Ｘ線顕微鏡の開発
生命・情報等教育研究支援室○河原井勝一保谷博

大石健一

1. はじめに
長 年機 械工作 ショ ップと して 、物理 工学 系の各 研究 室に機 械工 作で研 究支 援して きました 。その 一部 として 、青 木研究 室の Ｘ線顕 微鏡 の開発 の一 助とし てス ピンド ル支 持台の製作 を行い まし た。ス ピン ドル支 持台 の製作 がＸ 線顕微 鏡開 発にど の様 に関わ って いるか、Ｘ線顕微鏡の概要を踏まえて発表します。
2. Ｘ線顕微鏡の基本概念と要求精度
Ｘ線は可視光に比べ波長が短く、電子線に比べ透過力が大きいという特徴を持つ。
この特徴によって、元素固有の吸収端や蛍光Ｘ線を利用した特定元素の識別も行える。
このように、Ｘ線は物体の原子レベルでの情報を得る重要な手段となっている。
斜め入射Ｘ線顕微鏡
Ｘ線領域では物質の屈折率が 1 よりわずかに小さいので、鏡面すれすれに入射させると全反射を起こす。このときの鏡面と入射ビ－ムのなす角を斜め入射角と呼び、全反射の臨界斜め入射角 θ C は
θ C ＝1.6×10 -2 λρ⑴で表される。ここで、λ は使用Ｘ線波長で nm 単位で表し、ρ は鏡面の密度である。
パイレックスガラス(ρ＝2.32ｇ/㎤)の反射面にＡl

Ｋ a 線(波長 0.83nm)が入射する

場合、θ Ｃ ＝20.3ｍrad となる。

図 1

Ｗolter 型斜め入射Ｘ線顕微鏡概念図

全反射を利用したＸ線顕微鏡の原理は 1952 年Ｗolter によって提案された。概念図を

図1 に示す。入射および反射角は鏡面に対し 1⁰前後であるが、図では誇張して書いてある。
反射鏡面は 1 つの焦点Ｆ₁を共有する回転双曲面と回転楕円面からなる。焦点Ｆ₂を物点とし、ここを通るＸ線は 2 個の曲面で反射して焦点Ｆ₃に結像する。この 2 個の曲面の組合せ
では、Ｆ₂を通る光線は反射面をどこにとっても光路長が一定になる。反射面を 2 回使うのは光軸から離れた物点の像のゆがみを少なくするためである。理論的な分解能はＦ₂から鏡面を見込む開口角の大きさで決まる。斜め入射Ｘ線顕微鏡の開口は輪帯であるから、分解能 Δ は近似的にΔ＝0.38λ/sinθ₁（2）で与えられる。ここで θ₁は焦点Ｆ₂から鏡面を見込む角である。θ₁は θ Ｃ の 4 倍なので式(1)を代入すると分解能は
Δ＝0.38λ/4θ Ｃ＝5.9/ρ

(3)と なる。 ただ し、単 位は ｎｍで ある 。式よ り、 分解能 の限 界は鏡 面の 密度に よっ て決まってしまうことがわかる。例えば、パイレックスでは Δ＝3.9ｎｍ、金では Δ＝1.4ｎｍである。
しかし なが ら、実 際の 分解能 は鏡 面の加 工精 度で決 まっ てしま う。 鏡面精 度は 、Ｘ線の波 長に近 い面 粗さと 比較 的周期 の大 きな形 状精 度とに 分け られる 。面 粗さの 要求 精度は近似的に以下のように見積もられる。今、図 2 のように鏡面の凸凹が理想的な面より h だけ

図 2

表面粗さによる光路差ｈθ

ずれていたとする。

このとき、ずれによる光路差Ｄは、斜め入射角を θ とすると
Ｄ＝2ｈsinθ(4)となる。レ－リ－の結像条件よりＤ＜λ/4 でなければならないので、
ｈ＜λ/8sinθ(5)の面粗さが要求される。この式に斜め入射臨界角 θ Ｃ を代入してまとめると

ｈ＜7.8/ρ

(6)が求まる。ただし、単位はｎｍである。前例のパイレックスに対しては 5.1ｎｍ、金に対しては 1.8ｎｍの面精度が要求される。
形状精度に対する見積もりは、簡単なモデルを使ってＰrice が計算した。彼によると、分解能は、主に光軸に垂直な方向の表面傾斜角の乱れによって決まる。乱れの標準偏差をσ とすると、点物体のぼけｄはｄ≈7.5σｌtanθ

(7)となる。ここで、ｌは物点と鏡面との距離、θ は斜め入射角である。例えば、 σ＝1μrad、ｌ＝50ｍｍ、θ＝20ｍrad とするとｄ＝7.5ｎｍとなる。
上記の 2 つの条件を満足すれば、ほぼ理想的な斜め入射Ｘ線顕微鏡が実現できる。すなわち、面粗さと形状精度においてｎｍオーダの精度が必要になる
3. 研削用スピンドル支持台の製作
金型母材を製作するにあたって、理研製鋼株式会社製のＮＣ旋盤ＵＰＬ-120 で研削加工を行うスピンドルを保持する架台の製作が必要になった。
使用するスピンドルは 「 ア ス ト ロ -Ｅ400」超 精 密 ス ピ ン ド ル Ｎ Ｒ -402Ｅ で 、拘 束 タ イ プ ア ン ギ

