JP7181184B2

JP7181184B2 - シンクロトロンビームラインにおいて、ナノメートル機械的安定性及び分解能を有する光学素子を移動及び位置決めするための機器

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Publication number: JP7181184B2
Application number: JP2019513887A
Authority: JP
Inventors: ジェラウデス，レナンラマロー; カリアーリ，リカルドマラゴジ; シルヴァ，マーロンサヴェリ
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Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2022-11-30
Anticipated expiration: 2037-09-06
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Description

本発明は、シンクロトロンビームラインにおいて、ナノメートル機械的安定性及び分解能を有する光学素子を移動及び位置決めするための機器に関し、以下のものを含む。
基準構造；
１つ（または複数）の光学素子が取り付けられており、基準構造に対して移動可能である取付構造；
基準構造に対する取付構造の位置を測定するための測定手段；
基準構造に対して取付構造を移動させるために、低い（又はゼロ）の機械的剛性を移動させる移動手段；
基準構造に対して移動可能であり、かつ取付構造の移動手段から反力をうける反作用質量；及び
高帯域幅（＞１００Ｈｚ）の閉ループフィードバックを備えた制御システム。

シンクロトロンビームラインの光学素子は、ミラー、回折結晶、回折格子、複合屈折レンズ（ＣｏｍｐｏｕｎｄＲｅｆｒａｃｔｉｖｅＬｅｎｓ；ＣＲＬ）、フレネルゾーンプレート（ＦｒｅｓｎｅｌＺｏｎｅＰｌａｔｅ；ＦＺＰ）などであってもよい。

そのような機器は、個々に知られており、それらの中で、モノクロメータが強調されていてもよい。モノクロメータは、機器の入力における広帯域の波長から狭帯域の波長（またはエネルギー）の光、またはその他の放射を選択する光学機器である。モノクロメータ要素の異なる位置合わせまたは移動によって、この帯域選択、ひいては機器による対象波長の伝達によってこの帯域選択を変えることが一般的に可能であることに留意することが重要である。実際、単色光（またはバンドの存在を考慮して準単色光）を送達することができる機器は、材料の特性に依存するか、異なる波長とのそれらの異なる相互作用に依存するかまたは調査され得るので、科学的および光学的研究において多くの用途を有する。狭帯域の波長を選択する多くの方法があるが（純粋な色として可視範囲で知覚される）、これらの方法は放射線のエネルギーの範囲により制限される。

一般的に、モノクロメータは、波長を空間的に分離するか、または放射に特有の建設的な干渉条件を確実にするために、プリズムのような拡散現象と、回折格子または結晶構造材料からの回折現象との両方を利用することができる。空間散乱の特性のために、プリズムおよび回折格子の場合、出力スリットは通常モノクロメータの不可欠な部分である。結晶構造に関しては、典型的にはブラッグまたはラウエ構成で使用され、これらはビームラインを制限するため、またはスプリアス散乱を防ぐために後方スリットを利用することもできる。

Ｘ線を用いた研究は、他の手段ではアクセスできない場合がある物質の性質の調査を可能にする。吸収、透過、蛍光、散乱、および回折を使用する方法は、画像および断層撮影の取得を可能にすることに加えて、材料の組成および構造情報を提供する。これらの方法はしばし非破壊的であり、そして化学分析および従来の顕微鏡法のような他の方法を補完する、研究のための強力かつ重要なツールのセットを構成する。

シンクロトロンライトラボ（以下、単にシンクロトロンと呼ぶ）は、高スペクトルの広スペクトルの電磁放射線が蓄積リングから発生する研究施設である。これらの蓄積リングでは、相対論的条件下での高エネルギー電子は、双極子又は挿入装置（アンジュレータおよびウィグラー）のの強い磁場との相互作用から光子の放出、いわゆるシンクロトロン放射を制御することができる。同様の技術がいわゆる自由電子レーザー（ＦｒｅｅＥｌｅｃｔｒｏｎＬａｓｅｒｓ；ＦＥＬｓ）において利用されている。

