光のエネルギーを切り出す（真空紫外軟 X 線編）
雨宮健太〒1130033 東京都文京区本郷 731

東京大学大学院理学系研究科

E-mail：amemiya＠chem.s.u-tokyo.ac.jp

木村真一

自然科学研究機構分子科学研究所〒4448585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38

E-mail：kimura＠ims.ac.jp

1. はじめにために，反射鏡表面にすれすれに入射することによって全反射がおこります。その場合，光の強度をほとんど損なわ

前回の「X 線編」は数 keV 以上の X 線の分光の方法にずに光を整形することができます。それに対して，VUV

ついてのお話でしたが，今回はより低エネルギー領域の

SX 領域での屈折率は，内殻の吸収によって 1 より大き「真空紫外（VUV)軟 X 線（SX）編」です。その中でもい場合が多いために，どのような入射角にしても反射鏡で特に，「光のエネルギーを切り出す」のに主に反射型の回

ある程度吸収され，光の強度が弱くなります。鏡の反射率

折格子を用いる， 10 eV ～ 2 keV 程度（波長でいうと 120

は反射面の材質光の波長反射角偏光方向に依存しま

nm ～ 0.6 nm 程度）を想定しています。 10 eV から 2 keV

すので，反射率の違いを利用することで取り出す光をあるというと 3 桁にもわたる極めて広いエネルギー範囲にな程度選別することができます。最終的には，回折格子を用りますが，分光器のタイプの違いこそあれ，すべて反射型

いることで必要な光を切り出し，それを適当な反射鏡で試の回折格子でカバーできます。もちろん，VUVSX 領域

料位置に集光して実験に利用します。

でも，第 4 回で紹介された多層膜（現段階ではあまり高X 線の分光には結晶を使うために，標準的な分光器の分解能は期待できないようですが）や，第 5 回で紹介さ分解能（l/Dl）は約104 で，「分解能を犠牲にして光の強れた結晶分光器を用いることはあります。ただし結晶分光度（フラックス）を稼ぐ」ということはほとんどできませ器の場合，結晶の格子面間隔の 2 倍よりも長い波長の光ん。それに対して，VUVSX 領域では回折格子を用いるは分光できませんので，特に低エネルギー（長波長）側はために，後述のように「好きな」分解能とそれに応じたフカバーできません。逆に， VUV  SX よりも低いエネル

ラックスを選ぶことができます。「好きな」といっても，ギー領域では，透過型の回折格子やフーリエ変換干渉計も光学素子の加工精度によるエラーなどがありますので，い使われています。これはビームスプリッターと呼ばれる半くらでも高分解能にできるわけではありません。現在のと透過膜で光束を 2 つに分けることでそれらの干渉縞を作

ころ，分解能の上限は VUV 領域で 105， SX 領域で 104 程

り出し，それをフーリエ変換することで分光スペクトルを度です。分解能を上げることは，試料に導く光のフラック得るものです。この分光方法や透過型回折格子はともに，

スを下げることにもなります。よって，実験のスタイルに光が光学素子の中を通り抜けることを利用して分光していよって，「フラックスは低くても極限の分解能がほしい」ます。それは光の吸収が弱い（吸収断面積が小さい）こととか，「分解能は高くなくてもよいがフラックスがほしい」に関係しています。しかしながら，VUVSX 領域では光とか，「ある程度の分解能もフラックスもほしい」といっはほとんど吸収されてしまい，薄い基板もしくは完全に抜た違いが出てきます。つまり，実験スタイルに合わせた分

けた基板を用いた透過型回折格子やゾーンプレート（第 8光器の設計が必要になります。

回参照）などの特殊な場合以外には透過型の光学素子は使

本稿では，VUVSX で用いられる回折格子分光器の仕われていません。これは VUV （真空紫外）光という呼び組みと，必要な分解能やフラックス，純度を得るための技方の由来と関係があります。それは，大気中では空気に吸術について説明します。また，放射光を分光器に合うよう収されてしまい，取り出すことができないためです。ましに整形する前置集光系，光のエネルギーを切り出す分光てや，大気より密度の高い固体でできている光学素子は，器，分光された光を試料に導く後置集光系について実際のほとんど透過できません。以上のような理由から，今回はビームラインで用いられている例を示します。

反射型の回折格子を用いた光学系に絞ってお話ししたいと思います。
反射型の光学系自体は X 線領域でも用いられています。

X 線領域では光学素子の屈折率が 1 よりわずかに小さい

186 ● 放射光 May 2006 Vol.19 No.3

特別企画 ■ 光のエネルギーを切り出す（真空紫外軟 X 線編）

もう一つの極端な例として，回折格子だけを用いた「最も単純な」分光器を Fig. 1(b)に示します。もちろん，普通の平面回折格子に発散光を当てると，出てくる光も発散し続けます。すると異なる波長の光が大きく重なり合ってしまい，波長の分別がうまくできません。そこで，回折格子を凹面にして分散機能とともに収束機能も持たせてしまおFig. 1

Schematic layout of basic monochromators consisting of twoparabolic mirrors and a plane grating (a) and a concave grating (b).

