科学研究費助成事業 研究成果報告書：挑戦的萌芽研究2015-2017課題番号 : 15K1339

Masahide ITOH

伊藤 雅英

Tsukuba Repository

準結晶パターンによるX線集光素子に関する基礎研
究
著者 伊藤 雅英
発行年 2018
URL http://hdl.handle.net/2241/00158897
筑波大学・数理物質系・教授
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０２
挑戦的萌芽研究
2017～2015
準結晶パターンによるX線集光素子に関する基礎研究
Research on X-Ray optics by quasi-crystal pattern
３０１５０８７４研究者番号：
伊藤　雅英（ITOH, Masahide）
研究期間：
１５Ｋ１３３９７
平成 年 月 日現在３０   ６ １３
円     3,000,000
研究成果の概要（和文）：ウォルターミラーやゾーンプレートなどの軟Ｘ線域の集光光学素子は光の利用効率が
低く開口数も小さいため、顕微システムなどにおいて明るい像が得られず、また解像度を上げることが困難とな
っている。本研究の目的は，準結晶パターンからの回折光が波長以下のスポットを作成できることに着目し，Ｘ
線を原子オーダーのスポットに集光することができる新しい光学素子を開発することである。
本報告では、準結晶集光素子のシミュレーションによる波長オーダーの集光確認、作成した集光素子による軟X
線の集光の実験的な確認の二つを目標とした。準結晶の集光原理を明らかにすると同時に、原理的に波長レベル
での集光が可能であることを示した。
研究成果の概要（英文）：As optical components in soft X-ray region, such as Wolter-type mirror 
and/or Freznel zone-plate lens, have a small numerical aperture, it is difficult to get a bright and
 high resolution images in microscope system. The purpose of this research is to develop the new 
focusing optical element to get X-ray spot of an atomic order using a quasicrystal pattern.
 In this research we simulate the focusing effect of quasicrystal optical element with computer. We 
also made quasicrystal pattern by using a focused ion beam equipment and performed an irradiation 
experiment using a synchrotron facility. We clarified the principle of focusing effect of 
quasicrystal optical elements and showed the possibility to confine the X-ray upto the wavelength 
level in principle.
研究分野：応用光学
キーワード： 電磁場解析　準結晶　X線集光素子　回折限界
  １版
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９、ＣＫ－１９（共通） 
１．研究開始当初の背景 
誘電体はＸ線領域で屈折率がほぼ１である
ため可視光のように多くのレンズを組み合
わせた高度な屈折光学性を設計することが
できない。現在は，全反射を用いたウォルタ
ーミラーやフレネルゾーンプレートが用い
られているが，その集光特性は回折限界に遠
く及ばない。ウォルターミラーに代表される
大きな入射角における全反射を用いた光学
素子は，作成の面精度，光利用効率の低さ，
開口数（ＮＡ）の低さなどで微少なスポット
を作ることは困難である。また，フレネルゾ
ーンプレートはＮＡも小さく，０次光，－１
次光などのバックグラウンドが大きく，コン
トラストが低い。一方可視光や赤外域では準
結晶パターンの開口による回折光学素子を
用いると，波長以下の大きさの集光スポット
を得ることができることが確認されている。
同様の素子をＸ線領域に適用することで、従
来にない小さなＸ線スポットを作成できる
可能性があった。 
２．研究の目的 
軟Ｘ線光源の品質の向上により、比較的大き
いパワーで高い空間的なコヒーレンスを持
つものを容易に使うことができるようにな
ってきた。一方，ウォルターミラーやゾーン
プレートなどの軟Ｘ線域の集光光学素子は
光の利用効率の低く開口数も小さいため、顕
微システムなどにおいて明るい像が得られ
ず、また解像度を上げることが困難となって
いる。本研究の目的は，準結晶パターンから
の回折光が波長以下のスポットを作ること
ができることに着目し，Ｘ線を小さなスポッ
トに集光することができる新しい光学素子
を開発することである。 
３．研究の方法 
計算方法：解析幾何光学、フラウンホーファ
ー近似、フレネル・キルヒホッフ近似など、
近似レベルの異なる計算手法を使い分ける
ことで、現実的な計算時間で結果を出した。
集光径を波長レベルにするためには、穴の
径・間隔も数波長レベルに小さく、焦点距離
は数百波長以下とする。この条件では、時間
はかかるが、計算精度の高いフレネル・キル
ヒホッフ回折積分を用いた。 
試料（準結晶集光素子）：窒化ケイ素 100nm、
クロム 5nm、白金 100nmで構成される３層膜
に、FIBで３０１個穴をあけた（図１ab）。直
径１.５６μｍ、準結晶の格子定数lcaは６．
１６μｍである。格子定数に(2/5)^(1/2)を
掛けると中心の穴と周りの穴の間隔になる
（図１c）。 
計測方法：高エネルギー加速器研究機構の放
射光の真空ラインで、集光素子の散乱光を
CCDカメラで計測した。光源、ピンホール１
（１mmφ）、準結晶集光素子、ピンホール 2
（１００μｍφ）、CCDの順で配置し、ピンホ
ール２を３軸方向に動かした。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
c 
 
