Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 WEP020

楔形ターゲット結晶を用いたパラメトリック X 線源におけるX 線トポグラフの振舞い
BEHAVIOR OF X-RAY TOPOGRAPH FOR PARAMETRIC X-RAY SOURCEUSING A WEDGE-SHAPED TARGET CRYSTAL
稲垣 学#, A), 早川 恭史 A), 早川 建 A), 田中 俊成 A), 中尾 圭佐 A), 境 武志 A), 野上 杏子 A), 高塚 健人 A),
佐藤 勇 A),#, A)
A)
Manabu Inagaki, Yasushi Hayakawa , Ken HayakawaA), Toshinari TanakaA), Keisuke NakaoA), Takeshi SakaiA),
Kyoko NogamiA), Kento Takatsuka A), Isamu Sato A)
A)
Laboratory for Electron Beam Research and Application, Nihon UniversityAbstract
The X-ray beam from the parametric X-ray radiation (PXR) generator consisting of the double-crystal system at theLaboratory for Electron Beam Research and Application (LEBRA) in Nihon University has been applied to wavelength
dispersive X-ray absorption fine structure (DXAFS) measurement and diffraction-enhanced imaging. The diffraction
pattern (X-ray topograph) appeared clearly when using the target crystal which had a partly wedge-shaped cross-section.
Therefore, the dependence of the X-ray topograph on the angle of each crystal and on the position of the incident
electron beam at the target crystal was investigated. As a result, the X-ray topograph was dependent on the angle of thetarget crystal, but was not dependent on the position of the incident electron beam at the target crystal and on the angleof the second crystal.

1.

はじめに

Table 1: Specifications of the LEBRA-PXR System
Linac
Electron energy
100 MeV
Acceleration frequency
2856 MHz
Macropulse beam current
120 - 135 mA
Macropulse duration
4 - 10 s
Macropulse repetition rate2 - 5 pps
PXR generator
First (target) crystal
Si(111), Si(220)
Wedge gradient angle
3, 5 degree
Second (reflector) crystal
Si(111), Si(220)
X-ray energy region
Si(111)
4.0 - 21 keV
Si(220)
7.0 - 34 keV
X-ray exit port
Window material
125 m thickness
polyimide film
Aperture diameter
100 mmDistance from source point～7.34 mTotal X-ray photon rate
106 - 108 /s

日本大学電子線利用研究施設（LEBRA）の新しいX 線源であるパラメトリック X 線放射（PXR）発生装置は、125 MeV 電子線形加速器を用いている[1]。
LEBRA-PXR システムは 2 枚の完全結晶を使用してエネルギー可変な単色 X 線ビームを発生させている。
ここで、第一結晶は X 線の放射源であるターゲット、第二結晶は X 線の取り出し位置を固定するための X線輸送の役割を果たしている。PXR からの X 線ビームは、Bragg の回折条件をほぼ満たした状態で発生する。つまり、入射電子ビームに対してターゲット結晶の角度を変えれば、X 線エネルギーを自由に変更できる。この X 線ビームはコヒーレンスが良く、水平方向に一次関数的なエネルギー（波長）分散がある。この特性を利用して、波長分散型 X 線吸収微細構造（DXAFS）測定や回折強調型位相コントラストイメージング（DEI）などの研究に応用されている[2-5]。LEBRA-PXR システムの主なパラメータを表 1 に示す。
LEBRA-PXR システムの完全結晶は、主に Si(111)および Si(220)を使用している。PXR の特性を調べゲット結晶を入手したので、各々の傾斜角の違いにるために、多種多様な形状の結晶も試している。こよるターゲット結晶に入射する電子ビームの Bragg
れまでに傾斜角 5 deg.の楔形 Si(220)ターゲット結晶
角（X 線エネルギー）および位置、第二結晶の角度を用いた場合、回折像（X 線トポグラフ）と思われにおける X 線トポグラフの振舞いを報告する。
る現象が X 線ビームに現れた[6]。X 線ビームを用いた実験は、試料を透過した X 線を検出器で測定する
2. 実験方法
方法が主であるため、X 線トポグラフの影響は試料
LEBRA-PXR システムはターゲット結晶から X 線の構造解析をするにあたり厄介な存在となる。この取り出しポートまでの距離
L が 7.34 m であり、PXRため、今回新たに傾斜角 3 deg.の楔形 Si(220)ター
ビームは X 線取り出しポートから大気中に出る。
#
inagaki@lebra.nihon-u.ac.jp
ターゲット結晶は厚さ 0.2 mm の Si(220)対称平板結___________________________________________- 451 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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晶のエッジ部分を楔状にして、その傾斜面が非対称面になるようにした。傾斜角は 3 deg.および 5 deg.
である。楔形の場合、電子ビームに対して垂直方向にターゲット結晶を移動させると、電子ビームの入射位置を結晶の対称面あるいは非対称面に変更することが可能である。第二結晶は厚さ 5 mm の Si(220)
平板結晶である。検出器にはイメージングプレート（IP）を用い、X 線取り出しポートの直後に設置した。Figure 1 に実験のセットアップ概略図を示す。

