BL-16 分光器案 - Open-It

計測システム研究会
2014年11月20日
マルチアノードMCPと
軟X線偏光スイッチングによる
深さ分解XMCD測定システムの開発
雨宮健太
高エネルギー加速器研究機構
物質構造科学研究所
メンバー
雨宮健太（代表：IMSS KEK）
岸本俊二（IMSS KEK）
酒巻真粧子（IMSS KEK）
小菅隆（IMSS KEK）
濁川和幸（IMSS→ACCL KEK）
田中真伸（IPNS KEK）
内田智久（IPNS KEK）
斉藤正俊（IPNS KEK）
池野正弘（IPNS KEK）
仲吉一男（IPNS KEK）
なぜ偏光スイッチングか～X線磁気円二色性(XMCD)～
右回り円偏光と左回り円偏光の
スペクトルの差を取る
⇒ 試料の磁気モーメントの情報
0.03
3 ML Fe / Cu(100)
Fe L-edge XMCD
0.025
微量元素，わずかな磁気モーメントを
何とかして観測したい！！
0.02
0.015
通常のDC的な測定では~1%がやっと
⇒ 偏光スイッチング＋ロックイン検出
0.01
0.005
(DC)
0.01
Detection Limit
0
-0.005
-0.01
700
710
720
730
740
750
1E-3
10 Hz
1E-4
50 Hz
1E-5
1E-6
0.01
3桁の
改善
0.1
1
10
Frequency (Hz)
100
1000
なぜマルチアノードか～深さ分解XMCD法～
表面
X線
円偏光X線
試料
e-
電子増幅器
(MCP)
qd
eAuger 電子
蛍光スクリーン
eXMCD スペクトル
CCDカメラ
e- 表面敏感
様々な出射角で電子収量XMCDを測定
⇒ 様々な検出深度を持つスペクトル群
全ての検出深度に対応する
スペクトルを一度に測定
偏光スイッチングに対応した角度分解電子検出器の開発
X線
マルチアノード型のMCPで，電気的に信号処理
角度の範囲と分解能： 0-15°を1°刻み程度
電子増幅器
(MCP)
試料
qd
エネルギー分解能：現在は阻止電場のみ(例えば500 V)
数10 eVでもあれば嬉しい(S/Bが向上)
カウントレート： 1チャンネルあたり最大108 CPS程度
蛍光スクリーン
偏光スイッチング時： ~10 Hzのスイッチングに対応する必要
⇒ 10 Hzより十分に速い取り込みが望ましい (~1kHz)
CCDカメラ
従来の方法(蛍光スクリーン＋CCDカメラ)のメリット，デメリット
データを自由に処理できる(回転，スライス数)
検出効率では損している(スクリーンをアノードとして電気的に測定した方がS/Nは良い)
線形性，ダイナミックレンジに対する不安
スイッチングへの対応は少し厄介(それぞれの角度に対してlock-in的に処理したい)
エネルギー分解能はない
マルチアノードMCP検出器の導入
30チャンネル同時に>1 kHzでデータ取得
Ch1 → 30
浜松ホトニクス社製MCP検出器
配線中…
最後の一本
SHV端子(4 pin X 8 = 32 pin)
阻止電場用グリッド取付け
MCPからの信号
６ｍＶ/ｄｉｖ
１０ nsec/div
データ処理
•MCPのシグナル
→アナログ処理(増幅、時間幅調整)
→閾値を設定してデジタル化
→時間ごとのカウント数として出力
•30(32)チャンネル同時測定
初期の測定結果(偏光スイッチングへの追随)
Polarization switching 10 Hz
Hz LL22 peak
peak
Intensity
Intensity (counts/ms)
(counts/ms)
4000
4000
I0,
CH5,
CH10,
CH15,
CH15,
CH20
CH20
3000
3000
2000
2000
1000
1000
ID2
00
00
ID1
500
100
1000
200
1500
300
Time
Time (ms)
(ms)
2000
400
2500
500
初期の測定結果(XAS)
Time-averaged X-ray absorption spectra
Intensity (arb. units)
6
CH5
CH10
CH15
CH20
5
4
3
2
1
840
表面敏感
850
860
870
880
Photon Energy (eV)
890
900
初期の測定結果(XMCD)
それぞれのチャンネル，それぞれのエネルギーに対して，
時間変化のデータを数値的にlock-in処理して10 Hz成分を抽出
XMCD (lock-in)
1000
CH5
CH10
CH15
CH20
Intensity (arb. units)