 
 
 
 
 
図１ 準結晶パターンと穴の形状。a)全体像
b)穴の拡大像 c) 準結晶の格子定数 lcaと穴
の径d。 
４．研究成果 
（１）放射光を用い、波長 10nmの入射光に
ついて集光の様子を、CCDカメラを用いて観
察した。シミュレーションと実験結果はよく
一致し、実験および計算の信頼性を確認でき
た。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図２ 準結晶光学素子に用いた基板。中心の
膜厚は305nmで、そこに図１の準結晶パター
ンを作成した。 
 
(a) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TMP(ターボ分子ポンプ) 
(b) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図３ 軟Ｘ線計測用光学システム(a)全体の
概要(b)十字管と光学素子の駆動系 
6.656mm 
6.656mm 
6.656mm 
 
 
           
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図４. CCDから 142mmの距離における散乱パ
ターン。 (a) Pinhole 2 なし. (b) 100 m の 
pinhole 2を準結晶の後ろに挿入.(c)(a)に対
応するピンホールなしのシミュレーション
パターン。黄色い点線は後述の図５の投影プ
ロファイルの領域に対応する。 
 
 
 
 
図５ 図４に記載の領域の散乱パターンの
投影プロファイル。 
 
図１～３に試料と装置を記載した。図４abが
実験結果、図４cが計算結果である。散乱パ
ターンの計算はフラウンホーファー近似で
行った。フラウンホーファー近似では、電場
の位相と試料からＣＣＤまでの距離を考慮
する。 
 準結晶集光素子による軟X線の集光パター
ンを初めて得ることができた。また、そのパ
ターンは計算結果とよく一致した。 
 
（２）シミュレーションで準結晶集光素子の
集光効率・集光径と設計条件の関係を明らか
にし、集光径を回折限界程度まで小さくでき
ることを見出した。設計条件としては、穴径、
穴間隔、穴数を検討した。シミュレーション
手法にはフレネル・キルヒホッフ回折積分を
用いた。フレネル・キルヒホッフ回折積分は、
フラウンホーファー近似より計算時間がか
かるが、試料からＣＣＤまでの距離が１０～
１５０波長と短い場合でも、計算できるのが
特徴である。 
 
今後、準結晶集光素子の作成技術の向上や
３次元の原子配置を用いた集光素子の作成
により、波長オーダーの集光径を得ることが
期待される。 
 
 
５．主な発表論文等 
 
〔雑誌論文〕 計 2件（うち査読あり 2件／
うち国際共著 0件／うちオープンアクセス 1
件 
① 
T. Hoshino, N. Watanabe, S. Aoki, K. 
Sakurai, and M. Itoh 
Cross-sectional particle measurement in 
the resonance domain on the substrate 
through scatterometry, Opt. Express, 査読
有, Vol.25, 2017, pp. 26329-26348, 
https://doi.org/10.1364/OE.25.026329 
 
 
(a) 
(b) 
(c) 
② 
T. Hoshino and M. Itoh 
Cross-sectional shape evaluation of a 
particle by scatterometry 
Opt. Commun., Vol.４, No.359, 2016, pp. 
240-244 
https://doi.org/10.1016/j.optcom.2015.09.06
3 
 
