JP2014059294A

JP2014059294A - Ｘ線導波路及びｘ線測定システム

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Publication number: JP2014059294A
Application number: JP2013166510A
Authority: JP
Inventors: 篤史 ▲高▼本; Atsushi Takamoto; Kohei Okamoto; 康平岡本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2014-04-03
Also published as: US20140056414A1

Abstract

【課題】湾曲構造を有し、曲率半径を小さくＸ線導波路およびＸ線測定システムを提供する。
【解決手段】コアと、該コアを狭持して対向して存在する二つのクラッドと、で形成される湾曲構造を有するＸ線導波路であって、
前記二つのクラッドのうちの前記湾曲構造の内周側に存在するクラッドＡと前記コアとの界面の曲率半径を規定する円の中心を原点として、前記界面の任意の点Ｓにおける接線に垂直かつ前記原点から前記界面に向かう方向にｙ軸を定義した時に、以下の式（７）を満たす任意のｙにおいて、前記コアの屈折率実部ｎ（ｙ）が、以下の式（５）および式（６）を満たすことを特徴とするＸ線導波路。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線を導波するＸ線導波路、特に、湾曲する構造のＸ線導波路およびＸ線測定システムに関する。

数１０ｎｍ以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率実部の差が１０−４以下と非常に小さいため、全反射臨界角も非常に小さくなることなどにより、Ｘ線を含めたこのような電磁波をコントロールするために、大型の空間光学系が用いられてきており、今でもなお主流となっている。例えば、Ｘ線を伝搬させ、ビーム形状を制御する素子として、ポリキャピラリなどが用いられている。

主流であるこのような空間光学系に対し、クラッドに囲まれたコア中に電磁波を閉じ込めて伝搬させる、Ｘ線導波路の研究が行われている。具体的にはクラッド層がコア層を挟み込んだ１次元閉じ込め構造の薄膜導波路や、クラッド材料中にファイバー状のコアを貫通させた２次元閉じ込め構造のＸ線導波路などの研究が行われている。ポリキャピラリとは異なり、Ｘ線導波路は、Ｘ線が導波する断面積が極めて小さいため、導波路断面でＸ線の位相が制御された空間的コヒーレンスを有するＸ線ビームを提供することができる。その特長ゆえ、Ｘ線導波路は、Ｘ線を用いたホログラフィを実施するためのＸ線光源を提供する素子として利用されることが多い。ホログラフィの一形態であるｏｆｆ−ａｘｉｓホログラフィを実施するためには、互いにコヒーレントな２つのＸ線ビームが必要となり、非特許文献１及び２は、それらを提供するためのＸ線を曲げることのできる湾曲したＸ線導波路（以下、湾曲Ｘ線導波路）を開示している。

Ｃ．Ｆｕｈｓｅ，Ｃ．Ｏｌｌｉｎｇｅｒ，ｅｔａｌ．，"Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｂａｓｅｄｏｆｆ−ａｘｉｓｈｏｌｏｇｒａｐｈｙｗｉｔｈｈａｒｄｘｒａｙｓ．"，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ９７２５４８０１（２００６）．Ｃ．Ｆｕｈｓｅ，"Ｘ−ｒａｙｗａｖｅｇｕｉｄｅｓａｎｄｗａｖｅｇｕｉｄｅ−ｂａｓｅｄｌｅｎｓｌｅｓｓｉｍａｇｉｎｇ"，Ｐｈ．Ｄｔｈｅｓｉｓ（２００６）．

しかしながら、このような湾曲したＸ線導波路では、Ｘ線導波路の曲率半径を小さくすることができないため、Ｘ線の振れ角が最大でも２°に制限されていた。これは、振れ角を大きくするには、小さい曲率半径ゆえ、湾曲Ｘ線湾曲Ｘ線導波路の長さを３ｍｍ以上と長くする必要があり、導波Ｘ線の損失が大きくなってしまうためである。

そこで、本発明では、コアと、該コアを狭持して対向して存在する二つのクラッドと、で形成される湾曲構造を有するＸ線導波路であって、
前記二つのクラッドのうちの前記湾曲構造の内周側に存在するクラッドＡと前記コアとの界面の曲率半径を規定する円の中心を原点として、前記界面の任意の点Ｓにおける接線に垂直かつ前記原点から前記界面に向かう方向にｙ軸を定義した時に、以下の式（７）を満たす任意のｙにおいて、前記コアの屈折率実部ｎ（ｙ）が、以下の式（５）および式（６）を満たすことを特徴とするＸ線導波路を提供する。

