JP3590317B2 - Ｘ線レンズ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線レンズ及びその製造方法に関し、特に焦点距離を短くするのに適したＸ線レンズ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ネイチャ第３８４巻（１９９６年１１月７日）の第４９〜５１頁に開示されているＸ線レンズの側面図を示す。ボロンまたはアルミニウム等からなる基材１００に、図４の紙面に垂直な中心軸を有する円柱状の複数の貫通孔１０１が形成されている。各貫通孔１０１の半径は１００〜１１００μｍであり、相互に隣接する２つの貫通孔１０１の間隔ｄは、約２５μｍである。
【０００３】
基材１００の図の左端から、Ｘ線１０２が入射する。入射したＸ線は、各貫通孔１０１の内周面で屈折を繰り返す。Ｘ線に対するボロンやアルミニウムの屈折率は１よりもやや小さいため、基材１００の図の右端から出射するＸ線１０３は、収束光線束となる。
【０００４】
種々の材料のＸ線領域における屈折率は非常に１に近いため、焦点距離の短いＸ線レンズを作製することは困難である。図４のように、複数の貫通孔１０１を形成し複合レンズとすることにより、焦点距離の比較的短いレンズを得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
焦点距離を短くするためにレンズの枚数（図４では貫通孔１０１の個数に相当）を多くすると、レンズ材料によるＸ線の吸収が大きくなってしまう。例えば、貫通孔１０１の個数を５０、相互に隣接する２つの貫通孔１０１の間隔ｄを０．０２ｍｍとすると、レンズの吸収体の合計の厚さは１ｍｍになる。
【０００６】
また、複合レンズの有効口径ＡＣは、
【０００７】
【数１】
ＡＣ＝２Ｒ（２／μＲＮ）１／２
と表される。ここで、Ｒは貫通孔１０１の半径、μはＸ線吸収係数、Ｎはレンズ枚数である。例えば、アルミニウムのＸ線吸収係数μは約２０ｃｍ−１である。Ｒ＝０．２ｍｍ、Ｎ＝５０、とすると、有効口径ＡＣは０．１２ｍｍになってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、Ｘ線吸収が少なく、かつ焦点距離を短くすることが可能なＸ線レンズ及びその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されたＸ線レンズであって、入射するＸ線の進行方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を考えたとき、Ｙ軸に平行な直線を母線とする柱面からなる第１の表面を有し、該第１の表面がＹＺ面に関して面対称であり、該第1の表面と、ＺＸ面との交線が第１の曲線であり、該第１の曲線の、ＹＺ面との交点における曲率半径が２０μｍ以下であり、該第１の表面は、Ｘ線を収束させる作用を奏するＸ線レンズが提供される。
【００１０】
第１の曲線の曲率半径が２０μｍ以下であるため、第１の表面を屈折面とする焦点距離の短いＸ線レンズが得られる。
【００１１】
本発明の他の観点によると、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されたＸ線レンズであって、ＸＹＺ直交座標係を考えたとき、Ｙ軸に平行な直線を母線とする柱面からなる第１の表面を有し、該第１の表面がＹＺ面に関して面対称な凹面であり、該第１の表面とＺＸ面との交線が放物線になるＸ線レンズが提供される。
【００１２】
第１の表面とＺＸ面との交線が放物線になるような第１の表面を屈折面とすることにより、円柱面を屈折面とする場合に比べて、有効口径が大きく、かつ焦点距離の短いレンズを得ることが可能になる。
【００１３】
本発明のさらに他の観点によると、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成された部材を準備する工程と、縁の一部に、凹状の放物線部分を含み、シンクロトロン放射光を透過させないマスクを、前記部材の表面に密着させ、または該表面からある間隔を隔てて配置する工程と、前記マスクを介して前記部材にシンクロトロン放射光を照射し、該部材をシンクロトロン放射光によりエッチングする工程とを含むＸ線レンズの製造方法が提供される。
【００１４】
本発明のさらに他の観点によると、支持基板と、該支持基板に密着した高分子膜であって、該高分子膜が、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されている積層基板を準備する工程と、縁の一部に、凸状の放物線部分を含み、シンクロトロン放射光を透過させないマスクを、前記部材の表面に密着させ、または該表面からある間隔を隔てて配置する工程と、前記マスクを介して前記高分子膜にシンクロトロン放射光を照射し、該高分子膜をシンクロトロン放射光によりエッチングする工程と、前記高分子膜のエッチングされた部分に、金属部材を埋め込む工程と、前記支持基板上に残っている高分子膜を除去する工程とを有し、前記マスクの縁のうち前記放物線部分の、曲率半径が最小となる位置における曲率半径が２０μｍ以下であり、エッチングされて形成された面のうち前記放物線部分に対応する面が、Ｘ線を収束させる作用を奏するＸ線レンズの製造方法が提供される。
【００１５】