シンクロトロンの研究分野のいくつかは、以下を含む；物性物理学、材料科学、化学、生物学、および医学。このように、実験は、細胞内のサブナノメートル領域から、例えば医療用または獣医用の画像解析におけるように、サイズが数センチメートルのサンプルまで探索する用途を網羅することができる。したがって、研究目的に加えて、工業的用途もまた一般に利用でき、その中でも、デバイスの微細加工が実際的な関心として挙げられる。

２０１６年以降、新世代のシンクロトロンビームラインがその運用を開始した。これらの新世代のシンクロトロンは、非常に高い輝度、または関連する専門用語を使用すると、ビームラインの回折限界は、所与のエネルギーレベル未満の光子によって達成される超低エミッタンスによって特徴づけられる。したがって、この非常に低いエミッタンスは、非常に小さいビームライン（例えば、Ｘ線に対して数マイクロメートル程度）および非常に低い発散を伴うことに関連する。この新しい特性を可能かつ有用にするためには、加速器と実験ステーションの両方に対する安定性が要求され、いわゆるビームラインは、極端なレベルに達している。

二結晶モノクロメータ（ＤｏｕｂｌｅＣｒｙｓｔａｌＭｏｎｏｃｈｒｏｍａｔｏｒｓ；ＤＣＭｓ）は、数ｋｅＶからのエネルギーのためにＸ線ビームラインにおいて一般的に利用されている一種の機器である。これらの機器の根底にある原理は、広いスペクトルのエネルギーを有する入力（入射）ビームからエネルギーの狭帯域を選択するために、所与のブラッグ回折条件が２つの後続の結晶で得られ、そして、異なるエネルギーを選択するためのブラッグ角の変化にかかわらず、機器から出る単色ビームを一定の位置に保持することができる。図１に、概略図を示す。

実際、ブラッグ回折は幾何学的現象であり、選択された放射に対する建設的干渉の条件は、入射光子ビームラインと結晶面との間の角度（この理由で、ブラッグ角と呼ばれる）関数に依存するからである。その結果、所与の実験のエネルギー選択は、モノクロメータにおけるブラッグ角の選択、すなわち入射光子ビームに対する結晶の回転の関数として与えられる。したがって、他のタイプのＸ線モノクロメータを超えるＤＣＭｓの利点の１つは、ブラッグ角の関数としての結晶間の分離距離（ギャップ）の変動の評価を、入射ビームラインと単色ビームラインとの間のオフセットを正確に一定に保つことができることであることは明らかである。図２は、光子ビームラインがｚ軸に沿って伝播し、回転軸（ブラッグ角の回転）がｘ方向にあり、入射ビームラインの位置が、第１の結晶の面との両方と一致するＤＣＭの例を示す。２つの異なる角度で結晶を表現することによって、単色ビームラインを同じ位置（入射ビームラインに対して一定のオフセット）に維持するためには、結晶間の距離（ギャップ）をブラッグ角の関数として変得なければならないことは明らかである。

ブラッグ条件が両方の結晶で満たされるためには、適切な整列が保証されなければならず、単純化して言えば、これらの間の完全な平行性として見ることができる。この理由のために、ブラッグ角を調整するための回転の自由度および結晶間の相対的並進の自由度に加えて、ギャップが変化し、ＤＣＭｓは通常、並進方向に垂直なピッチ及びロール（航空機からの用語）と呼ばれる結晶間の相対的な回転について、通常二つの自由度を持っている。したがって、基本的なＤＣＭは、ブラッグ角の自由度に加えて、結晶間に３つの相対自由度がある。ギャップ、ピッチ、及びロールは、単結晶に集中させるか、または任意の所望の組み合わせに従って分布させることができる。

これらの自由度を担う機構は、エネルギー選択の誤り、入射ビームラインに対する単色ビームラインの伝搬方向のずれ、光子束の減少および／または減少を招く可能性がある望ましくない動的効果を回避するために、十分に細かい運動分解能だけでなく十分な機械的安定性も示さなければならない。上記のすべての自由度を考慮すると、ピッチとロールの調整は、解像度と安定性の観点から厳しい要件を満たす必要がある。したがって、これらの自由度の機構は、通常、圧電モータおよびマイクロモータなどの高分解能の機械的アクチュエータを利用する。一旦フィードバック信号に統合されると、これらの機構は、アセンブリの制限、熱および／または重力の影響、ならびにギャップ機構上の寄生運動に起因する位置合わせ不良を補償することができる。図３は、第１の結晶に対する第２の結晶のこれら３つの調整運動（ｙ’、Ｒｘ’およびＲｚ’）を示す概略図であり、それぞれ位置センサまたはビームラインセンサからの局所的または外部フィードバック信号の可能な使用を強調している。