式（５）

式（６）

式（７）

（式（５）において、ｙ_０は前記コアと前記クラッドＡとの界面のｙ座標であり、ｙ_１は前記コアと二つのクラッドのうちの外周側に存在するクラッドＢとの界面のｙ座標である。また、ｎ（ｙ_０）は、前記ｙ_０におけるコアの屈折率実部を示し、ｎ（ｙ_１）は、前記ｙ_１におけるコアの屈折率実部を示す。）

本発明によれば、湾曲するＸ線導波路における、Ｘ線の導波損失を抑制するＸ線導波路およびＸ線測定システムを提供することができる。

本実施形態の湾曲構造を有するＸ線導波路を示す図である。（ａ）従来の湾曲構造を有するＸ線導波路の近似した屈折率分布および従来の湾曲構造を有さないＸ線導波路の屈折率分布を示すグラフ（ｂ）本実施形態の湾曲構造を有するＸ線導波路の近似した屈折率分布および従来の湾曲構造を有さないＸ線導波路の屈折率分布を示すグラフ屈折率実部の小さい部分の領域サイズを変えた場合の本発明の例である。本実施形態のＸ線システムまたは装置を示す図である。実施例１を説明する図である。曲率半径ｙ０及び湾曲Ｘ線導波路の長さＬと振れ角の関係を示す図である。実施例２を説明する図である。実施例３を説明する図である。

以下、本実施形態について図面に基づき説明する。
まずは、以下に本明細書における用語の説明をする。

（Ｘ線）
Ｘ線とは、物質（コア材料等）の屈折率実部が１以下となる波長帯域の電磁波であり、具体的には、本明細書におけるＸ線とは、極端紫外光（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）光）を含む１００ｎｍ以下の波長の電磁波を指す。

このような短い波長の電磁波の周波数は非常に高いために、物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波（可視光や赤外線）の周波数帯域と異なった性質を示す。例えば、上記説明した通り、Ｘ線に対しては、ほとんどの物質の屈折率の実部が１より小さくなることが知られている。

このようなＸ線に対する物質の屈折率ｎは、一般的に、下記の式（１）
ｎ＝１−δ−ｉβ 式（１）
で表されるように、実部の１からのずれ量δ、吸収に関係する虚部のβを用いて表される。

また、屈折率実部は、下記の式（２）

式（２）

となる。

このようにＸ線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本発明および本明細書においては、屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。

Ｘ線の波長帯域では、屈折率実部が最大の１となる物質は真空であり、空気に代表される気体は真空とほぼ同じ屈折率を持つが、気体以外のほぼすべての物質の屈折率実部は、１よりも小さい値となる。なお、本発明および本明細書において、「物質」、「成分」、「材料」と表現する際には、固体などの形があるのもののみならず、真空や、空気などの気体も含まれるものとする。

Ｘ線に対する物質の屈折率実部は、物質を構成する元素の組成から、以下の式（３）を用いて計算することができる。

式（３）

ここで、ｒ_ｅは古典的電子半径、λはＸ線の波長、Ｎ_ｉは物質を構成するｉ番目の元素の単位体積あたりの原子数（原子数の密度）、及びｆ_ｉは物質を構成するｉ番目の元素の原子散乱因子の実部である。

なお、式（３）内に示される式（４）は、

式（４）

は、各元素の単位体積あたりの原子数（原子数の密度）にその元素の原子散乱因子の実部をかけた値の総和を意味する。

本発明および本明細書においては、Ｘ線光電子分光などの元素分析から得られるコアの各元素の組成分布から、式３における物質を、Ｘ線導波路のコアの物質として式（３）に適用し、Ｘ線に対するコアの屈折率実部を計算することができる。

（Ｘ線導波路の概略構成）
図１は、本実施形態のＸ線導波路の概略構成を示す図で、Ｘ線導波路をＸ線の導波方向に切断した際の断面を示している。

本実施形態の湾曲構造を有するＸ線導波路は、コア１０１と、コアを挟持して対向して存在する２つのクラッドＡ１０２、クラッドＢ１０３と、を有する。

ここで、湾曲構造を有するＸ線導波路は、二つのクラッドであるクラッドＡ１０２とクラッドＢ１０３、およびコア１０３によって形成される湾曲構造を有する領域を有しており、通常、クラッドＡ１０２とクラッドＢ１０３、およびコア１０１が湾曲構造を有している。

なお、ここで、コア１０１が気体であっても、クラッドＡ１０２およびクラッドＢ１０３によって形成される空間（すなわちコア１０１）が湾曲構造を有している場合には、コア１０１が湾曲構造を有していると表現しており、言い換えれば、例えば高分子材料などの形を有する材料でコア１０１を完全に充填した場合に、充填された形を有する材料によって形成される物体が湾曲構造を有する場合にはコア１０１が湾曲構造を有しているとも表現できる。

また、本実施形態の湾曲構造を有するＸ線導波路は、クラッドＡ１０２とクラッドＢ１０３、およびコア１０３によって形成される湾曲構造を有する領域を有していれば、その他の領域として湾曲構造を有さない領域を有していても良い。