ＳＲ光を用いて高分子材料を加工するため、機械的に加工する場合に比べて、曲率半径の小さな曲面を容易に形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は、本発明の実施例によるＸ線レンズの斜視図を示す。ＸＹＺ直交座標系を考える。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる直方体形状の基材５０が、各面をＸＹ面、ＹＺ面、及びＺＸ面に平行にするように配置されている。ＸＹ面に平行な２つの面に、それぞれ溝５１Ａ及び５１Ｂが形成されている。溝５１Ａの内面（第１の表面５２Ａ）及び溝５１Ｂの内面（第２の表面５２Ｂ）は、共にＹ軸に平行な直線を母線とする柱面であり、ＹＺ面（本明細書において、ＹＺ面を主平面と呼ぶ）に関して面対称である。
【００１７】
第１の表面５２ＡはＺ軸の負の方向を向き、第２の表面５２ＢはＺ軸の正の方向を向いている。すなわち、両者は相互に反対方向を向いている。また、第１及び第２の表面５２Ａ及び５２Ｂは、共に凹面である。第１の表面５２ＡとＺＸ面との交線、及び第２の表面５２ＢとＺＸ面との交線は、共に放物線である。
【００１８】
ＰＴＦＥの屈折率をｎとすると、
【００１９】
【数２】
ｎ＝１−δ
と表すことができる。ここで、δは、屈折率低下分（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ）である。波長０．７ｎｍのＸ線に対するＰＴＦＥのδは７．２５×１０−７であり、吸収係数μは６ｃｍ−１である。
【００２０】
図１（Ａ）のＺ軸の正の向きに進行するＸ線６０が、第１の表面５２Ａに入射する。第１の表面５２Ａに入射したＸ線は、第１の表面５２Ａで屈折し、さらに第２の表面５２Ｂで屈折し、ＺＸ面内に関して収束するＸ線６１が得られる。すなわち、第１及び第２の表面５２Ａ及び５２Ｂを有する基材５０は、Ｘ線に対して集光レンズとして作用する。
【００２１】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＸ線レンズのＺＸ面における断面形状を示す。第１の表面５２ＡとＺＸ面との交線は、
【００２２】
【数３】
Ｘ２＝２Ｒ（−Ｚ−ｄ／２）
と表され、第２の表面５２ＢとＺＸ面との交線は、
【００２３】
【数４】
Ｘ２＝２Ｒ（Ｚ−ｄ／２）
と表される。ここで、Ｒ＝２μｍ、ｄ＝１０μｍである。すなわち、この放物線の、ＹＺ面との交点における曲率半径は２μｍであり、ＹＺ面上において、第１の表面５２Ａと第２の表面５２Ｂとの間の厚さは１０μｍである。このレンズの焦点距離Ｆは、Ｒ／（２δ）で与えられるため、Ｆ＝１．４ｍとなる。
【００２４】
基材５０のＺ軸方向の厚さを１２００μｍとすると、Ｚ＝±６００μｍの位置における第１及び第２の表面５２Ａ及び５２ＢのＸ座標は約±４９μｍになる。すなわち、このＸ線レンズのＸ軸方向の有効口径は約９８μｍになる。このとき、分解能σ＝１μｍになる。焦点距離Ｆ＝１．４ｍ、有効口径９８μｍの収束レンズを、１枚の円柱面のレンズで実現することは不可能である。上記特性の収束レンズを得るためには、図４に示すように、円柱面レンズを複数用いた複合レンズとしなければならない。本実施例の場合には、屈折面を放物面にしているため、１枚のレンズで焦点距離が短く、かつ有効口径の大きな収束レンズを実現することができる。
【００２５】
実効的にＸ線を集光させることができ、かつ大きな有効口径を確保するためには、第１または第２の表面５２Ａまたは５２ＢとＺＸ面との交線の、ＹＺ面との交点における曲率半径を２０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
また、上記実施例では、基材５０としてＰＴＦＥを用いた場合を説明したが、ＰＴＦＥの外に、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（例えばデュポン社の登録商標「テフロンＦＥＰ」）やテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体（例えばデュポン社の登録商標「テフロンＰＦＡ）を用いてもよい。
【００２７】
また、Ｘ線の光軸近傍（ＹＺ面近傍）におけるレンズの厚さが１０μｍ程度であるため、Ｘ線吸収量を低減することができる。Ｘ線吸収量を十分少なくするためには、第１の表面５２Ａと第２の表面５２Ｂとに挟まれた部分の最小厚さを５０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２８】
また、上記実施例では、Ｘ線の入射側と出射側の２つの屈折面を、共に放物面とした場合を説明したが、一方の面のみを放物面としてもよい。また、Ｘ線を収束させる作用を奏する曲面であれば、放物面以外の滑らかな曲面としてもよい。ただし、この場合にも、この曲面とＺＸ面との交線の、ＹＺ面（主平面）との交点における曲率半径を２０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２９】
次に、図１（Ａ）に示す実施例によるＸ線レンズの製造方法について説明する。
【００３０】
図２（Ａ）は、実施例によるＸ線レンズの加工装置の概略図である。シンクロトロンに蓄積された電子の軌道１から光軸５に沿ってシンクロトロン放射光（ＳＲ光）２が放射される。光軸５に沿った光源からの距離Ｌの位置にＰＴＦＥ基材４が配置されている。加工対象物４の前方には、間隔Ｇだけ離れてマスク３が配置されている。電子軌道１、基材４及びマスク３は同一の真空容器内に配置されている。
【００３１】
