報告書
所属機関
氏名

東京大学、高輝度光科学研究センター、大阪大学(責任者)

湯本博勝、大橋治彦（高輝度光科学研究センター）、山内和人（大阪大学）
マイクロ・ナノ X 線自由電子レーザー集光システムの構築

実施内容

1.

三村秀和（東京大学）(参画者)概要
本課題は大きく二つに分かれており、供用開始直後に利用可能な 1 m XFEL 集光システムの完成と将来の供用利用を見据えた 50 nm 2 段 XFEL 集光システムの構築を目的としている。
1～2 カ月の一回のペースで、SACLA において合計 5 回の打ち合わせを行い、本提案課題に参画している各研究者および SACLA 施設側と密接に連携し、各装置の開発を行うとともに、2011 年 7 月、10 月、12 月に SACLA における XFEL 集光実験を行った。その結果、以下の成果を得ている。
①420 mm 長の X 線集光ミラーから成るコヒーレント集光装置を導入した。

②10 keV において、1 m XFEL 集光ビームを実現した。

③ミラー材料の XFEL に対する照射耐性の調査を行った。

④50 nm 2 段 XFEL 集光光学系の設計を行った。

⑤50 nm 2 段 XFEL 集光装置を開発した。

これらの成果により、現在、すでに多くの研究者によりヒーレント集光装置が供用利用され、1 mXFEL 集光ビームが使われている。また、2012 年 3 月には、50 nm 2 段 XFEL 集光システムが導入される予定であり、研究計画通りに研究を推進することができた。本報告書では、上記①～⑤に分け本提案課題の研究成果を報告する。
2.

研究成果

2.1

1m コヒーレント集光装置の導入

大阪大学において、前年度までに整備を進めていた 1 m レベルの XFEL 集光が可能なコヒーレント集光装置を、SACLA に導入した。図 1 に光学系を示す。SACLA では、光源性能、実験ハッチの位置関係を考慮すると、集光サイズを 1 m レベルとするためには、KB 光学系における各ミラーの焦点距離が約 1 m～2 m となる。供用利用として扱いやすい、長ワークディスタンス、1 m レベルの集光サイズを両立することができる。さらに、大型の集光ミラーを導入することで、すべての XFEL光を受け止めることが可能である。集光ミラーも前年度までに整備が進んでおり、カーボンによるコーティングを行い集光ミラーも完成させた。

From undulator

MB：f=1550mm
MA：f=2000mm
WD：1340mm

420mm 30 mm 420 mm

1340mm
1550mm
100ｍ2000mm

図 1 1 m

XFEL 集光光学系

XFEL

CCD Camera(XZ stage)

1342mmAttenuator（Si wafer）

Kapton film
Window

I0 Monitor

Slit

GVGV
Be Window

K-B Manipulator

SlitWire(Gold :200m)

PIN(XZ stage)

Focused Beam Profile
Measurement Device

K-B Manipulator(in Vacuum)

Focused Beam Profile
Measurement Device(in Vacuum)

Detector
Camera

図 2 導入した 1 m 集光光学システム
図 2 は、2011 年 7 月の XFEL 集光実験のために設置した機器である。XFEL 光が通過するパスはすべて真空である。K・B ミラーマニピュレータは超高真空仕様であり、その上流には、スリットおよびアッテネータを設置している。集光 XFEL ビームは、ワイヤスキャン法により評価する。そのため、ビームプロファイル評価装置を前年度までに整備しており、本装置では、真空下でワイヤスキャンが可能である。最下流には、集光ビーム測定のための強度モニター、ミラーのアライメント時に使用する CCD カメラを設置している。
2.21m

XFEL 集光ビームの実現

2011 年 7 月、SACLA において第 1 回の XFEL 集光実験を行った。集光実験では、自発光によるミラーのアライメントを行い、その後、真空下において XFEL 光を利用したアライメントを行う。ワイヤ損傷を防ぐために、上流のアッテネータを利用し、XFEL 光を弱めた状態で集光 XFEL ビームの評価を行っている。
図 3 に、測定された XFEL 集光ビームの強度プロファイルを示す。このように 9.875keV において横方向で集光サイズ 0.9 m、縦方向で 1.1 m（半値幅）が得られていることがわかる。また、2 時間でも 1 m レベルの位置安定性があることも確認した。また、XFEL 集光ミラーに照射された XFEL光の約 90 %が集光していることも確認した。

1.21.2) 1.0tsi
n 0.8u.
rb 0.6a(0.4tyisn 0.2etnI 0.0) 1.0sitn 0.8u.
br 0.6(ayti 0.4sn 0.2etIn0.00.9um-0.2-10-50Position (µm)(a) 横方向
図5101.1m-0.2-10-50Position (µm)(b) 縦方向