本実施形態の湾曲構造を有するＸ線導波路は、コアと、該コアを狭持して対向して存在する二つのクラッドと、で形成される湾曲構造を有するＸ線導波路であって、前記二つのクラッドのうちの前記湾曲構造の内周側に存在するクラッドＡと前記コアとの界面の曲率半径を規定する円の中心を原点として、前記界面の任意の点Ｓ１０４における接線１０５に垂直かつ前記原点から前記界面に向かう方向にｙ軸を定義した時に、以下の式（７）を満たす任意のｙにおいて、前記コアの屈折率実部ｎ（ｙ）が、以下の式（５）および式（６）を満たすことを特徴とするＸ線導波路である。

式（５）

式（６）

式（７）

これは、すなわち、コア１０１の屈折率実部が、ｙ軸上のｙ_０以上ｙ_１以下の範囲内にあるいずれかの領域でｙの増加とともに減少することを意味する。

コア１０１の屈折率実部は、ｙ軸上のｙ_０以上ｙ_１以下の範囲内にあるいずれかの領域でｙの増加とともに減少さえしていれば、その他の領域の屈折率実部はｙが増加しても等しくても構わない。

また、「コア１０１の屈折率実部が、ｙ軸上のｙ_０以上ｙ_１以下の範囲内にあるいずれかの領域でｙの増加とともに減少する」には、連続的に減少する（単調減少）場合および段階的に減少する場合が存在する。ここで記載する「段階的に減少する」とは、例えばｙがＡ以上Ｂ以下の範囲では屈折率実部がＣであり、ｙがＢより大きくＤ以下である場合には屈折率実部がＥである場合などである。

さらに、二つのクラッドのうち外周側に存在するクラッドとは、二つのクラッドの各々に接する内接円を設定した時に内接円の半径が大きい方を示すものとし、内周側に存在するクラッドとは、二つのクラッドの各々に接する内接円を設定した時に内接円の半径が小さい方を示すものとする。

後述のように、本実施形態のＸ線導波路の特性は、Ｘ線導波路を規定する波動方程式から有限要素法などの計算手法で得られる導波モードの計算（固有値の算出）をすることで、導波路内でのＸ線強度の分布や伝搬損失を得ることができる。この導波モードの計算から、適宜、本実施形態のＸ線導波路を構成するコア１０１の屈折率実部の分布、及びクラッドＡ１０２とクラッドＢ１０３の屈折率実部を設計することができる。

コア１０１の屈折率実部が段階的に減少する構成としては、例えば、コア１０１がｙ軸の正の方向に複数の領域を有し、前記領域の屈折率実部が前記ｙ軸の正の方向に沿って小さくなる順に位置している構成が挙げられる。

コア１０１が有する複数の領域が二つである場合には、二つの領域がコアの中心軸（言い換えれば、ｙ軸が（ｙ_１−ｙ_０）／２である点を、前述点Ｓを動かして結んだ軸）を境に存在しても良いし、中心軸を境界とせずに、例えば、コアのクラッドＡとの界面からコア全体の厚みの１／４までの領域を一方の領域としてその他の領域を他方の領域としても良いし、コアのクラッドＡとの界面からコア全体の厚みの３／４までの領域を一方の領域としてその他の領域を他方の領域としても良い。

このような構成は、例えば、前述の複数の領域を屈折率実部が異なる材料によって形成することなどにより実現できる。

また、コア１０１が、第一の材料と前記第一の材料よりも屈折率実部の小さい第二の材料との混合物で構成され、第二の材料の単位体積当たりの物質量（物質量の密度）がコア１０１内でｙの増加関数で示される分布をなしていて、かつ第一の材料の単位体積あたりの物質量がコア１０１内でｙの減少関数で示される分布をなしている場合には、コア１０１の屈折率が、ｙ軸上のｙ_０以上ｙ_１以下の範囲内にあるいずれかの領域でｙの増加とともに連続的に減少する構成にすることもできる。

さらに、「式（７）を満たす任意のｙにおいて、前記コアの屈折率実部ｎ（ｙ）が、以下の式（５）および式（６）を満たす」とは、式（７）を満たすすべてのｙにおいて、コアの屈折率実部ｎ（ｙ）が、式（５）および式（６）を満たすことを意味する。

なお、ここで記載する曲率半径とは、コア１０１とクラッドＡ１０２の界面の曲率半径であり、図１におけるｙ_０である。

本実施形態の湾曲構造を有するＸ線導波路のように、湾曲した光学素子を考える場合、円筒座標系（ｒθｚ座標系）を用いてＸ線導波路の波動方程式を記述し、それを直交座標系（ｘｙｚ座標系）に変換して考えることが便利である。円筒座標系で記述される波動方程式を直交座標系に変換すると、式（８）のようになる。

