KR20160030125A - 회전체 미러를 사용한 x선 집광시스템의 광학설계방법 및 x선 집광시스템 - Google Patents

회전체 미러를 사용한 x선 집광시스템의 광학설계방법 및 x선 집광시스템 Download PDF

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Abstract

발산각이 매우 작은 X선을 회전체 미러의 전체 면에 조사하면서, 전체 플럭스를 집광하는 것이 가능한 새로운 X선 집광시스템의 광학설계방법을 제공한다. X선 집광시스템의 집광점이 되는 초점(F)을 하류측에 구비하고, 상류측의 초점(F1)을 광축(OA)으로부터 벗어난 위치에 설정한 타원 또는 타원과 쌍곡선을 조합시킨 일부로 이루어지는 1차원 프로필을, 광축(OA)을 중심으로 하여 1회전시켜서 형성되는 반사면을 구비한 회전체 미러(3)의 형상을 결정하는 스텝과, 상류측의 초점(F1)의 궤적이 만드는 집광링(R)을 통과하고, 집광점으로부터 X선원(O)으로 역광선 추적을 하여 광로길이가 일정한 구속조건하에서, X선원(O)으로부터 조사된 X선빔(5)을 반사하여 넓혀서 집광링(R)에 집광하는 기능을 갖춘 링집광 미러(4)의 반사면의 형상을, 역광선 추적의 광선의 굴곡점의 좌표(P)의 집합으로서 결정하는 스텝으로 이루어진다.

Description

회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템의 광학설계방법 및 X선 집광시스템{OPTICAL DESIGN METHOD FOR X-RAY FOCUSING SYSTEM USING ROTATING MIRROR, AND X-RAY FOCUSING SYSTEM}
본 발명은, 회전체 미러(回轉體 mirror)를 사용한 X선 집광시스템(X線 集光system)의 광학설계방법 및 X선 집광시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 대개구(大開口)의 회전체 미러를 사용하여 발산각(發散角)이 작은 X선의 전체 플럭스(flux)를 집광하는 것이 가능한 X선 집광시스템의 광학설계방법 및 X선 집광시스템에 관한 것이다.
파장이 수 나노미터(數 nanometer)에서부터 옹스트롬(angstrom)인 X선은, 물질의 구조, 전자(電子), 화학결합상태를 관찰할 수 있고 또한 투과성(透過性)도 우수한 것이기 때문에 물질의 내부를 관찰할 수 있다. X선은 물질과학, 생명과학 등 많은 첨단과학 기술분야에서 불가결한 광(光)이다. 이 때문에 현미경의 고분해능화(高分解能化)에 불가결한 X선 집광소자의 연구개발이 정력적으로 이루어지고 있다. 대표적인 X선 집광소자로서, 존 플레이트(zone plate)와 KB 미러를 들 수 있다. 연X선 집광(軟X線 集光)에 관해서는, 존 플레이트를 사용하고 분해능이 10nm인 연X선 현미경이 보고되어 있다(비특허문헌1). 또한 경X선 집광(硬X線 集光)의 분야에서는, KB 미러에 의한 7nm 집광이 보고되어 있다(비특허문헌2). 그러나 존 플레이트, KB 미러 모두 집광성능은 이론적 한계에 도달하고 있어, 새로운 집광성능의 향상을 위하여 새로운 집광소자가 요구되고 있다.
X선 집광광학소자로서 주로 사용되고 있는 존 플레이트는 집광효율이 낮고 또한 회절현상(回折現像)을 이용하기 때문에 단일(單一)의 파장밖에 사용할 수 없다. 한편 반사형(反射型)의 회전체 미러는 대개구, 고집광효율(高集光效率), 색수차(色收差)가 없는 이상적인 집광소자이다. 예를 들면 특허문헌1에는 회전 포물면 또는 회전 타원면의 반사면을 구비한 X선 집광소자가 개시되어 있고, 특허문헌2에는 회전 타원면과 회전 쌍곡면 중 일방(一方)의 초점(焦點)을 공통으로 한 회전체 미러(월터 미러(Wolter mirror))를 X선 집광광학계에 사용하는 X선 장치가 개시되어 있다. 현재에는 여러 가지의 독창적 제조기술을 포함한 회전체 미러 고정밀도 제작 프로세스를 개발 중이며 고정밀도 회전체 미러의 실현은 눈앞에 다가오고 있다(비특허문헌3).