現在のＤＣＭｓの製造技術は、結晶間の相対的平行度の安定性、すなわちピッチおよびロールの安定性に関して制限されている。特に、入力ビームラインと出力ビームラインとの間の垂直オフセットＤＣＭｓ、すなわちブラッグ角の回転軸が水平であるＤＣＭｓにおいて、最良の装置は１００ｎｒａｄＲＭＳ（２．５ｋＨｚまでの周波数帯域）よりも大きい角度変動に対処することが困難である。特別な条件下で、すなわち、完全にブレーキが利いたハンドリング機構を用いて、約５０ｎｒａｄＲＭＳの性能をすでに実証している垂直ＤＣＭｓはほとんどない。水平オフセットのＤＣＭｓ、つまり垂直回転軸のＤＣＭｓでは、重力の影響を受けにくく、多少良い結果（通常は２倍）が得られることがある。しかしながら、両方の場合において、ブラッグ角とギャップの機構が作動している間に平行性の安定性が評価される場合、連続エネルギースキャン（いわゆるフライスキャン）の実験に必要なもの、例えば、レベル振動の振幅は１０倍以上に容易に拡大され、１μｒａｄＲＭＳを容易に超える。

新世代のシンクロトロンビームラインの並外れた特性の結果として、将来のビームラインは、フライスキャン中を含めて、１０ｎｒａｄＲＭＳ未満の安定性を必要とするであろう。つまり、現在の最先端技術の５倍から１００倍も優れた性能を持つ機器が必要になることを意味する。稼働中の機器に関して言及されている結果は、既存の技術を改善するための製造業者及びユーザが長年にわたって行った多大な努力の結果である。このように、安定性の観点からの進化は限られたものでしかなかったので、現在の技術は比較的停滞しており、新しい需要が満たされるという現実的な見込みはほとんどない。

実際、現在の技術は、最大の剛性に焦点を合わせた機械設計に基づいているが、矛盾する方法では、相対的自由度は通常、ギャップ、ピッチ、およびロールの個々の移動機構を積み重ねることによって得られる。この手法は、中間部品の剛性および機械的接続によって制限され、それはアセンブリの有効剛性を急速に悪化させる。さらに、必要とされる新しい安定性のレベルは非常に厳しいので、これらの調整機構はノイズ除去に対して高い阻止能力を提供する必要がある。これらの外乱は、地面の振動、真空ポンプなどの隣接振動の発生源、および冷却システム、モータ、機械式アクチュエータなどのＤＣＭ内部振動の発生源、およびベアリングによって引き起こされる。妥当な最小ノイズでのノイズ除去能力を達成するために、調整機構は、１００Ｈｚを超える帯域幅を有する閉ループフィードバック制御と協働する必要がある。現在使用されている圧電アクチュエータおよびマイクロモータアクチュエータは、２０Ｈｚを超える制御帯域を達成することはほとんど不可能であろう。

本発明の目的は、新世代のシンクロトロンビームラインの高い要求を満たすシンクロトロンビームライン機器を提供することである。この目的のために、本発明に係る機器は、以下によって特徴づけられる。
取付構造と同様に一つ以上の方向で基準構造に取り付けられた少なくとも１つの反作用質量であって、取付構造の移動手段は、基準構造に対してではなく、反作用質量に対して作用すること；
より高い精度のために、基準構造に対して取付構造の位置を直接測定する位置測定手段；
位置測定手段と移動手段とを含む閉ループフィードバック制御であって、位置測定手段の情報は、移動手段を介して基準構造に対する取付構造の位置を制御するために利用されること；を含む。