（式８）

ここで、ｋ_０はＸ線の波数、ｎ_０は屈折率、βはＸ線導波路の伝搬定数、ＥはＸ線の電場である。

また、円筒座標系及び直交座標系の配置は図１に示す通りであり、両座標系とも、点Ｏを原点とする座標系である。ｙ_０がｙ−ｙ_０に比べて十分大きい場合には、式（８）の右辺のｅｘｐ［（ｙ−ｙ_０）／ｙ_０］を１に近似することができるため、湾曲したＸ線導波路は、屈折率ｎが以下の式（９）のように変調された湾曲していないＸ線導波路（ｘ軸に沿ってＸ線を伝搬し、Ｘ線導波路の断面がｙｚ面となるＸ線導波路）と等価となる。

（式９）

Ｘ線導波路の場合、曲率半径ｙ_０が最小でも１ｍｍオーダーである一方、コア１０１の幅（ｙ_１−ｙ_０）は最大でも１００ｎｍオーダーであるため、ここでの近似の適用範囲となっている。

図２（ａ）に、式（９）によって湾曲構造を有さない直交座標系に変換されたコアの屈折率が均一である従来の湾曲構造を有するＸ線導波路の屈折率実部の分布と、従来の湾曲構造を有さずコアの屈折率が均一であるＸ線導波路の屈折率実部の分布を示す。破線１０６が直交座標系に変換されたコアの屈折率が均一である従来の湾曲構造を有するＸ線導波路の屈折率実部の分布であり、実線１０７湾曲構造を有さずコアの屈折率が均一であるＸ線導波路の屈折率実部の分布である。

湾曲構造を有するＸ線導波路のコアの屈折率実部の値は、ｙ_０＜ｙ＜ｙ_１の範囲において、湾曲構造を有さないＸ線導波路と比較して大きくなっており、更に、ｙが大きくなるにしたがって屈折率実部の値が大きくなる。このように、屈折率実部の値がコア内で分布を有するときには、一般にＸ線がコアの屈折率実部が大きい（導波損失が小さい）領域に集中する特性を有するため、湾曲構造を有するＸ線導波路ではコアと外周側のクラッドとの界面近傍にＸ線が集中して漏れ出てしまうことがある。

すなわち、湾曲構造を有する導波路の曲率半径を小さくすると、式（９）にしたがって、外周側のコアの屈折率実部がより大きくなってしまい、外周側のクラッドの方にＸ線が漏れ出てしまうことがあるため、ある程度曲率半径を大きくする必要があった。従来は曲率半径を０．１ｍ以上にする必要があり、それによって、振れ角（図６参照、α_ｄ）を大きくするために、Ｘ線導波路を長くする必要があり、振れ角が２°に制限されていた。

次に、図２（ｂ）に、式（９）によって湾曲構造を有さない直交座標系に変換された、前述のコアが屈折率分布を有する湾曲構造を有するＸ線導波路の屈折率実部の分布と、コアが同様の屈折率分布を有するものの湾曲構造を有さないＸ線導波路の屈折率実部の分布を示す。

破線１０８が湾曲構造を有さない直交座標系に変換された、前述のコアが屈折率分布を有する湾曲構造を有するＸ線導波路の屈折率実部の分布であり、実線１０９がコアが屈折率分布を有するものの湾曲構造を有さないＸ線導波路の屈折率実部の分布である。

図２（ｂ）の破線１０８に示すように、ｙが大きい領域の屈折率実部をｙが小さい領域の屈折率実部よりも小さくすることによって、湾曲構造を有するＸ線導波路のコアと外周側のクラッドの界面に導波するＸ線が誘導されるため外周側のクラッドからＸ線が漏れにくくなる。すなわち、従来よりも伝搬損失係数（式（８）の伝搬定数の虚部）の小さいＸ線導波路となる。

Ｘ線の振れ角α_ｄは、図６に記載の式の通り、Ｘ線導波路の長さＬの増加関数、かつ曲率半径ｙ_０の減少関数となる。一方で、Ｌが大きくなるとＸ線の伝搬損失が大きくなってしまう。

本実施形態のＸ線導波路では、湾曲構造を有するＸ線導波路であっても、導波損失係数を小さく抑えながら、曲率半径を小さくすることができるため、Ｘ線導波路の長さＬを長くする必要がなく、従来よりもＸ線の振れ角を大きくすることができる。

