JP2014013169A

JP2014013169A - 集光径可変なｘ線集光システム

Info

Publication number: JP2014013169A
Application number: JP2012150245A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Matsuyama; 智至松山; Kazuto Yamauchi; 和人山内; Hiromi Okada; 浩巳岡田
Original assignee: Osaka University NUC; JTec Corp
Current assignee: JTec Corp; University of Osaka NUC
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: JP6043906B2

Abstract

【課題】
同一集光光学系を用いて回折限界下でＸ線の集光径を、走査型Ｘ線顕微鏡での使用に適した５０ｎｍ以下からＸ線回折顕微鏡での使用に適したμｍオーダーまでの広範囲に変更可能なＸ線集光システムを提供する。
【解決手段】
第１楕円Ｅ１の一方の焦点を光源Ａとし、他方の焦点を共通焦点Ｂとするとともに、第２楕円Ｅ２の一方の焦点を固定焦点Ｃとし、他方の焦点を共通焦点と一致させ、第１ミラーＭＵの形状を第１楕円の一部で形成し、第２ミラーＭＤの形状を第２楕円の一部で形成し、光源と固定焦点の位置を固定したまま、共通焦点の位置と第１ミラーと第２ミラーの形状を変化させて、固定焦点での集光径を変える。
【選択図】図１

Description

本発明は、集光径可変なＸ線集光システムに係わり、更に詳しくは同一集光光学系を用いて集光径を広範囲で変更可能なＸ線集光システムに関するものである。

レントゲンによってＸ線が発見されて以来、X線分析技術は、医学・生物学・材料科学など、あらゆる分野の最先端研究の進展に不可欠な存在となっている。特に最近ではＸ線分析の高分解能化の流れは目覚ましく、既に１００ｎｍ分解能のＸ線顕微鏡が日常的に用いられている。Ｘ線顕微鏡に用いる集光光学系の開発も進み、形状可変Ｘ線ミラーを用いて反射面の形状誤差を補正して回折限界を達成する試みもある。

例えば、特許文献１には、超精密な反射面を有する垂直方向楕円集光ミラーと水平方向楕円集光ミラーを互に直角に光軸方向に配置してKirkpatrick−Baez（ＫＢ）ミラー系を構成し、各楕円集光ミラーで硬Ｘ線を反射させて集光するＸ線集光方法において、前記楕円集光ミラーの前段であって波面補正をする楕円集光ミラーに対応させて反射面の形状可変機能を有する形状可変型平面ミラーを配置し、該形状可変型平面ミラーで反射されたＸ線が楕円集光ミラーで焦点に集光するようなＸ線集光光学系とし、焦点近傍での光軸に垂直な平面におけるＸ線強度分布を測定するとともに、入射Ｘ線の光軸に垂直な平面におけるＸ線強度分布を測定し若しくは入射Ｘ線の既知のＸ線強度分布を用い、焦点近傍でのＸ線強度分布と入射Ｘ線強度分布から位相回復法を用いて反射面での複素振幅分布を算出し、この複素振幅分布からＸ線集光光学系の波面収差を算出し、この算出した波面収差を最小にするように前記形状可変型平面ミラーの反射面の形状を制御することを特徴とする位相回復法を用いたＸ線集光方法が開示されている。

また、特許文献２には、軟Ｘ線から硬Ｘ線領域のＸ線ビームを反射させて理想波面に変更するための反射面形状制御ミラー装置であって、基板の表面中央部に帯状のＸ線反射面を形成し、該Ｘ線反射面の両側に沿って基準平面を形成するとともに、基板の両側部で少なくとも表裏一面に複数の圧電素子を前記Ｘ線反射面の長手方向に並べて基板に接合した反射面形状制御ミラーと、前記各圧電素子に電圧を印加する多チャンネルのコントロールシステムとからなる反射面形状制御ミラー装置が開示されている。ここで、前記反射面形状制御ミラーが、前記基板の両側部で、前記Ｘ線反射面を中心として左右対称に前記圧電素子を列設し、更に前記基板の表裏両面に同じ配置パターンで前記圧電素子を列設した点も開示されている。