〔学会発表〕（計 6 件） 
① 
１．発表者名 
渡辺紀生 、星野鉄哉 、伊賀裕士 、李維率、
青木貞雄 、伊藤雅英 
２．発表標題 
ペンローズパターン・ピンホールアレイから
の軟Ｘ線の回折 
３．学会等名 
第 14 回Ｘ線結像光学シンポジウム  
４．発表年 
2017年 11 月 29 日-11 月 30 日 
発表場所 
 筑波大学つくばキャンパス（茨城県つくば
市） 
 
② 
１．発表者名 
伊賀 裕士、李 維率、深水 嵩明、星野 鉄哉、 
渡辺 紀生、青木貞雄、伊藤雅英 
２．発表標題 
準結晶構造を用いた軟X線用集光素子の設計 
３．学会等名 
Optics & Photonics Japan 2017 
４．発表年 
2017年 10月 30日～11月 2日 
発表場所 
 筑波大学・東京キャンパス文京校舎 
 
③ 
１．発表者名 
李 維率、伊賀 裕士、深水 嵩明、星野 鉄哉、 
渡辺 紀生、青木 貞雄、伊藤 雅英 
２．発表標題 
"Ｘ線用準結晶集光素子の設計" 
３．学会等名 
第 78回応用物理学会秋季学術講演会 
４．発表年 
2017年 9月 5日～9月 8日 
発表場所 
 福岡 国際会議場 
 
④ 
１．発表者名 
深水 嵩明、李 維率、星野 鉄哉、杉坂 純一
郎、渡辺 紀生、青木 貞雄 、伊藤 雅英 
２．発表標題 
"準結晶パターンを用いた集光素子の作製" 
３．学会等名 
Optics & Photonics Japan 2016 
４．発表年 
2016年 10月 30日 - 11月 02日 
発表場所 
 筑波大学（東京都文京区大塚） 
 
⑤ 
１．発表者名 
深水 嵩明，李 維率，星野 鉄哉，杉坂 純一
郎，渡辺 紀生，青木 貞雄，伊藤 雅英 
２．発表標題 
"Ｘ線用準結晶集光素子の設計" 
３．学会等名 
第 63回応用物理学会春季学術講演会 
４．発表年 
2016年 03月 19日 - 3月 22日 
発表場所 
 東京工業大学 大岡山キャンパス（東京都
目黒区） 
 
⑥ 
１．発表者名 
T. Hoshino, T. Fukamizu, I. Li, J. Sugisaka, 
N. Watanabe, S.Aoki and M. Itoh 
２．発表標題 
Design of quasicrystal structure for X-ray 
focusing 
３．学会等名 
第 78回応用物理学会秋季学術講演会 
４．発表年 
2016年 05月 18日 
発表場所  
発表場所パシフィコ横浜（神奈川県横浜市西
区） 
 
[産業財産権]  
○出願状況（計 １件） 
 
 
名称：光計測システムおよび光計測方法 
発明者：星野鉄哉、渡辺紀生、青木貞雄、桜
井健次、伊藤雅英 
権利者：同上 
種類：特許 
番号：特許願 2016-204385号 
出願年月日 平成２８年 10月 18日 
出願年 2016 
国内外の別：国内 
 
○取得状況（計 １件） 
 
名称：光散乱体の光学的測定方法、光学的測
定装置及び光学的記録媒体 
発明者：伊藤雅英、谷田貝豊彦、星野鉄哉 
権利者：同上 
種類：特許 
番号：特許第 6183826号 
出願年月日：平成２５年 3月 12日 
国内外の別：国内 
 
 
 
６．研究組織 
 
(1)研究代表者 
 伊藤 雅英（ITOH, Masahide） 
筑波大学・数理物質系・教授 
 研究者番号：３０１５０８７４ 
 
(2)研究分担者 
青木 貞雄（AOKI, Sadao） 
筑波大学・数理物質系・名誉教授 
 研究者番号：５００１６８０４ 
 
 
 


準結晶パターンによるX線集光素子に関する基礎研究

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準結晶パターンによるX線集光素子に関する基礎研究

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