■第10回日本放射光学会奨励賞受賞報告
高分解能軟 X 線発光分光装置の開発研究
初井宇記.

(分子科学研究所総合研究大学院大学）

はじめに液体や電場印加中のデバイスなどのように，通常，真空下で電子を測定する光電子分光では電子構造に迫ることが困難な系について，近年光だけを測定する軟 X 線発光分光による局所電子状態研究が報告され，改めて軟 X 線発光分光が注目されている。しかし軟 X 線領域では軟 X 線発光確率は 0.1 程度と小さく，実験は容易でない。このため，微小スポットが利用可能な高輝度ビームラインを利 エネルギー分解能用して研究がおこなわれているが，

Fig. 1

Schematic Layout of the transmission-grating spectrometer.

Fig. 2

Spot diagram of the 1st order diŠracted rays of 200 eV at thedetector with a rectangular source of 0.7(v)×200(h) mm2(bottom ) using 6250 l/mm transmission grating.

は，計数率によって制限されている。高分解能とされる研究例でも E /DE＝10002000程度である。このエネルギー分解能では，基本的な電子構造を探ることはできるが，電 計数率が小さ子物性の詳細に迫ることは難しい。また，

いため，試料に高輝度光を長時間照射する必要がある。照射位置の掃引など工夫されてはいるが，貴重な微小試料や，有機物など軟 X 線損傷の激しい物質群に関しては，適用が困難である。
上記問題点 a), b)を解決するには，発光分光器の効率を向上させることが必須である。 X 線光学の見地から言えば，光源発散角の大きな光源の場合に，いかなる光学系が最適なのか，という課題である。現在最もよく用いられているローランド型分光器で E / DE ＝ 2000 ＠ 400 eV を実現しようとすると，非分散方向に集光素子がないため取込立体角は0.1 msr （全立体角 4p に対して 10 万分の 1 以下）となり，きわめて効率が悪い。また，検出効率および空間分解能に優れた CCD 検出器は，ローランド型分光器に向かない。これは，斜入射角が小さな条件で CCD 検出器を用いる必要があるため， CCD 素子の不感層（厚さ～ 50

.

光学素子の開発実験ステーションの製作nm）に多くの光子が吸収されてしまい，CCD 本来の高量高精度スリットの開発

子効率を利用できないためである。

マイクロメーターオーダーの励起光を得るため， UV-

非分散方向についても集光機能を持ち，そこで，我々はSOR 真空封止型軟 X 線アンジュレータービームライン

 CCD 検出器を直入射配置で用いる，という 2 つの条件
BL3U の軟 X 線発光分光ステーションでは，軟 X 線発光を次世代軟 X 線発光分光器が満たすべき条件と考えた。

分光用の集光システムに容易に切り替えることができるよ

そして，この条件を満たす，ウォルター鏡と透過型回折格

うにし，出射スリット（ S1X ）から 23 mm に試料を設置子を採用した光学配置を検討した1) （ Fig. 1 ）。この光学配するようにした。このとき励起光の試料上の大きさ（半値置では集光機能と波長分散機能を分離しているため，高エ幅）は 40 ( h. )× 20 ( v. ) mm2 となる。このスリットの上流

ネルギー分解能 E / DE ＝ 5000 であっても収差が無視できには試料真空槽とビームラインの真空を隔てるための差動る（Fig. 2）。更にこの条件で，取込角を20倍向上できるた排気 を設ける 必要がある 。発光分光器 の入射スリ ット

め，高効率と高エネルギー分解能を原理的に両立でき有望（ TGS S ）は，試料から 300 mm 下流に設置することにしである。そこでまず，この分光器に必要な光学素子の開発た。このため外形が40×40×20 mm3 以下の小型高精度スおよび実験ステーションの建設をおこなった。

リットが必要となる。また超高真空下で動作する必要がある。このような条件を満たすスリットは市販されていない122 ● 放射光 March 2006 Vol.19 No.2
(C) 2006 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光ニュース ■ 第10回日本放射光学会奨励賞受賞報告

