JPWO2011093285A1 - 超高速電子線回折装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、超短パルス状の電子群を試料に照射することにより試料の超高速分析を行うための超高速電子線回折装置において、試料に照射される時点でz方向（進行方向）にも十分に絞られた電子線を照射することのできる装置を提供する。a) ターゲットに1017W/cm2以上の強度でパルス幅1ps以下の超短パルスレーザーを照射するためのレーザー照射手段と、b) 前記超短パルスレーザーが照射された前記ターゲットより生成される電子群を静磁場内で回転運動させることにより該電子群の進行方向の広がりを収束させるためのパルス圧縮手段と、を備える超高速電子線回折装置。パルス圧縮手段としては、前記電子群の行路に一端側が配置された入射側平行板静磁石と、該入射側平行板静磁石の他端側において接続するように該行路手前側に設けられ、該入射側平行板静磁石に対して該行路に垂直方向に傾斜するように設けられた出射側平行板静磁石とを用いる。
Description
本発明は、超短パルスの電子線を用いて、フェムト秒単位で変化する（すなわち、超高速で変化する）原子・分子レベルでの現象を観察するための超高速電子線回折装置に関する。
物質の原子・分子レベルでの状態を電子線回折法により観察する電子顕微鏡は既に広く用いられているが、非常に短い（数百フェムト秒程度の）電子線パルスを用いて原子・分子の振動や構造変化或いは化学反応時の変化の様子を超高速で観察する方法（超高速電子線回折＝Ultrafast Electron Diffraction (UED)）が近時研究されている。
非特許文献１には、図１に示すような構成を有するUED装置が開示されている。この装置では、フォトカソード（Au）に波長510nm、パルス幅50fs（フェムト秒）の超短パルスレーザーを照射し、光電効果により電子群を生成する。生成された電子群を55kVの電位で加速し（以下、加速された電子群を電子線と呼ぶ）、抽出孔から引き出した広がる電子群を磁気レンズによりxy方向（電子線の進行方向に垂直な方向）に収束してサンプルグリッド上に置いた試料に照射する。なお、試料に照射されているポンプ光（387nm、150fs）は、試料に高速変化を生じさせるためのものである。ポンプ光照射時刻から任意の時間後に、試料に照射された電子線は試料内でその原子・分子の規則構造により回折し、後方の検出器により回折像が観察される。この回折像を解析することにより、試料の原子・分子の規則構造を同定することができる。
このように同定された試料の構造は、（ポンプ光により励起されることにより、その時刻から）高速で変化しつつある状態の途中の一瞬の姿を捉えたものである。このような超高速解析を、ポンプ光照射からの電子線照射までの時間（遅延時間）を変化させながら、繰り返し行う（複数ショット）ことにより、試料が高速で変化する様子の全貌を捉えることができる。
M. Harb et al., Phys. Rev. Lett., 100, 155504 (2008)
J. Cao, et al., "Femtosecond electron diffraction for direct measurement of ultrafast atomic motions", APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol. 83, No. 5 (2003.8.4)
上記従来のUED装置では、ターゲットで生成された電子群は光電効果により生成されたものであるため初速を殆ど持たず、電位によって一斉に加速されるため、電子発生直後は進行方向には空間的に十分絞られた状態となっている。しかし、それら電子群が試料まで飛行する間に、電子間クーロン力による空間電荷効果により電子群は徐々に拡がってしまう。
次の条件の下で生成された電子群がz方向に走行する間にx方向（上図）及びz方向（下図）に広がる様子をシミュレーションで計算した結果を図２に示す。
シミュレーション条件
総電荷量：100fC（電子数 6.2×105個）
加速電場：50kV/5mm（10MV/m）
フォトカソード空間幅：50μm（半値全幅、ガウス分布）
初期パルス幅：50fs（半値全幅、ガウス分布）
シミュレーション条件
総電荷量：100fC（電子数 6.2×105個）
加速電場：50kV/5mm（10MV/m）
フォトカソード空間幅：50μm（半値全幅、ガウス分布）
初期パルス幅：50fs（半値全幅、ガウス分布）
