放射光(X線)で小さなものを観察する2つの施設

 

 

X線集光特性

 

 

超高ピーク輝度をもつXFELパルスは、集光することでその性能を更に高めることができます。SACLAでは、主にKBミラー(Kirkpatrick-Baez mirror)や複合屈折レンズ(CRLs: Compound refractive lenses)による集光XFELを利用することができます。本ページでは、SACLAにおけるX線集光特性について紹介します。

 

 

BL1におけるX線集光システム

 

Experimental
Hutch
Focusing System Typical Spot Size
EH4a KBミラー ~5 µm FWHM
EH4a KB+回転楕円体ミラー
(基盤開発プログラムで開発中)
~500 nm FWHM

 


 

 

 

EH4aの常設KBミラー集光システムは、軟X線XFELを利用した実験に汎用的に利用されます。また、このKBミラーと回転楕円体ミラーを組み合わせた500 nm集光システムの開発が、SACLA基盤開発プログラムを通じて行われています。

 

 

 

Optical parameters (KB mirrors) Vertical Horizontal
Surface coating Carbon Carbon
Substrate size 600 × 50 × 50 mm 600 × 50 × 50 mm
Glancing angle 1.5 deg 1.5 deg
Focal length 2.00 m 2.65 m
Distance from source 85 m 85 m
Spatial acceptance 15.1 mm 15.1 mm
Typical focal size @100eV ~5 µm FWHM ~5 µm FWHM

 

 

 

参考文献:
S. Owada et al., J. Synchrotron Rad., 25, 282 (2018).

 

 

BL2におけるX線集光システム

 

 

 

Experimental
Hutch
Focusing System Typical Spot Size
EH3 KBミラー ~1 µm FWHM
EH4b 多層膜KBミラー(MAXIC-S) ~100 nm FWHM
EH6 CRLs > 3 µm FWHM

 

 

 

 

EH3のKBミラー集光システムは、SFXCDIを始め、様々な実験に汎用的に利用されます。光子エネルギーによって、斜入射角2 mrad系および4 mrad系の2種類のKBミラーを使い分けることが可能です。

 

 

 

Optical parameters (KB mirrors) Vertical Horizontal
Surface coating Rhodium Rhodium
Substrate size 600 × 50 × 50 mm 600 × 50 × 50 mm
Glancing angle (2 mrad/4 mrad)* 2.1/3.8 mrad 2.0/3.7 mrad
Focal length 1.95 m 1.30 m
Distance from source 140.00 m 140.65 m
Spatial acceptance (2 mrad/4 mrad)* >1.2/>2.2 mm >1.1/>2.1 mm
Divergent angle (2 mrad/4 mrad)* ~0.65/~1.2 mrad ~1.0/~1.7 mrad
Typical focal size @ 10 keV ~1 µm FWHM ~1 µm FWHM

 

 

 

*高エネルギー領域では2 mrad系、低エネルギー領域では4 mrad系を利用する。

 

 

 

 

 

 

EH4bに常設されているCDI実験の共用装置である MAXIC-S用の多層膜KBミラー集光システムです。光子エネルギー4 keVのXFELを約55%の効率で集光可能で、高強度X線ビームを用いた実験に利用されます。

 

 

 

Optical parameters (KB mirrors) Vertical Horizontal
Surface coating Cr/C 30 layers Cr/C 30 layers
Substrate size 80 × 50 × 30 mm 80 × 50 × 30 mm
Glancing angle 25 mrad 25 mrad
Focal length 100 mm 190 mm
Spatial acceptance ~2 mm ~2 mm
Divergent angle ~22 mrad ~11 mrad
Typical focal size @4 keV ~70 nm FWHM ~120 nm FWHM

 

 

 

参考文献:
T. Koyama et al., Microsc. Microanal. 24 (S2), 294 (2018).

 

 

 

 

 

 

 

 

EH6の500TWレーザー利用実験用のCRLs集光システムです。試料位置を固定したまま、所望するビーム径のXFELを利用して実験を行うことが可能です。

 

 

 

Optical parameters (CRLs)  
Material Beryllium
Shape of lenses Paraboloid
Radii of curvatures (R) 500, 1000, 1500, 2000 µm
Maximum number of lenses 63 with R = 500 µm
3 with R = 1000 µm
3 with R = 1500 µm
3 with R = 2000 µm
Focal length 3 m
Spatial acceptance > 1.3 mm
Divergent angle > 0.2 mrad*
Typical focal size @10 keV ~3 µm FWHM*

 

 

 

*使用するレンズの数や波長に依存します。

 

 

参考文献:
T. Yabuuchi et al., J. Synchrotron Rad. 26, 585 (2019).

