BL-13Aの概要
KEK-PF 雨宮健太、間瀬一彦
1. 挿入光源（アンジュレーター）
2. 真空紫外軟Ｘ線ビームライン光学
1.1. 回折格子による単色化
1.2. ミラーによる集光
1.3. 分光器の構成
3. BL13Aの現状

１．挿入光源

BL-13A

Brilliance (photons/sec/mm2/mrad2/0.1%b.w.)

18 cm  13 周期 (2.5 m)、Planar U / MPW、Kmax = 4.5、水平直線偏光1018

10171016

1015

0200

400600800
光エネルギー / eV

ギャップ値：１２０mmで１次光が約30eV、161.5mmで3次光が401eV（K吸収端）

1,000

アンジュレーター１次光の波長λ1とエネルギーE12u K2 21  2 1    2 2 [nm ]  E[eV ]  1239.8λu： 正弦波磁場の周期長、BL13では0.180m
γ： ローレンツ因子、PF2.5GeVでは4893
： 放出角K ： K値、アンジュレーターの磁場強度を表す無次元数
K = 93.37B0[T]u[m]、アンジュレーターギャップを狭くするとK値は増す。
☆アンジュレーターの芯（θ= 0°）は最も短波長（高エネルギー）

２. ビームライン
ビームラインの役割
白色光である放射光から特定のエネルギーの光を取り出す(単色化・分光)
試料の狭い領域に光を照射する(集光)※ BL13Aの水平方向の取込み角は0.2 mrad
発光点からSES200までの距離：37 m⇒ なにも集光しないと 7.4 mm に広がる

斜入射真空紫外・軟X線ビームライン(30-2000 eV)の特徴
大気中の透過率が極めて低い ⇒ ビームラインを真空にする必要
透過率が高く、圧力差にも強いような窓材がない ⇒ 蓄積リングまで直結⇒ ビームラインは、超高真空に保つ。（到達圧力＜1×10-8 Pa）
光学素子の汚染を防ぐ。

2.1. 回折格子による単色化
単色化に用いる光学素子：反射型回折格子（30～1000 eV）

sin + sin = nm (nは刻線密度、n = 1/d、mは回折次数)

不等間隔回折格子、1000本/mmと300本/mm、幅40mm×長さ100mm×厚さ23mm

2.1. 回折格子による単色化sin + sin = nm (mは回折次数)

入射光は角度広がりをもつ ⇒ 入射角も幅をもっている
m = 1の時にある波長1の光が上の式を満たすと，
m = 2では波長1/2の光が条件を満たしてしまう ⇒ 高次光
m = 0とすると， =  の時に全ての波長の光が上の式を満たす ⇒ 0次光adh

ラミナー型回折格子
1000本/mmは h = 7 nm、デューティー比（d/a）：0.28
300本/mmは h = 26 nm、デューティー比（d/a） ：0.43
金コート：70 nm

回折効率:
回折条件を満たす分光光の比率、最大でも0.3程度

1000本/mm 回折格子
0.350.30
0.25
0.20
0.15
0.100.05
0.000

200

400

600

800

1000

1200300350

300本/mm 回折格子
0.350.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
050

100

150

200

250

1.2. ミラーよる集光Tangential 集光

Sagital 集光
スロープエラーの影響が少ない

縮小率と収差10 m

5m

1/2 に集光できる
発散角は2倍になる
楕円ミラー ⇒ 完全な集光(縮小率の通りになる)
BL13Aではトロイダル鏡で代用 ⇒ 像が乱れる(収差)発散角が大きい(ミラーが大きい)ほど収差が深刻になる