ュ ラ ベ ア リ ン グ を フ ロ ン ト 側 に 2 個 、リ ヤ 側 に 2 個 組 み 合 わ せ 、ラ ジ ア ル 方 向 、ス ラ ス ト 方 向 に も強 い 剛 性 が 得 ら れ る よ う に 配 慮 し た 設 計 。小 径 エ ン ド ミ ル 加 工 、小 径 ド リ ル で の 穴 あ け 加 工 、ス リ割り加工、面取り加工、研削加工などに使用できます。

砥石ベアリング

54.2

ベアリング

13 17.4 19.5 ﾎﾙﾀﾞ-取付区間
100
図 3

スピンドルＮＲ-402Ｅ

図 3 に ス ピ ン ド ル Ｎ Ｒ -402Ｅ の 半 断 面 図 と 軸 付 砥 石 装 着 し た 状 況 を 示 す 。次 に ス ピ ン ド ル 取 り 扱 い上の注意として、スピンドルはモ-タ-回転数 20,000rpm 以上で回転させると、内部歯車の磨耗が早くなり耐久時間が短くなりのでモ-タ-の回転数は、20,000rpm 以下で使用するか減速器を使用しなければならない。軸付砥石の最高（適正）使用回転数、周速度は、適正オ－バ－ハング（チャックから切刃までの距離）が 13mm の時です。オーバ-ハングと回転数の関係を表-1 に示す。
表-1

オ－バ－ハングと回転数の関係

オ-バ-ハング（mm） 最高使用回転数（rpm）
20Ｎ×0.5

25Ｎ×0.3

50Ｎ×0.1※ Ｎは、オーバーハング 13mm の時の最高使用回転数以上の点からオ-バ-ハングを 13mm で設計する事とする。
スピンドルを機械に装着する場合、スピンドルには図 3 の様にベアリングが内部に入っているので、ホルダ-に取り付ける場合には、出来るだけベアリング部を避けて取り付けなければならない。また、取り付けは図 4 のＡの様に直接ネジで止めると、スピンドルの外サヤが変形し回転不良や発熱の原因となり、極端に寿命を縮めますので、図 4Ｂの取り付け方 法 で 取 り 付 け て 下 さ い 。（ Ｂ の 方 法 で ど う し て も 出 来 な い 場 合 は Ｃ の 方 法 で 取 り 付 け てる）

締め付けボルト

締め付けボルト

割りブッシュすり割り
締め付けボルト
すり割り割りブッシュ

図4

スピンドル取り付け時の注意

材料の選択としてＮＣ旋盤で加工する際にスピンドルの位置が煽られたりして、ズレないよう剛性と重量が有り耐食性が有ることからステンレスの SUS304 を選定した。
スピンドルの支持位置は、図 5 の様にＮＣ旋盤のテ－ブルに対し垂直とし、スピンドルのチャックを下向きの方向で考えた。上向きセットの場合、ＮＣ旋盤のテ-ブルと回転軸の距離が 150mm しかなくスピンドル自体の長さが約 140mm も有りこれに、軸付砥石や減速器を取り付けるスペ－スが無く出来ない事がわかる。

架台

150

ＮＣ旋盤回転部

テ-ブル面

図5

スピンドル支持架台構想図

以上の条件と図 5 スピンドル支持架台構想図を元にスピンドル取り付け部分の設計をした。
図 6 にスピンドル取り付け部の設計図を示す。図 4 のＢに準ずるよう設計した。
結果、スリ割を入れるため加工上右端が 29ｍｍとした。また、Ｍ6 のボルトで締め付けた時スピンドルを固定し易い様にスピンドル固定部分の肉厚を 7ｍｍ削り薄くした。
スピンドル取り付け区間が図 3 で最大 54.2ｍｍであるり、スリ割り径 150ｍｍで入れらられる厚みが 43ｍｍで有ることで 43ｍｍを決定した。また、砥石の厚みの補正を締め付け区間でする為にも 11.2ｍｍは有効です。
次に、スピンドル取り付け部分のＮＣ旋盤のテ－ブル面からの位置を決定したい。
図3か ら 砥 石 の 大 き さ ｘ

適 正 オ - バ - ハ ン グ

13 ｍ ｍ

ホルダ－取付区間までの 17.4+19.5＝36.9ｍｍとなりｘ+13+36.9＝ｘ+49.9（ｍｍ）（8）

図 5 からテ-ブル面からＮＣ旋盤の回転センタ－の距離は 150ｍｍです。
（8）式と合わせると
ｘ+49.9+150＝ｘ+199.9（ｍｍ）（9）

ｘは 10ｍｍほどとして 209.9ｍｍとなり高さは最低 209.9ｍｍになり 210ｍｍで設計した。
図 6 からテ-ブル面固定プレ－トの厚みが 10ｍｍで、左右の支柱が 200ｍｍとした。

2-Ｍ6100φ305029153-φ6.3

7 2420103060101202013043

2-φ6.3キリ8
図6スピンドル取り付け部分

4. まとめ
設計上の制約を踏まえて、機械工作上可能な物としてスピンドル支持架台を製作する事が出来た。我々の日常的な機械工作が、各研究室の研究に寄与している事がわかる。
この発表にあたり、資料を提供や便宜をして頂いた物理工学系青木先生ならび渡辺先生
そして青木研究室の院生の皆様に感謝します。