Proceedings of the 1st Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japanand the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan (August 4 - 6, 2004, Funabashi Japan)

Development of soft X-ray Source using Inverse Compton Scattering
D.Ueyama1
A)

,A)

A)
A)
A)
A)
,R.Kuroda , Y.Hama , M.Washio , S. Minamiguti ,B)
C)
C)D)
S.Kashiwagi , H.Hayano , J.Urakawa , K.Ushida, K.Hizume

A)

Advanced Research Institute For Science and Engineering, Waseda University
3-4-1, Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo, 169-8555
B)
Institute of Science and Industrial Research, Osaka University
8-1 Mihogaoka, Ibaraki, Osaka 567-0047
C)High energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801
D)
Riken(The Institute of Physical and Chemical Research)
2-1, Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198,

Abstract
Soft X-ray source using Inverse Compton scattering has been developed at Waseda University. The 10ps X-ray
pulse at 307eV containing 4×103 photons was generated by the interaction between electron bunch of 4.2MeV with
0.25nC and Nd:YLF laser pulse of 1047nm with 8.5mJ. Generated X-ray energy was analytically calculated to 307eV inthe 20° interaction. The energy of this X-ray is included in the range of “water window” so that this X-ray is useful forthe biological observation. In this paper, we report the latest results of X-ray generation experiment.

逆コンプトン散乱
コンプトン散乱による散乱による高輝度軟による高輝度軟Ｘ
高輝度軟Ｘ線発生概要

用を目指して研究を進めている。

早稲田大学理工学総合研究センターでは現在、フォトカソードRF-gunシステムを用いたテーブルトップサイズの高輝度軟Ｘ線発生装置の開発を行っている。これは生体観測用の軟Ｘ線顕微鏡への応用を 目 指 す も の で あ り 、 波 長 1047nm、 パ ル ス 幅 約10ps(FWHM)のIRレーザーとエネルギー約4MeV、バンチ長10ps(FWHM)の電子ビームとを衝突させることで、約200～450eVの軟Ｘ線を発生させることができ る [1] 。今回は散乱X線の輝度を上げるためレーザーの増幅と、像記録用にレジスト材を導入してその特性評価を行った。本研究会では、それらの結果について報告する。

２．逆コンプトン
コンプトン散乱
トン散乱

１．はじめに逆コンプトン散乱とは、低エネルギーの光子に高エネルギーの電子が衝突し光子がエネルギーを受け取るためＸ線となって散乱される現象である。

図１.逆コンプトン散乱概念図
実験室系での散乱Ｘ線のエネルギーは次式で与えられる。

現在高輝度短パルスＸ線は物理、化学のみならず医療、産業等様々な分野で求められている。その発生方法についても多くの研究が行われており、中で(1 + β cos φ ) E e E l
も逆コンプトン散乱によるＸ線発生方法は、高輝度、EX =短パルス性、エネルギー可変性などの有用な特徴を{1 + β cos(φ + θ )}Ee + (1 − β cos φ ) El兼ね備えたものとして注目されている[2]。この発生
ここでβは電子ビームと光の速度比である。上式
方法は今まではレーザーや電子ビームの性能というからわかるように衝突角φ、電子ビームエネルギー、点で実現が困難であったが近年の電子ビームの高品レーザー光子のエネルギーを変えることで散乱Ｘ線質化、レーザー制御技術の発展により実現が可能なのエネルギーを変化させることが出来る。また、散ものとなってきた。現在早稲田大学ではRF-gunシス
乱されるＸ線はエネルギーによって散乱角が異なる
テムを用いたテーブルトップサイズの高輝度軟Ｘ線
ため小さな角度だけを切り出せば非常に単色性の良発生装置の構築と生体観測用の軟Ｘ線顕微鏡へと応
1E-mail:uedai@suou.waseda.jp386

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いＸ線が得られる。図２に、電子ビームのエネル
ギーが4.2MeV、レーザー波長1047nmの時の時に得られるＸ線のエネルギーについて、衝突角0°、20°、60°、90°の各計算結果を示す。