入射角と反射率•

http://www-cxro.lbl.gov/optical_constants/

88°入射（4°振り）87°入射（6°振り）

86°入射（8°振り）

84°入射（12°振り）1.2. ミラーよる集光
ミラーの大きさ
88°入射， 0.2mrad， 光源から16 m ⇒ 92 mm のミラーが必要
曲率半径88°入射， 光源から10 mの位置で反射，そこから5 mの位置に集光⇒ R = 190 m (tangential 集光)，  = 0.23 m (sagital 集光)
強度を上げるために光学素子の数を減らす (反射率によるロスを防げる)
反射率，回折効率を上げる (入射角を浅く，光学素子の品質を高く)1.3. 分光器の構成最も基本に忠実な分光器

平行化ミラー、集光ミラーともに放物面が理想
トロイダルミラーなどで代用 ⇒ 発散が大きい光源では収差が深刻
アンジュレーターは発散が小さいのでかなり高分解能が得られる。

分光器のタイプを特徴づける要素① 回折格子の形状（平面，球面など）
平面： 分散と集光を兼ねない ⇒ 収差は少ない。
② 回折格子の溝間隔（等間隔か不等間隔か）
不等間隔： 光学系の単純化③ 偏角[α－β]（定偏角か可変偏角か）
可変偏角： 自由度大 ⇒ 高分解能を実現できる波長範囲が広い。
④ 出射スリット位置（固定か、半固定か、可変か）回折格子からの光の焦点位置が波長によって変化しない。
⑤ 入射スリットの有無
入射スリット無し： 光源のサイズがそのまま分解能に影響。
低コスト、高フラックス。
光源の性質，分光器駆動機構の信頼性、光学素子の精度、利用実験の要請 を考慮して設計

BL13の分光器の構成

S
G

M2
M1
比較的単純な光学系 ⇒ 低コスト
偏角を適切に変えることで広い波長範囲を高分解能でカバー
偏角固定で使用しても比較的高分解能を保つ
M2の角度を固定した上でGを回転させてエネルギー掃引する

K. Amemiya and T. Ohta, J. Synchrotoron Rad. 11 (2004) 171.

３．新BL13の現状
2-1. 新BL-13Aの配置

第１ブランチ（H20-21年度に建設）：
光電子分光装置を常設⇒ 軟X線吸収端微細構造（NEXAFS）、X線光電子分光（XPS）、角度分解光電子分光（ARUPS）、光電子回折（PED）、軟X線定在波法（SXSW）

持ち込み装置⇒ 光電子顕微鏡（PEEM）、放射光STM、顕微NEXAFS、
Dispersive imaging NEXAFS、コインシデンス分光装置など

BL-13A建設の歩み
2009年
3月 旧BL-13A、13B、13C撤去
7月 新BL-13Aビームライン設置終了
8月 超高真空排気終了（＜1 × 10-8 Pa）
9月 制御システム、インターロックシステム構築
10月1日 SRI09でポスター発表、プロシーディングス受理。
10月5日 BL検査
10月6日 インターロック総合動作試験
10月13日 光導入、光焼きだし開始
分光器制御ソフト作成、分光器駆動テスト開始
10月27日 光強度測定、光分解能測定装置設置
11月12日 光電子分光装置をBL-11DからBL-13Aに移設
12月21日 試料作製チェンバー設置
12月22日 光分解能測定（E/E ～ 10,000 @ 401 eV）
2010年
1月12日～28日 光強度、分解能、スポットサイズ、安定性測定
X線吸収スペクトル測定用ソフト開発
1月29日（金） 共同利用実験に公開

挿入光源
挿入光源#13

Brilliance (photons/sec/mm2/mrad2/0.1%b.w.)

18 cm  13 周期 (2.5 m)、Planar U / MPW、Kmax = 4.5、水平直線偏光

1018

1017

1016

1015

0200

400
600
800
光エネルギー / eV

ギャップ値：１２０mmで１次光が約30eV、161.5mmで3次光が401eV（K吸収端）

1,000

新BL13壁内の構成（チャンネル部、ほぼ変更なし）

MBS［前澤、浅岡、宮内、田原、菊地（PF）］

新BL13メインハッチ内の構成
上面図

側面図

鉛シールド
BBS

前置鏡
チェン
バー

水冷可動マスク
0.2%Be-Cu製
水冷固定マスク［菊地（PF）］

新BL-13Aの光学素子の構成入射スリットレス可変偏角不等間隔回折格子(VLSG)分光器[K. Amemiya and T. Ohta: J. Synchrotron Rad., 11 (2004) 171. ]H: 0.2 mrad