本発明に係る機器を用いることにより、反作用質量および適切な動的構造を使用することにより、能動的フィードバックを改善することができる（より広い制御帯域、典型的には１００Ｈｚを超える）。反作用質量は、反作用力の経路においてローパスフィルタとして作用し、その結果、取付構造内の力の直接経路力学のみが可能な帯域幅を制限する。また、適切な動力学は、取付構造と反作用質量との間の低い（またはゼロ）剛性に依存するので、作動手段は、低剛性アクチュエータ（本質的にコンプライアントアクチュエータ）でなければならない。したがって、本発明に係る装置では、臨界自由度は、十分に高い閉ループ帯域幅フィードバックループによって制御され、高い外乱除去および高い基準追跡能力を可能にする。

本発明に係る機器のさらなる実施形態は、基準構造に移動可能に取り付けられた相補的構造と、基準構造に対する相補的構造の相補的移動手段と、を備えることを特徴とする。取付構造と反作用質量の両方が、基準構造ではなく、この相補的構造に可動式に接続されている。好ましくは、基準構造に対する相補的構造の最大変位は、相補的構造に対する取付構造および反作用質量の最大変位よりも大きく、したがって、レベルのその組み合わせに応じて、基準構造に対する取付構造の移動より広い範囲の移動が可能となる。好ましくは、取付構造は、第１弾性手段によって、相補的構造に移動可能に接続され、反作用質量は第２弾性手段によって相補的構造に移動可能に接続され、相補的構造は、第３弾性手段によって基準構造に移動可能に接続される。これらの弾力性のある手段は、興味のある移動能力に適切な動力学を与えるために、好ましくは弾性シート（又は、板ばね）、または弾性シートの組み合わせである。

本発明に係る機器の一実施形態は、基準構造が入射ビームラインに垂直な軸を中心に回転可能であり、相補的構造が、基準構造に対して、光子ビームの平面内で、基準構造の回転軸に垂直な１方向のみの並進で移動可能であり、第３セットの弾性シートは、変位方向には剛性が低く、変位方向に垂直な他の２つの方向にはより剛性が高く、回転にもより剛性が高い。取付構造は、基準構造に対する相補的構造の移動方向に平行な１つの並進のみならず、並進軸に対して垂直な軸の周りの２つの回転に移動可能であり、第１セットの弾性シートは、並進方向において及び垂直な２つの回転においてはより剛性が低いが、変位方向に対して垂直な２つの方向において及び変位方向を中心とした回転においてはより剛性が高い。同様に、反作用質量は、基準構造に対する相補的構造の移動方向に平行な１つの並進のみならず、並進軸に対して垂直な軸の周りの２つの回転に移動可能であり、第２セットの弾性シートは、並進方向において及び垂直な２つの回転においてはより剛性が低いが、変位方向に対して垂直な２つの方向において及び変位方向を中心とした回転においてはより剛性が高い。さらに、取付構造と反作用質量との間の移動手段は、取付構造および反作用質量の３つの低剛性自由度に作用することができる３つのローレンツアクチュエータ（ボイスコイル）によって実行されることが好ましい。

さらに、本発明に係る機器の一実施形態は、基準構造に固くに取り付けられ、相補的光学素子が取り付けられる相補的取付構造を有することを特徴とする。好ましくは、測定手段は、光学素子間の測定精度を高めるため、干渉距離計等の３つ（またはそれ以上）の位置センサを備え、相補的取付構造に関連する取付構造に対する取付構造の位置を３つの自由度で測定する。

本発明および上記の詳細な実施形態に係る装置は、光学素子が結晶であり、取付構造および相補的取付構造にしっかりと固定されている、二結晶モノクロメータ（ＤＣＭ）の実現において特に有利である。さらに、同じ機器内で結晶方位が異なる２つ以上の対の結晶を利用することが通例である。したがって、その相補的な対が相補的な取付構造に固く取り付けられている間に、２つ以上の結晶を取付構造に固く取り付けることが完全に可能である。広帯域の閉ループフィードバック制御を有するＤＣＭとしての本発明に係る機器の性能は、（背景技術の項で説明したように）新世代のシンクロトロンビームラインＤＣＭの安定性要求を満たすことができる。