Figure 3: The X-ray topograph; the PXR energy is (a)14.0 keV, (b) 14.25 keV and (c) 14.5 keV. The gradientangle of the wedge-shaped target crystal is 5 degree.
ルギーを 14.0、14.25、14.5 keV に変化させると、X線トポグラフもそれに応じてシフトすることが確認できた（Figure 3）。撮像時間は 10 分である。これ
らの結果から、X 線トポグラフは同じ X 線エネルギー（Bragg 角）の場合でも楔の傾斜角によって違いが生じた。すなわち、X 線トポグラフは PXR ではなく、結晶に起因する現象であることがわかった。
3.2

Figure 1: Schematic setup for the measurement of the Xray topograph. The incident electron beam position on
the target crystal was observed using the digital CCD
video camera mounted on a telescope.

3.

実験結果

3.1

X 線エネルギーと X 線トポグラフ

電子ビームの入射位置と X 線トポグラフ

ターゲット結晶に入射する電子ビームの位置にお楔形ターゲット結晶の傾斜角と PXR の X 線エネルギーを 7.0 - 34.0 keV と変更した場合における、X線トポグラフの振舞いを調べた。電子ビームの入射位置はターゲット結晶の非対称面にした。本実験において、明度に関しては対数化したネガ像、また X線トポグラフが明瞭になるようにコントラストを調整した。撮像時間は X 線エネルギーによって異なるが 5 - 10 分である（Figure 2）。次に、一例として
PXR の X 線エネルギーが 14.0 keV、楔形ターゲット結晶の傾斜角が 5 deg.のときに着目した。X 線エネ

Figure 2: The X-ray topograph at each PXR energy.
The PXR energy is (a) and (d) 7.0 keV, (b) and (e) 18.0keV, (c) and (f) 28.0 keV. The gradient angle of thewedge-shaped target crystal is 5 degree (upper) and 3degree (lower).

Figure 4: The position of the incident electron beam on
the target crystal (upper), and the X-ray topograph ateach position (lower). The incident electron beam
position on the target crystal; (a) is the edge part of anasymmetry plane, (b) is an asymmetry plane and (c) is asymmetry plane. Red frame: the PXR energy is 14.25
keV and the gradient angle of the wedge-shaped target
crystal is 5 degree. Blue frame: the PXR energy is 26.0
keV and the gradient angle of the wedge-shaped target
crystal is 3 degree.

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ける X 線トポグラフの振舞いを調べた。電子ビームの入射位置は、望遠鏡に取り付けられた CCD カメラを用いて、ターゲット結晶から発生する光学的遷移放射の位置から判断した（Figure 1）。PXR の X
線エネルギーは 14.25 keV と 26.0 keV である。撮像時間は楔の傾斜角または電子ビームの入射位置によって異なるが 8 - 15 分である（Figure 4 上）。
ターゲット結晶の楔の傾斜角における X 線トポグラ
フの違いは生じたが、ターゲット結晶上の電子ビー
ムの入射位置に対して明らかな違いは生じなかった（Figure 4 下）。この結果から、X 線トポグラフは対称面あるいは非対称面に関係なく、Bragg 角に依存することがわかった。また、結晶表面ではなく結晶内部の損傷などによって X 線トポグラフが発生していると考えられる。
3.3