V: 0.4 mrad

19.1

［雨宮（KEK-PF）］

2-5. 新BL-13Aの光エネルギー分解能☆ h = 30-700 eV での最高分解能は30,000~7,000［雨宮（KEK-PF）］2-6. 新BL-13Aでのフォトンフラックス☆ h = 30-700 eVでのE/E=10000におけるフォトンフラックスは21012 ~ 61010 photons/s［雨宮（KEK-PF）］

2-7. 新BL-13Aの試料位置でのスポットサイズ［雨宮（KEK-PF）］

2-3．新BL13の分光器
分光器チェンバー（2009年3月13日納入）☆電解研磨、純水洗浄、クリーンルームでの組立て。
☆平面鏡・回折格子冷却配管にバイトンを使用。
☆90℃で３週間ベーキング。
☆TMP、SIP、NEGにより排気、到達圧力：＜1×10-8Pa。
☆架台には砂をつめ、梁の上に設置して振動を低減。

2-4．新BL-13Aの前置集光鏡と後置集光鏡
前置集光鏡チェンバー

後置集光鏡
チェンバー

前置鏡（M1） 後置鏡（M3）

回折格子（G）基板

平面鏡（M2）

ミラー冷却機構（M1, M2, G共通）⇒光エネルギーの安定化
超高真空槽
冷却板

排気

ミラー冷却板排気

真空計を設置しインターロックへ真空排気された
フレキシブルチューブ内にバイトンチューブを配置［豊島（PF）］

撤去前

撤去後

床補修、ラック工事

プリベーク準備

測量、墨出し設置

光学素子取付レーザー光によるアライメント

設置作業完了

新BL13建設メンバー
鈴木

吉村

加藤

木下

木村

入江平尾
川瀬

山口

寺地

菊地

豊島間瀬

他に、伊藤、雨宮田中

☆光強度モニター・フィルター用超高真空槽
Siホトダイオード
Si、Al、Mgフィルター

放射光
入射ポート

金メッシュ
Siﾎﾄﾀﾞｲｵｰﾄﾞ

窓
金メッシュ

サファイア板Siフィルター
Alフィルター
Mgフィルター

金蒸着源

放射光エネルギー較正用超高真空槽☆超高真空槽（架台と排気系、真空計は再利用）
HOPG、Si試料マニピュレーター

電子・イオン検出器

ガス導入☆ガスシリンダー ☆試料マニピュレーター
（Xe、N2、O2などを設置）☆電子・イオン検出器

HOPG
Si(111)

ビームライン調整の現状• エネルギー領域： 30～1,000 eV⇒ 30～1,200 eV 、光エネルギー校正は必要。
• 最高分解能： 30,000～7,000⇒ やや悪い。出射スリットが設計値より50mm上流。
• 光フラックス： 1012～1010 photons/s⇒計算値より１桁少ない。４象限スリットが不調でアンジュレーター光の上下を取り込みきれていない。
• 試料上のスポットサイズ約130μm×40μm⇒スポットサイズ測定装置が不調で正確には測れていないがほぼ達成できている。
• 光エネルギーの安定性⇒h=244eVでの長期ドリフト、短期ドリフトは 0.02eV以内• C K吸収端における光強度の低下⇒15％程度低下する。
有機試料のスペクトルは比較的きれいに測定できる。

光エネルギー分解能測定１
回折格子：1000本/mm
N2 導入圧力 :
7.0×10-5 Pa
出射スリット幅：
30 m

2009年12月22日測定

L = 113 meV [1]G = 39.96 meV
E/E = ~10,000（計算値：~12,000より若干悪い。）
残差

解析：足立純一（KEK物構研）[1] M. Kato et al.,J. Electron Spectros.
Relat. Phenom.
160 (2007) 39.