本発明は、以下のように概略図に基づいてより詳細に明確にされるであろう。
所与のブラッグ回折条件が２つの後続の結晶上で起こり、広いスペクトルの入射ビームラインをフィルタリングし、単色ビームラインを送達する状況を示す。単色ビームラインの位置を一定に維持するために、２つの結晶間のギャップを回転角（ブラッグ角）の関数として変化するＤＣＭの原理を示す図である。ＤＣＭの２つの結晶間の３つの基本的な動作、および位置センサまたはビームラインセンサからの局所的または外部フィードバック信号を用いた場合に可能な構成を示す概略図である。それぞれ（ａ）と（ｂ）の間で、局所的なフィードバックの形態に重要な違いを強調している。ＤＣＭの２つの結晶間の３つの基本的な動作、および位置センサまたはビームラインセンサからの局所的または外部フィードバック信号を用いた場合に可能な構成を示す概略図である。それぞれ（ａ）と（ｂ）の間で、局所的なフィードバックの形態に重要な違いを強調している。本発明に係る機器の可能な実施形態を示す図である。本発明に係る機器の可能な実施形態を示す図である。本発明に係る機器の可能な実施形態を示す図である。

図１は、所与のブラッグ回折条件が２つの後続の結晶上で起こり、広範囲のスペクトルの入射ビームラインをフィルタリングし、そして単色ビームラインを送達する状況を示す。また、この例ではｘ軸上に配置された、基準座標系（ｘｙｚ）およびブラッグ角度（Ｒｘ）の周りに回転した座標系（ｘｙ’ｚ’）も示されている。

図２は、ＤＣＭの原理を示し、２つの結晶間のギャップが回転角（ブラッグ角）の関数として変化させることで、固定された単色ビームラインの位置を入射ビームラインに対して一定のオフセットで一定に保つ。所与のブラッグ角θ₁が、他の任意のブラッグ角θ₂よりも小さい場合、対応するギャップ（ギャップ１）はθ₂に対応するギャップ（ギャップ２）よりも小さいことが分かる。

図３は、所与のブラッグ角における２つのＤＣＭの結晶を示し、第１の結晶と第２の結晶との間の本質的な相対調整、すなわち、ギャップ（ｙ’）、ピッチ（Ｒｘ’）およびロール（Ｒｚ’）を示す（ここで「表示」とはブラッグ角に従って回転した座標系を指す）。図３（ａ）は、一般的に使用されるフィードバック信号を示しており、すなわち、典型的には結晶の移動機構を用いて行われ、その支持体に対する結晶の位置を測定する局所的フィードバックを示し、ＤＣＭの下流のビームセンサからの信号を使用して、結晶の調整機構の作動させる外部フィードバックを示す。１種類のフィードバックのみに頼っている機器と、その両方を補完的に使用している機器がある。図３（ｂ）はまた、局所的フィードバック信号と外部的フィードバック信号の両方を示すが、本発明によれば、局所的フィードバックにおいて、位置測定は結晶間またはそれぞれの取付構造間で行うべきであり、相補的な結晶の位置と安定性に関する直接的な情報ももたらさない結晶のうちの１つの支持体に関係して行うべきではないことを強調する。さらに、本発明によれば、閉ループ制御の十分に広い帯域幅（＞１００Ｈｚ）が可能であるためには、フィードバックシステムの速度もまた高く、すなわち１０ｋＨｚのオーダーでなければならない。これらの速度は通常ビームラインセンサでは利用できないので、基準構造に対する位置測定手段は必須として配置されてきた。しかしながら、ビームラインセンサの信号が必要な精度と速度特性を示す場合、この信号は、機器の局所的位置測定手段を置き換えることができる。