うというのがこの分光器の考え方です。でも，発散光を凹
面回折格子に当てるとどうなるのでしょうかもちろん，
点光源からの発散光を全ての波長において完全に点または線に集光することはできません。点を点に集光するものは

2. 回折格子を使ってどのようにエネルギーを切り出すか楕円鏡ですが，回折格子の場合には溝による回折の効果がありますので，たとえ楕円回折格子を使っても完全な集光はできません。これは高分解能を目指す意味では厄介な問

2.1

基本的な分光器

題ですが，実は「完全」であることは必ずしも重要ではあ回折格子の一番大切な役割は光の波長を角度に変換するりません。後述のように分解能は様々な要素で決まります（分散させる）ことです。これを利用して，白色光を回折ので，条件によっては集光の不完全さは無視できることも格子に照射し，波長に応じて様々な方向に出てくる光のうあるのです。またこれも後述しますが，「光学素子の数がちの必要なものだけを切り出せば分光ができるわけです

少ない」というのは大きな利点です。

（第 4 回参照）。この時，回折格子の最も基本的な（わかりやすい）使い方は「平面波」を入射するものでしょう。

2.2

高分解能を実現するための条件と問題点

例えば第 4 回では多重ピンホールによる光の回折の様子

ここで，どうしたら高分解能が得られるのかを考えてみが示されましたが，入射光は平面波，つまり平行光でしましょう。Fig. 1 からわかるように，分光において重要なた。ところが，大抵の光源からの光は球面波，つまり発散

要素は，「分散」と「集光」です。つまり，違う波長の光光ですので，まずこれを平行化するのが自然な流れといえをなるべく離れた位置にもっていき（「分散」させ），しかるでしょう。これを図にしたのが Fig. 1(a)です。簡単のたもそれぞれの波長の光をなるべく小さく「集光」すること

め，光源は点としましょう。発散光を平行光にする光学素で高分解能が得られます。逆に言えば，いくら出射スリッ

子，それは放物面鏡です。平行化された白色光を回折格子

トを絞っても分解能は「分散」と「集光」で決まる限界まに照射すると，波長に応じて様々な方向に平行光が出てきでしか到達しません。

ます。これらのうち，特定の角度に出てくるものだけを取まず，分散の大きさを式にしてみましょう。 Fig. 2 のよ

り出せばよいのですが，平行光には幅があるため互いに重うに，入射角，出射（回折）角を a, b とおき，光源からなりあっていて，十分遠くに行かないとうまく分離できま

回折格子中心の距離を r，そこから出射スリットまでの距せん。そこで，今度は放物面鏡を逆に使って回折格子からとおきます。ここで，a, b は回折格子の法線からの離を r′の平行光を収束光にしてみましょう。すると光が収束され角度であることに注意してください。これは単に定義の問

る先（焦点）では，異なる波長の光は違う場所に収束され，題ですが，慣習として X 線領域では逆に表面からの角度

ここに「出射スリット」を置くことで容易に光の波長を選を使うことが多いようです。また，角度には符号があるこ

別することができます。しかも，スリットの開口を大きくとも忘れないで下さい。つまり図のような配置では a＞0,

すれば，いくらでも分解能を落としてフラックスを稼ぐこ

b＜0 となります。さて，Fig. 2 では平行光入射ではない上とができます。これが回折格子を使った，最も「基本に忠に凹面回折格子なので回折条件は難しくなりそうですが，実な」分光器であると言えるでしょう。取り出す波長を変どんな時でも回折格子中心を通る光については簡単で，えたいときには，もちろんスリットの位置を動かしてもいいのですが，多くの場合，回折格子を回転させて回折の条

sin a＋sin b＝nml(1 )件を変え，スリットの開口の位置に欲しい波長の光がくる
ようにします。

となります。ここで，n は刻線密度（単位長さあたりの溝

ちなみに，点光源からの発散光を完全な平行光にするにの本数），m は回折次数（隣りあった溝で回折される光のは回転放物面が必要ですが，回折格子は一方向にしか分散

光路差が波長の m 倍になる），l はその方向に回折される機能をもちませんので，溝と平行な方向に関しては平行光光の波長です。この式は第 4, 5 回で見たブラッグ条件とである必要はありません。同様に収束光にするときも点に似ていますが，一番大きな違いはブラッグ条件では入射角集光する必要はなく，図のように線に集光するだけで分光と出射角が等しいのに，（ 1 )式では等しくない，つまりは行えます。

