高輝度光科学研究センター(JASRI)は、大型放射光施設「SPring-8」において、ナノメートルの表面精度を持つ2次元楕円面鏡を作製し、楕円面鏡としてはこ非常に小型の100nm集光ビームを実現したと発表した。
同成果は、高輝度光科学研究センターの湯本博勝 研究員、大橋治彦 主席研究員、大阪大学 大学院工学研究科の山内和人 教授らの研究グループ、理化学研究所 放射光科学総合研究センター 放射光イメージング利用システム開発ユニットの香村芳樹ユニットリーダーらの共同研究によるもの。詳細は、英国科学誌「Scientific Reports」に掲載された。
SPring-8やX線自由電子レーザ施設「SACLA」で利用されるX線顕微鏡では、光源で発生したX線を無駄なく集めて微小な観察対象を明るく照明し、試料からの信号をできる限り効率的に検出する高感度分析や微量元素分析が期待されている。このためには、X線の集光ビームを形成するレンズであるX線集光光学素子の作製技術の高度化が必須となる。今まではX線用の鏡を2枚組み合わせることで2次元のナノ集光ビームを形成しており、1枚のX線鏡で2次元のナノ集光ビームを形成可能な高効率X線鏡を作製することができなかった。
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2枚の鏡を組み合わせた2次元集光ビーム形成。それぞれの鏡表面は、X線を反射して集めることができるように、1次元的な楕円(楕円筒面)の形状をしている。2回反射することで、X線を2次元的に集光する (出所:Spring-8 大型放射光施設Webサイト)
研究グループは今回、1枚の鏡により2次元のX線集光ビームを形成可能な楕円面形状を持つ鏡の開発に成功した。2次元ナノ集光ビームを形成可能な楕円面形状を持つX線鏡は、急峻な傾きを持つ表面形状に対して、高精度な表面が必要であり、2次元的な非球面表面形状をもつ楕円面鏡に対して、従来の技術では、必要なナノメートル単位の高精度表面を作製することが困難だった。そこで、X線鏡の作製技術である非球面加工や表面形状計測における課題を解決することで、1nmの表面精度をもつ楕円面鏡を作製した。
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1枚の楕円面鏡による2次元集光ビーム形成。2次元的に楕円面形状に湾曲した表面によりX線を1回反射することで、X線を2次元的に集光することが可能である。X線を反射するために、鏡に対して非常に浅い角度で入射する (出所:Spring-8 大型放射光施設Webサイト)
さらに、この楕円面鏡を利用したX線顕微鏡をSPring-8で構築し、楕円面鏡としては小サイズな縦方向125nm、横方向85nmの2次元集光ビームの形成に成功。これにより、2次元的な非球面形状をもつX線鏡の作製技術の確からしさが実証された。楕円面鏡による集光は、SPring-8やSACLAで利用されるさまざまな先端X線顕微鏡を支える高効率ナノビーム形成や光学系の安定性の向上に役立つものと期待されるという。
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開発した超高精度楕円面形状を持つX線集光鏡の写真 (出所:Spring-8 大型放射光施設Webサイト)