3 XFEL 集光強度プロファイル（9.875 keV）

510

2.3 ミラー材料の XFEL に対する照射耐性評価

図 4 1 パルスの集光 XFEL ビームを Pt 膜に照射した後の Pt 表面の AFM 像
ミラー材料の XFEL 光に対する照射耐性を評価するために、Si ウエハに Pt 膜を成膜した資料を準備し照射実験を行った。ワイヤと同じステージ上にサンプルを設置し、集光プロファイル評価後、集光 XFEL ビームのサンプルへの照射を行った。10 Hz の間隔で照射しているため、ステージを走査させることで、複数の 1 パルス毎の照射痕を得ることができる。図 4 は、集光 XFEL ビームを照射させた後、Pt 膜を AFM により観察した結果であり、集光 XFEL ビームの照射により、Pt が除去されていることがわかる。現在、本研究では、XFEL ビームの 1 パルス毎のエネルギーと照射痕の関係を調べることで、XFEL ミラーの表面材料の XFEL に対する照射耐性の調査を行っている。
2.450nm 2 段集光光学系の設計

微小集光を行うためには、NA (Numerical Aperture)を大きくする必要ある。そのためには、開口を大きくし、焦点距離を短くする。本研究では 50 nm レベルの XFEL 集光を実現するために、2 つの K・B 集光装置を用いた 2 段集光システムの開発を行った。図 5 に、2 段 XFEL 集光システムの概要を示す。2 段集光システムでは、A 集光システムで、一度集光し、XFEL 光を広げ B 集光システムで集光を行う。B 集光システムの集光ミラーは Pt によりコーティングすることで、入射角度を大きくし、ミラー長 500 mm と 465 mm の集光ミラーを採用することで、開口面積を大きくする。
その結果、10 keV において、50 nm レベルの集光が可能な NA (Numerical Aperture) を維持しながら、長ワークディスタンスが実現する。
A集光システム

B集光システムXFEL

H3a Mirror
5.5mrad

上から見た配置

V1a Mirror
1.5mradH2a Mirror
1.5mrad

集光点

V4a Mirror
5.0mrad

側面から見た配置

5050400

4005870

50072129

78849

72379
72911.5465

3501115582.5

図 5 最終的に決定された 50 nm 2 段 XFEL 集光光学系

本光学系で得られる集光サイズ（半値幅）は、10keV において約 50 nm(横)×30 nm（縦）である。
前段の A 集光システムは、SACLA 大型装置実験ステーション(EH4)に設置され、B 集光システムは相互利用棟(EH5)に設置される。そのため、両集光システム間の距離は約 70m となっている。本研究では、集光サイズ 50 nm レベルを念頭に、SACLA における実験ステーションの各配置を考慮に入れ、光学パラメータの設計を行った。ワークディスタンスは 350 mm 確保しており、集光装置、集光ミラーを同一な状態としながら、容易に集光点周りに設置される様々な機器を変更することができる。
2.550nm 2 段 XFEL 集光装置の開発

図 6 は、2012 年 3 月に設置される 50 nm XFEL2 段集光システムの機器、設備である。図 5 の光学システムに沿って必要な各機器の開発を行った。前段のマニピュレータは 1 m XFEL 集光システムと同様である。後段のマニピュレータでは、集光機器とビームプロファイル計測チャンバーを同一の石定盤に設置し、振動とドリフト対策を図っている。前段の集光システムの入射角度がずれると、後段の集光システムの位置で XFEL 光が大きく移動することになるが、XFEL 光の位置モニターを採用することで、入射角度の安定化を図る予定である。

■XFELビームの大きさ
第1集光点

第2集光点

XFEL
■機器の配置ミラーマニピュレータ1 （拡大用）
開口の大きさ：(0.6(V)×0.6(H))

アッテネータGV

I0強度モニター（透過型）
スリット
GV

ミラーマニピュレータ2（集光用）（開口の大きさ：2.325 (V)×2.750(H))

プロファイル計測装置1

スリット

GV

GV

GV

PP

CCDカメラプロファイル計測装置2
スリット
GV

I0強度モニター（透過型）
GV

Be窓

P

PIN

前段集光時は使用しない部分

図 6 SACLA に導入される 50 nm 2 段 XFEL 集光システム
3.

まとめと今後の予定
以上のように、本装置提案課題では、当初の計画通り、集光サイズ 1 m レベルの集光 XFEL ビー

ムの利用が可能なコヒーレント集光装置を供用利用可能な状態とし、さらに、50 nm 2 段 XFEL 集光システムの光学設計および光学機器の開発を行った。また、XFEL 光に対するミラー材料の照射耐性の調査も開始した。現在、1 m XFEL 集光システムは、すでに多くのユーザーに使用されている。
今後は、開発を進めている 50 nm 2 段集光システムの設置、調整を行い、2012 年度中に供用利用可能な状態にすべく、本システムを用いた 50 nm XFEL 集光実験、集光 XFEL ビームの評価、集光状態の安定化フィードバックシステムの開発を進めていく予定である。