|a|≠|b| であることでしょう。もし |a|＝|b| で(1)式を放射光 May 2006 Vol.19 No.3 ● 187

とすると，み角）を d，集光されるときの光の収束角を d ′/s ＝ d / d ′となる」ということです。例えば Fig. 2 (a)の場
s′
合，回折格子上の光の当たっている部分の長さを l とすると，入射光の発散角は d ＝ l cos a / r ，出射光の収束角は＝l cos b/r′となり，（3)式が理解できます。
d′
集光に関する次の要素は「収差」です。例えば点を点に集光するのには楕円鏡が必要ですが，これを球面鏡で代用した場合，集光された像は広がってしまいます。これを「収差」と呼びます。入射光の発散角が小さく，光の当たFig. 2

EŠects of the source size and demagniˆcation (a), aberrations and slope error (b) on the focus property.

る部分が狭い場合には，球面でも楕円でもさほど違いはありませんが，照射範囲が広くなると理想的な形状からのずれが大きくなり，収差が大きくなります。しばしば，収差は光学素子上のある点で反射された光の，到達点における満たそうとすると，m＝0 とするしかありませんが，こう

位置のずれが，その光学素子上の位置座標の何次に比例す

すると全ての l で( 1 )式が成り立ってしまいます。これ

るかで分類されます。最も低次の収差は Fig. 2(b)に示したは，入射角と出射角が等しい場合には全ての波長の光が反焦点のずれ（デフォーカス）ですが，これは例えば出射ス

射されることを意味します。ちなみにこの条件で得られる

リットの位置をずらすなどで解消できます。それより高次

白色光を 0 次光と呼び，分光器の調整等に使われることの収差になると，「焦点は合っているけれどもサイズが小もあります。さて，分散は a を一定としたときの b と l

さくならない」ということになり厄介です。「いかに収差の関係で決まりますので，（1)式を微分することで，を減らすか」は分光器開発者の腕の見せ所と言えるでしょう。実は Fig. 1(a)に示した「基本に忠実な分光器」は収差

cos bdb＝nmdl,

dz/dl＝r′db/dl＝r′nm/cos b(2)が全くない光学系です。一方，Fig. 1(b)ではどうしても収差が生じますが，回折格子が半径 R の球面の場合には，が得られます。ここで，z は出射スリットにおける光の分

比較的収差が小さくなる条件があります。それは r ＝ R

散方向（刃と垂直方向）の位置であり，dz/dl は異なる波＝R cos b で，「ローランド条件」と呼ばれます。
cos a，r′

長の光がどれだけ違う位置にくるかを意味します。基本的

これは，回折格子に接する直径 R の円（ローランド円とにはこれが大きいほど波長の分離がしやすいわけですが，呼びます）上に光源と出射スリットが来ることを意味しま

実際には以下に述べる「集光」との相対的な関係が重要にす。全ての波長でこれを満たすためには複雑な機構が必要なります。

ですが，実際にそういった分光器（ローランド型分光器）

集光された光のサイズは何で決まるのでしょうか。一つも作られています。

目の要素は「光源のサイズ」です。今までは点光源を考え

三つ目の要素として光学素子の形状誤差（スロープエてきましたが，実際の光源はあるサイズをもっています。

ラー）があります。これは光学素子の製作技術によるもの

その結果，どんな光学系を使っても出射スリット位置におで，「平面」が実はわずかにうねっている，というようなける光は有限のサイズをもちます。この光源サイズによる状態をさします。スロープエラーの影響は上述した高次の影響を Fig. 2(a)に示します。このような単純な分光器の場収差と同様で，焦点でもサイズが小さくならないことになは以下のように合には集光点における光源サイズの下限 s′

ります。なおスロープエラーは系統的なものではありませかけます。

んので「rms で 1 秒」などとあらわされます。当然あとか
ら補正はできませんので，いかに精度の高い光学素子を製＝(r′/r)(cos a/cos b)ss′(3)

作するか，もしスロープエラーがあったとして，いかにその影響が少ない光学系にするか，が重要です。また，光学

つまり r′
が r に比べて小さいほど小さく集光できることに素子ホルダーの機械的な振動もスロープエラーと同様に考なります（もちろんその分，回折格子の曲がり具合をきつえてよいでしょう。