図３．フラッシュランプによるIR光の増幅

４．衝突実験
衝突実験として、今回は衝突角を20度に固定して行った [1]。まずIR光を20°でコンプトンチェンバー
今回の実験では電子ビームのエネルギー約4MeV、 内に入射し、チェンバー内の衝突点に光学レンズを用いて集光させ、さらに電子ビームをIR光と衝突す
レーザー光の波長1047nmであり、上式を用いて散るように位置合わせおよび集束を行った。このとき
乱Ｘ線の最大エネルギーを計算すると正面衝突の場の電子ビームおよびIR光のビームサイズは表１のと合には約310eVと計算できる。この付近のエネルおりであった。
ギーは水にはほとんど吸収されない「水の窓」と呼図２．Ｘ線のエネルギーの角度依存性ばれるエネルギー領域である。またこの波長領域に
表１. 電子ビームとIRレーザーのパラメーター
は生体内に多く含まれる窒素、炭素、酸素などのＫ
IRレーザー
波長1047nm
殻吸収端が存在し、この領域のＸ線を生体に照射し、強度8.5mJ
吸収率の差によるコントラストを取れば試料を脱水することなく細胞が生きた状態で窒素、炭素、酸素
パルス幅(FWHM)10psなどの分布を観察することが出来る。このことは光ビームサイズ
学・電子顕微鏡にはない特徴である。
(rms)
80µm
また、発生するＸ線の光子数はクライン-仁科の
電子ビーム
エネルギー
4.2MeV
公式から求めた実験室系での散乱断面積σとルミノ
電荷量0.25nC
シティＬ
Ｌ から次のように求められる。
バンチ長(FWHM)
10ps
Ｎ ＝σ×Ｌ
Ｌ
250µm(σx)
ビームサイズ
本Ｘ線発生システムで生成される光子数を上式か150µm(σy)(rms)
ら 見 積 も る と 、 電 子 ビ ー ム ： 4.2MeV, 0.25nC, IR
レーザー1047nm, 8.5mJをそれぞれ80μm, 約200μm
電子ビームとIR光のタイミング調整については、まで絞り20度で衝突させた時、およそ104 個/pulse
コンプトンチェンバー横方向からガラスを挿入してのオーダーである。
電子ビームをチェレンコフ光に変換し、このチェレンコフ光とレンズ上にあけたピンホールを通るIR光
３．レーザー増幅
レーザー増幅をフォトダイオードを用いて観察しながらリニアス
今回、衝突のルミノシティを上げるためにフラッテージで光路長を調整することによってタイミングシュランプによるレーザーアンプシステムを構築しを合わせた。このように同一の検出器を用いることた。このシステムはNd:YLFロッド、励起用フラッにより、時間応答性を考慮せずに幾何学的な距離のシュランプ、冷却装置などから構成されており、まみによってタイミング調整を行えるようにした。まず基準信号2856MHzに同期した信号がフラッシュラたX線の検出にはMCPを用いた。MCPは衝突点からンプ電源へ送られ、フラッシュランプにより結晶が84cm下流に設置した。このMCPの有効面積から、光励起される。励起された結晶中をIR光が通過する
検出有効散乱角は8.8mrad程度であり、約0.5%の単ことでパルスあたりのエネルギーが増幅される。今色なＸ線を検出することが出来る。
回はゲインをかせぐためにロッドを2回通す2passシステムにした。またIR光とフラッシュランプの同期５．結果を取るためにパルスジェネレーターで信号のタイミ
図４にリニアステージを操作して光路長を変化させ、ングを遅らせ、IR光とのタイミングを調整した。図電子ビームとIR光のタイミングを調整した時の散乱
３に増幅後のフラッシュランプ電源の電圧とレーＸ線の強度とIRディレイの関係を示す。図４よりシザーのパルスエネルギーの関係を示す。測定した結グナルは約120mVであり、MCPのゲインが5×106、果、10mJ以上のパルスパワーを得る事が出来た。
パルス幅2nsとすると全発生光子数は4.1×103個と計387

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なかった。よって今後は逆コンプトン散乱生成Ｘ線算される。表１のパラメータからの計算によると全のみを議論することが出来ると考えられる。
発生光子数は1.1×104個となり、この計算値とは異なる。これは電子の収束が十分でなかったことと、タイミング調整が十分でなかったことが考えられる。
また、散乱Ｘ線のエネルギーは308eVと計算され、炭素のＫ殻吸収端を少し上回るエネルギーのＸ線を得られたことになる。

図６.

フィルター挿入後のSRのスペクトル図４ 散乱Ｘ線と光路長の関係

６．レジスト材特性評価
レジスト材特性評価
像記録用に化学増幅型Deep UV用レジスト材（東京応化製）を購入し、その特性評価を行った。まずシリコンウエハ上にレジスト材をスピンコートして薄膜を形成し、AFMで表面を観察した。その結果、約480nmの膜厚で、表面の自乗平均面粗さ(rms)が10nm程度であった。
アルミ、ポリエチレン

レジスト

SR
Beフィルター

メッシュ（100μm）

図５．SR光のレジスト材への露光
またレジストの特性を評価するためNi製の100μm角のマスクを用いて放射光（住友重機械工業製
AURORA-2S）の露光を行った。その際100μmポリエチレン膜や12μmアルミの膜などを挿入して露光をおこなった。その結果、本レジストは約1.5keV以上のX線には感度がないことが判明した。図７に放射光を露光、現像後のAFM観察像を示す。このレジスト材が水の窓領域の軟Ｘ線に感度を持っていることが期待出来る。また早稲田大学のＸ線発生システ
ムでバックグラウンドに感光しないかどうかを確認するために電子ビームを出しながらのバックグラウンド照射も行った。約90分行ったが感光は観察され

図７. SR照射後のレジストのAFM像（アルミ12μmとBe窓あり）

７．まとめと今後まとめと今後の今後の予定
RF-gunを用いた逆コンプトン散乱によるテーブルトップサイズのＸ線発生システムの構築をし、軟Ｘ線顕微鏡への応用を目指して研究を進めている。今回の実験では発生光子数を増やすためにレーザー増幅システムの構築をした。今後はより多くの光子を発生させるために電子ビームの電荷量を増やすことと、電子の収束の最適化を予定している。
また、高感度でなおかつバックグラウンドなどの高エネルギーのＸ線には感度がない化学増幅型レジスト材を像記録用に選択し特性評価を行った。今後実際にレジスト材に逆コンプトン散乱生成Ｘ線を露光しその感度や分解能を測定する予定である。

８．謝辞
レジスト材へのSR光照射において住友重機械工業株式会社のAURORA-2Sを使用させていただきました。加藤隆典博士、青木康博士のご指導と併せてお礼を申し上げます。

参考文献[1] D. Ueyama, et al.,

“リニアック技術研究会論文投稿
要領Proceedings of the 28th Linear Accelerator Meeting inJapan, Tokai, July 30th-Aug 1st, 2004

[2] M. Yorozu et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001)
pp. 4228-4232 Part1, No.6A, June 20388