194

放射光第 10巻第 2 号(1997年)

特集:高輝度 X 線( TI)-MR 放射光利用-

~6.

利用実験

6‑
3. ウォルターミラーを利用したサブミクロン@
マイクロビームの生成
青木貞雄，竹内晃久
筑波大学物理工学系*SubmicronX‑rayMicrobeamP
roductionwit
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Wolter圃type GrazingI
ncidenceMirror
SadaoAOKIandAkihisaTAKEUCHI

Inst.ofAppl.Phys. , U
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1. はじめに系を集光素子として注目し，光源に放射光を利用物質の微小領域における構造解析や元素分析することで高輝度な X 線マイクロビームを生成を，非破壊で，比較的簡便に行なえる方法への要する研究を進め，システムの検討を行なってき求が高まって来ている。 X 線回折， XAFS ，蛍光た。今回は特に，集光素子に比較的収差の少ないX 線分析などの手法を，微小に絞った X 線プ口ウォルターミラー 1) を用い， X 線源には第 3 世代一ブによって行なえば，これらの要求に答えられ並の輝度をもっ MR 放射光を使用して実験を行る分耕が原理的に可能である。

なったのでその結果について報告する。

我々は， X 線の全反射を利用した斜入射光学
牢筑波大学物理工学系

干 305

つくば市天王台 1-1-1

TEL 0298‑
53‑5299 FAX 0298‑
53‑
5205e‑
mailaoki@kirz.
bk.tsukuba.
ac.
jp‑102‑‑(C) 1997 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

放射光第 10巻第 2 号

195(1997年)

2. 実験
2.
1 望遠鏡型ウォ j レターミラー
これまで開発が進められてきた放射光マイクロX

ビーム光学系は，微小光源を縮小系で結像させた設計が主流であったが，このような光学系を X
線領域で組むと，全体の距離が長くなってしま

F
igur
e1. P
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ametersoft
heWolterm
irror(type‑I).

い，一般に光源のふらつきや振動の影響を受けやすい。放射光科学の進歩により，最近では高輝度

or 田空タ努切手
mirrlUムr多少でユ;_--

で，指向性の高い X線が得られるようになってきω工二三一戸シィ/た。我々はこのことに注目し，生成される望遠鏡-一 'axrs-' 一ー一一一一一一一一一ー的な集光特性を示す回転放物面ミラーの導入を，放射光マイクロビーム光学系の集光素子としてこれまで検討してきた 2) 。

しかしながら，単一の鏡面では，コマ収差の除去が不可能で，このことはこの光学系に関してい。

生
6. 8 .1
0divergent angleω (v.， rad)えば，アライメントを撞めて国難なものにし結局光源のふらつきや振動の影響を大きく受けてしまう。この問題を解決できる光学系として考え出F
igure2. CalculatedspotsizeobtainedwiththeWoltermirrorandtheparaboloidalmirror.

された光学系の一つに，ウォルターミラーがある。今回の実験で集光素子として使用したウォルターミラー (Type- 1)のパラメータを図 i に示
E0.
1ミLす。

ω0.

鏡面は， 1 つの焦点を共有する軸対称の回転放物面と回転双曲面からなる。図 1 からも分かるよ
2 田の反射に

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しかもアッベの2

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入射しても光路長は一定であり，0リ培mより焦点で一点に収束する。反射屈のどの部分に

φ- 0.
1‑mうに，ミラーに入射する平行光は，

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J::.

20。

40Position(mm)profile of the Wolter mirror

正弦条件を近似的に満たす。更に，鏡面を 2 枚使用することで，ゴマ収差は極端に軽減される。

また，斜入射鏡の場合，臨界角の条件から，焦点ミラーの詳しい製法についてはここでは省略す

距離の短い素子を設計するのはなかなか菌難である 3) 。

るが，ウォルターミラーの場合，反射を 2 由行

光学素子が，波長が短い X 線を扱うものになうことで，回転放物面鏡 1 枚のみの場合に比べ，ると，実際に製作されたミラーの鏡面の平均自乗焦点距離を約半分に縮めている。これは，幾何光組さや形状精度もその分解能を考える上で無視で学的に予想されるスポットの大きさを，半分に押きない要因となってくる。レーリーの結像条件でさえる事が出来ると言うことを意味する(図 2) 。

は，光路差が 4 分の l 波長以下であればその素実際のミラーの作製と，国 3 に示されるような子は近似的に理想的な結像をする。ウォルターミ

鏡面の形状測定については(槻ニコンに依頼した。

ラーの場合，この条件は，‑103‑‑

8=7mrad ， λ= 1. 45

196

放射光第 10巻第 2 号(1997年)A のとき，鏡面粗さの最大許容量は 24.6 Á , (。鏡分はミラーの sagittal 面で，水平成分は面の平均自乗粗さ σ が約 5Á 以下)で要求されmeridional 簡で集光されるように配置した。