が s に比べてどれだ
くする必要があります）。ちなみに s ′最後の要素として回折格子の溝の本数があります。これ

け小さくなるかを「縮小率」と呼びます。さてここで，いは第 4 回でも紹介されましたが，回折現象そのものに由くつか疑問が浮かんできます。例えば， cos a / cos b は何来するもので，照射される溝の本数 N に対して分解能 l/Fig. 1 (a )のような分光器の場合はどうなるかな

Dl～ N となります。放射光源の発展に伴い，光源サイズなどです。詳しくは第 7 回でや発散角が小さくなってきましたので，光源サイズや収差説明されますが，どんな複雑な光学系でもある単純な法則の影響が減って嬉しいのですが，発散角が小さいというこ

で理解できます。それは「光源からの光の発散角（取り込とは照射される溝の本数が減ることを意味しますので注意か/ r に比例するのか
ぜ r′

188 ● 放射光 May 2006 Vol.19 No.3

特別企画 ■ 光のエネルギーを切り出す（真空紫外軟 X 線編）

が必要です。
ところで，大きな分光器の方が分解能が高いといわれますが，本当でしょうか。例えば Fig. 2 の分光器を相似を保ったまま 2 倍の大きさにしてみましょう（回折格子の刻
線密度は角度を決めるものですので，相似を保つためには変えてはいけません）。そうすると，出射スリット位置における分散の大きさも，収差やスロープエラーによる光サイズ も ，す べ て 2 倍 にな り ます （ なに し ろ相 似 で すから）。すると分散と集光で相殺して結局分解能は変わらないように思えます。ところが忘れてはいけないのが光源のサイズです。光源サイズも 2 倍になったら分解能は変わりませんが，今知りたいのは「同じ光源を使った場合の分
光器の大きさと分解能の関係」ですので，この部分で 2倍得することになります。なお，照射される溝の本数も 2倍になります。つまり，主に光源サイズか溝本数が分解能

Fig. 3

Incident angle and polarization dependence of re‰ectivity
spectra of gold as a function of photon energy.

を決めているなら，「大きいことはいいことだ」と言えるでしょう。ただし光学素子など全てが大きくなりますので，製作精度とコストにも注意しなければなりません。

2.3

高フラックスを実現するための条件と問題点

分光器の性能としては，上で示した分解能以外にフラックスがあります。ただし，どんな分光器でも分解能とフラRS(E)＝||RP(E)＝|2
2 cos u2
2
1 /2
cos u＋( ân －sin u)

(4 )

|

ân2 cos u－( ân2－sin2 u)1/2 2
ân2 cos u＋( ân2－sin2 u)1/2(5 )ックスを両立することはできず，分解能を高くすると，試料に当たるフラックスは低くなります。第 4 回では，放ここで ân は複素屈折率で屈折率 n と消衰係数 k を使っ

射光源の強度として「 photons / sec / 0.1  b.w. 」という単て ân ＝ n ＋ ik とあらわされます。 u は反射面の垂直方向か位について説明されていますが，これは 0.1 のエネル

らの入射角です。ここで 2 種類の反射率の式があります

ギー幅に含まれる光子数ですから，分解能103 で得られるが，前者は偏光ベクトルが反射鏡に平行（s 偏光。入射面

フラックスの上限です。当然，分解能が104 になれば，フに垂直とも言います）のもの，後者は垂直のもの（p 偏光。

ラックス（の上限）はその 1 /10 になります。実際の分光

入射面に平行）を示しています。

器では，例えば，分解能103 では無視できた収差の影響がFig. 3 を見ると，直入射（u＝0 deg. ）での反射率はエネ104 では深刻になるために，取り込み角を減らさなければルギーが高くなるとともに急激に減少します。50 eV 以下

ならなくなるなど，フラックスは 1 /10 よりさらに低くな

では反射率は10以上ですが，100 eV 以上では0.1程度る場合があります。

です。つまり 100 eV では鏡で 1 回反射すると強度が 1 /

それでは，同じ分解能でなるべく高いフラックスを得る

1000 になってしまいます。これではいくら強力な光源をためにはどうすればいいでしょうか。ビーム電流を増やす

持ってきても，何枚も鏡が入った光学系では，試料に届くとかアンジュレータを用いて光源を強くするということもまでに強度が激減してしまい使い物になりません。 100

1 つの方法ですが，ここでは分光器の設計で高いフラック

eV での反射率を上げるためには，入射角を大きくする必スを実現する条件を考えてみましょう。

と定義しま
要があります（繰り返しますが，直入射を 0 °分光器全体は，光源，反射鏡，回折格子，出射スリット以上の入射角では反射率が 40 程度にす）。例えば， 70 °によって成り立っています。この中で，回折格子の刻線数なり，高いフラックスを期待できます。後で実際の分光器とスリット幅および回折格子とスリット間の距離は分解能の例が示されますが，SX 領域ではほぼ直線的に光学素子を決めますので固定して考えます。残りは反射鏡と回折格が並んでいるのはこのように入射角を大きくとる（つまり子の反射率です。これを上げることでフラックスを上げる