光エネルギー分解能と光量
1.6×1010
光子/秒
出射スリット幅：
30 m
Slit幅0.5(マイクロ読み
gap161.7mm
Gr1000lines/mm
光量見積 1.6×1010ph

400400.5401401.5402402.5400.5401401.5

3.4×1010
光子/秒
出射スリット幅：
60 m
Slit幅80(マイクロ読み)
gap161.7mm
Gr1000lines/mm
光量見積 3.4×1010photons/40

実験の目的に合わせて7.5×1010
必要な分解能と光強度を光子/秒
出射スリット幅： 決定し、出射スリットの開口幅を設定すること。
120 m
ただし、ある幅（h=400eV
では30m）より狭めても分解能は良くならない。
Slit幅1.40(マイクロ読み
gap161.7mm
Gr1000lines/mm
光量見積 7.5×1010pho

400

回折格子： 1000本/mm
Gap: 161.7mm、402402.54光エネルギー分解能測定２（h = 244.1 eV）
2010年1月26日測定、出射スリット幅： 30 m、回折格子：300本/mm

E/E = ~3,800
計算値：~7,000より悪い短期波長安定性 Gap 205 Gr 300ℓ/mm(eV)

244.64244.62244.6
244.58244.560204060

80100(min.)
Gap値 205 mmでMBSを開いた直後のデータ
h = 244.1 eV、MBSをあけた直後で0.02 eV以内で安定

波長安定性(eV)

Gap141.7 Gr 300ℓ /mm

244.396
2.447362.44734
244.394
2.44732
244.392
2.4473244.390
2.44728
244.388
2.44726
244.386
2.44724
244.384
2.44722244.382
2.4472244.380
2.44718243.388
100
200
300
400500 (分)
00
100
200
300
400500(min.)
ギャップ値141.7mm、h = 244.1 eV、400分間において0.02 eV以内で安定光強度測定１（26～300 eV、回折格子300本/mm）
アンジュレータースペクトル(gap140mm,300lineｓ/mm)

7E+107.000E+10

出射スリット幅： 30 m、M2=4.25deg

6E+106.000E+102次光
5E+10

1次光

4E+10photons/s

光子／秒

5.000E+10

4.000E+103E+103.000E+10

3次光

2E+10

2.000E+101E+101.000E+100E+10

0.000E+000050

50100100150

150

200200(eV)
eV

250

250

300300光強度測定2（200～1200 eV、回折格子1000本/mm）
アンジュレータースペクトル(gap150mm,1000lines/mm)
2.500E+102.5E+10

出射スリット幅： 30 m、M2=3deg
2.000E+102.0E+10

7次光1.500E+10
1.5E+10photons/s

光子／秒

5次光

9次光

1.000E+10
1.0E+103次光
11次光

0.5E+105.000E+090E+100.000E+00
0200
200

400
400600600800800
eV(eV)

1000
1000

12001200

炭素吸収端（285 eV）での光量の低下［奥平（千葉大）］高配位グラファイトのC-K吸収端Ｘ線吸収スペクトル［奥平（千葉大）］試料（蒸着テフロン）のC-K吸収端Ｘ線吸収スペクトル［奥平（千葉大）］試料（蒸着テフロン）のF-K吸収端Ｘ線吸収スペクトル［奥平（千葉大）］試料（蒸着テフロン）の損傷［奥平（千葉大）］

SES200光電子分光装置内に設置したNEXAFS測定用MCP

第2後置鏡の設置（2010年4月5日）

E1とF2の間に設置した差動排気・絶縁チェンバー

今後の課題１．ビームラインの更なる調整が必要
２．水冷可動4象限の更新
３．M2とGの同時掃引
５．アンジュレーターギャップと分光器の同時掃引
６．第２ブランチ、第３ブランチの建設

７．可変偏光アンジュレーターの導入