る。また反射率の低下も鏡面粗さに起因する。

集光点でのスポット撮影には，富士原子核乾板

σ=0 のとき反射率は約 83% であるのに対し，を用いた。また， 200μmゅの金ワイヤーを用い

σ=5Á のときは約75% (
1.45Á) になる。一般

たエッジスキャンによりスポットの大きさを測定に，平面，球面に比べて，放物面や双曲面などのした。途中に，光量を調節するために適当な厚さ非球面の加工は極めて難しく，実際に製作されたの Al 膜を吸収体として挿入した。検出器の産前ミラーも，回転面方向 (sagittal)は比較的理想には，余分な反射光や散乱をカットするためにス的に仕上がっているのに対し，放物面，双曲面方ベーシャルフィルターを設置した。結晶，スリッ向 (meridional) の加工精度は，鏡面全体の形状

ト，スベーシャルフィルター，ミラー，検出器は誤差が土 100nm 程度あって，あまり良くない

全てパルスモーター駆動により，実験ハッチの外(関心。実験では，ミラーに入射する X 線の関から制御できるようにした。

口を制限して，比較的形状が良いと思われる所だ

2.
3 PF における予備実験

けを使用することにした。

MR において実験を行なう前に，同研究所の

2.
2 光学系の概要

PF の BL-6C 2 において，光源から 25m 下流の図 4 に MR 放射光マイクロビーム光学系の配位置に図 4 とほぼ同様な系を組み，予備実験を行置を示す。光源からミラーまでは約 100m 離れった。ただし，ここでは1. 38 ﾁ (9keV) の X 線ている。途中に設置されている 2 枚の Si(220) 結を使用した。その時得られたスポットを，図 5A(8.54keV) に単色(a) に，その垂直方向のプロファイルを図 5(b)化した。 2 結晶の間とミラーの直前の 2 ヶ所に 4に示す。このときのミラーへの入射ビームの発散象限スリットを設置しており，これでビームを平角は，約20μrad (垂直方向) x30μrad (水平方行化し，ミラーへ入射させた。特にミラー直前の向)であった。鏡面の 1 回反射における反射率

4 象限スリットは，同時にミラーへの関口制限のは 39% (MR 放射光での実験で使用した1. 45 ﾁ役割をも果たしている。今回は，ビームの垂直成(8.
54keV) の X 線に換算すると 43%) であっ晶を使って， X 線を1. 45‑104‑

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放射光第 10巻第 2 号

197(1997年)-g
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laneFigure6. ImageandintensityprofileofthespotobtainedatKEK‑MR.

た。また，

これより鏡面の平均自乗組さ σ ココ 13 .4A という結果を得た。

スポットの垂直方向の集光を担う sagittal 面の集光についてまず考える。図 2(b) で示されるシミュレーションから予想される傾向と，PF , MR両者での実験で得られた結果はそれぞれほぼ一致

2.
4 描R 放射光での集光実験
実際に MR を光源に用いて集光実験を行なっしている。このことより，ほぼ理想的にこのミラた。ミラーへの関口を制限し焦点位置で得られーが集光を行なっていると考えることができる。

たスポットの像を図 6(a) に示す。また，その時一方， meridional 方向に関しては， PF での実のスポットの垂直方向の大きさをエッジスキャン

験結果図 5(a) を見る限りでは， 100μm 程度のラにより測定したところ，半値幅約 lμm を得たイン状のスポットになっており，この方向の形状(図 6 (b)) 。このときのミラーへの入射ビームの誤差が大きく影響していることが分かる。ただし，発散角は， 4 象限スリットによるコリメーション

MR での実験結果図 6 (a) を見ると，同じようにで約 3μrad (垂直方向) x5μrad (水平方向)で全体としては 100μm 程度の大きなラインになっあった。ているが，複数個の微小なスポットが離散的に分‑105‑198放射光第 10巻第 2 号

散してこれを形成していたことが分かる。これら

10μm'(1997年)"'!""..I'.......... ・酬働旬開一一一ー・・、のことは， PF では，入射ビームの平行性が充分でなく，もともと水平方向に分布していたそれぞれのスポットがはっきり分離されるほど収束されなかったのに対し， MR では逆に，充分な入射ビームの平行性によりそれらを明確に分離すること

むよ嚇・註ト4ザ:!i戦泌総誠二時15L'Jができたと考えることができる。これらの点在するスポットは，検出器の直前にスペーシャルフィルターを適当に設置することで任意の一つだけを同10μm取り出すことができた。取り出されたスポットのF
igure7. S
potdiagramobtainedwitht
hesamecondi幽tionsasF
ig.6(a).