マスク３には、ＳＲ光を実質的に透過させる領域と透過させない領域とが画定されている。なお、実質的に透過させる領域とは、ＰＴＦＥ基材４を加工するのに十分な強さのＳＲ光を透過させる領域を意味し、実質的に透過させない領域とは、その領域をＳＲ光が透過しないか、または透過したとしても透過光がＰＴＦＥ基材を加工しない程度の強さまで弱められるような領域を意味する。
【００３２】
本実施例で使用したマスクは、図２（Ｂ）に示すパターンを有する厚さ１０〜１００μｍの銅板である。すなわち、マスクの縁は、凹状の放物線部分を含む。なお、銅以外の金属を用いてもよい。なお、マスクは、２〜１０μｍ程度の厚さのものでもよい。
【００３３】
ＳＲ光２は、マスク３を介してＰＴＦＥ基材４の表面に照射される。ＳＲ光の照射される面は、図１（Ａ）のＺＸ面に平行な面である。ＰＴＦＥ基材４の表面でＳＲ光によるエッチングが生じ、ＳＲ光が照射された部分が剥離される。ＳＲ光２は高い平行度を有するため、加工されたＰＴＦＥ基材４は、光軸５に沿って見たときマスク３とほぼ同一形状になる。このため、図１（Ａ）に示すようなＸ線レンズが得られる。
【００３４】
図２（Ｂ）は、加工部の断面図を示す。真空容器２０内に試料保持台１４が配置されている。試料保持台１４の試料保持面にＰＴＦＥ基材４が保持されている。マスク３が、マスク保持手段１７によりＰＴＦＥ基材４の前面に配置されている。マスク３をＰＴＦＥ基材４の表面に密着させてもよいし、ある間隔を隔てて配置してもよい。加工時には、図の左方からマスク３を通してＰＴＦＥ基材４の表面にＳＲ光２を照射する。
【００３５】
試料保持台１４は、例えばセラミックで形成され、内部にヒータ８が埋め込まれている。ヒータ８のリード線が、真空容器２０の壁に取り付けられたコネクタ２１の容器内側の端子に接続されている。コネクタ２１の容器外側の端子が、電源７に接続されており、電源７からヒータ８に電流が供給される。ヒータ８に電流を流すことにより、ＰＴＦＥ基材４を加熱することができる。
【００３６】
試料保持台１４の試料保持面に熱電対２３が取り付けられている。熱電対２３のリード線は、リード線取出口２２を通して真空容器２０の外部に導出され、温度制御装置９に接続されている。リード線取出口２２は、例えばハンダ付けにより気密性が保たれている。温度制御装置９は、試料保持面の温度が所望の温度になるように、電源７を制御しヒータ８を流れる電流を調節する。
【００３７】
図２（Ｃ）は、試料保持台の他の構成例を示す。試料保持台１５の内部にガス流路１６が形成されている。ガス流路１６に所望の温度のガスを流してガスとＰＴＦＥ基材４との熱交換を行わせ、ＰＴＦＥ基材４を所望の温度に維持することができる。
【００３８】
最小曲率半径２０μｍ以下の滑らかな曲面、及び最小の間隔が５０μｍ以下となるような２つの屈折面を、機械的な加工によって作製することは困難である。図２（Ａ）に示すＳＲ光を利用した加工装置を用いることにより、最小曲率半径２０μｍ以下の放物面を容易に形成することができる。また、２つの放物面の最小間隔が５０μｍ以下となるＸ線レンズを再現性よく作製することができる。
【００３９】
ＳＲ光は高い平行度を有するため、図１（Ａ）のＸ線レンズのＹ軸方向の厚さをＴとしたとき、Ｔ／Ｒが５以上のレンズを容易に作製することができる。Ｔ／Ｒが５以上となるようにすることにより、レンズをＹ軸方向に大きくしても、焦点距離を短く維持することができる。
【００４０】
上記実施例では、基材として、ＰＴＦＥ等の高分子材料を用いた場合を説明したが、Ｘ線吸収の少ない金属を用いてもよい。Ｘ線吸収の少ない金属として、例えばＡｌが挙げられる。以下、Ａｌを用いたＸ線レンズの作製方法について説明する。
【００４１】
図３（Ａ）に示すように、金属膜３１とそれに密着したＰＴＦＥ膜３２とが積層された基板３０を準備する。基板３０は、例えばＰＴＦＥ膜にＮｉ膜とＣｕ膜をメッキにより堆積して作製することができる。または、Ｃｕ板の上にＰＴＦＥ膜を載せ、加熱しながら加圧して融着させることによっても作製することができる。
【００４２】
ＰＴＦＥ膜３２の表面上に一定の間隔を隔ててマスク３３を配置する。マスク３３は、図１（Ｂ）に示す断面図を反転させたパターンが形成されたステンレス製の膜である。すなわち、マスク３３の縁は、凸状の放物線部分を含む。
【００４３】
マスク３３を介してＰＴＦＥ膜３２にＳＲ光３４を照射する。照射された部分のＰＴＦＥ膜３２がエッチング除去される。金属膜３１はエッチングされないため、金属膜３１の表面が露出した時点でエッチングが停止する。
【００４４】
基板温度を２００℃とし、光子密度約６×１０１５フォトン／ｓ・ｍｍ２のＳＲ光を照射したところ、約１０分で３００μｍの厚さのＰＴＦＥ膜３２の全厚さ部分をエッチングすることができた。
【００４５】
図３（Ｂ）は、金属膜３１の表面の一部が露出した状態を示す。ＰＴＦＥ膜３２に、マスク３３のパターンに対応した除去部３５が形成される。
【００４６】
図３（Ｃ）に示すように、除去部３５の底面に露出した金属膜３１の表面上に、電鋳により、Ａｌを堆積する。除去部３５内が、Ａｌからなる金属部材３６で埋め込まれる。
【００４７】
残ったＰＴＦＥ膜３２に、ＳＲ光または電子線を照射する。ＳＲ光を照射すると、ＰＴＦＥ膜３２がエッチングされる。電子線を照射すると、ＰＴＦＥが劣化して粉末状になり、ＰＴＦＥ膜３２を容易に除去することが可能になる。
【００４８】
図３（Ｄ）は、ＰＴＦＥ膜３２を除去した後の状態の断面図を示す。金属膜３１の表面上に金属部材３６が残る。このようにして、ＡｌからなるＸ線レンズを作製することができる。
【００４９】