ところで、Ｘ線顕微鏡には二つの方式があり、一つは走査型Ｘ線顕微鏡であり、もう一つはＸ線回折顕微鏡である。走査型Ｘ線顕微鏡は、小さな集光径のＸ線で試料を照射し、それを所定領域に渡って走査し、試料から発生する蛍光Ｘ線や、散乱Ｘ線、透過Ｘ線を検出して分析するので、分解能はＸ線の集光径に依存する。そのため、走査型Ｘ線顕微鏡では、Ｘ線の集光径は小さいほど良い。一方、Ｘ線回折顕微鏡は、大きな集光径のＸ線で試料の全体又は広い領域を同時に照射し、試料を透過した前方散乱Ｘ線の回折像を取得し、それに基づいて試料の各部の情報を得るのである。そのため、Ｘ線回折顕微鏡では、Ｘ線の集光径は比較的大きくなるが、明るさも必要であるので、あまり大きくすることもできない。例えば、走査型Ｘ線顕微鏡ではサブ５０ｎｍ、Ｘ線回折顕微鏡ではμｍオーダーのＸ線集光径である。

特許第４８１４７８２号公報特開２０１１−１３７７１０号公報

しかし、Ｘ線の光学系には、電子顕微鏡の電磁レンズが持つ柔軟性(倍率可変・多様な顕微手法)はなく、一つの実験を固定された倍率で行えるだけである。これまで開発されてきた形状可変ミラーを用いたＸ線集光光学系は、単純に形状可変ミラーを楕円形状に変形させ、これを２枚直交するように配置(KB配置)したものであった。この場合、集光径を変化させるには、焦点距離を変化させなければならず、このような集光ビームで試料分析を行うに当たっては、再度試料位置を調整しなくてはならなかった。そこで、光学パラメータを自由に変更できる新しいＸ線顕微システムの開発が求められている。

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、同一集光光学系を用いて回折限界下でＸ線の集光径を、走査型Ｘ線顕微鏡での使用に適した５０ｎｍ以下からＸ線回折顕微鏡での使用に適したμｍオーダー、更に大きいサイズまで広範囲に変更することが可能となる集光径可変なＸ線集光システムを提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、光源から射出されたＸ線を反射面の形状が可変な１次元の第１ミラーと第２ミラーで反射させて固定焦点に集光する斜入射Ｘ線光学系であり、第１楕円の一方の焦点を光源とし、他方の焦点を共通焦点とするとともに、第２楕円の一方の焦点を光学系全体の固定焦点とし、他方の焦点を前記共通焦点と一致させ、前記第１ミラーの反射面の形状を前記第１楕円の一部で形成し、前記第２ミラーの反射面の形状を前記第２楕円の一部で形成し、前記光源からのＸ線を前記第１ミラーの反射面で反射させて前記共通焦点を通過させた後、前記第２ミラーの反射面で反射させて固定焦点に集光する配置とし、前記光源と固定焦点の位置を固定したまま、前記共通焦点の位置を変更してそれに対応して前記第１ミラーと第２ミラーの反射面の形状を変化させることにより、前記固定焦点での集光径を変えることを特徴とする集光径可変なＸ線集光システムを構成した（請求項１）。

ここで、前記光源から前記第１ミラーの反射面の中心点までの距離、前記固定焦点から前記第２ミラーの反射面の中心点までの距離、前記第１ミラーの反射面の中心点に対する入射角及び前記第２ミラーの反射面の中心点に対する入射角を予め定めた後、固定焦点で集光径が最小となる共通焦点の位置を算出し、前記第１楕円と第２楕円を決定してなることが好ましい（請求項２）。

そして、前記第１ミラーの反射面の中心点の座標と前記第２ミラーの反射面の中心点の座標を固定し、前記光源から第１ミラーの反射面の中心点、共通焦点、第２ミラーの反射面の中心点及び固定焦点を結ぶＸ線の中心軌跡を維持するとともに、前記共通焦点を前記第１ミラーと第２ミラーの間の中心軌跡に沿って移動させてなることがより好ましい（請求項３）。