図１の装置ではxy方向については磁気レンズで絞ることができるが、z方向の広がりを阻止する手段はなく、所期の超高速回折を行えないという問題があった。具体的には、このような装置で1ピコ秒(1ps)以下の時間分解能を得るためには、電子群の総電荷量をおよそ10fC（フェムトクーロン）以下、かつ電子エネルギーをおよそ50keV以下にする必要があった。このような弱い電子線では単一ショットで解析可能な程度の像を形成することは難しく、また、試料の種類や厚み等、観察対象に大きな制限があった。
本発明が解決しようとする課題は、試料に照射される時点でz方向（進行方向）にも十分に絞られた電子線を照射することのできる超高速電子線回折装置を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明は、超短パルス状の電子群を試料に照射することにより試料の超高速分析を行うための超高速電子線回折装置であって、
a) 電子を発生させる材料（以下「ターゲット」という）に1017W/cm2以上の強度でパルス幅1ps以下の超短パルスレーザーを照射するためのレーザー照射手段と、
b) 前記超短パルスレーザーが照射された前記ターゲットより生成される電子群を静磁場内で回転運動させることにより該電子群の進行方向の広がりを収束させるためのパルス圧縮手段と
を備えることを特徴とする。
a) 電子を発生させる材料（以下「ターゲット」という）に1017W/cm2以上の強度でパルス幅1ps以下の超短パルスレーザーを照射するためのレーザー照射手段と、
b) 前記超短パルスレーザーが照射された前記ターゲットより生成される電子群を静磁場内で回転運動させることにより該電子群の進行方向の広がりを収束させるためのパルス圧縮手段と
を備えることを特徴とする。
また、同様の原理に基づいて成された本発明に係る超高速電子線回折方法は、
a) ターゲットに1017W/cm2以上の強度でパルス幅1ps以下の超短パルスレーザーを照射するレーザー照射工程と、
b) 前記超短パルスレーザーが照射された前記ターゲットより生成される電子群を静磁場内で回転運動させることにより該電子群の進行方向の広がりを収束させるパルス圧縮工程と、
c) 進行方向の広がりが収束された前記電子群を試料に照射する工程と
を有することを特徴とする。
a) ターゲットに1017W/cm2以上の強度でパルス幅1ps以下の超短パルスレーザーを照射するレーザー照射工程と、
b) 前記超短パルスレーザーが照射された前記ターゲットより生成される電子群を静磁場内で回転運動させることにより該電子群の進行方向の広がりを収束させるパルス圧縮工程と、
c) 進行方向の広がりが収束された前記電子群を試料に照射する工程と
を有することを特徴とする。
本発明に係る超高速電子線回折装置の概略構成を図３に示す。ターゲットに強度1017W/cm2以上の高強度フェムト秒レーザーを集光照射すると、ターゲットはプラズマ化し、そのうちの電子が高強度フェムト秒レーザーのポンデラモーティブ力などにより加速され、様々な運動エネルギーを持った電子群の超短パルスとしてターゲットから放射される（図４）。
前述の通り、電子群は飛行するにつれてz方向にも拡散するが、本発明に係る超高速電子線回折装置では、軌道の途中に配置されたパルス圧縮手段によりその進行方向（z方向）の幅が圧縮され、更には、高速の電子と低速の電子の前後が逆転される。その結果、試料に到着する時点において丁度電子群のパルス幅が最小となるようにすることができる。これにより、試料に超短パルスを照射することができるようになる。
本発明に係る超高速電子線回折装置では、ターゲットとしては金属、半導体、高分子など、ほぼどのようなものも使用することができる。固体以外にも、液体、気体をも用いることができる。いずれにせよ、1017W/cm2以上の強度で超短パルスレーザーを照射すると、ターゲットからは広い速度分布を持つ電子群が生成される。
ターゲットに照射するレーザーのエネルギーは、ターゲット上において強度が1017W/cm2以上となるようにするが、具体的にはターゲットの種類・密度等により適宜調整し、生成される電子のエネルギーが100〜500keV程度となるようにすることが望ましい。電子のエネルギーがこれよりも高いと、通常の試料では試料自体が損傷する可能性があり、また、原子の散乱断面積が小さくなり、十分な回折が生じない可能性がある。また、電子のエネルギーがこれよりも低い場合も、当然、十分な回折が生じない。ただし、一般に1MeV級の電子顕微鏡で観察している対象物については、この限りではなく、より高いレーザー強度により500keV以上の電子を発生すれば、同様に本方式は適用できる。