次に、本実施形態のＸ線導波路の各部分について説明する。

（コア）
コアは、その屈折率実部ｎ（ｙ）が、前述した式（７）を満たす任意のｙにおいて、前述の式（５）および式（６）を満たす。

屈折率実部が段階的に減少する場合には、屈折率実部の減少率や、その減少した領域のサイズを調整する必要がある。これには、有限要素法などの計算手法によって得られる理論的な導波モードの伝搬損失（線吸収係数）や導波路内に形成されるＸ線強度分布などを検討することによって、曲率半径などに応じて適切な屈折率実部の減少率や、その領域のサイズを決定することができる。

このようなコアには、できる限りＸ線の吸収損失の小さい材料を用いることが好ましく、例えば、真空、空気等の気体、及び高分子等の有機物により形成することができる。

コアは、従来公知の方法によって形成することができる。例えば、スパッタや蒸着や化学気相成長法（ＣＶＤ）などのドライプロセスにより形成することができる。また、ポリイミドやポリスチレンなどの高分子からなるコアを作製する際には、それらを溶媒に溶かした溶液を、スピンコートやディップコートなどの方法で付与する方法を用いることもできる。コアの屈折率実部が連続的に減少するＸ線導波路を形成する場合には、スパッタや蒸着やＣＶＤを用いることが好ましい。

また、空気等の気体をコアに用いる場合には、ピエゾアクチュエータなどによって、コアの幅を適切な値に設定するようにクラッドＡまたはクラッドＢの位置を調整すればよい。

（クラッド）
クラッドは、その屈折率実部が、コアとクラッドとの界面におけるコアの屈折率実部よりも小さい材料で構成される。

例えば、コアとクラッドの界面におけるコアに、カーボンや高分子等の有機物や気体を用いた場合、タンタル、タングステン、金、シリコンなどをクラッドに用いることができる。

クラッドの形成方法には、コアと同様、従来公知のいずれの方法を用いることができるが、コアとの平坦な界面を形成できる観点から、スパッタや蒸着などのドライプロセスによって形成することが好ましい。

本発明において、クラッドＡ及びＢは図１（ａ）のように対向している限り、両者が連結した構造であっても構わない。例えば、後述する２次元閉じ込め型導波路の場合には、クラッドが連続的にコアを取り囲むが、クラッドＡを定義した際に対面（対向）する部分をクラッドＢと定義する。このような場合にはクラッドは円筒形状、楕円筒形状などとすることができる。

（コアとクラッドとの関係）
本実施形態のＸ線導波路は、コアとクラッドとの界面における全反射によりＸ線をコアに閉じ込めてＸ線を導波させるものである。全反射を実現するために、Ｘ線導波路は、コアの屈折率実部がクラッドの屈折率実部より大きい。この条件は、湾曲構造を有するＸ線導波路を、湾曲構造を有さないＸ線導波路に変換した際にも満たさなければならない。

本実施形態においては、本発明の効果を失わない限り、コアとクラッドとの界面部分に、コアの主な材料とは異なり、コアの主な材料の屈折率実部よりも屈折率実部が大きい、あるいは小さい材料からなる層が存在しても良い。このような層の例としては、空気層や平坦化層が挙げられる。このような層は、コアに含めることとし、このような層とクラッドＡ１０２との界面をｙ_０、このような層とクラッドＢ１０３との界面をｙ_１と、それぞれ定義することとする。

（閉じ込め次元）
本実施形態の湾曲構造を有するＸ線導波路のＸ線を閉じ込める次元は、膜状のコアをクラッドで挟み込む１次元構造のものであっても、導波方向に垂直な断面が円や方形等の形状のコアをクラッドで取り囲む２次元構造のものであっても構わない。２次元構造のＸ線導波路では、Ｘ線が２次元的に導波路内に閉じ込められることから、１次元構造よりＸ線の発散性が抑制され、小さなビームサイズのスポット状のＸ線を取り出すことができる。

２次元閉じ込め型のＸ線導波路の作製には、リソグラフィプロセスなどを用いることができる。

図３には、クラッドＡ１０２及びクラッドＢ１０３がともにシリコンで、コアがｃａｌｉｘａｒｅｎｅとポリイミドで構成される本発明の湾曲Ｘ線導波路の導波モード、及びのその伝搬損失係数に関して、式（８）の波動方程式の固有値計算を行ったシミュレーション実験の結果を例として、示す。屈折率実部の大きいｃａｌｉｘａｒｅｎｅをコア１０１とクラッドＡ１０２の界面に配置し、屈折率実部の小さいポリイミドをコア１０１とクラッドＢ１０３の界面に配置し、更にコア１０１の全体の厚さを６０ｎｍとした曲率半径０．０５ｍの湾曲Ｘ線導波路の例である（Ｘ線エネルギー：１２ｋｅＶ）。ポリイミドの厚さを変えることで、導波路内に形成されるＸ線強度分布が変化し、また、伝搬損失が変化することがわかる。ポリイミドが１０ｎｍでｃａｌｉｘａｒｅｎｅが５０ｎｍである場合には、伝搬損失が他の場合に比べて低いことがわかり、Ｘ線強度分布もクラッドＢ１０３にＸ線が比較的漏れ出ていないことがわかる。