光学素子に対して斜めすれすれに光が入射し，斜めすれすことができます。Fig. 3 に反射鏡の反射面によく使われてれに出射する）からです。しかし，入射角が大きければ大いる金の反射率の入射角度依存性の計算値を示します。こきいほどよいというわけではありません。光の純度が重要の計算は，複素屈折率のテーブル1) から以下の( 4, 5 )式2)になります。このことは次の「高次光迷光偏光」でおを用いて計算したものです。

話しましょう。
さらに強度をあげたい場合には，光学素子の数を減らすという方法が考えられます。しかしながら，光学素子を減放射光 May 2006 Vol.19 No.3 ● 189

らすことは，1 枚の素子に複数の役目を持たせることにつながります。これは，例えば反射鏡の表面形状を複雑にします。光学素子は複雑な形状になると製作時の形状誤差が大きくなり，その結果，光源本来の性能を損なってしまう
場合があります。このため，強度の観点だけで光学素子の枚数を減らすよりも，単純な形状の反射鏡や回折格子を選択した方がビームライン全体の性能として有利な場合があります。光学素子の数を減らす際には十分な配慮が必要で
す。

2.4



高次光迷光偏光
高次光

回折格子で分光された光は，（1 )式で示されているよう

Fig. 4に，基本波（ m ＝±1 ）だけではなく，高次の光も同じ角EŠective region of bulk (blue lines) and thin ˆlm (red lines)ˆlters.

度に表れます。その光の波長は，基本波の整数分の 1で，エネルギーでは整数倍になります。つまり回折格子で迷光分光された光は単色ではなく，高次光を含んでいます。そ

れでは，基本波のみを使いたい場合はどうすればいいでし2.1 で示されているように，回折格子は，光の波長を角ょうか。この方法としてまず考えられるのは，基本波と 2度に変換するものです。つまり，放射光のような白色光を次光の間にカットオフがあるローパスフィルターを入れる

回折格子に当てると，光は広い角度に分散されます。使いことです。紫外光より低エネルギー側では，多くの絶縁体

たい光を出射スリットに通したいのですが，それ以外の光や半導体のバンドギャップがあるため，それらをローパス

も，分光器容器内を多重反射して出射スリットを通ってくフィルターとして利用できます。しかしながら，固体で最ることがあります。また，特定の波長の光をスリットで切もバンドギャップが大きな物質はフッ化リチウム（LiF）

り出したつもりでも，実際には回折格子の精度や光学素子で，その大きさは約10 eV です。それ以上のエネルギーギの汚れなどで目的以外の不必要な光が出てくることがありャップを持つ物質は存在しません。それより高いエネルます。このような不必要な光を迷光といいます。迷光を除ギー用のフィルターとしては，透過型と反射型のものがあ去するためには，散乱光が出射スリットに到達しないようります。透過型のフィルターでは，金属や半導体の薄膜がに分光器の設計を工夫することが第一ですが，その他に光主に用いられます。これは Fig. 4 に示したように物質の内学素子にほこり等をつけないようにする気配りが大切で殻吸収の吸収端を使って高次光をおとすもので，多くの種す。

類の薄膜が市販されています。ただし，薄膜フィルターの

透過率は多くの場合 10 以下となり，フラックスが必要な実験には向きません。

偏光

偏向電磁石からの放射光の軌道面上は水平直線偏光をしており，アンジュレータからの光はアンジュレータの磁石

VUVSX 領域で主に用いられている高次光除去の方法

配列を反映した直線円偏光などを作り出すことができま

は，反射鏡や回折格子の反射率の波長入射角依存性を利す。この偏光特性を使うことで，物質の電子雲の方向や磁用するものです。Fig. 3 で示されているように，反射率は

気モーメントの方向を決めることができて大変有効です。

高エネルギーに向かって急激に減少します。また，この急しかしながら，偏光を損なわずに試料まで導くためには，

激に反射率が減少するエネルギーは，入射角度に依存しま

分光器も工夫が必要です。

す。よって，入射角を使いたいエネルギーにあわせること

Fig. 3 では 2 つの偏光方向に対する反射率の入射角依存によって高次光が除去できます。反射鏡の角度が固定され性が示されています。入射角 0 度付近や 90 度付近では偏ている場合には，反射面の材質を変えて高次光を除去する