고정밀도의 회전체 미러(회전포물 미러, 회전타원 미러, 월터 미러 등)가 완성되었을 경우에, 그 도입처로서 큰 효과가 얻어진다고 기대되는 것이 차세대 방사광 시설(次世代 放射光 施設)이다. 발진(發振)되는 X선은, 고휘도(高輝度)이고 완전 코히런트(fully coherent)이기 때문에 집광소자의 성능을 최대한으로 끌어낼 수 있다. 또한 회전체 미러에 의하여 집광함으로써 X선의 성능을 최대한으로 이용할 수 있다. 그러나 방사광의 발산각은 매우 작고, 대개구인 회전타원 미러(1)의 전체 면에 조사(照射)할 수 없기 때문에, 일부분만의 조명(照明)에 의한 집광밖에 할 수 없다(도1을 참조). 그래서 전치 미러(前置 mirror)(2)에 의하여 빔(beam)을 넓힌 후에 회전타원 미러(1)의 전체 면을 이용하여 집광을 하는 것이 생각되지만, 회전타원 미러(1)의 중앙부분을 전파(傳播)하는 광을 집광할 수 없어 집광강도가 저하되어 버린다(도2를 참조). 이 때문에 대개구수(大開口數)를 활용한 나노 집광(nano 集光)과 전체 플럭스를 활용하는 것은 회전체 미러의 경우에 어렵다고 여겨져 왔다.
: 일본국 공개특허 특개2001-343511호 공보 : 일본국 공개특허 특개2012-242165호 공보
: W. Chao, et al. Optics Express Vol.20, No.9,(2012) : H. Mimura et al. Nature Physics, Vol.6 pp.122-125,(2010) : T. Saito Proc. Of SPIE Vol.8501
방사광 혹은 X선 자유전자 레이저(X線 自由電子 laser)를 사용한 X선 현미경의 공간분해능의 향상을 위해서는 X선 나노빔(X線 nanobeam)이 요구되고, 검출한계·검출시간의 향상을 위해서는 강한 빔강도가 요구된다. 그래서 본 발명이 상기의 상황을 고려하여 해결하고자 하는 것은, 회전체 미러가 고리모양 개구(annular opening)인 것에 의한 유일한 결점을 해소하기 위하여 발산각이 매우 작은 X선을 회전체 미러의 전체 면에 조사하면서, 전체 플럭스를 집광하는 것이 가능한 새로운 X선 집광시스템의 광학설계방법을 제공하고, 그 광학설계방법으로 설계한 X선 집광시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위하여 X선 집광시스템의 집광점이 되는 초점을 하류측에 구비하고, 상류측의 초점을 광축으로부터 벗어난 위치에 설정한 타원 또는 타원과 쌍곡선을 조합시킨 일부로 이루어지는 1차원 프로필을, 광축을 중심으로 하여 1회전시켜서 형성되는 반사면을 구비한 회전체 미러의 형상을 결정하는 스텝과, 상기 상류측의 초점의 궤적이 만드는 집광링을 통과하고, 상기 집광점으로부터 X선원으로 역광선 추적을 하여 광로길이가 일정한 구속조건하에서, X선원으로부터 조사된 X선빔을 반사하여 넓혀서 상기 집광링에 집광하는 기능을 갖춘 링집광 미러의 반사면의 형상을, 역광선 추적의 광선의 굴곡점의 좌표의 집합으로서 결정하는 스텝으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템의 광학설계방법을 구성하였다(청구항1).
그래서 타원의 일방의 초점을 X선 집광시스템의 집광점으로 하고, 상기 집광점을 통과하는 광축에 대하여 타원의 장축을 소정 각도 회전시키고, 그 일부로 이루어지는 1차원 프로필을, 광축을 중심으로 하여 1회전시켜서 형성되는 반사면을 구비한 회전체 미러의 형상을 결정하는 스텝을 구비하고, 타원의 타방의 초점의 궤적이 상기 집광링이 되는 것이다(청구항2).
혹은 타원의 일방의 초점과 쌍곡선의 일방의 초점을 일치시키고, 쌍곡선의 타방의 초점을 상기 집광점으로 하고, 상기 타원과 쌍곡선이 교차하는 부분을 포함하는 상기 타원과 쌍곡선의 곡선형상을, 상기 집광점을 통과하는 광축에 대하여 소정 각도 회전시켜서 상기 1차원 프로필로 하고, 상기 1차원 프로필을, 광축을 중심으로 하여 1회전시켜서 형성되는 반사면을 구비한 회전체 미러의 형상을 결정하는 스텝을 구비하고, 타원의 타방의 초점의 궤적이 상기 집광링이 되는 것이다(청구항3).