パルス圧縮手段としては、様々なタイプのものを使用することができるが、いずれにせよ、次のような原理を利用する。すなわち、飛行する電子はその軌道に垂直な静磁場内では軌道及び磁場に垂直な方向に働くローレンツ力により曲げられ、円軌道を描く。このとき、よりエネルギーの高い（すなわち、より高速で飛行する）電子はより大きい円軌道を描き、長い経路を通る。逆に、よりエネルギーの低い（より低速で飛行する）電子はより小さい円軌道を描く。従って、電子のエネルギーに応じて静磁場の強さ及び分布等を適宜設定することにより、目的とする位置において高速の電子と低速の電子を同位置に持ってくることができる。すなわち、照射すべき試料上において電子群の広がりを進行方向に収束させることができる。
本発明に係る超高速電子線回折装置では、電子線が飛行している途中に設けたパルス圧縮手段でその進行方向（z方向）に絞り、試料上に超高速（超短時間）で電子線を照射することができる。従って、試料の超高速の現象を観察することができる。また、空間電荷効果に制約されないため、単一ショットでも十分大きな電荷量、かつ大きなエネルギーの電子線を照射することができ、試料の種類や厚み等に制約の少ない観察を行うことができるようになる。
更に、従来の装置のように別途電子を加速する手段を要しないため、低真空動作が可能、高電圧電源が不要など、装置が簡単となり、低コストで製造することができる。
本発明の一つの実施形態である360°偏向磁石を用いた超高速電子線回折装置を図５〜図１１により説明する。
図５は本実施形態による超高速電子線回折装置の構成図である。チタンサファイアレーザー増幅システムにより発生させた高出力フェムト秒レーザーパルス（波長800nm、パルス幅130fs、パルスエネルギー約70mJ、繰り返し周波数 最大10Hz）を軸外し放物面鏡を用いて直径約5μm（半値全幅）に集光し、厚さ10μmのポリエチレン膜ターゲットに集光照射した。レーザー集光領域から発生した電子線の一部は永久磁石により構成した電子レンズと電子レンズの直後に配置した（図示せず）直径1mmのアパーチャにより広がり角の小さなビームへと整形した。この電子ビームを360°偏向磁石に通すことにより、高速電子と低速電子の進行順序を逆転させ、測定試料位置において収束するようにした。
図５は本実施形態による超高速電子線回折装置の構成図である。チタンサファイアレーザー増幅システムにより発生させた高出力フェムト秒レーザーパルス（波長800nm、パルス幅130fs、パルスエネルギー約70mJ、繰り返し周波数 最大10Hz）を軸外し放物面鏡を用いて直径約5μm（半値全幅）に集光し、厚さ10μmのポリエチレン膜ターゲットに集光照射した。レーザー集光領域から発生した電子線の一部は永久磁石により構成した電子レンズと電子レンズの直後に配置した（図示せず）直径1mmのアパーチャにより広がり角の小さなビームへと整形した。この電子ビームを360°偏向磁石に通すことにより、高速電子と低速電子の進行順序を逆転させ、測定試料位置において収束するようにした。
360°偏向磁石は、磁場強度約63mTの一様磁場を発生する1対の長方形状の板状磁石を磁極間隔3mmで平行に配置した偏向磁石を1組とし、これを2組、電子ビームの進行方向に並べたものである。図６に示すように、両偏向磁石組は互いに12°傾いている。電子ビームは、進行方向に関して後方（測定試料側）に配置された第1偏向磁石にまず入射し、それにより180°偏向される。そこでエネルギー選択のためのスリット（幅約1mm）を通過した電子ビームは第2偏向磁石に入り、そこで更に180°偏向されて出射する。なお、電子ビームが第1偏向磁石に入射する前に第2偏向磁石等の磁場により影響を受けないように、電子ビームの軌道には鉄管製の磁気シールドを設けた。
360°偏向後のビーム行路上には2台の四重極電磁石を配置した。2台の四重極電磁石の電流値を調節することにより、スクリーン上での電子ビーム径が最小となるように電子ビームの水平・垂直方向の広がり角を調整した。また、図７に示すように、四重極電磁石の中心軸とビーム軸をずらすことにより、偏向磁石で生じる運動量分散を補正した。
厚さ10nmの金の単結晶(001)薄膜を四重極電磁石後の電子ビーム行路上に設置し、測定試料として用いた。試料位置での電子ビームの直径は約0.8mmである。測定試料により散乱された電子は413mm後方の蛍光スクリーンへ入射し、スクリーン上で生じた回折パターンを電子増倍型CCD（EMCCD）カメラにより撮影した。
単一ショット撮影により得られた回折像を図８に示す。明瞭な(020)及び(220)面の回折スポットが観察でき、単一ショット撮影に十分なビーム強度が得られていることがわかる。既知の金単結晶の格子定数より、電子ビームのエネルギーは356keVと算出される。