以上のように、Ｘ線導波路の波動方程式の固有値計算を有限要素法などの計算手法で実施することで、コアの屈折率分布や、その屈折率分布を有する材料選定など、好ましい形態の本発明のＸ線導波路を適宜設計することができる。

（Ｘ線システム、及び装置）
図４に本実施形態のＸ線測定システム、及びＸ線測定装置を示す。Ｘ線源から入射Ｘ線が湾曲Ｘ線導波路に照射され、Ｘ線が本実施形態の湾曲Ｘ線導波路内を導波し、その終端面から出射Ｘ線として測定物であるＸ線照射対象物に照射される。Ｘ線源にはシンクロトロンやクーリッジ管などのＸ線発生装置や物質からの蛍光Ｘ線などを用いることができる。Ｘ線照射対象物には、Ｘ線による分析対象材料や、ホログラフィ等でのイメージング対象物を例示することができる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳しく説明する。

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されない。

（実施例１）
本実施例は、クラッドＡ１０２及びクラッドＢ１０３にタングステン、コア１０１にカーボンとＢ４Ｃを用いた本発明の湾曲Ｘ線導波路である。また、本実施例は、シンクロトロンをＸ線源、２次元Ｘ線検出器をＸ線照射対象物とするＸ線システムである。

本実施例の湾曲Ｘ線導波路の作製方法は、スパッタ法による以下のような工程が挙げられる（図５）。

（ａ）クラッドＡ１０２の形成
曲率半径が０．０１ｍの円筒形状の湾曲凸面を有するガラス基板５０１上にマグネトロンスパッタリングを用いてタングステン（クラッドＡ）１０２を２０ｎｍの厚さで形成する（図５（ａ））。

（ｂ）コア１０１の形成
マグネトロンスパッタリングによって、タングステン（クラッドＡ）１０２の上にカーボン５０２を８０ｎｍ形成し（図５（ｂ））、続いて、１０ｋｅＶのＸ線の屈折率実部がカーボンよりも小さいＢ４Ｃ５０３を２０ｎｍ形成する（図５（ｃ））。カーボンとＢ４Ｃ両者を合わせた部分がコア１０１となる。

コア１０１を形成したガラス基板５０１の一部を切断し、コア１０１にアルゴンイオンビームを照射してその表面を徐々に削りながら、Ｘ線光電子分光装置でコア１０１のｙ軸方向の元素分布を分析する。得られる元素分布から式５を用いて得られるコア１０１の屈折率実部の分布がｙ＝ｙ０＋８０ｎｍの所でｙの増加とともに減少していることを確認できる。

（ｃ）クラッドＢ１０３の形成
マグネトロンスパッタリングによってタングステン（クラッドＢ）１０３を２０ｎｍの厚さで形成し、コア１０１を覆い、１次元閉じ込め型Ｘ線導波路を作製する（図５（ｄ））。

（ｄ）湾曲Ｘ線導波路の長さの決定
ダイシング装置を用いて導波路を形成したガラス基板５０１を切断する。その際、湾曲Ｘ線導波路の長さが異なる複数の試料を得る。

得られる湾曲Ｘ線導波路の導波特性をシンクロトロンから得られる１０ｋｅＶの入射Ｘ線と２次元Ｘ線検出器を用いて評価する。１０ｋｅＶの入射Ｘ線を前記湾曲Ｘ線導波路の端部から入射し、導波路終端部から出射される導波するＸ線（出射Ｘ線）を導波路の後方（カメラ長：１５００ｍｍ）で形成する干渉パターンを２次元Ｘ線検出器で測定する。

図６のように定義されるＸ線の振れ角α_ｄを、曲率半径０．０１ｍで湾曲Ｘ線導波路の長さが０．９ｍｍの試料を用いることで５°にして、導波するＸ線（出射Ｘ線）を検出することができる。これは、従来よりも曲率半径の小さな湾曲Ｘ線導波路であっても、十分な低損失でのＸ線導波を実現できるためである。

（実施例２）
本実施例は、クラッドＡ１０２及びクラッドＢ１０３にタングステン、コア１０１にポリスチレンと空気を用いた本発明の湾曲Ｘ線導波路である。また、本実施例は、シンクロトロンをＸ線源、２次元Ｘ線検出器をＸ線照射対象物とするＸ線システムである。

本実施例の湾曲Ｘ線導波路の作製方法は、スパッタ法、及びディップコート法による以下のような工程が挙げられる（図７）。

（ａ）クラッドＡ１０２の形成
曲率半径が０．０１ｍの円筒形状の湾曲凹面を有するガラス基板７０１上にマグネトロンスパッタリングを用いてタングステン（クラッドＡ）１０２を２０ｎｍの厚さで形成する（図７（ａ））。