또한 본 발명은, 경사입사광학기구를 구성하는 회전체 미러와 링집광 미러로 이루어지고, X선원으로부터 조사된 X선빔을 상기 링집광 미러에서 넓혀서 링모양으로 집광한 후에, 반사면의 광축방향의 반경 프로필이, 상기 링집광 미러에서 집광한 집광링 위의 점과 시스템의 집광점을 2개의 초점으로 하는 타원형상 혹은 타원과 쌍곡선을 조합시킨 형상을 가지는 회전체 미러의 타원형상 부분의 전체 면에서 반사하여, X선빔의 전체 플럭스를 집광점에 집광하는 것을 특징으로 하는 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템을 제공한다(청구항4).
그래서 상기 링집광 미러는, X선원으로부터 조사된 X선빔의 광축에 대응하는 중심부분에 특이점을 구비하는 비구면 미러이다(청구항5).
이상과 같이 하여 이루어지는 청구항1에 관한 발명의 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템의 광학설계방법 및 X선 집광시스템은, 링집광 미러와 회전체 미러에 의한 2단 집광광학기구로 하여 회전체 미러가 고리모양 개구인 결점을 해소함으로써, 방사광용 혹은 XFEL(X-Ray Free-Electron Laser)용의 집광광학기구로서 이론적으로 가장 이상적이다. 발산각이 작은 방사광의 전체 플럭스를 나노영역에 집광할 수 있는 것은, 본 X선 집광시스템 이외에 발표되어 있지 않다. 전 세계에서 XFEL 등의 차세대 방사광 광원의 개발이 활발하게 이루어지고 있고 또한 기술적으로도 실현할 수 있기 때문에, 금후에 방사광의 집광시스템으로서 널리 보급되어 갈 것이라고 기대하고 있다.
집광 미러에 회전체 미러를 이용함으로써 색수차 없음, 대개구, 긴 초점거리, 소형, 나노 집광이라고 하는 이점이 얻어진다. X선원(X線源)으로부터의 발산각이 매우 작은 X선빔을 링집광 미러에 의하여 링모양으로 집광하고, 그 후에 방사상으로 넓혀 가기 때문에, 회전체 미러의 중앙부분을 통과하는 쓸데없는 빔이 존재하지 않아, 원리적으로 100%의 빔 이용효율을 달성할 수 있다. 그리고 전반(前半)에서 링모양으로 집광하고(집광링을 형성), 후반(後半)에서 초점에 집광하는 2단 집광이기 때문에, 높은 축소배율을 얻을 수 있다. 그 때문에 광원으로부터의 집광빔의 기하학적 사이즈를 회절한계(回折限界) 이하로 억제하는 설계가 용이하게 되어, 회절한계까지의 집광이 달성될 수 있다. 차세대 방사광 빔라인에 본 집광시스템을 도입함으로써 이상적인 X선 고강도 나노빔이 실현되어, X선 광학분야에 브레이크스루(breakthrough)를 가져올 것이다.
도1은, 회전타원 미러를 사용한, 발산각이 작은 X선을 집광하는 종래의 광학기구를 나타내는 설명도이다.
도2는, 전치 미러에 의하여 빔을 넓힌 후에 회전타원 미러의 전체 면을 이용하여 집광하는 종래의 광학기구를 나타내는 설명도이다.
도3은, 본 발명의 X선 집광시스템을 나타내는 설명도이다.
도4는, 회전체 미러의 반사면을 결정하는 타원을 나타내는 설명도이다.
도5는, 타원의 장축을 광축에 대하여 각도(φ)만큼 회전시킨 상태의 설명도이다.
도6은, 회전체 미러의 형상을 결정한 후에 링집광 미러의 형상을 결정하는 순서를 나타내는 설명도이다.
도7은, 집광링과 광선의 좌표를 정하는 매개변수를 나타내는 설명도이다.
도8은, 각 미러에 있어서 X선의 입사각의 관계를 나타내는 설명도이다.
도9는, 본 발명의 광학설계방법에 의하여 결정된 회전체 미러의 예를 나타내는 사시도이다.
도10은, 마찬가지로 회전체 미러의 광축방향에 대한 반경 프로필을 나타내는 그래프이다.
도11은, 본 발명의 광학설계방법에 의하여 결정된 링집광 미러의 예를 나타내는 사시도이다.
도12는, 마찬가지로 링집광 미러의 광축방향의 단면 프로필을 나타내는 그래프이다.
도13은, 광학 시뮬레이션에 의하여 본 발명의 X선 집광시스템을 평가하기 위한 설명도이다.
도14는, 광선추적에 의하여 구한 링 집광면과 그 하류측 1m와 2m의 위치에서의 광선분포를 나타내는 그래프이다.
