1.はじめに
放射光光源から放出されるシンクロトロン放射は、ビームラインで適切に集光・単色化され、ユーザーの測定装置に供給される。真空紫外光 (VUV)、軟X線 (SX)を供給するために、集光鏡、回折格子などの光学素子が用いられる。VUVやSXは、気体中で容易に吸収されるため、供給するためのビームラインは低い圧力を保つ必要がある。 VUVビームラインにおいて、測定試料の炭茶K吸収端領域の吸収スペクトルを正確に測定するためには、チェンバー内残留炭化水茶に起因する光学茶子の炭茶汚染を防ぐ必要がある。我々は、表面化学研究用VSXビームラインBL-13A(図1) を建設するにあたり、残留ガスによる光学素子の炭素汚染を防止するために、ビームライン全体にわたり1 × 10 -8 Pa以下の到達圧力を実現した[1]。さらにin situで光学素子の炭素汚染を除去することを目的として、M3Aチェンバーに1×10 ⁄ 2 Torr- 1×10 ⁄ 3 Torrの酸茶、M2/Gチェンバーに1×10 6 Torr～9×10 5 Torrの酸素を導入しながら、0次光を照射して表面酸素原子を生成し、M1、M2、Gr、M3Aの表面炭素汚染を除去した[2]。また、2013年に建設したBL-13Bについても同様に炭素汚染除去を行った。我々は、BL-13B後置鏡M3Bを交換したことに伴い、2021年度第I期運転期間にM3Bおよびプランチ振り分けミラーMpの炭素汚染除去を行った。また、第II期運転期間に上流のM1ミラーの炭素汚染除去を行った。本報告書では、これらの実験結果について報告する。また、第II期には、Mpについて、 NiコートミラーおよびAuコートミラーの反射光強度の比較を行ったので、本報告書で併せて報告する。 2.実験方法本実験では、超高真空槽に酸茶気体を導入して行う。ビームラインでの真空トラブルを起こさないために、チェンバー内の適切な圧力監視が望まれる。そこで、ゲートバルプ開閉、酸素気体導入時、ポンプ立ち上げ時など、何か操作を行うたびにチェンバ一内圧力を記録した。実験の前に、M3Bチェンバー上流の水平スリット、 M3Bチェンバー上流の上下スリット、およびM1焦点位置での水平スリットを予め全開にした。炭素汚染除去前に炭茶のＫ吸収端 (280–330 eV) における最下流での光強度を測定し、炭素汚染に由来して光強度が低下していることを確認した。光源基幹部チェンバーGABの圧力が1×10~10 Torr程度であることを確認しつつ、炭素汚染除去を行う光学素子のチェンバー内に酸茶気体を1×10 3 Torr導入しながら0次光を照射した。このとき、図2のように、0次光によって発生した酸茶原子の発光が確認できる。0次光を１時間程度照射した後、酸茶気体導入を止め、炭茶K吸収端付近における最下流の光強度を測定し、炭素汚染が除去されているか確認した。 3.結果3.1. M3B, Mpミラー炭茶汚染除去 (2021年度第I期運転)図3に、炭素除去前、M3B炭素除去後、Mp炭素除去後、Mp照射位置変更後のミラー電流、金メッシユ電流を示す。表1より、第一後置鏡（M3B）チェンバーにのみO,を導入したところ、実験前後のM3B電流測定において炭素の吸収端における電流値の回復は5%程度にとどまった。これはM3Bより上流にある光学素子も炭素汚染されていることを示唆する。可能性として第一集光鏡(M1)と振分け鏡(Mp)が挙げられたが、M1はビームライン使用時に常時微量のOzが導入された状態で白色光が照射されているため、炭素汚染は考えにくい。よって、この光量低下はMpの炭茶汚染が原因と考え、Mpについても追加で炭素汚染除去を行うこととなった。M3B電流について、 M3B炭素汚染除去後の測定電流は、測定領域において炭素汚染除去前の電流より平均約60%増加したが、 Mp炭素汚染除去後の測定電流はM3B炭素汚染除去後の測定電流と比較して平均約13%減少した。