そして、２対の前記第１ミラーと第２ミラーを用い、１対を水平方向に配向して水平第１ミラーと水平第２ミラーとするとともに、１対を垂直方向に配向して垂直第１ミラーと垂直第２ミラーとし、前記水平第１ミラーと垂直第１ミラーを前後に配置して１段目のＫＢ配置とするとともに、前記水平第２ミラーと垂直第２ミラーを前後に配置して２段目のＫＢ配置としてなることが、２次元の集光を行えて更に好ましい。

以上の構成により、前記固定焦点での集光径を３０ｎｍから１０μｍの範囲で変更可能とした（請求項５）。

以上にしてなる本発明の集光径可変なＸ線集光システムは、水平方向又は垂直方向の集光において、一対の楕円形状の形状可変ミラーを用いるので、色収差がなく、共通焦点の位置を変えることにより、光源や試料を配置する固定焦点の位置を変更することなく、同一集光光学系を用いて集光径を容易に変更することができ、またフラックスロスもない。常に、回折限界での集光となり、回折顕微鏡で需要なダークフィールドを最大化することができる。長波長（低エネルギー）領域のＸ線では、仮想光源サイズ、集光サイズともに波長に比例して大きくなるが、常に回折限界での集光条件を維持することが可能である。

また、自由かつ高精度に変形できる形状可変ミラーを４枚用いることで、集光径が可変な集光光学系が構築可能となる。これによる具体的な応用として、これまで別々に開発されてきた走査型Ｘ線顕微鏡と回折顕微鏡を統合した新しい顕微鏡の開発が挙げられる。このような顕微鏡では、スペクトロスコピーによって局所分析を行い(走査型Ｘ線顕微鏡モード)つつも、試料全体からの散乱Ｘ線を計算機によって再構成することで試料全体を可視化することが可能となり、真の意味で汎用的なＸ線顕微鏡を実現できる。

本発明における一対の形状可変Ｘ線ミラーと光源、共通焦点及び固定焦点との関係を示す説明図である。本発明の基本原理を示す説明図である。本実施形態で使用した形状可変Ｘ線ミラーの全体斜視図である。同じく形状可変Ｘ線ミラーの構造を示す部分斜視図である。同じく形状可変Ｘ線ミラーの変形再現性を試験した結果を示すグラフである。本発明の集光径可変なＸ線集光システムの説明用配置図である。一対の形状可変Ｘ線ミラーを用いた１次元集光におけるシミュレート結果を示し、上流側の第１ミラーＭＵの形状を示すグラフである。同じく下流側の第２ミラーＭＤの形状を示すグラフである。同じく第１ミラーによる共通焦点Ｂでの集光強度プロファイルを示すグラフである。同じく第２ミラーによる固定焦点Ｃでの集光強度プロファイルを示すグラフである。同じく一対の形状可変Ｘ線ミラーを用いた１次元集光におけるシミュレート結果を示し、固定焦点においた試料面での回折パターンを示す説明図である。

次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１及び図２は、本発明の基本原理を示す説明図であり、水平方向又は垂直方向の何れか１次元の集光について説明している。

本光学系では、図１に示すように、第１楕円Ｅ１の焦点(光源Ａ)から出たＸ線が、第１ミラーＭＵに反射され、共通焦点Ｂに集まり、第２ミラーＭＤで反射された後に、第２楕円Ｅ２の固定焦点Ｃに集まる。第１ミラーＭＵと第２ミラーＭＤは、形状可変ミラーとし、光源の位置Ａと固定焦点Ｃ（試料位置）を固定し、２つの楕円Ｅ１，Ｅ２の共通焦点Ｂを一致するように変形させることで、すべての光を固定焦点Ｃに集められる。焦点距離を変化させることなく、光学系の開口数（ＮＡ）を変化させることで回折限界下において集光径（ビームサイズ）を３０ｎｍから１０μｍの範囲で変化させることができる。また、楕円と放物線を組み合わせると更に大きな集光径が得られる。