波長９ｎｍのＸ線に対するＡｌの屈折率低下分δは約２．８×１０−６であり、吸収係数μは約２０ｃｍ−１である。従って、例えば焦点距離１．４ｍのレンズを得るためには、図１（Ａ）の第１及び第２の表面５２Ａ及び５２ＢとＺＸ面との交線の、ＹＺ面との交点における曲率半径を８μｍとすればよい。例えば、分解能σを１μｍ程度とするためには、図１（Ａ）のＸ軸方向の有効口径を１２６μｍとすればよい。
【００５０】
図３（Ａ）〜（Ｄ）に示した方法の他に、放電加工によっても金属製のＸ線レンズを作製することができる。図１に示した実施例によるＸ線レンズを作製するためには、曲率半径の小さな局面を精度よく成形しなければならない。放電加工でこのような曲面を成形するためには、微細な工具電極を準備する必要がある。微細な工具電極は、例えばワイヤ放電研削法（ワイヤ・エレクトロディスチャージ・グリンディング）により作製することができる。ワイヤ放電研削法は、ワイヤガイドに沿ってゆっくり移動する金属細線を電極として、放電により細い棒を成形する手法である（例えば、増沢隆久「マイクロマシニングの研究と手法」精密工学会誌第６０巻Ｎｏ．１，１９９４年）。
【００５１】
ワイヤ放電研削法によって成形した微細な工具電極を用いて、金属材料を放電加工することにより、曲率半径の小さな曲面を有するＸ線レンズを作製することができる。
【００５２】
また、Ｘ線レンズの材料として、ＰＴＦＥや金属の他に、シリコン等の半導体材料を用いてもよい。シリコンの微細加工は、例えば、ＳＦ６ガスを用いた極低温反応性イオンエッチングにより行うことができる（Ｍａｓａｙｏｓｈｉ Ｅｓａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， Ｈｉｇｈ−ｒａｔｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｅｐ ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒ ｂｕｌｋ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ， Ｊ． Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ． Ｍｉｃｒｏｅｎｇ． ５ （１９９５） ｐｐ．５−１０）。
【００５３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、曲率半径の小さい曲面で屈折面を構成することにより、焦点距離の短いＸ線レンズを得ることができる。また、ＳＲ光によるエッチングを利用してＸ線レンズを作製することにより、曲率半径の小さな屈折面を容易に形成し、薄いレンズを再現性よく作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるＸ線レンズの斜視図、及び断面図である。
【図２】実施例で用いる加工装置の概略図、及び基材保持部の断面図である。
【図３】Ａｌを用いたＸ線レンズを作製する方法を説明するための断面図である。
【図４】従来例によるＸ線レンズの側面図である。
【符号の説明】
１ 電子軌道
２ ＳＲ光
３ マスク
４ ＰＴＦＥ基材
５ 光軸
７ 電源
８ ヒータ
９ 温度制御装置
１４、１５ 試料保持台
１６ ガス流路
１７ マスク保持手段
２０ 真空容器
２１ コネクタ
２２ リード線取出口
２３ 熱電対
３０ 積層基板
３１ 金属膜
３２ ＰＴＦＥ膜
３３ マスク
３４ ＳＲ光
３５ 除去部
３６ 金属部材
５０ 基材
５１Ａ、５１Ｂ 溝
５２Ａ 第１の表面
５２Ｂ 第２の表面
６０、６１ Ｘ線
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線レンズ及びその製造方法に関し、特に焦点距離を短くするのに適したＸ線レンズ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ネイチャ第３８４巻（１９９６年１１月７日）の第４９〜５１頁に開示されているＸ線レンズの側面図を示す。ボロンまたはアルミニウム等からなる基材１００に、図４の紙面に垂直な中心軸を有する円柱状の複数の貫通孔１０１が形成されている。各貫通孔１０１の半径は１００〜１１００μｍであり、相互に隣接する２つの貫通孔１０１の間隔ｄは、約２５μｍである。
【０００３】
基材１００の図の左端から、Ｘ線１０２が入射する。入射したＸ線は、各貫通孔１０１の内周面で屈折を繰り返す。Ｘ線に対するボロンやアルミニウムの屈折率は１よりもやや小さいため、基材１００の図の右端から出射するＸ線１０３は、収束光線束となる。
【０００４】
種々の材料のＸ線領域における屈折率は非常に１に近いため、焦点距離の短いＸ線レンズを作製することは困難である。図４のように、複数の貫通孔１０１を形成し複合レンズとすることにより、焦点距離の比較的短いレンズを得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
焦点距離を短くするためにレンズの枚数（図４では貫通孔１０１の個数に相当）を多くすると、レンズ材料によるＸ線の吸収が大きくなってしまう。例えば、貫通孔１０１の個数を５０、相互に隣接する２つの貫通孔１０１の間隔ｄを０．０２ｍｍとすると、レンズの吸収体の合計の厚さは１ｍｍになる。
【０００６】
また、複合レンズの有効口径ＡＣは、
【０００７】
【数１】
ＡＣ＝２Ｒ（２／μＲＮ）１／２
