1-nm-wide X-ray beams by developing millimeter-scale ultra-precision reflective optics

通过开发毫米级超精密反射光学器件实现 1 nm 宽的 X 射线束

• 批准号: 20J21562
• 负责人: 島村 勇徳
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J21562/
• 关键词: X線; 集光ビーム; 高精度成膜; 短い焦点距離; 大きな開口数; 軟X線; 集光鏡; 蛍光X線観察; X線ミラー

【概要】本研究は世界で最も微細なX線ビームの実現を目標とし，2つの独自案を集光鏡設計に盛り込む．令和4年度は，1つ目の案「集光鏡の超小型化」の実証実験について，過去に例を見ない集光結果を確かめ，試料を多角的に評価可能な顕微手法を開発した．また，2つ目の案「反射膜を積層する多層膜構造の新設計」について，実現可能性がある方針を見出した．【具体的内容】集光鏡を超小型化すると，X線を小さいスポットに集め，かつスポットを理想的な状態に保持しやすくなる．しかし，集光鏡の半径を従来の数十メートルから150 mmと100倍以上急峻にする必要があり，加工・計測手法が確立していなかった．新たに作製方法を確立し，兵庫県の大型放射光施設SPring-8にて集光鏡の集光性能を評価した．光子エネルギーに依らない一定位置での理想集光を，軟X線領域で初めて実現し，集光サイズは最小20.4 nmに到達した．この特性を利用し，二色の軟X線を混合した微小集光スポットを形成した．本スポットを使った蛍光X線観察と新たに導出したアルゴリズムを使用し，試料密度・厚み・軽元素・金属元素の分布を同時に定量評価できる唯一の手法を開発した．また，多層膜構造の新設計について，フランスにある欧州大型放射光施設（ESRF）の研究者と議論・実験し，本構造が可能と思われる材料のペアを見出した．【意義】集光・顕微観察結果は共に世界随一である．提案する顕微観察法によって，従来観察された重元素分布に加え，軽元素と試料形状も同時に高分解能で定量評価できる．提案する多層膜構造は，各層が非常に薄いことが課題となっていた．検討中の材料であれば，その薄さを実現できると期待される．【重要性】例えば，薬粒子の場所を細胞内で追跡するナノ薬理動態分野への応用が期待され，さらなる空間分解能向上が見込まれる．

[摘要] 这项研究旨在实现世界上最精细的X射线束，并将两个原创想法融入到聚光镜设计中。在2020财年，我们确认了第一个提案“聚光镜的超小型化”的前所未有的光聚焦结果，并开发了一种可以从多个角度评估样品的显微镜方法．我们还为第二个提案找到了可能的政策，“一种新设计的多层膜结构，其中层压有反射膜。” 【具体细节】将聚光镜做得超小，更容易将X射线集中到一个小光斑，并保持该光斑处于理想状态。然而，聚焦镜的半径必须加大100倍以上，从几十米到150毫米，并且尚未建立加工和测量方法。我们建立了一种新的制造方法，并评估了兵库县大型同步辐射设施 SPring-8 的聚焦镜的聚焦性能。我们首次在软X射线区域实现了与光子能量无关的固定位置的理想光聚焦，并实现了最小聚焦光尺寸20.4 nm。利用这一特性，我们创建了一个混合两种颜色软 X 射线的微观聚焦点。通过使用该点的荧光X射线观察和新导出的算法，我们开发了唯一可以同时定量评估样品密度、厚度以及轻元素和金属元素分布的方法。我们还与法国欧洲同步辐射装置（ESRF）的研究人员就多层薄膜结构的新设计进行了讨论和实验，并找到了两种使这种结构成为可能的材料。 【意义】无论是光聚焦还是显微观察结果都是世界上最好的。利用所提出的显微观察方法，除了传统观察的重元素分布之外，还可以以高分辨率同时定量评估轻元素和样品形状。所提出的多层薄膜结构的问题在于每层都非常薄。预计所考虑的材料将能够达到这种厚度。 [重要性] 例如，它有望应用于纳米药效学领域，在细胞内跟踪药物颗粒的位置，并有望进一步提高空间分辨率。

项目成果

Design of soft x-ray fluorescence microscopy beyond 100-nm spatial resolution with ultrashort Kirkpatrick-Baez mirror

使用超短 Kirkpatrick-Baez 镜设计超过 100 nm 空间分辨率的软 X 射线荧光显微镜

• DOI: 10.1117/12.2632949
• 发表时间: 2022
• 期刊: Advances in X-Ray/EUV Optics and Components XVII
• 作者: Shimamura Takenori;Takeo Yoko;Moriya Fumika;Kimura Takashi;Shimura Mari;Senba Yasunori;Kishimoto Hikaru;Ohashi Haruhiko;Shimba Kenta;Jimbo Yasuhiko;Mimura Hidekazu
• 通讯作者: Mimura Hidekazu

差分成膜法による超小型X線集光ミラーの作製

微分薄膜沉积法制作超小型X射线聚焦镜

• 发表时间: 2021
• 作者: 島村 勇徳;竹尾 陽子;木村 隆志;仙波 泰徳;岸本 輝;大橋 治彦;三村 秀和
• 通讯作者: 三村 秀和

日本放射光学会誌「放射光」

日本同步辐射线学会杂志《同步辐射线》

• 发表时间: 2021
• 作者: 遠山 慧子; 関 岳人;馮 斌;幾原 雄一;柴田 直哉;島村勇徳
• 通讯作者: 島村勇徳

HIRAKU 3MT Competition 2021 English Division 録画

HIRAKU 3MT 比赛 2021 英语组录音

European Synchrotron Radiation Facility(フランス)

欧洲同步辐射装置（法国）