上述したように、２枚のミラーＭＵ，ＭＤはそれぞれ２つの楕円Ｅ１，Ｅ２の一部の形状を持つように変形させる。形状可変ミラーＭＵ，ＭＤを上述したように２つの焦点（Ａ，Ｃ）を固定し、共通焦点Ｂを一致させながら異なる楕円形状へと変形させると、第２ミラーＭＤに照射させる光束の大きさが変化する。これによって開口数が変化できるので、開口数に反比例する形で回折限界下の集光径を変化させることができる。尚、図中符号Ｅ１Ａは、第１楕円Ｅ１の長軸、Ｅ２Ａは、第２楕円Ｅ２の長軸を示している。また、第１ミラーＭＵの反射面Ｒ１の中心点をＰ１、第２ミラーＭＤの反射面Ｒ２の中心点をＰ２で表している。また、ＣＬは、Ｘ線の中心軌跡であり、Ｘ線ビームの中心位置を表している。

図２は本発明のＸ線集光光学系の基本原理を説明する配置を示している。一対の形状可変ミラー、即ち第１ミラーＭＵと第２ミラーＭＤは、反射面Ｒ１，Ｒ２が向き合うように配置されている。光源Ａには、第３世代及び第３．５世代放射光、例えばSPring-8から切り出したコヒーレントＸ線を通過させるスリットが対応する。固定焦点Ｃの位置に試料面を置き、該試料面を透過した散乱Ｘ線や回折Ｘ線を下流に配置したＸ線用ＣＣＤで検出する。また、試料面で発生した蛍光Ｘ線をＸ線検出器ＸＤで検出するようになっている。

図３及び図４は、本実施形態で使用した形状可変ミラー１を示している。この形状可変ミラー１は、合成石英基板２の表裏に貼り付けられた圧電素子３，３とその上に形成された電極４，…で構成されている。更に詳しくは、１００ｍｍ×５０ｍｍで所定厚さの四角形板状の前記基板２の表面で、長手方向に沿った中央部に、Ｘ線の反射面５が高精度な平坦度で形成され、その両側に沿って帯状の圧電素子３，３が貼り付けられ、各圧電素子３の上には表面電極４が一定間隔毎に多数積層されている。尚、前記圧電素子３の下には全面に渡り裏面電極６が積層されている。そして、前記裏面電極６と各表面電極４，…間に独立して電源７から電圧を印加できるようになっている。そして、各表面電極４，…に所定の電圧を印可することで圧電素子３が変形し、もって反射面５の形状が変形し、自由曲面を創り出せるのである。尚、初期の反射面５の形状は、平面で良いので加工が容易である。勿論、予め反射面５の形状を球面状や任意の円弧状に加工しておけば、圧電素子３による変形量を少なくすることができる。

次に、実際に第１ミラーＭＵと第２ミラーＭＤの反射面Ｒ１，Ｒ２の形状を決定する具体的なプロセスを図１及び図２に基づいて説明する。先ず、光源Ａの座標は予め決められている。それ以外に、光源Ａから第１ミラーＭＵの反射面Ｒ１の中心点Ｐ１までの距離、固定焦点Ｃから第２ミラーＭＤの反射面Ｒ２の中心点Ｐ２までの距離、第１ミラーＭＵの反射面Ｒ１の中心点Ｐ１に対するＸ線の入射角と第２ミラーＭＤの反射面Ｒ２の中心点Ｐ２に対するＸ線の入射角を前もって決定する。これらの値が初期条件となる。