도15는, 마찬가지로 초점면에서의 광선분포를 나타내는 그래프이다.
도16은, 파동광학 시뮬레이션에 의하여 구한 2차원 집광 프로필을 나타내는 그래프이다.
다음에, 첨부된 도면에 나타낸 실시형태에 의거하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 도1 및 도2는 회전타원 미러(回轉楕圓 mirror)를 사용한 종래의 X선 집광광학계(X線 集光光學系)를 나타내고, 도3은 본 발명의 링집광 미러(ring集光 mirror)와 회전체 미러(回轉體 mirror)를 조합시킨 X선 집광시스템을 나타내고 있다. 본 실시형태에서는, 주로 발산각(發散角)이 매우 작은 연X선(軟X線 : soft X-ray)을 집광하는 경우에 대하여 설명하지만, 본 발명은 경X선(硬X線 : hard X-ray)에도 적용할 수 있는 기술적 사상이다.
일반적으로 X선은, 에너지(energy)에 따라 연X선(약 0.1∼2keV), X선(약 2∼20keV), 경X선(약 20∼100keV)으로 분류되지만, 이용분야에 따라 그 분류는 여러 가지이며, X선의 일부를 연X선에 넣거나 경X선에 넣는 경우도 있다. 또한 X선을 넓은 개념으로 사용하고, 그 하위개념에 연X선과 경X선이 있다고 하는 경우도 있다. 본 실시형태에서 언급한 파장이 2∼4nm인 X선은 어떻든 간에 연X선의 영역이다.
도1 및 도2에는, 회전타원 미러(1)를 사용한 연X선 집광광학계의 결점을 나타내고 있다. 도면에 있어서 O는 X선원(X線源), F는 초점(焦點)을 나타내고 있다. 우선 도1은 발산각(發散角)이 매우 작은 연X선을 회전타원 미러(1)에 의하여 직접 집광하는 경우를 나타내고 있다. 이 경우에 회전타원 미러(1)의 반사면의 일부밖에 X선으로 조사(照射)할 수 없기 때문에, 회전타원 미러(1)의 성능을 충분히 발휘할 수 없다. 도2는, 초점거리가 짧은 전치 미러(前置 mirror)(2)에 의하여 빔(beam)을 넓힌 후에, 회전타원 미러(1)의 전체 면을 이용하여 집광하는 경우를 나타내고 있다. 이 경우에 회전타원 미러(1)의 성질상 중앙부에 침입하는 빔은 원리적으로 이용할 수 없어, 결과로서 이용할 수 있는 빔강도(beam强度)는 저하된다. 또한 초점면에 직접 입사되는 X선을 차단하기 위하여 빔스톱(beam stop)을 사용할 필요가 있어, 광학기구의 복잡화로도 이어진다. 빔강도를 높이는 것은, 분석기술에 있어서 검출한계의 향상이나 검출시간의 단축 등으로 이어지는 중요한 팩터(factor) 중 하나라고 말할 수가 있다. X선원으로부터의 빔이 미러 전체 면에 조사되어, 전체 플럭스(flux)를 이용할 수 있는 광학기구가 이상적이다.
본 발명은, 이상적인 집광소자인 회전체 미러를 더 발전시킨 X선 집광시스템을 제안한다. 본 발명의 X선 집광시스템의 개략도를 도3에 나타낸다. 본 X선 집광시스템은, 회전체 미러(3)와 링집광 미러(4)의 2매의 비구면 경사입사집광 미러(非球面 傾斜入射集光 mirror : aspherical oblique incident focusing mirror)로 구성되고, 링집광 미러(4)가 상류측에, 회전체 미러(3)가 하류측에 배치되어 있다. X선원(O)으로부터 조사된 X선(5)은, 링집광 미러(4)에 의하여 링모양으로 넓혀져서, 회전체 미러(3)의 전체 면에서 반사되어 초점(F)에 집광된다. 본 X선 집광시스템은, 이하에 나타내는 X선 이용분석의 성능향상을 위하여 필요한 3개의 이점을 구비하고 있다.
1.회전체 미러
집광 미러에 회전체 미러를 이용함으로써 색수차(色收差) 없음, 대개구(大開口), 긴 초점거리(long focal length), 소형, 나노 집광(nano 集光)이라고 하는 이점이 얻어진다.
2.링집광 미러
X선빔을 링모양으로 집광하고, 그 후에 방사상(放射狀)으로 넓혀 가기 때문에, 회전체 미러의 중앙부분을 통과하는 쓸데없는 빔이 존재하지 않아, 이론적으로 100%의 빔 이용효율을 달성할 수 있다.