と表される。ここで、Ｒは貫通孔１０１の半径、μはＸ線吸収係数、Ｎはレンズ枚数である。例えば、アルミニウムのＸ線吸収係数μは約２０ｃｍ−１である。Ｒ＝０．２ｍｍ、Ｎ＝５０、とすると、有効口径ＡＣは０．１２ｍｍになってしまう。
【０００８】
本発明の目的は、Ｘ線吸収が少なく、かつ焦点距離を短くすることが可能なＸ線レンズ及びその製造方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されたＸ線レンズであって、入射するＸ線の進行方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を考えたとき、Ｙ軸に平行な直線を母線とする柱面からなる第１の表面を有し、該第１の表面がＹＺ面に関して面対称であり、該第1の表面と、ＺＸ面との交線が第１の曲線であり、該第１の曲線の、ＹＺ面との交点における曲率半径が２０μｍ以下であり、該第１の表面は、Ｘ線を収束させる作用を奏するＸ線レンズが提供される。
【００１０】
第１の曲線の曲率半径が２０μｍ以下であるため、第１の表面を屈折面とする焦点距離の短いＸ線レンズが得られる。
【００１１】
本発明の他の観点によると、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されたＸ線レンズであって、ＸＹＺ直交座標係を考えたとき、Ｙ軸に平行な直線を母線とする柱面からなる第１の表面を有し、該第１の表面がＹＺ面に関して面対称な凹面であり、該第１の表面とＺＸ面との交線が放物線になるＸ線レンズが提供される。
【００１２】
第１の表面とＺＸ面との交線が放物線になるような第１の表面を屈折面とすることにより、円柱面を屈折面とする場合に比べて、有効口径が大きく、かつ焦点距離の短いレンズを得ることが可能になる。
【００１３】
本発明のさらに他の観点によると、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成された部材を準備する工程と、縁の一部に、凹状の放物線部分を含み、シンクロトロン放射光を透過させないマスクを、前記部材の表面に密着させ、または該表面からある間隔を隔てて配置する工程と、前記マスクを介して前記部材にシンクロトロン放射光を照射し、該部材をシンクロトロン放射光によりエッチングする工程とを含むＸ線レンズの製造方法が提供される。
【００１４】
本発明のさらに他の観点によると、支持基板と、該支持基板に密着した高分子膜であって、該高分子膜が、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されている積層基板を準備する工程と、縁の一部に、凸状の放物線部分を含み、シンクロトロン放射光を透過させないマスクを、前記部材の表面に密着させ、または該表面からある間隔を隔てて配置する工程と、前記マスクを介して前記高分子膜にシンクロトロン放射光を照射し、該高分子膜をシンクロトロン放射光によりエッチングする工程と、前記高分子膜のエッチングされた部分に、金属部材を埋め込む工程と、前記支持基板上に残っている高分子膜を除去する工程とを有し、前記マスクの縁のうち前記放物線部分の、曲率半径が最小となる位置における曲率半径が２０μｍ以下であり、エッチングされて形成された面のうち前記放物線部分に対応する面が、Ｘ線を収束させる作用を奏するＸ線レンズの製造方法が提供される。
【００１５】
ＳＲ光を用いて高分子材料を加工するため、機械的に加工する場合に比べて、曲率半径の小さな曲面を容易に形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）は、本発明の実施例によるＸ線レンズの斜視図を示す。ＸＹＺ直交座標系を考える。ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる直方体形状の基材５０が、各面をＸＹ面、ＹＺ面、及びＺＸ面に平行にするように配置されている。ＸＹ面に平行な２つの面に、それぞれ溝５１Ａ及び５１Ｂが形成されている。溝５１Ａの内面（第１の表面５２Ａ）及び溝５１Ｂの内面（第２の表面５２Ｂ）は、共にＹ軸に平行な直線を母線とする柱面であり、ＹＺ面（本明細書において、ＹＺ面を主平面と呼ぶ）に関して面対称である。
【００１７】
第１の表面５２ＡはＺ軸の負の方向を向き、第２の表面５２ＢはＺ軸の正の方向を向いている。すなわち、両者は相互に反対方向を向いている。また、第１及び第２の表面５２Ａ及び５２Ｂは、共に凹面である。第１の表面５２ＡとＺＸ面との交線、及び第２の表面５２ＢとＺＸ面との交線は、共に放物線である。
【００１８】
ＰＴＦＥの屈折率をｎとすると、
【００１９】
【数２】
ｎ＝１−δ
と表すことができる。ここで、δは、屈折率低下分（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ）である。波長０．７ｎｍのＸ線に対するＰＴＦＥのδは７．２５×１０−７であり、吸収係数μは６ｃｍ−１である。
【００２０】
図１（Ａ）のＺ軸の正の向きに進行するＸ線６０が、第１の表面５２Ａに入射する。第１の表面５２Ａに入射したＸ線は、第１の表面５２Ａで屈折し、さらに第２の表面５２Ｂで屈折し、ＺＸ面内に関して収束するＸ線６１が得られる。すなわち、第１及び第２の表面５２Ａ及び５２Ｂを有する基材５０は、Ｘ線に対して集光レンズとして作用する。
【００２１】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＸ線レンズのＺＸ面における断面形状を示す。第１の表面５２ＡとＺＸ面との交線は、