500
0
-500
-1000
-1500
-2000
840
850
860
870
880
Photon Energy (eV)
890
900
問題点
5k
I0
CH5
CH10
CH15
CH20
4k
3k
2k
1k
5k
Intensity (counts/ms)
Intensity (counts/ms)
Polarization switching 10 Hz L3 peak
0
CH10/I0
CH15/I0
CH0
CH10
CH15
CH20
4k
3k
2k
1k
CH20/I0
CH0/I0
8
8
6
6
Intensity
Intensity
I0
0
CH5/I0
4
2
0
Polarization switching 10 Hz L2 peak
CH10/I0
CH15/I0
CH20/I0
4
2
0
100
200
300
Time (ms)
400
500
0
0
100
200
300
400
500
Time (ms)
I0(光強度)で割り算した時に割り切れていない ← MCPのオフセット？
シグナルが大きすぎてカウントしきれない (意図的に<107 CPSに抑えている)
新しいアナログ基板の導入
より多くのカウント数に対応できるもの
新しいアナログ基板を用いた測定結果
1 kHzでの連続測定に成功？
※I0は電流値をV-Fコンバータを
介してCH31に入れている
カウント数が思いのほか少ない
(シグナルが小さい？)
ところが…
時々暴れてみたり…
Referenceシグナル(偏光の状態を示
す電圧シグナルをV-Fを介してCH32
に入れている)に追随してみたり…
※この時，光強度は一定
さらに新しいアナログ基板(VOLUME2012搭載)の導入
2013年11月
チャンネル間の独立性が向上
6000
5000
Beam
Threshold, Gain
調整後(17-32 Ch)
on
off
4000
3000
2000
1000
0
6000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Channel number
5000
Beam
4000
ON
3000
OFF
Threshold初期値
Gain x20
2000
1000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Channel number
しかし気になる点が…
予想されるシグナルから設定したThreshold, Gainの初期値だと
カウントゼロ
適切に調整した後のカウント値が数千cpsしかない(以前は数百万)
カウントが来ないチャンネルが結構ある
(オシロでみてもシグナルなし)
⇒
MCP自身が劣化しているのでは？
電子銃を使ったオフラインテスト等で酷使しすぎたか…
原因判明
30
MCP交換を決断して取り外して
みたところ，マルチアノード基板が
あちこち割れていた…
26
22 18
2420
28
チャンネルによるシグナルの有無
とそれなりに対応
19
17
6000
5000
Beam
on
off
4000
3000
2000
1000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Channel number
大改造を断行
MCP更新
配線はピン方式
 SHV端子フランジ軽量化
 阻止電場用グリッド更新
※従来のものはチェンバー
内壁に当たる…

阻止電場用グリッド
SHV端子(4 pin X 8 = 32 pin)
2014年11月
テスト測定
Channel 16
300
Beam off
Beam on
250
Count
200
150
100
50
0
0
200
400
600
Time (ms)
800
1000
0
50
Time (ms)
1msごとの連続測定が行えることを確認
ビームがない状態で，100 Hzのスパイク状のノイズが見られる
100
まとめ
マルチアノード(30チャンネル)MCP，1 kHｚ取り込み
偏光スイッチングと組み合わせて深さ分解XMCD測定を目指す
紆余曲折を経てスタートに戻ってきた
今後，より強いシグナルで実際に深さ分解XMCD測定を行う
さらに，放射光パルスと同期させた時間分解実験も視野に
Channel 16
300
Beam off
Beam on
250
Count
200
150
100
50
0
0
200
400
600
Time (ms)
800
1000

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