そして、共通焦点Ｂから第１ミラーＭＵの反射面の中心点Ｐ１までの距離Ｌ１と、共通焦点Ｂから第２ミラーＭＤの反射面の中心点Ｐ２までの距離Ｌ２に、適当な値を入力すると、第１楕円Ｅ１と第２楕円Ｅ２は一義的に決定され、前記第１ミラーＭＵの反射面Ｒ１と第２ミラーＭＤの反射面Ｒ２の形状が決まる。この光学系で固定焦点Ｃにおいて集光径が最も小さく、ＮＡが最も大きくなるように、前記距離Ｌ１，Ｌ２の組み合わせを繰り返し計算によって見つける。その結果、前記第１ミラーＭＵの反射面Ｒ１の中心点Ｐ１の座標を決定すれば、前記固定焦点Ｃ、第２ミラーＭＤの反射面Ｒ２の中心点Ｐ２の座標及び共通焦点Ｂの座標が決定され、これ以降これらの座標は固定する。このときの共通焦点Ｂの座標をＢ１とする。こうして、前記光源Ａから第１ミラーＭＵの反射面Ｒ１の中心点Ｐ１、共通焦点Ｂ（Ｂ１）、第２ミラーＭＤの反射面Ｒ２の中心点Ｐ２及び固定焦点Ｃを結ぶＸ線の中心軌跡ＣＬが決まり、以降、この中心軌跡ＣＬは変更されない。つまり、第１ミラーＭＵの反射面Ｒ１の中心点Ｐ１に対するＸ線の入射角と第２ミラーＭＤの反射面Ｒ２の中心点Ｐ２に対するＸ線の入射角は、反射面の形状を変えても初期決定した値のまま維持される。Ｘ線の入射角を固定することは実験において有利である。

次に、共通焦点Ｂを前記第１ミラーＭＵと第２ミラーＭＤの間の中心軌跡ＣＬに沿って第２ミラーＭＤに接近する方向にＢ１からＢ３まで変化させる。つまり、距離Ｌ１を増加させ、その増加分だけ距離Ｌ２を減少させる。新たな共通焦点Ｂの座標を決めれば、二つの焦点と楕円上の一点の座標、つまり（Ａ，Ｂ，Ｐ１）の座標と（Ｃ，Ｂ，Ｐ２）の座標が決まるので、該楕円Ｅ１，Ｅ２の形状を一義的に決めることができる。そして、楕円Ｅ１，Ｅ２の形状に応じて、形状可変の前記第１ミラーＭＵの反射面Ｒ１と、前記第２ミラーＭＤの反射面Ｒ２を、前記圧電素子３の各表面電極４，…に所定の電圧を印加して所望形状に変形させるのである。

ここで、前記固定焦点ＣにおいてＸ線の強度プロファイルを計測し、該強度プロファイルに乱れがある場合には、特許第４８１４７８２号公報に記載された位相回復法による反射面の形状補正手法等を利用して前述の前記第１ミラーＭＵと第２ミラーＭＤの各圧電素子に印加する電圧を微調整して形状を補正することができる。あるいは、O.Hignetteらが提案（SPIE Proc. 3152,188-199(1997)）したペンシルビーム法によるミラーの反射面の形状修正も可能である。このペンシルビーム法は、Ｘ線のビームをミラーに入射直前でスリットによって細く絞り、スリットをビームに直交する方向に変位させて細いＸ線ビームでミラーの反射面を走査し、反射面に微小凹凸があると、Ｘ線の反射角度が大きくずれるので、そのスロープエラーをＸ線検出器で測定する方法である。このスロープエラーから曲率エラーを算出し、それに基づいて形状可変ミラーの圧電素子への投入電圧を計算するのである。この方法、大きな形状誤差を持っていても計測可能である。

前述のように二つの楕円を組み合わせる場合、集光径を極端に大きくするのに限界がある。それに対して、楕円と放物線を組み合わせ、楕円の一方の焦点と放物線の焦点を一致させて共通焦点とすることで、集光径を更に大きくすることができる。つまり、放物線をもちいることで、第２楕円の固定焦点が無限遠にあると考えることができ、これを使うことでＮＡを０にできる。楕円と放物線を組み合わせることで集光ビームではなく，サイズ可変の平行ビームを作ることができる。