ので，ピエゾアクチュエーターによって弾性ヒンジ機構を介して開閉する機構の可変開口（S1X: 450 mm/TGSS150 mm ）スリットを製作した。S1X ，TGS S の刃はそれぞれ，ELectrolytic In-process Dressing (ELID) 研削と平面研磨法によって製作した。

Wolter 鏡の開発
従来，ウォルター鏡は結像型の X 線顕微鏡として用いられてきた。顕微鏡用としては高倍率のものが求められる。一方，本研究では，できるだけ取込立体角が大きく，かつ倍率の小さなウォルター鏡が望ましい。また，理想形

Fig. 3状からのずれによる結像性能の劣化をさけるため，できるLine proˆle of the elastic scattering peak at 114 eV. Energy
resolving power of 4500 (DE＝25 meV) has been obtained.

限り形状誤差の小さな鏡を製作する必要がある。製作方法の限界を考慮して倍率10 倍の Wolter 鏡をレプリカ法によ

線追跡プログラム TGSGUI1,3)を用いて各光学素子のアラって製作した。軟 X 線で形状を評価したところ，形状誤イメントに要求される精度を求め，それを元にアライメン差の極めて小さな鏡（0.4 秒 rms 以下）であることがわかト機構を製作した。次に，アライメント手順を検討した。

った。

光線追跡による詳細なシミュレーションの結果，ウォル

透過型回折格子の開発

ター鏡と透過型回折格子の相対的なアライメントは，機械高エネルギー分解能を達成するにはできるだけ高刻線密加工精度と大気中でのレーザー光を用いたアライメントに度の透過型回折格子を製作する必要がある。また軟 X 線

よって十分に実現できることが示されていたので4)，ウォ領域全域で回折効率を持つものを製作するためには構造保ルター鏡と透過型回折格子の相対的なアライメントを大気持用の薄膜のない回折格子構造のみの自立型が望ましい。

中で行った。次に真空中で，0 次回折光を検出しながら，そこで，本研究では，試行錯誤の上，高精度の刻線密度

発光 点，ウォ ルター鏡 透過型回折格 子アセンブ リ，6250本/mm の炭化ケイ素およびニッケルの自立透過型回CCD 検出器のアライメントをおこなった。エネルギー分折格子を製作した。

解能は， CCD 検出器をローランドトーラス上で移動さ高分解能 CCD 検出器の開発せ，1 次回折光を検出することにより評価した。金属試料

高エネルギー分解能を達成するには，1 2 mm の非常にからの弾性散乱軟 X 線を測定し解析することで，分光器高い空間分解能が要求される。これまでに硬 X 線領域でのエネルギー分解能を評価した。その結果，エネルギー分は，1 光子が生成する電荷が複数ピクセルにまたがること解能（ E / DE ）が 4500 以上であることが明らかになったを利用して，ピクセル内の光子吸収位置を決定することに（Fig. 3）。

より 12 mm の高空間分解能が実現可能であることが報告されている2)。今回，この技術を軟 X 線領域に適用するた.

まとめめ，超高真空で利用できる 6 e－ rms の低ノイズ CCD 検

本研究によって，透過型回折格子を用いた次世代軟 X

出 器 （ pixel サ イ ズ 13.5 × 13.5 mm2 ， 読 出 速 度 250 kHz /線発光分光器が実用に耐える性能を持つことを実証した。

pixel ）を製作した。その結果 500 eV 以上において， 1 2実質的にノイズフリーで計測できる CCD 検出器を採用しmm の高空間分解能を実現した。ているため，将来性が高い。現在，各施設で様々な次世代発光分光実験ステーションの建設

軟 X 線発光分光器の開発が行われているが，本開発はそ発光分光実験ステーションは約 2 m あるが，高さ方向れらに先んじて実用化することができた。現在，発光分光の許容精度が 0.5 ミクロンである。しかし，周囲には多く器用の入射スリット，透過型回折格子と CCD 検出器シスの真空ポンプなどの振動源があるので，防振対策が必要でテムのさらなる高度化を行って，本分光器の高度化を推しある。床面のコンクリートにハツリ作業を行い埋め込んだ進めている。本分光器は，従来にない高効率高エネル