原因として、マイクロメーターを含むスリット可動部のバックラッシュ、光学素子の熱負荷などによって、各実験に関して再現性が得られなかったことが考えられる。特に熱負荷については、吸収端位置の変動とも関連していると考えられる。これらの改善のために、(i)マイクロメーター調節時に余分に回してから元の目盛に戻すことでバックラッシュの影響を低減させる、(ii) 30分程度ビームを導入した後に測定を開始する、といった作業が必要となると考えられな。なお、本実験終了後、最下流に設置してある光電子分光装置SES200チャンバーの圧力を測定したところ、実験終了から2日後で8.0×10 10 Torr、4日後では6×10 -10 Torrであり、炭素汚染除去時の酸素気体導入の圧力への影響は２日でかなり低減されることがわかった。 3.2. M1炭茶汚染除去 (2021年度第II期運転)図4に、実験開始前後におけるM3A電流およびIRD電流を示す。炭素汚染除去実験前後のM3A、IRD竜流はいずれも最大約17%強度が増加していることから、M1炭素汚染除去に成功したと考えられる。 M3Aについて、炭素汚染除去前後いずれも284.6 eVに吸収端があることがわかる。これは、本実験および前回の実験で除去を行っていないM3Aの炭素汚染に起因する吸収であると考えられる。M3A下流のIRDの電流値が284 eVで減少していることからも、 M3Aで吸収が起こっていることを裏付けている。図5に、Au (赤実線), Cr (緑破線), Ni (黒鎖線)コートMpミラーを使用したときの後置鏡M3Bにおける光強度を示す。Crコートでは約540 - 580 eVで、 Niコートでは約850 - 880 eV近傍で電流減少が見
られることがわかる。低いエネルギー領域(300 eV~) ではCr, Niと比較してAuの電流の方が小さいが、Cr, Niともに前述の吸収端位置より高エネルギ一側でAuより電流が小さくなる傾向にあることがー方、各コーティングをSiO₂基板上に50 nm積層させたときの、30 - 2000eVの光における反射率を図 6に示す[3]。Auコートは、反射率が約150 eV以上で60%程度まで減少し、約1300 eVまで緩やかに減少する。一方、Crコートでは反射率は約580 eVの吸収端までは80%以上、1000 eV付近では50%程度である。また、Niは、約850 eV付近の吸収端までは80%以上、1200 eV付近では40%程度である。したがって、図５の結果と図６で示したCr, Niの吸収端位置および反射強度は傾向が一致していることから、本実験によって妥当な反射率の比較結果が得られたといえる。
4.まとめ・今後の展望
本報告書では、2021年度運転中に行ったBL-13の光学素子M3B, Mp,およびM1の炭素汚染除去の結果を報告した。これらの光学素子について酸素雰囲気下で0次放射光を照射することで炭茶汚染除去を行うことで、光量の改善が確認された。本実験では第二後置鏡 M3B’については炭茶汚染除去を行わなかったため、次年度運転以降には実施したい。また、 Ml 炭素汚染除去を行った際、炭素の吸収スペクトルが親測されたため、BL-13A後置鏡M3Aの炭素汚染除去も併せて行う必要があると考えられる。
お考文献
[1] A. Toyoshima, H. Tanaka, T. Kikuchi, K. Amemiya and K. Mase, J. Vac. Soc. Jpn., 54, 580-584 (2011). [2] A. Toyoshima, T. Kikuchi, H. Tanaka, J. Adachi, K. Mase and K. Amemiya, J. Synchrotron Rad. , 19 , 722- 727 (2012). [3] B. L. Henke, E. M. Guillikson and J. C. Davis, At. Data Nucl. Data Tables, 54, 181-342 (1993).