図５は、本実施形態で使用した形状可変ミラー１の変形再現性を試験した結果を示している。先ず、大阪大学において、形状可変ミラー１を専用ホルダーにセットした状態で、前記圧電素子３の各表面電極４，…に所定の電圧を印加し、反射面５の形状をフィゾー型干渉計（ＧＰＩ）で測定し、所定曲面からのずれを形状誤差として取得した。次に、形状可変ミラー１を専用ホルダーにセットしたまま、SPring-8がある播磨学研都市に搬送した後、前記圧電素子３の各表面電極４，…に同じ電圧を印加し、反射面５の形状をフィゾー型干渉計（ＧＰＩ）で測定し、所定曲面からのずれを形状誤差として取得した。図５から、両者の形状誤差は数ｎｍの範囲で非常に良く一致していることが分かる。つまり、形状可変ミラー１の反射面５の変形再現性は非常に優れていることが確認できた。従って、形状可変ミラー１の反射面５の形状を、Ｘ線集光光学系に組み込んだ状態で測定しなくても、ほぼ正確に修正可能である。

図６は、本発明の集光径可変なＸ線集光システムの全体配置を示し、２対の前記第１ミラーＭＵと第２ミラーＭＤを用い、１対を水平方向に配向して水平第１ミラーＭ１と水平第２ミラーＭ３とするとともに、１対を垂直方向に配向して垂直第１ミラーＭ２と垂直第２ミラーＭ４とし、前記水平第１ミラーＭ１と垂直第１ミラーＭ２を前後に配置して１段目のＫＢ配置８とするとともに、前記水平第２ミラーＭ３と垂直第２ミラーＭ４を前後に配置して２段目のＫＢ配置９としている。

また、本発明は別の表現をすれば、ＫＢ配置した２枚の形状可変ミラーを更に２対用い、合計４枚の形状可変ミラーを用いた光学系である。つまり、１対の形状可変ミラーＭ１と形状可変ミラーＭ２を互いに直交するように配置して１段目のＫＢ配置８を構成し、もう１対の形状可変ミラーＭ３と形状可変ミラーＭ４を互いに直交するように配置して２段目のＫＢ配置９を構成している。ここで、Ｍ１とＭ３、Ｍ２とＭ４が前述の第１ミラーＭＵと第２ミラーＭＤの対をそれぞれ構成している。図１及び図２で示した例のミラーを用いる場合は、１段目のＫＢ配置８における水平第１ミラー（Ｍ１）と二段目のＫＢ配置９における水平第２ミラー（Ｍ３）は反射面が上下逆向きであり、１段目のＫＢ配置８における垂直第１ミラー（Ｍ２）と２段目のＫＢ配置９における垂直第２ミラー（Ｍ４）は反射面が左右逆向きである。１段目のＫＢ配置８では、従来のミラーマニピュレータをそのまま使用することができ、２段目のＫＢ配置９では、通常とは水平第２ミラー（Ｍ３）が上下反転しているので、若干の工夫が必要であるが、従来のミラーマニピュレータを利用することができる。このように、２枚の形状可変ミラーを直交するようにＫＢ配置し、それを２対用いることで、水平方向と垂直方向の２次元で、Ｘ線を集光することができる。尚、第２楕円Ｅ２をうまく配置することで、水平第２ミラー（Ｍ３）の反射面を上向きすることも可能であり、その場合には従来のミラーマニピュレータをそのまま使用することができる。

また、共通焦点の近傍には、蛍光板１０とミラー１１を配置し、それらを臨む位置に顕微鏡１２を配置してビーム軌道モニター１３を構成し、更に固定焦点Ｃの位置にナイフエッジ１４とその後方にＸ線検出器１５を配置して集光径評価系１６を構成している。

SPring-8のBL29XULの第二ハッチでの実験を想定した具体的な設計パラメータは以下の通りである。Ｘ線のエネルギーは１４ｋｅＶ以下に対応可能とした。ミラーＭ１〜Ｍ４の各ミラー長は１００ｍｍであり、Ｘ線の入射角は全て４．０mradとした。そして、光源ＡからミラーＭ１の中心までの距離は４５ｍ、ミラーＭ１の中心から共通焦点Ｂまでの距離は０．８ｍ、ミラーＭ２の中心から共通焦点Ｂまでの距離は０．７ｍ、ミラーＭ３の中心から共通焦点Ｂまでの距離は０．７ｍ、ミラーＭ４の中心から共通焦点Ｂまでの距離は０．８ｍ、ミラーＭ３の中心から固定焦点Ｃまでの距離は２５５ｍｍ、ミラーＭ４の中心から固定焦点Ｃまでの距離は１５０ｍｍである。