図４は、本発明に係る機器の可能な実施形態を示す。図４（ａ）は、本発明による光線装置の本質的な実施形態を示し、この装置では、光学素子（３）が基準構造（２）に固く取り付けられており、基準構造（１）に対する位置は、測定手段（６）を介して測定される。取付構造（２）の移動は、位置測定手段（６）の位置測定に応じて移動手段（４）を介して行われ、両方とも機器の閉ループフィードバックシステムに統合されている。従来の機器とは異なり、取付構造（２）を動かすのに必要とされる移動手段（４）の力は、反作用質量（５）で反応し、動的フィルタとして機能し、フィードバックシステムの帯域幅は、取付構造（２）および光学素子（３）の内部運動力学によってのみ制限され、最先端な機器の場合のように機器のための他の構成要素の動力学（共振）によっては制限されない。組立構造（２）と反作用質量（５）の基準構造への接続は両方とも、弾性手段（ｌ₁及びｌ₂）によって行われることが好ましく、この弾性手段は、適切な剛性特性を保証することができ、すなわち、光子ビームラインに対する光学素子への関心のある動きに従って自由および制限された自由度を定義すること、ならびに摩擦を伴う機械ガイドから生じる非線形性を排除することである。図４（ｂ）が図４（ａ）と異なるのは、基準構造（１）と、取付構造（２）および反作用質量（５）によって形成されたアセンブリとの間に相補的構造が含まれていることだけであり、取付構造（２）と基準構造（１）との間の移動範囲を増加させることを主目的として有する。実際、２つ（またはそれ以上）のレベルのシステムは、大きなダイナミックレンジ、すなわち分解能（および／または精度）と所与の動きの到達範囲との間で何桁も必要ないくつかの分野の機器において一般的である。

図４（ｃ）は、基準構造（１）に相補的取付構造（９）及び相補的光学素子（１０）が追加された、ＤＣＭとして構成された本発明に係る機器の実施形態を概略的に示す。図の座標系によれば、光子ビームラインは、基準構造（１）の回転軸（ｘ軸）と同一平面上にあるｚ軸に沿って伝播し、ＤＣＭの最初の第１結晶、相補的光学素子（１０）に到達する。第１の結晶（１０）は、相補的取付構造（９）に固く取り付けられており、この相補的取付構造は、基準構造（１）に固く取り付けられている。すなわち、結晶（１０）と基準構造（１）との間に相対的な自由度はない。相補的構造（７）は、５つ（または６つ）の折り畳まれた弾性シート（ｌ₃）によって、基準構造（１）に移動可能に接続され、これは、第１レベルでギャップを許容する機能を有するこれらの構造間に単一の自由度の並進自由度を付与する。相補的構造（７）の作動手段（８）は、様々な方法で、例えばとりわけステップモータ、サーボモータまたはリニアモータによって実現することができる。結局、第２の結晶である光学素子（３）が固く固定されている取付構造（２）と反作用質量（５）との両方が、一組の３つの折り畳まれた弾性シート（ｌ _１及びｌ _２）を介して相補的構造（７）に移動可能に接続されている。それらと相補的構造（７）との間に３つの相対的自由度、すなわちギャップ（第２レベル）、ピッチおよびロールを与える。実際、適切に折り曲げられた弾性シートを設計することによって、それらは所望の自由度のみを有する機械的ガイドを作るために組み合わされ、制御できない自由度における要素の動きを高い剛性特性の関数として抑制する。これら３つの自由度、ならびに相補的構造（９）に対する取付構造（２）の位置決めおよび安定化を目的として、移動手段（４）は３つのローレンツアクチュエータ（ボイスコイル）として設計されており、これは、取付構造（２）と反作用質量（５）との間に作用する力を有し、ギャップ精度を調整し、結晶間の平行度を制御するための力の「内部」力学を提供する。そして、これらの力が妨害として（１）、（７）、（９）および（１０）に伝播するのを防ぐ。フィードバックは、３つ（または４つ）の干渉距離センサとして実現される位置測定手段（６）によって提供され、それらは２つの結晶の測定基準間の距離および２つの対象角度を測定するために組み合わせることができる。すなわち、取付構造（２）および相補的取付構造（９）である。干渉型距離センサは、以下のものが含まれる。優れたダイナミックレンジの特性、数十ミリ以上の分解能とナノスケールの精度で測定が可能であり、また、測定速度が速いため、新世代ＤＣＭに求められる高い安定性と高いダイナミック性能が可能になる。それでも、ここでは、簡単にするために、基準構造のこの回転が光子ビームラインに関してどのように行われるかを詳細に説明するのではなく、好ましくは、二重ロックシステム（基準構造の両側にある）及び直接駆動型モータが、ビームライン上に設置されたベースに対するＤＣＭの回転の為に使用される。しかし、基準構造（１）自体の回転システムは、本発明に従って実施することができ、ここで詳述された機器の（２）から（１０）の要素は新しいものとしてグループ化されることに留意されたい。本発明の光学的特徴および本明細書に詳述される機器の基準構造（１）は、この新しい機器の取付構造と等価である。