 

 

BL3におけるX線集光システム

 

 

Experimental
Hutch
Focusing System Typical Spot Size
EH2 CRLs > 1 µm FWHM
EH4c KBミラー ~1 µm FWHM
EH5 ナノ集光用KBミラー 100-200 nm FWHM
EH5 100Jレーザー実験用KBミラー ~500 nm FWHM

 

 

 

 

EH2のCRLs集光システムは、SFXX線回折X線分光を始めとした各種実験に汎用的に利用されます。

 

 

 

Optical parameters (CRLs)  
Material Beryllium
Shape of lenses Paraboloid
Radii of curvatures (R) 200, 500 µm
Maximum number of lenses 31 with R = 200 µm
15 with R = 500 µm
Focal length 2.5 m
Spatial acceptance > 0.9 mm
Divergent angle > 0.1 mrad*
Typical focal size @10 keV 1-2 µm FWHM*

 

 

 

*使用するレンズの数や波長に依存します。

 

 

 

参考文献:
T. Katayama et al., J. Synchrotron Rad. 26, 333 (2019).

 

 

 

EH4cのKBミラー集光システムは、X線回折を始め、様々な実験に汎用的に利用されます。光子エネルギーによって、斜入射角2 mrad系および4 mrad系の2種類のKBミラーを使い分けることが可能です。

 

 

 

Optical parameters (KB mirrors) Vertical Horizontal
Surface coating Rhodium Rhodium
Substrate size 600 × 50 × 50 mm 600 × 50 × 50 mm
Glancing angle (2 mrad/4 mrad)* 2.1/3.8 mrad 2.0/3.7 mrad
Focal length 1.95 m 1.30 m
Distance from source 140.00 m 140.65 m
Spatial acceptance (2 mrad/4 mrad)* > 1.2/> 2.2 mm > 1.1/> 2.1 mm
Divergent angle (2 mrad/4 mrad)* ~0.65/1.2 mrad ~1.0/~1.7 mrad
Typical focal size @10 keV ~1 µm FWHM ~1 µm FWHM

 

 

 

*高エネルギー領域では2 mrad系、低エネルギー領域では4 mrad系を利用する。

 

 

 

EH5のKBミラーナノ集光システムは、ピーク強度が1020 W/cm2に到達するような超高強度X線ナノビームを活用する実験に利用されます。光子エネルギー12 keV以下の領域で、色収差なく高効率にXFELを集光することが可能です。

 

 

 

Optical parameters (KB Mirrors) Vertical Horizontal
Surface coating Rhodium Rhodium
Substrate size 250 × 50 × 50 mm 250 × 50 × 50 mm
Glancing angle 4.0 mrad 3.8 mrad
Focal length 500 mm 240 mm
Distance from source 220 m 220.26 m
Effective mirror
length
242 mm 242 mm
Spatial acceptance 970 μm 920 μm
Divergent angle ~2 mrad ~4.5 mrad
Typical focal size @10keV ~200 nm FWHM ~120 nm FWHM

 

 

 

参考文献:
H. Yumoto et al., Appl. Sci. 10, 2611 (2020).

 

 

 

 

EH5の100Jレーザー利用実験用のKBミラー集光システムです。典型的な実験で用いられるX線回折測定の分解能を担保するために、回折方向(縦方向)の発散角が1 mrad程度以下となるよう光学設計されています。

 

 

 

Optical parameters (KB mirrors) Vertical Horizontal
Surface coating Rhodium Rhodium
Substrate size 300 × 50 × 50 mm 400 × 50 × 50 mm
Glancing angle 4.0 mrad 3.7 mrad
Focal length 1200 mm 800 mm
Distance from source ~260 m ~260 m
Spatial acceptance > 1.2 mm > 1.4 mm
Divergent angle ~1 mrad ~2 mrad
Typical focal size @10keV ~430 nm FWHM ~480 nm FWHM

 

 

 

参考文献:
Y. Inubushi et. al., Appl. Sci. 10, 2224 (2020).

 

 

 

 


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