第二結晶の角度と X 線トポグラフ

ターゲット結晶に入射する電子ビームの位置を非Figure 6: The normalized diffraction curve of the
対称面に固定して、第二結晶の角度における X 線ト
second crystal (upper), and the X-ray topograph of each
ポグラフの振舞いを調べた。PXR の X 線エネル
crystal angle (lower); (a) is the low angle side where theギーが 14.25 keV のとき楔形ターゲット結晶の傾斜
X-ray intensity is half-value, (b) is the peak angle of the
角が 5 deg.における第二結晶の回折曲線を Figure 5
diffraction curve and (c) is the high angle side where the
上、また同様に X 線エネルギーが 26.0 keV のとき
X-ray intensity is half-value. The gradient angle of the
傾斜角が 3 deg.の回折曲線を Figure 6 上に示す。
wedge-shaped target crystal is 3 degree, and the PXR
各々の傾斜角に対して、X 線強度が最大（Figure 5energy is 26.0 keV.
上(b)、Figure 6 上(b)）および半値（Figure 5 上(a)(c)、ターゲット結晶から発生し、第二結晶でそのまま反Figure 6 上(a)(c)）になる第二結晶の角度における X射して輸送されていると考えられる。
線トポグラフを Figure 5 下および Figure 6 下に示す。
撮像時間は傾斜角および第二結晶の角度によって異4. まとめなるが 8 - 15 分である。この結果から、第二結晶の
これまでの研究から LEBRA-PXR システムにお角度を変化させても X 線トポグラフに違いが生じないて傾斜角5 deg.の楔形 Si(220)ターゲット結晶をいことがわかった。すなわち、X 線トポグラフは用いると、X 線トポグラフが発生することはわ
か っ て い た 。 今 回 新 た に 傾 斜 角 3 deg. の 楔 形
Si(220)ターゲット結晶を入手したので、各々の傾斜角の違いによる PXR の X 線エネルギー（Bragg角）、ターゲット結晶における電子ビームの入射位置、第二結晶の角度に対する X 線トポグラフの振舞いを調べた。その結果、X 線トポグラフはPXR に由来するものではなく、ターゲット結晶から発生する現象であることがわかった。さらに、ターゲット結晶に入射する電子ビームの角度（Bragg 角）にのみ依存した。また、X 線トポグラ
フの模様は全て線形であり、結晶表面ではなく結晶内部の損傷などによって発生していると考えられる。

参考文献
Figure 5: The normalized diffraction curve of thesecond crystal (upper), and the X-ray topograph of eachcrystal angle (lower); (a) is the low angle side where the
X-ray intensity is half-value, (b) is the peak angle of thediffraction curve and (c) is the high angle side where the
X-ray intensity is half-value. The gradient angle of thewedge-shaped target crystal is 5 degree, and the PXR
energy is 14.25 keV.

[1] Y.Hayakawa et al., “Simulations to the project of a PXR
based X-ray source composed of an electron linac and adouble-crystal system”, NIM. B 227 2005, http://ac.elscdn.com/S0168583X04008298/1-s2.0-S0168583
X04008298-main.pdf?_tid=b813bba0-34ee-11e5-aad800000aab0f02&acdnat=1438063740_fc5533a9ffbfc2625
a3711bc195651ef[2] Y.Hayakawa et al., “Improvement in the performance of the
X-ray source based on parametric X-ray radiation using awedge-shaped target crystal”, IL NUOVO CIMENTO 34 C,- 453 -

Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, JapanPASJ2015 WEP020

N.4, pp. 253-259, 2011.
[3] Y.Hayakawa et al., “X-ray imaging using a tunable coherent
X-ray source based on parametric X-ray radiation”, Journalof Instrumentation Vol. 8, 2013, http://iopscience.iop.org/
1748-0221/8/08/C08001/pdf/1748-0221_8_08_C08001.pdf[4] M.Inagaki et al., “Wavelength Dispersive X-ray Absorption
Fine Structure Imaging by Parametric X-ray Radiation”,
Japanese Journal of Applied Physics 47 2008,
http://iopscience.iop.org/1347-4065/47/10R/8081/pdf/13474065_47_10R_8081.pdf[5] M.Inagaki et al., “IMPROVEMENT IN XANESMEASUREMENT USING PARAMETRIC X-RAY
SOURCE”, Proceedings of the 9th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, Toyonaka, Aug. 8-11,
2012, http://www.pasj.jp/web_publish/pasj9/proceedings/
PDF/THPS/THPS132.pdf[6] M.Inagaki et al., “INFLUENCE OF X-RAY TOPOGRAPH
FOR IMAGE ACQUISITION USING PARAMETRIC XRAY RADIATION”, Proceedings of the 10th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagoya,Aug. 2-6, 2013, http://www.pasj.jp/web_publish/pasj10/
proceedings/PDF/SUP1/SUP108.pdf- 454 -