最後に、本発明はほとんどの図においてＤＣＭによって例示されているが、それらの図面に例示された実施形態に決して限定されないことを再度強調しておくべきである。したがって、本発明は、特許請求の範囲によって定義される文脈の範囲内であるので、例として使用される実施形態から逸脱することがあるありとあらゆる実施形態に拡張することができる。したがって、本発明の機器は、ミラー、ＦＺＰ、ＣＲＬ、試料操作ステージ、スリット、検出器、または他の任意の高性能の機械的ビームラインシステムを位置決めするための機器あり得、ここで、迅速かつ正確な位置決めおよび／または高い安定性が要求される。

Claims

基準構造（１）と、
取付構造（２）と、
前記取付構造（２）に取り付けられた光学素子（３）と、
前記基準構造（１）に対して前記取付構造（２）を移動させるための移動手段（４）と、
前記取付構造（２）に移動可能に接続され、前記移動手段（４）の作動を介して、前記基準構造（１）に対する前記取付構造（２）の位置決めから生じる反力を受ける少なくとも一つの反作用質量（５）と、
前記基準構造（１）に対する前記取付構造（２）の位置を測定する位置測定手段（６）と、
前記位置測定手段（６）及び前記移動手段（４）を含む主制御システムであって、前記位置測定手段（６）からの情報を利用して、前記移動手段（４）を介して前記取付構造（２）の位置を制御する前記主制御システムと、を含み、
前記基準構造（１）に固く取り付けられた相補的取付構造（９）と、
前記相補的取付構造（９）に固く取り付けられた相補的光学素子（１０）と、
前記基準構造（１）に移動可能に接続された相補的構造（７）と、
前記基準構造（１）に対して、前記相補的構造（７）を移動させる相補的作動手段（８）と、
前記取付構造（２）が前記相補的構造（７）に移動可能に接続され、それによって１つ以上の軸に沿った、又は軸を中心とした相対的な並進又は回転の動きを可能にする、第１弾性手段（ｌ_１）のセットと、
前記反作用質量（５）が前記相補的構造（７）に移動可能に取り付けられ、それによって１つ以上の軸に沿った、又は軸を中心とした相対的な並進又は回転の動きを可能にする、第２弾性手段（ｌ_２）のセットと、
前記相補的構造（７）が前記基準構造（１）に接続される第３弾性手段（ｌ_３）のセットと、を含む、
シンクロトロンビームラインにおいて、ナノメートル機械的安定性及び分解能を有する光学素子を移動及び位置決めするための機器。
前記移動手段（４）は、前記取付構造（２）及び前記反作用質量（５）の自由度の数に等しい最小数のローレンツ型アクチュエータを含むことを特徴とする、請求項１に記載の機器。
前記位置測定手段（６）は、前記取付構造（２）および前記反作用質量（５）の自由度の数に等しい最小数の位置センサを備えることを特徴とする、請求項２に記載の機器。
前記第１弾性手段（ｌ₁）、前記第２弾性手段（ｌ₂）、および前記第３弾性手段（ｌ₃）の各々は、板ばねまたは板ばねのセットで構成されることを特徴とする、請求項１に記載の機器。
前記基準構造（１）は、ビームライン（ｚ）における入射ビームの伝播方向に対して垂直な主回転軸（ｘ）を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の機器。