光方向の違いによる反射率の差は表れませんが，途中の角こともあります。

度では，大きなずれが生じています。Fig. 5(a )は， 10 eV,

さらに，回折格子の干渉を利用する場合もあります。ラ

100 eV, 1 keV の光エネルギーでの金の反射率の角度依存

ミナー回折格子では，溝の外側の面と内側の面で光が干渉性を示しています。この計算も(4), (5)式を用いました。

します。この溝の深さは使いたいエネルギーの光が強くな

この図から，s 偏光では 0 度から90度に向かって単調に反るように設定します。その場合，偶数倍のエネルギーの光射率が上がりますが，p 偏光では，ある角度で極小をとる

は逆位相の干渉により弱め合います。このことによって，ことがわかります。この極小をとる角度はブリュースター

偶数次の高次光は落とすことができます。

（Bruster）角として知られています。
ブリュースター角近傍では，s 偏光に比べて p 偏光の反190 ● 放射光 May 2006 Vol.19 No.3

特別企画 ■ 光のエネルギーを切り出す（真空紫外軟 X 線編）

Fig. 6

Schematic layout of a typical beamline with a grazing incidence monochromator.

 光源のイズを小さくすればフラックスが下がります），

変動の波長に対する影響を減らせる（ただし光源が変動す
ると集光された光がスリットの開口部からずれるのでフラ 前置集光系の縮小率を上げるこックスは下がります），

とで，フラックスを下げずに実効的な光源サイズを小さくできる（ただし発散角は大きくなり，収差の影響は大きく
Fig. 5(a) re‰ectivity of gold as a function of incident angle at 10,
100 eV and 1 keV. (b) The re‰ectivity ratio of p- from spolarization as a function of incident angle.

なります），などが挙げられます。また，放射光源に一番近い光学素子はしばしば大きな熱負荷を受けますが，前置集光系があればその影響は入射スリットにおける光の広がりやずれとなり，少なくとも分解能や波長への影響は軽減
 光学素子されます。一方，前置集光系の欠点としては，

射率が極端に落ちますので，光源の偏光が崩れてしまいま ビームラインのの数が増えるためフラックスが下がる，

す。 2 つの偏光の反射率の比を Fig. 5 (b )に示しますが， p

全長が決まっている場合，分光器の部分が短くなる，など

偏光の反射率は s 偏光に比べて 10 eV の光でも約 20 ，があります。放射光源のサイズや安定性はどんどん進歩し

100 eV や 1 keV の 光 で は ほ と ん ど 0 に な り ま す 。 こ れていますので，最近は前置集光系のないビームラインも増は，反射直線偏光素子に使われている原理です。一方で，えています。

光源の偏光度をあまり変化させずに試料位置まで光を導く

ところで，分光という観点からはスリットの開口の方向ためには，0 度付近（直入射領域）か90度付近（斜入射領（Fig. 6 に示したビームラインでは上下方向）にだけ集光す域）を採用する必要があります。実際には，フラックスやれば良いのですが，実際にはそれと垂直な方向もある程度

高次光除去が必要ですので，VUV 領域では主に直入射光

集光しておかないと，あとで試料位置に集光するときに不学系，SX 領域では主に斜入射光学系が採用されています。

都合が生じる場合が多いので，しばしば両方向の集光が行われます。詳しくは第 7 回で紹介されますが，Fig. 6 の前

3. 実際のビームラインおよび分光器の例

置集光系は Kirkpatrick-Baez 光学系と呼ばれ，二枚の円筒鏡（M0, M1 ）がそれぞれ横ふり横集光，縦ふり縦集光3.1

前置集光系＋入射スリットというように分業しています。この光学系は縦横を自由に分光器における「光源」は，もちろん放射光源そのもの

集光できる上に，比較的収差が小さいという利点がありまである場合もあります。ところがその場合，光源サイズはす。もちろん横ふり縦集光なども可能で，この場合は「雨放射光源の性能によって決まってしまいます。また，もしどい」のような形の円筒鏡などが使われます。この方式は光源の位置が動いてしまったら，結果的に取り出される波サジタル集光と呼ばれるのですが，実はスロープエラーの長が変わってしまいます。こうした問題を避けるために，影響が小さいという利点があり，特に発散角が小さくて収

しばしば「入射スリット」を用意し，そこを仮想的な光源差があまり問題にならない場合に有効です。また，光学素として分光器を設置します。 Fig. 6 に，入射スリットのあ子を減らすという観点から，縦横両方に別々の曲率をもっるビームラインの例を示します。入射スリットを本当の放た，トロイダル鏡と呼ばれるもので一度に集光してしまう