3.2단 집광(2段 集光)
전반(前半)에서 링모양으로 집광하고(집광링(集光ring)을 형성), 후반(後半)에서 초점에 집광하기 때문에 높은 축소배율을 얻을 수 있다. 그 때문에 광원으로부터의 집광빔의 기하학적 사이즈를 회절한계(回折限界) 이하로 억제하는 것이 가능하게 되어, 회절한계까지의 집광이 달성될 수 있다.
이상의 3개의 이점에 의하여 X선 집광시스템으로서, 「고휘도(高輝度)」이고, 「색수차 없음」, 「회절한계 집광」을 달성할 수 있다.
다음에 도3∼도8에 의거하여, 광학적 집광조건하에서의 복잡한 기하학적 형성에 의한 회전체 미러(3)와 링집광 미러(4)의 형상을 결정함과 아울러 미러 배치를 결정하는 광학설계방법을 설명한다. 본 발명의 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템의 광학설계방법은, 「집광광학기구에서는 모든 광로길이(optical path length)가 일정하게 될 필요가 있다」라고 하는 요청을 사용한 매우 단순한 방법으로 되어 있다. 회전체 미러(3), 링집광 미러(4)의 순서로 설계방법을 말한다.
<회전체 미러>
회전체 미러(3)의 프로필(profile)은, 한마디로 말하면 「타원을 초점에 관하여 경사지게 한 것」이다. 이 프로필을 광축(光軸)(OA)에 관하여 1회전시킨 것을 회전체 미러(3)의 형상으로 한다. 우선 도4에 나타내는 초점간 거리(L), 최대 입사각(最大 入射角)(θ1)(타원의 접선과 입사X선이 이루는 각도), 워킹 디스턴스(working distance)(f)에 의하여 타원함수의 파라미터(parameter)(a, b)가 이하의 수식으로 계산될 수 있다.
[수식 1]
Figure pct00001
[수식 2]
Figure pct00002
도5에 나타내는 바와 같이 광축(OA)에 대하여 초점(F)을 중심으로 하여 타원형상의 장축(長軸)(LA)을 각도(φ)만큼 회전시킨다. 타원형상의 다른 일방(一方)의 초점(F1)의 회전궤적이 집광링(R)이다. 타원형상을 회전시키기 전의 타원형상을 (X, Y), 각도(φ) 회전시킨 후의 타원형상을 (x, y)라고 하면,
[수식 3]
Figure pct00003
이 되고, 이것을 본래의 타원함수
[수식 4]
Figure pct00004
에 대입함으로써 회전체 미러(3)의 프로필인
[수식 5]
Figure pct00005
를 얻는다. 이와 같이 회전체 미러(3)의 반경 프로필은 광축방향으로 x축, 반경방향으로 y축을 잡음으로써 해석적으로 표현할 수 있다. 최후에 회전체 미러(3)의 전체 길이를 결정하여, 실제의 회전체 미러(3)의 반사면 형상이 결정된다.
<링집광 미러>
회전체 미러(3)를 설계할 수 있었기 때문에 초점(F)으로부터 역방향으로 광선추적을 실행한다. 이 때에 「광원(O) - 광선 위의 점 - 회전체 미러에서의 반사점 - 초점(F)」을 연결하는 광로길이가 일정하게 되는 광선 위의 점을 링집광 미러(4)의 좌표로 한다. 이 조작을 집광링(R)의 전체 둘레에 걸쳐서 실시하여, 광로길이가 일정한 본래의 상태에서 얻어진 좌표(P)(광선의 굴곡점(屈曲點))의 집합을 링집광 미러(4)의 반사면의 형상으로 한다(도6을 참조).
집광링(R)의 지름을 d라고 하면, 도7과 같이 각도(t, θ)를 정함으로써 광선을 표현하는 함수를 [수식6]에 의하여 결정할 수 있다(p를 매개변수로 한다, xr은 집광링의 x좌표). 여기에서 광축(OA)을 x축으로 잡고, yz면에 위치하는 집광링(R) 위의 점의, x축에 대한 각도를 t라고 하고, 이 점을 통과하여 x축과 교차하는 광선(5)의, yz면에 대한 각도를 θ라고 하고 있다.
[수식 6]
Figure pct00006
집광링(R)의 좌표를 (xr, yr, zr), 광원(O)의 좌표를 (xs, ys, zs), 광원(O)으로부터 집광링(R)까지의 광로길이를 L'라고 한다. 또한 링집광 미러(4)의 반사면은 앞의 식(수식6)의 광선 위에 존재하기 때문에, 링집광 미러(4)의 반사면의 좌표를 앞의 식(수식6)의 (x, y, z)라고 하면, 다음의 등식이 성립한다.