（ｂ）コア１０１の一部の形成
ポリスチレンが溶解した溶液をタングステン（クラッドＡ）１０２の上にディップコートによって塗布し、ポリスチレン７０２を１５ｎｍ形成する（図７（ｂ））。ポリスチレン７０２がコア１０１の一部となる。

（ｃ）クラッドＢ１０３の形成
曲率半径が０．０１ｍの円筒形状の湾曲凸面を有するガラス基板７０３上にマグネトロンスパッタリングによってタングステン（クラッドＢ）１０３を２０ｎｍの厚さで形成する（（図７（ｃ））。

（ｄ）導波路構造の作製と湾曲Ｘ線導波路の長さの決定
ダイシング装置を用いてタングステン１０２及びポリスチレン７０２を形成したガラス基板７０１、及びタングステン１０３を形成したガラス基板７０３を切断する。その際、湾曲した部分の長さが異なる複数の試料を得る。

湾曲した部分の長さが同じガラス基板７０１とガラス基板７０３を対向させて湾曲Ｘ線導波路を作製する（図７（ｄ））。ガラス基板７０１を試料台７０５に固定し、ガラス基板７０３をピエゾアクチュエータによる駆動が可能なステージ７０６に固定する。ピエゾアクチュエータをコントローラ７０７で動かして角度と位置を調整し、タングステン１０３とポリスチレン７０２の間のギャップ（間隔）７０４を４５ｎｍにして固定する。ポリスチレン７０２とギャップ７０４を構成する空気を合わせて厚さ６０ｎｍのコア１０１となる。

図６のように定義されるＸ線の振れ角α_ｄを、曲率半径０．０１ｍで湾曲Ｘ線導波路の長さが３．５ｍｍの試料を用いることで２０°にして、導波するＸ線（出射Ｘ線）を検出することができる。これは、従来よりも曲率半径の小さな湾曲Ｘ線導波路であっても、十分な低損失でのＸ線導波を実現できるためである。また、本実施例では、他の実施例よりもＸ線の吸収損失の小さいポリスチレン及び空気をコア１０１に用いているため、極めて導波Ｘ線の損失の小さい導波路となっており、Ｘ線導波路を比較的長くできるため、Ｘ線の振れ角α_ｄを大きくできる。

（実施例３）
本実施例は、クラッドＡ１０２及びクラッドＢ１０３にシリコン、コア１０１にｃａｌｉｘａｒｅｎｅとカーボンを用いた本発明の湾曲Ｘ線導波路である。また、本実施例は、シンクロトロンをＸ線源、２次元Ｘ線検出器をＸ線照射対象物とするＸ線システムである。

本実施例の湾曲Ｘ線導波路の作製方法は、蒸着法、スパッタ法、及びスピンコート法による以下のような工程が挙げられる。

（ａ）クラッドＡ１０２の形成
曲率半径が０．０５ｍの円筒型の湾曲凸面を有するガラス基板８０１上に蒸着によってシリコン（クラッドＡ）１０２を５０ｎｍの厚さで形成する（図８（ａ））。

（ｂ）コア１０１の形成
ｃａｌｉｘａｒｅｎｅが溶解した溶液をシリコン（クラッドＡ）１０２の上にスピンコートによって塗布し、ｃａｌｉｘａｒｅｎｅ８０２を５０ｎｍ形成する。その上に、マグネトロンスパッタリングによって、１２ｋｅＶのＸ線の屈折率実部がｃａｌｉｘａｒｅｎｅ８０２よりも小さいカーボン８０３を１０ｎｍ形成する。ｃａｌｉｘａｒｅｎｅ８０２とカーボン８０３がコア１０１を構成する（図８（ｂ））。

コア１０１を形成したガラス基板８０１の一部を切断し、コア１０１にアルゴンイオンビームを照射してその表面を徐々に削りながら、Ｘ線光電子分光装置でコア１０１のｙ軸方向の元素分布を分析する。得られる元素分布から式５を用いて得られるコア１０１の屈折率実部の分布がｙ＝ｙ０＋５０ｎｍの所でｙの増加とともに減少していることを確認できる。

（ｃ）コア１０１の加工
非特許文献２で開示されているリソグラフィ方法を用いて、ガラス基板の湾曲方向に沿って幅６０ｎｍのラインパターンのコア１０１を、５００ｎｍの間隔で形成する（図８（ｃ））。

（ｄ）クラッドＢ１０３の形成
蒸着によってシリコン（クラッドＢ）１０３を５０ｎｍ以上の厚さで形成し、コア１０１及びクラッドＡ１０２を覆い、２次元閉じ込め型Ｘ線導波路を作製する（図８（ｄ））。