射光源の位置に設置することは現実的ではありませんのこともあります。

で，一旦発散した光を入射スリットに集光する必要が生じます。このための光学系が「前置集光系」と呼ばれます。

3.2

分光器

 入射スリットの前置集光系を用いることの利点として，

入射スリットのあるビームラインの場合，入射スリット

開口によって実質的な光源サイズを制御できる（ただしサから出射スリットまでが「分光器」となります。もちろん

放射光 May 2006 Vol.19 No.3 ● 191

入射スリットがない場合は光源から出射スリットまでが分回折格子でも「分散」と「集光」が一度に可能なのですが，光器です。波長範囲，分解能，フラックスなどの要請は実そのためには a と b に厳しい条件が課されます7)。それに験によって大きく異なりますので，「これが最高」という対して Fig. 6 に示す分光器では，VLSG 回折格子の上流に分光器は存在せず，様々なものが作られています。以下，一枚だけ集光素子を加えることによって，定偏角でも比較

斜入射領域と直入射領域に分けて実際の分光器の例を紹介

的高分解能を達成することに成功しています8)。最近はこしますが，その前に「偏角」についてお話しておきます。

れに可変偏角機能を加えた分光器も作られています9)。

偏角とは Fig. 1 の記号でかくと a b にあたり（ a ， b の符号に注意），回折格子への入射光と（欲しい波長の）回折Fig. 3 で示したように，直入射領域では高いエネルギー

直入射領域

光がなす角です。偏角は，分散の大きさ，縮小率，スローの光は反射されません。一般に直入射領域の分光器は，最プエラーの影響の大小，回折効率など多くの条件に影響し大40 eV 程度までカバーします。直入射配置では，回折格ます。偏角が一定の分光器を「定偏角型」，何らかの機構

子とスリット間の距離が長く取れますので，比較的高い分で偏角が変えられるものを「可変偏角型」と呼びます。当解能が期待できます。

 式の他に a 然，定偏角型の方がシンプルですが，
bが

これまで作られてきた直入射分光器の代表的なものとし一定という条件が増えますので自由度は少なくなり，広いては，（ OŠ-plane ） Eagle 型分光器があります。 Eagle 型

波長範囲で高い性能を得ることが難しくなります。以下に分光器は典型的な直入射分光器といえるもので，ローラン

いくつか紹介しますが，a と b に特別な条件を課す分光器

ド条件を満足するように入射出射スリットと球面回折格

は，必然的に可変偏角型となります。

子を配置します。分光測定を行うためには，入射と出射の




斜入射領域

パスを替える必要があるため，それぞれのスリットをロー

まず，平面回折格子を用いる分光器から紹介します。平

ランド円の垂直方向上下にずらして配置し，OŠ-plane Ea-

面回折格子は基本的に「分散」しかしてくれませんので，gle 型分光器と呼ばれます。簡便な分光としては，瀬谷波他に「集光」素子が必要です。Fig. 1(a)に示した分光器は，にすることによっ
岡型分光器があります。偏角を 70 °15 ′ある意味で理想的ですが，光学素子の数という意味では不て，回折格子の回転のみで広いエネルギー範囲をカバーで利です。また，放物面鏡の加工は難しいので，ある程度分きます。この分光器は操作が簡単なために， 20 年ほど前

解能を犠牲にして円筒鏡などで代用した類似の分光器も多には広く普及しました。しかしながら，エネルギー分解能

く作られてきました。発散角が小さい光源の場合には，そが高くできないことや光源の偏光が保存しないことなどのれでも収差の影響が小さく，相当よい性能が得られていま欠点があり，現在ではあまり使われなくなっています。ます（通称 Collimated Plane Grating Monochromator3)）。もた，最近の光源の低エミッタンス性を利用し入射スリット

っと大胆に，「放射光は指向性が高いので平行光とみなそを省いた Wadsworth 型分光器も採用されるようになってう」と考えて平行化ミラーを省略した例もあります。一きました。 Wadsworth 型分光器は入射光を平行光線であ方，別の発想として，発散光をそのまま平面回折格子に照ると仮定した直入射光学系ですが，アンジュレータ光を用射し，a と b にある条件を課すことで，回折光を一枚の集いることで擬似的に平行光束とみなすことができます。実光鏡（楕円鏡等）で集光する分光器も開発されています