【００２２】
【数３】
Ｘ２＝２Ｒ（−Ｚ−ｄ／２）
と表され、第２の表面５２ＢとＺＸ面との交線は、
【００２３】
【数４】
Ｘ２＝２Ｒ（Ｚ−ｄ／２）
と表される。ここで、Ｒ＝２μｍ、ｄ＝１０μｍである。すなわち、この放物線の、ＹＺ面との交点における曲率半径は２μｍであり、ＹＺ面上において、第１の表面５２Ａと第２の表面５２Ｂとの間の厚さは１０μｍである。このレンズの焦点距離Ｆは、Ｒ／（２δ）で与えられるため、Ｆ＝１．４ｍとなる。
【００２４】
基材５０のＺ軸方向の厚さを１２００μｍとすると、Ｚ＝±６００μｍの位置における第１及び第２の表面５２Ａ及び５２ＢのＸ座標は約±４９μｍになる。すなわち、このＸ線レンズのＸ軸方向の有効口径は約９８μｍになる。このとき、分解能σ＝１μｍになる。焦点距離Ｆ＝１．４ｍ、有効口径９８μｍの収束レンズを、１枚の円柱面のレンズで実現することは不可能である。上記特性の収束レンズを得るためには、図４に示すように、円柱面レンズを複数用いた複合レンズとしなければならない。本実施例の場合には、屈折面を放物面にしているため、１枚のレンズで焦点距離が短く、かつ有効口径の大きな収束レンズを実現することができる。
【００２５】
実効的にＸ線を集光させることができ、かつ大きな有効口径を確保するためには、第１または第２の表面５２Ａまたは５２ＢとＺＸ面との交線の、ＹＺ面との交点における曲率半径を２０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
また、上記実施例では、基材５０としてＰＴＦＥを用いた場合を説明したが、ＰＴＦＥの外に、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（例えばデュポン社の登録商標「テフロンＦＥＰ」）やテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体（例えばデュポン社の登録商標「テフロンＰＦＡ）を用いてもよい。
【００２７】
また、Ｘ線の光軸近傍（ＹＺ面近傍）におけるレンズの厚さが１０μｍ程度であるため、Ｘ線吸収量を低減することができる。Ｘ線吸収量を十分少なくするためには、第１の表面５２Ａと第２の表面５２Ｂとに挟まれた部分の最小厚さを５０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２８】
また、上記実施例では、Ｘ線の入射側と出射側の２つの屈折面を、共に放物面とした場合を説明したが、一方の面のみを放物面としてもよい。また、Ｘ線を収束させる作用を奏する曲面であれば、放物面以外の滑らかな曲面としてもよい。ただし、この場合にも、この曲面とＺＸ面との交線の、ＹＺ面（主平面）との交点における曲率半径を２０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２９】
次に、図１（Ａ）に示す実施例によるＸ線レンズの製造方法について説明する。
【００３０】
図２（Ａ）は、実施例によるＸ線レンズの加工装置の概略図である。シンクロトロンに蓄積された電子の軌道１から光軸５に沿ってシンクロトロン放射光（ＳＲ光）２が放射される。光軸５に沿った光源からの距離Ｌの位置にＰＴＦＥ基材４が配置されている。加工対象物４の前方には、間隔Ｇだけ離れてマスク３が配置されている。電子軌道１、基材４及びマスク３は同一の真空容器内に配置されている。
【００３１】
マスク３には、ＳＲ光を実質的に透過させる領域と透過させない領域とが画定されている。なお、実質的に透過させる領域とは、ＰＴＦＥ基材４を加工するのに十分な強さのＳＲ光を透過させる領域を意味し、実質的に透過させない領域とは、その領域をＳＲ光が透過しないか、または透過したとしても透過光がＰＴＦＥ基材を加工しない程度の強さまで弱められるような領域を意味する。
【００３２】
本実施例で使用したマスクは、図２（Ｂ）に示すパターンを有する厚さ１０〜１００μｍの銅板である。すなわち、マスクの縁は、凹状の放物線部分を含む。なお、銅以外の金属を用いてもよい。なお、マスクは、２〜１０μｍ程度の厚さのものでもよい。
【００３３】
ＳＲ光２は、マスク３を介してＰＴＦＥ基材４の表面に照射される。ＳＲ光の照射される面は、図１（Ａ）のＺＸ面に平行な面である。ＰＴＦＥ基材４の表面でＳＲ光によるエッチングが生じ、ＳＲ光が照射された部分が剥離される。ＳＲ光２は高い平行度を有するため、加工されたＰＴＦＥ基材４は、光軸５に沿って見たときマスク３とほぼ同一形状になる。このため、図１（Ａ）に示すようなＸ線レンズが得られる。
【００３４】
図２（Ｂ）は、加工部の断面図を示す。真空容器２０内に試料保持台１４が配置されている。試料保持台１４の試料保持面にＰＴＦＥ基材４が保持されている。マスク３が、マスク保持手段１７によりＰＴＦＥ基材４の前面に配置されている。マスク３をＰＴＦＥ基材４の表面に密着させてもよいし、ある間隔を隔てて配置してもよい。加工時には、図の左方からマスク３を通してＰＴＦＥ基材４の表面にＳＲ光２を照射する。
【００３５】
試料保持台１４は、例えばセラミックで形成され、内部にヒータ８が埋め込まれている。ヒータ８のリード線が、真空容器２０の壁に取り付けられたコネクタ２１の容器内側の端子に接続されている。コネクタ２１の容器外側の端子が、電源７に接続されており、電源７からヒータ８に電流が供給される。ヒータ８に電流を流すことにより、ＰＴＦＥ基材４を加熱することができる。
【００３６】