（ｅ）湾曲Ｘ線導波路の長さの決定
ダイシング装置を用いて導波路を形成したガラス基板８０１を切断する。その際、湾曲Ｘ線導波路の長さが異なる複数の試料を得る。

得られる湾曲Ｘ線導波路の導波特性をシンクロトロンから得られる１２ｋｅＶの入射Ｘ線と２次元Ｘ線検出器を用いて評価する。１２ｋｅＶの入射Ｘ線を前記湾曲Ｘ線導波路の端部から入射し、導波路終端部から出射される導波するＸ線（出射Ｘ線）を導波路の後方（カメラ長：１５００ｍｍ）で形成する干渉パターンを２次元Ｘ線検出器で測定する。

図６のように定義されるＸ線の振れ角α_ｄを、曲率半径０．０５ｍで湾曲Ｘ線導波路の長さが３ｍｍの試料を用いることで３．４°にして、導波するＸ線（出射Ｘ線）を検出することができる。これは、従来よりも曲率半径が小さくても導波Ｘ線の損失が小さく維持でき、長い導波路を用いることができるためである。コア１０１が６０ｎｍ四方の断面のｃａｌｉｘａｒｅｎｅのみとした導波路では、曲率半径０．０５ｍで湾曲Ｘ線導波路の長さが３ｍｍの試料では導波Ｘ線を検出することができない。

本発明にかかるＸ線導波路は、位相の揃ったＸ線を提供することが可能となり、さらにＸ線を曲げてその方向を調整することができ、Ｘ線を用いた分析技術やイメージング手法等で有用である。

１０１コア
１０２クラッド
１０３クラッド
１０４点Ｓ
１０５接線
５０１基板
５０２カーボン
５０３Ｂ４Ｃ
７０１ガラス基板
７０２ポリスチレン
７０３ガラス基板
７０４タングステンとポリスチレンとのギャップ
７０５試料台
７０６ステージ
７０７コントローラ
８０１ガラス基板
８０２ｃａｌｉｘａｒｅｎｅ
８０３カーボン

Claims

コアと、該コアを狭持して対向して存在する二つのクラッドと、で形成される湾曲構造を有するＸ線導波路であって、
前記二つのクラッドのうちの前記湾曲構造の内周側に存在するクラッドＡと前記コアとの界面の曲率半径を規定する円の中心を原点として、前記原点から前記界面における任意の点Ｓにおける接線に垂直かつ前記原点から前記界面に向かう方向にｙ軸を定義した時に、以下の式（７）を満たす任意のｙにおいて、前記コアの屈折率実部ｎ（ｙ）が、以下の式（５）および式（６）を満たすことを特徴とするＸ線導波路。

式（５）

式（６）

式（７）
（式（５）において、ｙ_０は前記コアと前記クラッドＡとの界面のｙ座標であり、ｙ_１は前記コアと二つのクラッドのうちの外周側に存在するクラッドＢとの界面のｙ座標である。また、ｎ（ｙ_０）は、前記ｙ_０におけるコアの屈折率実部を示し、ｎ（ｙ_１）は、前記ｙ_１におけるコアの屈折率実部を示す。）
前記コアが、第一の材料と前記第一の材料よりも屈折率実部の小さい第二の材料との混合物で構成され、前記第二の材料の物質量の密度が前記コア内で前記ｙの増加関数で示される分布をなしており、前記第一の材料の物質量の密度が前記コア内で前記ｙの減少関数で示される分布をなしていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線導波路。
前記二つのクラッドが連結して、円筒形状もしくは楕円筒形状を形成していることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線導波路。
コアと、該コアを狭持して対向して存在する二つのクラッドと、で形成される湾曲構造を有するＸ線導波路であって、
前記二つのクラッドが、前記湾曲構造の内周側に存在するクラッドＡと前記湾曲構造の外周側に存在するクラッドＢで構成され、前記クラッドＡから前記クラッドＢに向かう方向に沿って、前記コアが複数の領域を有し、前記複数の領域が前記方向に沿って屈折率が小さくなる順に位置していることを特徴とするＸ線導波路。
前記複数の領域が２つの領域であることを特徴とする請求項４に記載のＸ線導波路。
前記２つの領域が、異なる材料で構成されていることを特徴とする請求項５に記載のＸ線導波路。
Ｘ線を発生するＸ線源と、測定物に向けて該Ｘ線を導波させる請求項１〜６のいずれか一項に記載のＸ線導波路と、を有するＸ線測定システム。
Ｘ線を発生するＸ線源と、測定物に向けて該Ｘ線を導波させる請求項４に記載のＸ線導波路と、を有するＸ線測定装置。