鉄板と，ビームライン発光分光実験ステーション全体をギー分解能を実現しており，軟 X 線発光分光の新たな展連結した。また，発光分光実験ステーションは架台の重量開が期待される。

を2.5トンとして固有振動数を下げるなどの対策を施した。

また本開発は，軟 X 線分光技術という観点からも意義深い。軟 X 線領域の分光素子は反射型回折格子と結晶分.

性能評価

光素子の 2 つに事実上限られていた。広いエネルギー範エネルギー分解能を実際に実現するには，これら光学素囲にわたって収差のない光学系を組むには，反射型回折格子を高精度でアライメントする必要がある。軟 X 線発光子は制約が多い。結晶分光素子は，軟 X 線領域では良い分光実験では計数率が小さいので，アライメントの容易な結晶がないため，現在ではほとんど用いられていない。本

システム構築が特に重要である。まず，独自に開発した光開発は，透過型回折格子が高分解能分光に耐える分光素子

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であり，その利用によって新たなブレークスルーが開けることを実際に示したものである。なお，我々の分光システ

1)

ムは，透過型回折格子を利用した X 線分光システムの中で世界最高のエネルギー分解能である。

2)

謝辞

3)
4)

本研究は，小杉信博教授，堀米利夫氏（分子科学研究所）と共におこなったものです。心より感謝いたします。高精5)

T. Hatsui, H. Setoyama, E. Shigemasa and N. Kosugi: J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 144, 1059 (2005).
J. Hiraga, H. Tsunemi and E. Miyata: Jpn. J. Appl. Phys. Part
1 40, 1493 (2001).
http://www.uvsor.ims.ac.jp/TgsguiHatsui/index.html
これは，アライメントが容易であるという特徴を透過型回折格子が持つためである．本号実験技術参照．
現所属，名古屋大学全学技術センター

度スリット開発は，松下幸司5)，近藤聖彦，吉田久史，鈴井光一（分子科学研究所）の技官スタッフの協力によるものです。炭化ケイ素の透過型回折格子製造は NTT
ATN，Wolter 鏡製造評価は大庭昌，小野田忍，杉山優各氏（浜松ホトニクス）， CCD の駆動回路製作は村尾一博士（明星電気）によるものです。ニッケルの透過型回折格子開発は，岡本一将博士，松井良憲博士，古澤孝弘助教授，
関修平助教授，田川精一教授（大阪大学産業科学研究所），
濱 村 寛 氏 （ Nikon Corp. ） と の 共 同 研 究 で す 。 Andrew

Holland 教授（ Brunel 大学），常深博教授（大阪大学）には CCD 開発について，繁政英治助教授（分子科学研究所）には分光器設計について貴重な助言をいただきました。また，このような高性能な結果が得られたのは，UVSOR のような小型リングでも第 3 世代光源と呼べる高輝度光源が光源グループの努力によって実現できたためです。この場を借りてお礼申し上げます。なお，本研究は，分子科学研究所の研究予算および国際共同研究支援プログラムに加え，科学技術振興調整費若手任期付研究員支援（平成15 18年度，初井），科学研究費補助金基盤研究(B )15350017（平成 15 17 年度，代表小杉教授）による助成を受けました。

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● 著者紹介 ●初井宇記
分子科学研究所極端紫外光科学研究系助手
総合大学院大学物理科学研究科助手（併任）E-mail: hatsui＠ims.ac.jp
専門軟 X 線分光，分子分光，光物性［略歴］
1999 年総合研究大学大学院数物科学研
究科博士課程修了（博士（理学））日本学術振興会特別研究員（東京大学理学系研究科化学専攻，Uppsala 大学物理学科）を経て 2000 年より現職。軟 X 線と物質の相互作用について深く理解し，そこから新しい分析手法への展開ができればと思っている。