試料保持台１４の試料保持面に熱電対２３が取り付けられている。熱電対２３のリード線は、リード線取出口２２を通して真空容器２０の外部に導出され、温度制御装置９に接続されている。リード線取出口２２は、例えばハンダ付けにより気密性が保たれている。温度制御装置９は、試料保持面の温度が所望の温度になるように、電源７を制御しヒータ８を流れる電流を調節する。
【００３７】
図２（Ｃ）は、試料保持台の他の構成例を示す。試料保持台１５の内部にガス流路１６が形成されている。ガス流路１６に所望の温度のガスを流してガスとＰＴＦＥ基材４との熱交換を行わせ、ＰＴＦＥ基材４を所望の温度に維持することができる。
【００３８】
最小曲率半径２０μｍ以下の滑らかな曲面、及び最小の間隔が５０μｍ以下となるような２つの屈折面を、機械的な加工によって作製することは困難である。図２（Ａ）に示すＳＲ光を利用した加工装置を用いることにより、最小曲率半径２０μｍ以下の放物面を容易に形成することができる。また、２つの放物面の最小間隔が５０μｍ以下となるＸ線レンズを再現性よく作製することができる。
【００３９】
ＳＲ光は高い平行度を有するため、図１（Ａ）のＸ線レンズのＹ軸方向の厚さをＴとしたとき、Ｔ／Ｒが５以上のレンズを容易に作製することができる。Ｔ／Ｒが５以上となるようにすることにより、レンズをＹ軸方向に大きくしても、焦点距離を短く維持することができる。
【００４０】
上記実施例では、基材として、ＰＴＦＥ等の高分子材料を用いた場合を説明したが、Ｘ線吸収の少ない金属を用いてもよい。Ｘ線吸収の少ない金属として、例えばＡｌが挙げられる。以下、Ａｌを用いたＸ線レンズの作製方法について説明する。
【００４１】
図３（Ａ）に示すように、金属膜３１とそれに密着したＰＴＦＥ膜３２とが積層された基板３０を準備する。基板３０は、例えばＰＴＦＥ膜にＮｉ膜とＣｕ膜をメッキにより堆積して作製することができる。または、Ｃｕ板の上にＰＴＦＥ膜を載せ、加熱しながら加圧して融着させることによっても作製することができる。
【００４２】
ＰＴＦＥ膜３２の表面上に一定の間隔を隔ててマスク３３を配置する。マスク３３は、図１（Ｂ）に示す断面図を反転させたパターンが形成されたステンレス製の膜である。すなわち、マスク３３の縁は、凸状の放物線部分を含む。
【００４３】
マスク３３を介してＰＴＦＥ膜３２にＳＲ光３４を照射する。照射された部分のＰＴＦＥ膜３２がエッチング除去される。金属膜３１はエッチングされないため、金属膜３１の表面が露出した時点でエッチングが停止する。
【００４４】
基板温度を２００℃とし、光子密度約６×１０１５フォトン／ｓ・ｍｍ２のＳＲ光を照射したところ、約１０分で３００μｍの厚さのＰＴＦＥ膜３２の全厚さ部分をエッチングすることができた。
【００４５】
図３（Ｂ）は、金属膜３１の表面の一部が露出した状態を示す。ＰＴＦＥ膜３２に、マスク３３のパターンに対応した除去部３５が形成される。
【００４６】
図３（Ｃ）に示すように、除去部３５の底面に露出した金属膜３１の表面上に、電鋳により、Ａｌを堆積する。除去部３５内が、Ａｌからなる金属部材３６で埋め込まれる。
【００４７】
残ったＰＴＦＥ膜３２に、ＳＲ光または電子線を照射する。ＳＲ光を照射すると、ＰＴＦＥ膜３２がエッチングされる。電子線を照射すると、ＰＴＦＥが劣化して粉末状になり、ＰＴＦＥ膜３２を容易に除去することが可能になる。
【００４８】
図３（Ｄ）は、ＰＴＦＥ膜３２を除去した後の状態の断面図を示す。金属膜３１の表面上に金属部材３６が残る。このようにして、ＡｌからなるＸ線レンズを作製することができる。
【００４９】
波長９ｎｍのＸ線に対するＡｌの屈折率低下分δは約２．８×１０−６であり、吸収係数μは約２０ｃｍ−１である。従って、例えば焦点距離１．４ｍのレンズを得るためには、図１（Ａ）の第１及び第２の表面５２Ａ及び５２ＢとＺＸ面との交線の、ＹＺ面との交点における曲率半径を８μｍとすればよい。例えば、分解能σを１μｍ程度とするためには、図１（Ａ）のＸ軸方向の有効口径を１２６μｍとすればよい。
【００５０】
図３（Ａ）〜（Ｄ）に示した方法の他に、放電加工によっても金属製のＸ線レンズを作製することができる。図１に示した実施例によるＸ線レンズを作製するためには、曲率半径の小さな局面を精度よく成形しなければならない。放電加工でこのような曲面を成形するためには、微細な工具電極を準備する必要がある。微細な工具電極は、例えばワイヤ放電研削法（ワイヤ・エレクトロディスチャージ・グリンディング）により作製することができる。ワイヤ放電研削法は、ワイヤガイドに沿ってゆっくり移動する金属細線を電極として、放電により細い棒を成形する手法である（例えば、増沢隆久「マイクロマシニングの研究と手法」精密工学会誌第６０巻Ｎｏ．１，１９９４年）。
【００５１】
ワイヤ放電研削法によって成形した微細な工具電極を用いて、金属材料を放電加工することにより、曲率半径の小さな曲面を有するＸ線レンズを作製することができる。
【００５２】
また、Ｘ線レンズの材料として、ＰＴＦＥや金属の他に、シリコン等の半導体材料を用いてもよい。シリコンの微細加工は、例えば、ＳＦ６ガスを用いた極低温反応性イオンエッチングにより行うことができる（Ｍａｓａｙｏｓｈｉ Ｅｓａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， Ｈｉｇｈ−ｒａｔｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｅｐ ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒ ｂｕｌｋ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ， Ｊ． Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ． Ｍｉｃｒｏｅｎｇ． ５ （１９９５） ｐｐ．５−１０）。