水平方向の大きさは約 2μm であった。
分散しているこれらのスポットは， sagittal 方向の焦点が，それぞれ異なる位置にある。図 6(a) の写真では，右端のスポットが最も下流側にする必要がある。逆に，もし，今回用いたミラー焦点があり，そこから JI頂に左側のスポットほど焦の鏡面が回折格子的な役割を担っていたと考えて点位置は系の上流側に存在している。

みる。鏡面研磨の過程で，周期 1-2mm 程度のmeridional 方向の集光にこれらの傾向が見らうねりが機械的なくせで鏡面に反映されている恐れる原因については， 2 通りの見方ができる。鏡れがあるとの報告をニコンから受けている。これ面の凸凹による単なる幾何学的な光路の分離とすが回折格子的な働きをしているとして計算するる見方が 1 つ O それから，もう 1 つは鏡面の形と，。次光と 1 次光間の距離は，焦点面で約 10状誤差のパターンがある程度周期的なものである

μm 前後となり，これは図 6 (a) の結果とよく一ことから，鏡面が反射型回折格子的役割をはたし致する。しかしいづれにせよ，スポットの分離のて，入射ビームを多数次の光線に分離していると原因を明確にするには，コヒーレントな X線を用する見方である。これらのことについては，ミラいて再度実験をする必要がある。

ーの形状誤差を考慮した光線追跡によるシミュレ

Ge 半導体検出器を用いて，スポットの光子数ーションを行った。その結果を国 7 に示す。ほぼを計測し，光子の面密度を簡単に算出した結果，

MR での実験と同じ条件であるが，ここでは幾何5000(phs./sec./μm 2 ) で，面密度は，ミラー入射光学による影響のみを考慮し，波動光学的効果は前に比べて約 30 倍のゲインを得た。 PF において考慮していない。ここで実際に得られたスポット同様に行なった実験では，光子の面密度(図 6 (a))と光線追跡による結果(図7)を比較

0.
6(phs.
/sec./μm 2 ) ，ゲインは約 0.6 倍であった。

してみる。両者共に meridional 方向へのスポッ

MR と PF で，これだけゲインが大きく違うのトの分離が認められるが，前者は分離された 1は，ミラーの関口を MR のほうが大きく取れた

つ l つのスポットの間隔が，約 10-20μm 程度でことと，生成されたスポットは逆に MR 放射光あるのに対し，後者のそれはせいぜい数 μm 程度のほうがずっと小さかったことによる。

である。このことから，スポットの分離が，幾何光学だけでは充分に議論できないことが分かる。
ただし光線追跡に用いたミラーの形状データのモデル化が充分なものであったかどうかも再検討

3. 結果と考察
MR 放射光を光源として用い，集光素子にWolter ミラーを用いてマイク口ビーム生成の‑106‑

199

放射光第 10巻第 2 号( 1997年)

験を行なった o sagittal 方向は 1μm を切るスポ

ラーのゲインは約 30 倍であった。この値は入射ットを生成することに成功した。これはほぼ，こするピームの平行性が高くなるほど，また，関口のミラーの sagittal 方向の形状が理想的に加工さが大きくなるほど向上する。

れていると考えられる。一方， meridional 方向

縦・横両方向ともサブミクロンに達するスポッは，離散的なスポットが形成された。この鏡面のトを生成するには，meridional 方向の形状精度並びに表面粗さは，形状誤差，表面粗さの問題を解決しなければなら充分なものは得られていないといえる。しかし，ない。新たにミラーを作る場合は，本実験で得た離散したスポットの一つ一つは，それぞれが数データをフィードバックして，製作するのが望まμm 程度の大きさであり，鏡面の微視的な領域でしい。また，鏡面の直接研磨を容易に行なえる方は，何箇所か理想面に近い形状のところがあると法を見つけることが，形状精度の改善にそのまま思われる。スベーシャルフィ jレターの挿入で，分つながるといえる。

ミラーの meridional 方向の散しているスポットの一つを任意に選びだすこと参考文献ができる。

スポットを形成する光子の面密度は約5000
phs./sec./μm 2 で，これは PF でほぼ同じ系を用いて生成したスポットと比べて 4 桁程度高いものであった。また， MR での実験においてこのミ1) H.Wolter:Ann.Phys.10 , 94‑
114(1952).
.Iida , etal.
:PhotonFactoryActivity2) S.Aoki , KReport#12 , p127(1994).
.SugisakiandS.Aoki:Proc.SPIE.
3) T.Onuki , K1720 , 258-263 (1992).

‑107‑