例において使用したメソ構造体膜においては、図９（Ａ）に示したように、細孔の面内配向は制御されていないが、膜厚方向の規則性を有しているので、本発明に良好に用いることができる。もちろん、図９（Ｂ）に示したように、細孔の面内配向が制御されていても良い。
【００７５】
このメソポーラスシリカ膜上に、上部クラッド材料であるタングステンを、１５ｎｍの膜厚で、スパッタリングによって作製し、Ｘ線導波路を形成する。実施例１〜４と同様に、Ｘ線の入射部位は、エッチングによって上部タングステンの膜厚を５ｎｍとなるようにした。また、導波路長は３ｍｍとした。
【００７６】
本導波路に１０ｋｅＶのエネルギーのＸ線を入射させ、Ｘ線の導波を観測する。このエネルギーのＸ線の、ＳｉＯ２／Ｗ界面における全反射臨界角は０．４０°で、一方、構造周期１０．２ｎｍに対応するブラッグ角は０．３４°である。また、ＳｉＯ２／空気界面における全反射臨界角は０．１６°である。
【００７７】
図４、５と同じように、Ｘ線の進行方向をｚ、コア／クラッド界面に垂直な方向をｙ、その両方に垂直な軸をｘとした場合、入射Ｘ線のビーム径はｙ方向で０．１５ｍｍ、ｘ方向で０．４ｍｍである。
【００７８】
この導波路のＸ線透過率は、Ｘ線の入射角をｙ−ｚ平面内で変化させた場合、入射角がブラッグ角にほぼ一致した場合に選択的に大きくなり、周期構造に共鳴した導波モードによるＸ線の低損失伝搬が確認される。
【００７９】
この導波路を出射したＸ線は、ｙ方向での位相が揃っており、それ故に、ｙ方向の発散角は、０．００８°と非常に小さいものである。本実施例で用いるＸ線導波路端面におけるコアの断面厚さは０．４μｍであるため、得られるＸ線ビームはｙ方向には小さな径を有しているが、ｘ方向では入射したＸ線のサイズと同じ０．４ｍｍの幅を持ったものである。
【００８０】
このＸ線ビームの後方に、実施例１で使用したものと同じ、１０ｋｅＶのＸ線に対して焦点距離ｆが３００ｍｍになるように設計された、１次元のフレネルゾーンプレートを設置する。このフレネルゾーンプレートは、Ｘ線ビームの中心に対してｘ方向に、左右６００ずつの直線状のゾーンを有しており、（２ｎλｆ）１／２と｛（２ｎ＋１）λｆ｝１／２との間にＸ線を遮蔽する材料が直線的に設けられている。ここでλはＸ線の波長＝０．１２ｎｍである。
【００８１】
本実施例において、前記Ｘ線導波路を出射したＸ線は、このフレネルゾーンプレートに入射した後、ｘ方向に集光され、焦点位置でのｘ方向のビーム径は、１μｍ未満となる。
【００８２】
ｙ方向でのビームの発散角は小さいため、３００ｍｍ離れた点においても、ｙ方向のビーム径は８μｍ以下の小さな径を保持している。
【００８３】
以上の様に、本発明の集光光学系では、位相の揃ったＸ線の微小ビームを簡単な構成で得ることができる。
【００８４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【００８５】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明のＸ線集光光学系は、一般的なＸ線光学系として、Ｘ線撮像技術、Ｘ線露光技術などのＸ線光学技術分野に利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
４０  導波路
５２  光学素子
５０  Ｘ線光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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