次に、フレネルキルヒホッフ回折積分に基づいた計算によって本光学系の動作をシミュレートした結果を図７〜図１０に示す。シミュレーションは、一対の第１ミラーＭＵと第２ミラーＭＤのみの１次元の集光である。共通焦点Ｂを下流に０ｍｍ（Ｂ１），２００ｍｍ（Ｂ２），４００ｍｍ（Ｂ３）ずらした場合について、共通焦点を一致させる条件で楕円形状を変化させた。図７は、第１ミラーＭＵの反射面の形状、図８は、第２ミラーＭＤの反射面の形状を示している。また、図９は、共通焦点Ｂでの集光強度プロファイル、図１０は固定焦点Ｃでの集光強度プロファイルを示している。図９及び図１０中に集光強度プロファイルの半値全幅（ＦＷＨＭ）の値も併せて示している。この結果、固定焦点Ｃにおいて、集光径を３６ｎｍ〜３２２ｎｍまで変化させることができた。図１１には、固定焦点Ｃに置いた試料面での回折パターンを示し、共通焦点Ｂ１ではＮＡが最大となり、共通焦点Ｂ２ではＮＡが小さくなり、共通焦点Ｂ３ではＮＡがとても小さくなる。

ここで構築する視野可変型光学系では、第３世代及び第３．５世代放射光からのコヒーレントＸ線を切り出し、トータルフラックスを保存しながら任意の集光径で試料照射が可能な光学システムを実現できる。そして、二つの楕円を組み合わせる場合、視野の可変域は３０ｎｍ〜１０μｍレベルであり、照明強度は最大でSPring-8光の１０^５倍である。楕円と放物線を組み合わせると更に大きなビームサイズが得られる。光学系は、一軸ごとに２枚の形状可変ミラーによって構成し、全反射光学系を採用することにより、色収差がなくＸ線を集光できる。また、開口が一定である第１ミラーＭＵが受け止めた光をフラックスロスなく試料面に照射できる。この際、第１ミラーＭＵから共通焦点Ｂまでの距離Ｌ１、第２ミラーＭＤから共通焦点Ｂまでの距離Ｌ２を用いれば、第２ミラーＭＤのＮＡも縮小倍率もＬ１／Ｌ２に比例するため、常に回折限界での集光となり、回折顕微鏡で重要なダークフィールドを最大化できる。そして、波長が変わっても、波長に応じた集光径となり、上記の関係は不変である。その結果、１０ｋｅＶのエネルギーのＸ線でコヒーレンス照明時は常に１０^９photons/s以上、蛍光分析やＸＡＦＳの際のインコヒーレント照明では、試料上の位置を動かすことなく最大１０^１２photons/s以上が可能である。

そして、本発明の光学システムを用いてＸ線顕微鏡を構築すれば、倍率を変えながら１ｎｍに迫る分解能を達成することができ、更に、３０ｎｍの分解能で元素分布ＸＡＦＳ分析等の同時計測が可能となる。これらが同一の顕微鏡システムの中で実現するので、放射光利用分野への大きな貢献ができる。

また、本発明は、生命科学分野への展開が可能である。例えば、有効な唯一の抗がん剤と言える白金製剤（抗がん剤）の作用・副作用機序解明に寄与する。白金製剤は、その重篤な副作用からこのメカニズムの解明と新薬の開発ががん患者のＱＯＬの向上に不可欠とされている。また、がん細胞自身が耐性を獲得することも大きな問題となっている。耐性にタンパク質ＧＳＨが効いていることをＸ線顕微鏡分析から既に突き止められている。

一般に生体内の異物の代謝や毒性、副作用の解明には細胞レベルでの異物の動態を如何に高分解能に同定するかが重要であり、オルガネラレベルでの同定が鍵となる。そして、組織分離し、ターゲットタンパク質の同定が作用や副作用の解明の第一歩となる。３種類のＰｔ製剤を投与した細胞では白金製剤は一般にはＤＮＡにとりつき、その転写を抑制することが作用機序とされているが、その詳細はまだ明らかではない。これに加えて、ゴルジや小胞体に蓄積されるとの知見もあるが、その真偽が不明な状況である。これらの知見をベースにしながら、本発明を用いたＸ線顕微鏡で、Ｐｔの細胞内動態を高分解能観察することで、細胞内組織との対応を明らかになる。そして、Ｐｔ結合タンパク質の精製と特定の研究が進展する。