次に、上記装置により測定試料に照射される電子パルスの時間幅を測定した。用いた装置の構成は図９に示す通りである。上記装置（図５）と異なるところは、試料位置における電子パルスの時間幅をポンデラモーティブ散乱を利用した相互相関法[Christoph T. Hebeisen et al., Optics Letters, 31, 3517 (2006)]により評価した点である。すなわち、上記装置から測定試料を取り去り、試料位置の前後に電子レンズを配置した。前方の電子レンズにより電子ビームは試料位置で直径約20μmまで集束される。ここにレーザーパルス（特性は前述の電子発生用パルスと同様）を横方向より照射する。レーザーパルスにより変化を受けた電子ビームは後方の電子レンズによりスクリーンに投影される。レーザーパルスの照射タイミングを100fs刻みで変化させてスクリーン上で電子ビームの空間分布の変化を観測することにより、電子パルスとレーザーパルスの相互相関関数を得た。結果を図１０に示す。相関幅より、電子パルスの時間幅は500fs以下となっていることが確認された。
本発明におけるパルス圧縮手段としては、従来から用いられている（例えば非特許文献２参照）傾斜強度静磁場を用いることもできる。傾斜強度静磁場を形成するための装置の例を図１１に示す。同図(a)に示すような板状の磁石を1対用いたものであるが、同図(b)に示すように、内面（電子ビームの飛行空間）において両磁石の間隔が徐々に狭くなっており、これにより飛行空間において磁場強度が徐々に変化するようになっている。この装置に電子ビームを入射させると、(c)に示すように、約270°でz方向に収束させることができるようになる。
本発明に係る超高速電子線回折装置では、フェムト秒単位で変化する原子・分子レベルでの現象を超高速で観察することができるが、このような現象は物質の物理反応や高速化学反応の研究ばかりではなく、材料科学や生物学においても実際上の応用が考えられる。例えば、金属材料の高強度レーザー照射時の相変化を観察することにより、表面加工の厳密な条件設定を行うことが可能となる。
上述の例では、ポンプとして光で誘起される状態変化を観察しているが、本方式は、光以外の励起にも拡張可能である。つまり、ポンプに用いている光の強度を高め別のターゲットに照射すれば、短パルスのX線、電子線、イオン線などの放射線や白色光を発生することができ、これらの放射線を観察対象の試料に照射ポンプすれば、その後の状態変化を観察することができる。これを応用すれば、例えば、原子炉などで用いられる材料の放射線損傷の過程の解明などにも有効である。また、白色光では生物組織，細胞などへの分光学的な励起も可能である。
Claims (8)
- 超短時間パルス状の電子群を試料に照射することにより試料の超高速分析を行うための超高速電子線回折装置であって、
a) 電子を発生させる材料であるターゲットに1017W/cm2以上の強度でパルス幅1ps以下の超短パルスレーザーを照射するためのレーザー照射手段と、
b) 前記超短パルスレーザーが照射された前記ターゲットより生成される電子群を静磁場内で回転運動させることにより該電子群の進行方向の広がりを収束させるためのパルス圧縮手段と
を備えることを特徴とする超高速電子線回折装置。 - 更に、前記試料を励起するための試料励起手段を備える請求項１に記載の超高速電子線回折装置。
- 前記パルス圧縮手段が、前記電子群の行路に一端側が配置された入射側平行板静磁石と、該入射側平行板静磁石の他端側において接続するように該行路手前側に設けられ、該入射側平行板静磁石に対して該行路に垂直方向に傾斜するように設けられた出射側平行板静磁石とを用いるものである請求項１又は２に記載の超高速電子線回折装置。
- 前記パルス圧縮手段が、傾斜強度静磁場を用いるものである請求項１又は２に記載の超高速電子線回折装置。
- a) ターゲットに1017W/cm2以上の強度でパルス幅1ps以下の超短パルスレーザーを照射するレーザー照射工程と、
b) 前記超短パルスレーザーが照射された前記ターゲットより生成される電子群を静磁場内で回転運動させることにより該電子群の進行方向の広がりを収束させるパルス圧縮工程と、
c) 進行方向の広がりが収束された前記電子群を試料に照射する試料照射工程と
を有することを特徴とする超高速電子線回折方法。 - 前記試料照射工程において、該試料を励起することを特徴とする請求項５に記載の超高速電子線回折方法。
- 前記パルス圧縮工程において、前記電子群の行路に一端側が配置された入射側平行板静磁石と、該入射側平行板静磁石の他端側において接続するように該行路手前側に設けられ、該入射側平行板静磁石に対して該行路に垂直方向に傾斜するように設けられた出射側平行板静磁石とを用いる請求項５又は６に記載の超高速電子線回折方法。
- 前記パルス圧縮工程において、傾斜強度静磁場を用いる請求項５又は６に記載の超高速電子線回折方法。
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