[수식 7]
Figure pct00007
(수식7)의 (x, y, z)에 상기의 식을 대입하고 또한 yr = (d/2)sint, zr = (d/2)cost를 대입하여 정리함으로써 매개변수(p)의 값을 구할 수 있다.
[수식 8]
Figure pct00008
여기에서 광원(O)의 좌표(xs, ys, zs)는, 도8의 기준 입사각(θ2)과 파라미터(L')를 사용하여 광선추적에 의하여 계산할 수 있다. 여기에서 기준 입사각(θ2)은, 링집광 미러(4)의 반사면을 평면으로 간주하였을 때의 입사각이다. 도8에 있어서 회전체 미러(3)의 우단(右端)에서 반사한 광선은 모두, 매개변수(t, θ)에 상관없이 광축 위의 1점에서 만난다. 또한 최대 입사각(θ1)은, 타원의 접선과 입사X선이 이루는 각도이다. 또한 광원(O)의 z좌표(zs)는 대칭성으로부터 0으로 한다. 이상을 정리하면, 링집광 미러(4)는 θ, t의 2개의 매개변수를 이용함으로써 다음의 식(수식9)과 같이 해석적으로 표현할 수 있다. 또 θ의 정의역(定義域)은 회전체 미러(3)의 형상에 의하여 결정된다.
[수식 9]
Figure pct00009
이상이, 본 X선 집광시스템의 광학설계방법이다. 상기한 파라미터를 지정함으로써 각 미러 형상은 일률적으로 결정될 수 있다. 빔라인의 전체 길이, 빔의 풋프린트(footprint), 얻어지는 집광지름, 미러 반사면의 가공의 난이도를 고려하여 파라미터를 결정하여 가게 된다.
이상과 같이 형상을 결정한 상기 회전체 미러 및 링집광 미러의 반사면은, 입사각도에 따라 반사율이 높은 재료가 바람직하다. 또한 회전체 미러로서, 타원과 쌍곡선을 조합시킨 월터형(Wolter型)의 2회 반사미러로 함으로써, 집광지름을 1/4 즉 2nm 정도까지 좁히는 것이 이론적으로 가능하다. 1nm에 육박하는 집광지름은 X선 미러에 의하여 달성할 수 있는 것이다.
즉 월터형의 회전체 미러(3)의 형상을 결정하는 스텝은, 타원의 일방(一方)의 초점과 쌍곡선의 일방의 초점을 일치시키고, 쌍곡선의 타방(他方)의 초점을 상기 집광점(O)으로 하고, 상기 타원과 쌍곡선이 교차하는 부분을 포함하는 상기 타원과 쌍곡선의 곡선형상을, 상기 집광점(O)을 통과하는 광축(OA)에 대하여 소정 각도(φ)만큼 회전시켜서 상기 1차원 프로필로 하고, 상기 1차원 프로필을, 광축을 중심으로 하여 1회전시켜서 반사면을 결정하는 스텝이다. 여기에서 타원의 타방의 초점의 궤적이 상기 집광링이 된다. 타원과 쌍곡선의 초점을 일치시킴으로써, 일정한 광로길이와 반사광이 모두 쌍곡선의 초점(집광점(O))에 집광된다는 성질을 더불어 가지고 있다.
실시예
SPring-8의 연X선빔라인 BL17SU(soft X-ray beamline BL17SU)(리켄(RIKEN : 일본의 이화학연구소(理化學硏究所))·물리화학Ⅲ)의 50m 정도의 빔라인을 상정하고, 구체적으로 설계한 미러 형상을 이하에 나타낸다. X선 집광시스템에 있어서의 미러의 위치관계는, 광원(O)으로부터 링집광 미러(4)의 중심까지의 거리가 47m, 링집광 미러(4)의 중심으로부터 집광링(R)까지의 거리가 1.1m, 집광링(R)으로부터 회전체 미러(3)까지의 거리(초점간 거리(L))가 6mm, 집광링(R)으로부터 초점(F)까지의 거리(초점거리(f))가 0.02m이다. 그 이외의 파라미터와 함께 표1에 제원(諸元)을 나타내고 있다. 다만 초점거리의 실제의 입력값은 타원을 경사지게 한 후의 초점거리(f)가 20mm로 되도록 설정되어 있다.