Ａ光源（第１楕円Ｅ１の焦点）
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３共通焦点
Ｃ固定焦点（試料面）
ＣＬ中心軌跡
ＭＵ第１ミラー（上流側）
ＭＤ第２ミラー（下流側）
Ｅ１第１楕円
Ｅ２第２楕円
Ｌ１第１ミラーＭＵと共通焦点Ｂの距離
Ｌ２第２ミラーＭＤと共通焦点Ｂの距離
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４形状可変ミラー
Ｐ１第１ミラーＭＵの反射面の中心点
Ｐ２第２ミラーＭＤの反射面の中心点
Ｒ１第１ミラーＭＵの反射面
Ｒ２第２ミラーＭＤの反射面
ＸＤＸ線検出器
１形状可変ミラー
２合成石英基板
３圧電素子
４表面電極
５反射面
６裏面電極
７電源
８１段目のＫＢ配置
９２段目のＫＢ配置
１０蛍光板
１１ミラー
１２顕微鏡
１３ビーム軌道モニター
１４ナイフエッジ
１５Ｘ線検出器
１６集光径評価系

Claims

光源から射出されたＸ線を反射面の形状が可変な１次元の第１ミラーと第２ミラーで反射させて固定焦点に集光する斜入射Ｘ線光学系であり、第１楕円の一方の焦点を光源とし、他方の焦点を共通焦点とするとともに、第２楕円の一方の焦点を光学系全体の固定焦点とし、他方の焦点を前記共通焦点と一致させ、前記第１ミラーの反射面の形状を前記第１楕円の一部で形成し、前記第２ミラーの反射面の形状を前記第２楕円の一部で形成し、前記光源からのＸ線を前記第１ミラーの反射面で反射させて前記共通焦点を通過させた後、前記第２ミラーの反射面で反射させて固定焦点に集光する配置とし、前記光源と固定焦点の位置を固定したまま、前記共通焦点の位置を変更してそれに対応して前記第１ミラーと第２ミラーの反射面の形状を変化させることにより、前記固定焦点での集光径を変えることを特徴とする集光径可変なＸ線集光システム。
前記光源から前記第１ミラーの反射面の中心点までの距離、前記固定焦点から前記第２ミラーの反射面の中心点までの距離、前記第１ミラーの反射面の中心点に対する入射角及び前記第２ミラーの反射面の中心点に対する入射角を予め定めた後、固定焦点で集光径が最小となる共通焦点の位置を算出し、前記第１楕円と第２楕円を決定してなる請求項１記載の集光径可変なＸ線集光システム。
前記第１ミラーの反射面の中心点の座標と前記第２ミラーの反射面の中心点の座標を固定し、前記光源から第１ミラーの反射面の中心点、共通焦点、第２ミラーの反射面の中心点及び固定焦点を結ぶＸ線の中心軌跡を維持するとともに、前記共通焦点を前記第１ミラーと第２ミラーの間の中心軌跡に沿って移動させてなる請求項２記載の集光径可変なＸ線集光システム。
２対の前記第１ミラーと第２ミラーを用い、１対を水平方向に配向して水平第１ミラーと水平第２ミラーとするとともに、１対を垂直方向に配向して垂直第１ミラーと垂直第２ミラーとし、前記水平第１ミラーと垂直第１ミラーを前後に配置して１段目のＫＢ配置とするとともに、前記水平第２ミラーと垂直第２ミラーを前後に配置して２段目のＫＢ配置としてなる請求項１〜３何れか１項に記載の集光径可変なＸ線集光システム。
前記固定焦点での集光径を３０ｎｍから１０μｍの範囲で変更可能とした請求項１〜４何れか１項に記載の集光径可変なＸ線集光システム。