際には，発光点から遠い位置に球面回折格子を配置し，縮（通称 SX7004)）。

小光学系で出射スリット上に焦点を結びます。このこと

球面回折格子を用いるものとしてはローランド型分光器
が，かなり 初期に開発 されました （通称グラ スホッパ

で，光源の大きさを縮小した入射スリットを用いた Eagle型分光器と同様の分解能が期待できます。

ー5) ）。ただし，ローランド条件を満たすために結果的に多くの光学素子が必要となり，しかも駆動機構が複雑にな

3.3

後置集光系

ります。その後，ローランド条件をあきらめて一番低次の「分光」は出射スリットで完結しますが，出射スリット

収差（デフォーカス）のみを打ち消すという大胆な発想のの位置に直接試料をおいて実験をすることはほとんどあり

定偏角分光器が開発されました（通称ドラゴン6) ）。デフ

ません。色々なユーザーが様々な実験を行う放射光施設でォーカスを打ち消す方法は単純で，波長に応じて出射スリ

は，出射スリットと試料を同じ位置におくのは難しいでしットを焦点の位置まで動かすというものです。

ょう。そこで通常は出射スリットを通った光をもう一度集

ここ10年ほどでにわかに発展したのが「不等刻線間隔」

光する「後置集光系」を設置します。後置集光系では，ス回折格子（VLSG; Varied Line Spacing Grating）です。こ

リットの開口方向（ Fig. 6 では上下方向）に関しては出射

れは溝の間隔が一定でなく，位置によって変わるというもスリットが仮想光源となります。一方，それと垂直な方向のです。 VLSG の場合には回折の式がどうなるのかが気は前置集光系でどのような集光をしたかにもよりますし，になるところですが，単純に，回折格子のそれぞれの位置

分光器の中でも何らかの影響を受ける場合がありますので( 1 )式が成り立つ（ n はその位置での刻線密度）と考えで，それらとの組み合わせで考える必要があります。光学て構いません。従って，刻線間隔をうまく設計すれば平面系は基本的に前置集光系と同様で，要求されるビームサイ

192 ● 放射光 May 2006 Vol.19 No.3

特別企画 ■ 光のエネルギーを切り出す（真空紫外軟 X 線編）

ズなどに応じて 2 枚のミラーを使う場合もあれば 1 枚の鏡がスロープエラー0.1 秒以下で製作できるようになった

トロイダル鏡で済ませる場合もあります。もちろん，いずら…，駆動機構の精度が上がって複雑な動き（回転と並進れの場合もエネルギー分解能には影響しません。

の同期など）を角度0.01 秒，位置0.01 mm の精度で（しかなお， Fig. 6 には Mc として 2 枚組みのミラーシステム

もそこそこ安く）実現できたら…，10 mm の大きさで発散が入っていますが，これは 2.4 で述べた，反射率を利用し角が 10 mrad の光源があったら…，などと夢は膨らみまて高次光を除去するためのシステムです。厳密な意味ではす。一方で，そういった技術の進歩なしでも，意外なアイ

後置「集光」系ではありませんが，しばしばこの位置におディアからもっといい分光器が生まれるかもしれません。

かれるので参考までに示しておきました。

基本はすでに述べたような単純なものですので，みなさんも新しい分光器を考えてみませんか。

4. おわりにお願い

VUVSX 領域の分光器は数え切れないほどのバリエー

本シリーズでは，初心者ユーザが陥りやすい誤りやビーションがありますが，基本は「分散」と「集光」にあるこ

ムライン担当者の貴重な経験談を募集しております。最終とが理解いただけましたでしょうか。分解能重視，フラッ

回でご紹介したいと考えております。また，本シリーズにクス重視など，それぞれの分光器にはそれぞれのコンセプ

関してご意見ご要望がございましたら編集担当（ SPr-

トがあるわけですが，究極の分光器があるとすれば，それing-8 JASRI 大橋治彦/ hohashi ＠ spring8.or.jp ， KEK PFは途中で光強度を全くロスせずに，しかも出射スリットに平野馨一/ keiichi.hirano ＠ kek.jp ）までどうぞお便りくだ

おいて完全に線に集光するものでしょう。これならスリッ

さい。

トの開口によって必要な分解能とそれに対応するフラック

参考文献

ス（あるいはその逆）を得られます。いかにその究極の分光器に近づけていくか，あるいはいかに妥協するか，これ

1)からも創意工夫は続くでしょう。また，本稿ではあまり触れませんでしたが，波長の安定性も重要な要素です。光源2)の安定性についてはすでに述べましたが，その他にも例え

3)ば温度変化によって架台が伸縮し，スリットの位置が変わってしまったら，取り出される波長は変わってしまいます。もちろん光学素子の温度にも気を配らないといけません。まだまだ課題は山積みです。
分光器の進歩は技術の進歩と表裏一体です。回折格子一
つとってみても，曲率半径の精度（球面の場合），スロー
プエラー，刻線のしかた（不等間隔など），などの向上につれて，それを生かした新しいタイプの分光器が出現して

4)
5)
6)
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きました。光学素子の加工精度が上がって放物面鏡や楕円放射光 May 2006 Vol.19 No.3 ● 193