Figure pct00010
도9 및 도10에 회전체 미러의 형상과 광축방향의 반경 프로필을 나타낸다. 회전체 미러의 형상은, 도9와 같이 길이가 40mm, 큰 지름부분의 지름이 9.7mm, 작은 지름부분의 지름이 5.6mm인 가늘고 긴 원통구조를 취한다.
도11 및 도12에 링집광 미러의 형상과 광축방향의 프로필을 나타낸다. 도11과 같이 가늘고 길이가 길고 대략 플랫(flat)한 형상을 취한다. 도12의 프로필을 나타내는 그래프에서, 링집광 미러는 미러 중앙부분에서 특이점을 갖는 것을 알 수 있다. 링집광 미러의 반사면은, 광축방향의 길이가 74.2mm, 가로폭이 724μm(0.724mm), 중앙부분의 특이점에서의 깊이가 10.1μm이며, 대략 가늘고 길이가 긴 선모양이다. 이것은 X선원(O)으로부터의 X선의 발산각이 매우 작은 것에 의한다.
각각의 미러에서의 최대 입사각도 연X선을 반사하기에 충분한 입사각으로 되어 있다. 한편 경X선의 경우에는, 각 미러에 대한 최대 입사각을 더 작은 각도로 설정한다.
마지막으로, 상기의 광학설계방법에 의하여 설계한 미러의 형상 및 좌표를 바탕으로 하여, 광학 시뮬레이션(光學 simulation)에 의하여 X선 집광시스템으로서의 평가를 하였다. 본 발명에서는, X선 집광시스템의 요구조건으로서 고려한 것은 광로길이가 일정이라는 조건뿐이며 광선의 반사방향에 대해서는 고려하지 않고 있다. 여기에서 X선 집광시스템의 옳음을 나타내기 위하여 광선추적을 실행하였다.
도13에 나타내는 링 집광면(RP)에서의 광선분포가 도14의 중심의 링모양의 분포이다. 링모양으로 집광되어 있는 것을 명확하게 알 수 있다. 또한 링 집광면(RP)으로부터 1m, 2m 하류의 면에서의 광선분포도 도14에 함께 나타내고 있다. 이들의 결과로부터, 도14에 있어서 내측의 방사상의 광선은 링 집광면(RP)으로부터 1m, 외측의 방사상의 광선은 링 집광면(RP)으로부터 2m의 면에서의 광선분포이다. 이에 따라 링모양으로 집광된 광선이 방사상으로 넓어져 가서, 회전체 미러의 중심 부근에는 쓸데없는 빔이 존재하지 않는 것을 알 수 있다. 또한 도15는 초점면(FP)에 있어서의 광선분포이다. 모든 광선은 초점면(FP)에 있어서, 1점(초점)에 집광되고 있는 것을 알 수 있다.
다음에 파동광학 시뮬레이션(波動光學 simulation)의 결과를 도16에 나타낸다. 이 결과로부터, 파동광학적으로는 파장이 2.4nm인 연X선을 8nm(FWHM)의 스폿 지름에 집광할 수 있는 것이 나타나 있다. 또한 서브 피크(sub peak)도 작아, 매우 고품질의 스폿이 얻어진다는 것을 알 수 있었다.
이상 2개의 광학 시뮬레이션에 의하여, 본 X선 집광시스템이 기하학적으로도 파동광학적으로도 X선 집광광학계로서 기능을 하는 것이 나타나 있다. 기하학적으로는, 일체의 근사를 포함하지 않고 시뮬레이션을 하여, 모든 광을 완전히 무수차(無收差)로 집광하는 것을 나타내었다. 파동광학적으로도 집광지름은 회절한계의 이론값에 거의 일치하고 있는 것을 나타내었다. 이들의 시뮬레이션 결과는, 본 발명의 설계이론이 타당함을 뒷받침하고 있고 또한 고휘도에서 색수차(色收差) 없이 회절한계 집광이 가능한 것의 근거도 동시에 나타낸 것이 된다.
분석의 고정밀도화나 새로운 사이언스(science)의 창출을 위하여 방사광이나 X선의 중요성은 점점 더 높아지고 있다. 본 발명의 X선 집광시스템은, X선 자유전자 레이저(XFEL(X-Ray Free-Electron Laser))를 비롯한 차세대 방사광 광원에 도입할 수 있다. XFEL은 발산각이 작은 풀 코히런트(full coherent)한 빔이며 본 X선 집광시스템은 그 집광에 매우 적합하다. XFEL과 본 X선 집광시스템을 조합시킴으로써 지금까지 없는 고휘도의 나노빔(nanobeam)을 형성할 수 있다.