前記相補的構造（７）は、前記基準構造（１）に対して１つの並進方向（ｙ’）においてのみ移動可能であり、前記基準構造（１）の回転軸（ｘ）に平行な第１回転軸（ｘ’）と、ビームラインにおける入射ビームの伝播方向（ｚ）に平行な第２回転軸（ｚ’）を有し、前記第３弾性手段（ｌ_３）のセットは、前記並進方向（ｙ’）に対しては剛性が低く、前記並進方向（ｙ’）に対して垂直な第１及び第２方向（ｘ’、ｚ’）に対しては剛性が高く、及び第１、第２、及び第３回転方向（Ｒｘ’、Ｒｙ’、Ｒｚ’）に対しては剛性が高く、前記第１回転方向（Ｒｘ’）は、前記並進方向（ｙ’）に対して垂直な前記第１回転軸（ｘ’）を中心とする回転方向であり、前記第２回転方向（Ｒｚ’）は、前記並進方向（ｙ’）に対して垂直な前記第２回転軸（ｚ’）を中心とする回転方向であり、前記第３回転方向（Ｒｙ’）は、前記並進方向（ｙ’）を中心とする回転方向である、請求項５に記載の機器。
前記取付構造（２）は、前記相補的構造（７）に対して、前記基準構造（１）に対する前記相補的構造（７）の前記並進方向に平行な１つの並進方向（ｙ’）と、前記並進方向（ｙ’）に対して垂直な前記第１回転軸（ｘ’）及び前記第２回転軸（ｚ’）を中心とする前記第１及び第２回転方向（Ｒｘ’、Ｒｚ’）にのみ移動可能であり、
前記第１回転軸（ｘ’）は、前記相補的構造（７）の前記第１回転軸（ｘ’）と平行であり、
前記第２回転軸（ｚ’）は、前記相補的構造（７）の前記第２回転軸（ｚ’）と平行であり、
前記第１弾性手段（ｌ_１）のセットは、前記並進方向（ｙ’）及び前記第１及び第２回転方向（Ｒｘ’、Ｒｚ’）に対しては剛性が低く、前記並進方向（ｙ’）に対して垂直な前記第１及び第２方向（ｘ’、ｚ’）及び前記第３回転方向（Ｒｙ’）に対しては剛性が高いことを特徴とする、請求項６に記載の機器。
前記反作用質量（５）は、前記相補的構造（７）に対して、前記基準構造（１）に対する前記相補的構造（７）の前記並進方向に平行な１つの並進方向（ｙ’）と、前記並進方向（ｙ’）に対して垂直な第１回転軸（ｘ’）及び第２回転軸（ｚ’）を中心とする前記第１及び第２回転方向（Ｒｘ’、Ｒｚ’）にのみ移動可能であり、
前記反作用質量（５）の前記第１回転軸（ｘ’）は、前記相補的構造（７）の第１回転軸（ｘ’）と平行であり、
前記反作用質量（５）の第２回転軸（ｚ’）は、前記相補的構造（７）の第２回転軸（ｚ’）と平行であり、
前記第２弾性手段（ｌ_２）セットは、前記並進方向（ｙ’）および前記第１及び第２回転方向（Ｒｘ’、Ｒｚ’）に対しては剛性が低く、前記並進方向（ｙ’）に対して垂直な前記第１及び第２方向（ｘ’、ｚ’）及び前記第３回転方向（Ｒｙ’）に対しては剛性が高いことを特徴とする、請求項６に記載の機器。
前記位置測定手段（６）は、追加の相補的取付構造（９）に対する前記取付構造（２）の位置を測定することを特徴とする、請求項１に記載の機器。
前記機器は二結晶モノクロメータであり、前記光学素子（３）および前記相補的光学素子（１０）は回折結晶であり、前記光学素子（３）は前記取付構造（２）に固く取り付けられており、前記相補的光学素子（１０）は前記相補的取付構造（９）に固く取り付けられていることを特徴とする、請求項９に記載の機器。
前記光学素子（３）及び前記相補的光学素子（１０）は、複数の結晶の対からなり、前記対は互いに異なる結晶方位を有し、各対の光学素子（３）は、前記取付構造（２）に固く取り付けられており、各対の相補的光学素子（１０）は、前記相補的取付構造（９）に固く取り付けられることを特徴とする、請求項１０に記載の機器。