【００５３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、曲率半径の小さい曲面で屈折面を構成することにより、焦点距離の短いＸ線レンズを得ることができる。また、ＳＲ光によるエッチングを利用してＸ線レンズを作製することにより、曲率半径の小さな屈折面を容易に形成し、薄いレンズを再現性よく作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるＸ線レンズの斜視図、及び断面図である。
【図２】実施例で用いる加工装置の概略図、及び基材保持部の断面図である。
【図３】Ａｌを用いたＸ線レンズを作製する方法を説明するための断面図である。
【図４】従来例によるＸ線レンズの側面図である。
【符号の説明】
１ 電子軌道
２ ＳＲ光
３ マスク
４ ＰＴＦＥ基材
５ 光軸
７ 電源
８ ヒータ
９ 温度制御装置
１４、１５ 試料保持台
１６ ガス流路
１７ マスク保持手段
２０ 真空容器
２１ コネクタ
２２ リード線取出口
２３ 熱電対
３０ 積層基板
３１ 金属膜
３２ ＰＴＦＥ膜
３３ マスク
３４ ＳＲ光
３５ 除去部
３６ 金属部材
５０ 基材
５１Ａ、５１Ｂ 溝
５２Ａ 第１の表面
５２Ｂ 第２の表面
６０、６１ Ｘ線
Claims (9)
- ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されたＸ線レンズであって、入射するＸ線の進行方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を考えたとき、Ｙ軸に平行な直線を母線とする柱面からなる第１の表面を有し、該第１の表面がＹＺ面に関して面対称であり、該第1の表面と、ＺＸ面との交線が第１の曲線であり、該第１の曲線の、ＹＺ面との交点における曲率半径が２０μｍ以下であり、該第１の表面は、Ｘ線を収束させる作用を奏するＸ線レンズ。
- 前記第１の表面が凹面である請求項１に記載のＸ線レンズ。
- 前記第１の曲線が放物線である請求項１または２に記載のＸ線レンズ。
- さらに、前記第１の表面の母線に平行な直線を母線とする柱面からなり、該第１の表面とは反対方向を向く第２の表面を有し、該第２の表面が前記ＹＺ面に関して面対称な凹面であり、該第２の表面と、ＺＸ面との交線が第２の曲線であり、前記第１の表面と第２の表面とに挟まれた部分の、厚さが最小となる位置における厚さが５０μｍ以下であり、該第１の表面及び第２の表面が、Ｘ線を収束させる作用を奏する請求項１〜３のいずれかに記載のＸ線レンズ。
- ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されたＸ線レンズであって、ＸＹＺ直交座標係を考えたとき、Ｙ軸に平行な直線を母線とする柱面からなる第１の表面を有し、該第１の表面がＹＺ面に関して面対称な凹面であり、該第１の表面とＺＸ面との交線が放物線になるＸ線レンズ。
- さらに、前記第１の表面とＺＸ面との交線の、ＹＺ面との交点における曲率半径をＲ、Ｘ線レンズのＹ軸方向の厚さをＴとしたとき、Ｔ／Ｒが５以上である請求項５に記載のＸ線レンズ。
- ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成された部材を準備する工程と、
縁の一部に、凹状の放物線部分を含み、シンクロトロン放射光を透過させないマスクを、前記部材の表面に密着させ、または該表面からある間隔を隔てて配置する工程と、
前記マスクを介して前記部材にシンクロトロン放射光を照射し、該部材をシンクロトロン放射光によりエッチングする工程と
を含むＸ線レンズの製造方法。 - 前記マスクの縁のうち前記放物線部分の、曲率半径が最小となる位置における曲率半径が２０μｍ以下であり、エッチングされて形成された面のうち前記放物線部分に対応する面が、Ｘ線を収束させる作用を奏する請求項７に記載のＸ線レンズの製造方法。
- 支持基板と、該支持基板に密着した高分子膜であって、該高分子膜が、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、及びテトラフルオロエチレン−ペルフルオロビニルエーテル共重合体からなる群より選択された高分子材料により形成されている積層基板を準備する工程と、
縁の一部に、凸状の放物線部分を含み、シンクロトロン放射光を透過させないマスクを、前記部材の表面に密着させ、または該表面からある間隔を隔てて配置する工程と、
前記マスクを介して前記高分子膜にシンクロトロン放射光を照射し、該高分子膜をシンクロトロン放射光によりエッチングする工程と、
前記高分子膜のエッチングされた部分に、金属部材を埋め込む工程と、
前記支持基板上に残っている高分子膜を除去する工程と
を有し、
前記マスクの縁のうち前記放物線部分の、曲率半径が最小となる位置における曲率半径が２０μｍ以下であり、エッチングされて形成された面のうち前記放物線部分に対応する面が、Ｘ線を収束させる作用を奏するＸ線レンズの製造方法。
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