고휘도 나노빔을 이용함으로써 여러 가지의 X선 응용분석의 향상을 기대할 수 있다. 예를 들면 샘플에 빔을 조사하였을 경우에 S/N비가 큰 데이터가 취득될 수 있기 때문에, 결정화(結晶化)되어 있지 않은 단백질에서도 구조해석이 가능하게 되어 제약 개발 프로세스의 단축화를 기대할 수 있다. 또한 초단 펄스 나노빔(超短 pulse nanobeam)이라는 특성을 살려서, 세포의 리얼타임 고분해능 관찰에 응용할 수도 있다. 또한 집광점이 파장에 의존하지 않기 때문에, X선 흡수미세구조(XAFS(X-ray absorption fine structure)) 등의 파장을 변화시키면서 하는 실험을 효율적으로 하는 것이 가능하다.
1 : 회전타원 미러
2 : 전치 미러
3 : 회전체 미러
4 : 링집광 미러
5 : 광선(X선)
O : 광원(X선원)
F : 초점(집광점)
R : 집광링
OA : 광축
LA : 장축
f : 초점거리
L : 초점간 거리

Claims (5)

  1. X선 집광시스템(X線 集光system)의 집광점이 되는 초점(焦點)을 하류측에 구비하고, 상류측의 초점을 광축(光軸)으로부터 벗어난 위치에 설정한 타원 또는 타원과 쌍곡선을 조합시킨 일부로 이루어지는 1차원 프로필(1次元 profile)을, 광축을 중심으로 하여 1회전시켜서 형성되는 반사면(反射面)을 구비한 회전체 미러(回轉體 mirror)의 형상을 결정하는 스텝과,
    상기 상류측의 초점의 궤적이 만드는 집광링(集光ring)을 통과하고, 상기 집광점으로부터 X선원(X線源)으로 역광선 추적을 하여 광로길이(optical path length)가 일정한 구속조건하에서, X선원으로부터 조사(照射)된 X선빔(X-ray beam)을 반사하여 넓혀서 상기 집광링에 집광하는 기능을 갖춘 링집광 미러(ring集光 mirror)의 반사면의 형상을, 역광선 추적의 광선의 굴곡점(屈曲點)의 좌표의 집합으로서 결정하는 스텝으로
    이루어지는 것을 특징으로 하는 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템의 광학설계방법.
  2. 제1항에 있어서,
    타원의 일방(一方)의 초점을 X선 집광시스템의 집광점으로 하고, 상기 집광점을 통과하는 광축에 대하여 타원의 장축을 소정 각도 회전시키고, 그 일부로 이루어지는 1차원 프로필을, 광축을 중심으로 하여 1회전시켜서 형성되는 반사면을 구비한 회전체 미러의 형상을 결정하는 스텝을 구비하고, 타원의 타방(他方)의 초점의 궤적이 상기 집광링이 되는 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템의 광학설계방법.
  3. 제1항에 있어서,
    타원의 일방의 초점과 쌍곡선의 일방의 초점을 일치시키고, 쌍곡선의 타방의 초점을 상기 집광점으로 하고, 상기 타원과 쌍곡선이 교차하는 부분을 포함하는 상기 타원과 쌍곡선의 곡선형상을, 상기 집광점을 통과하는 광축에 대하여 소정 각도 회전시켜서 상기 1차원 프로필로 하고, 상기 1차원 프로필을, 광축을 중심으로 하여 1회전시켜서 형성되는 반사면을 구비한 회전체 미러의 형상을 결정하는 스텝을 구비하고, 타원의 타방의 초점의 궤적이 상기 집광링이 되는 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템의 광학설계방법.
  4. 경사입사광학기구(傾斜入射光學器具)를 구성하는 회전체 미러와 링집광 미러로 이루어지고, X선원으로부터 조사된 X선빔을 상기 링집광 미러에서 넓혀서 링모양으로 집광한 후에, 반사면의 광축방향의 반경 프로필(半徑 profile)이, 상기 링집광 미러에서 집광한 집광링 위의 점과 시스템의 집광점을 2개의 초점으로 하는 타원형상 혹은 타원과 쌍곡선을 조합시킨 형상을 갖는 회전체 미러의 타원형상 부분의 전체 면에서 반사하여, X선빔의 전체 플럭스(flux)를 집광점에 집광하는 것을 특징으로 하는 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 링집광 미러는, X선원으로부터 조사된 X선빔의 광축에 대응하는 중심부분에 특이점(特異點)을 구비하는 비구면 미러(非球面 mirror)인 회전체 미러를 사용한 X선 집광시스템.
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