平成 28 年 4 月 22 日 世界 界初！ビー ームサイズを自由自在 在に制御できる で X 線ナノビーム ムの形成に成功 -多機 機能型 X 線 顕微鏡の実現 実 に 1 歩近 近づく本研究成 成果のポイン ント ● 形状を自由 由自在に制御で できる高精度な X 線形状可 可変鏡※1 を開 開発 ● 実験セットア アップを変える ることなく集光ス スポットサイズ ズの異なる 3 種類の 種 X 線集光ビームの形 形成に世界で初 初めて成功 ● 様々な顕微 微分析を 1 つの の装置で実施 施できる多機能 能型 X 線顕微 微鏡※2 の実現に に期待 概要 大阪大学大 大学院工学研 研究科の山内和 和人教授、松 松山智至助教、 、北海道大学 学電子科学研究 究所の西野吉 吉則教授、理化 化 学研究所放射 学 射光科学総合研 研究センターの の石川哲也セ センター長、矢橋牧名グルー ープディレクター ーらの研究グル ループは、X 線 用の高精度形 用 状可変鏡(図 1)を開発し、X 線ナノビーム ム※3 の集光ス スポットサイズを を自由自在に 制御することに に世界で初めて 成功しました。こ 成 この可変鏡を利用し、実験セットアップを を変えることなく く、形状可変鏡 鏡を変形させる るだけで、ほぼ ぼ回折限界※4 で ある あ 108～143 34 nm の大き きさの異なる集 集光ビームの形 形成を実証しま ました。 本研究成果 果を応用するこ ことで、様々な な顕 微分析を 微 1 台の の装置で実施 施できる多機能 能型 X 線顕微鏡の実 実現が期待さ されます。 本研究成果 果は、平成 28 年 4 月 21 日 木)（英国時間 間）に英国 Naature Publishing (木 Group G の Scienntific Reports 誌にて公開さ されました。 図 1 開発した形状可変鏡 研究の背 背景と結果 レントゲン撮影 影に代表され れる X 線分析は は、医療分野 から工業分野 野、研究分野ま まで幅広く利用 用されています す。X 線を細く集 集 光することで、よ 光 より高感度・高 高分解能に分析 析することが可 可能になります す。また、これを を利用して X 線顕微鏡を構 構築することも もで きます。しかし、 き 従来の X 線分 分析・X 線顕微 微鏡には、電子 子顕微鏡が持 持つような柔軟 軟性が欠落して ています。つま まり、電子顕微鏡 鏡 では、電磁レン で ンズ※5 によって電子ビームを自在に制御し して、1 つの 装置で様々な分 装 分析を実施で できる一方で、X 線分析・X 線顕微鏡 では、1 で つの装 装置は決められ れた集光ビーム ムを照射する るだけでした。 ※6 そのため、例え そ えば走査型 X 線顕微鏡 線 のようなできるだ の だけ小さな X 線ビームを必 必要とする手法 法と、コヒーレン ント回折イメージ ジング※7 の ような試料サイ よ イズと同程度の の X 線ビーム ムを必要とする る手法を、1 台の装置で実施 台 施することはで できませんでし した。 本研究グルー ープでは、自由 由自在に形状 状を変えることが ができる形 状可変鏡を開発 状 発し、これを 4 枚組み合わ わせることで、試 試料位置を 図 2 構築し した集光光学系 系 含めた実験セッ 含 ットアップを変 変えることなく、集光スポットサ サイズを制 2 枚の形状可 可変鏡を直交さ せるように配置 置し、これを 2 段 御できる新しい 御 い X 線集光シス ステムを大型放 放射光施設 S SPring-8※8 組み合わせる ることで、開口数 数を制御できる集 集光光学系を にて開発しまし に した(図 2)。 構築した(図上 上部)。図下部は は本光学系の光 光線図。 本システムで では、形状可変 変鏡の形状を を変えるだけで で、開口数※9 の異なる集光 の 光学系を作り り出すことができ、開口数を変 更することで回 更 回折限界下の集 集光スポットサ サイズを制御で できます。しかし し、回折限界ま まで集光させる るためには、鏡 鏡の形状を 2 nm n 以下という極限 以 限の精度(シリコ コン原子 6 個分の高さに相 個 相当)で変形さ させなければな なりません。この のため、鏡の形 形状誤差を高い 精度で知ること 精 とができる X 線 線波面計測法※10 を開発し、 鏡の形状をモ モニターしなが がら誤差 2 nm m で変形を制御 御しました。この ような手続きを よ を開口数の異な なる 3 つの光学 学系すべてで で繊細に実施し しました。 本システムは は様々な X 線波長に対応す 線 することができ きますが、本実 実験では、波長 長 1.24Å※11 (X X 線エネルギー：10keV)の のX 線を用いました 線 た。集光ビーム ムを評価したところ、形成した た最小ビームで では、108nm×165nm(横× ×縦)の長方形 形であり、このサ イズは回折限 イ 界集光スポッ ットサイズに非 非常に近いこ ことを確認しま ました(図 3)。 。また、最大集 集光ビームで では、560nm × 1434nm(横× 縦)であ とんど回 り 、こちらもほと 折限界に達して 折 ていまし た(図 た 3)。 ほとんど このように、ほ 回折限界のビ 回 ビームサ イズが達成され イ れたこと から、形状可変鏡は 設計した形に精 設 精度よく ること、 変形できてい 変 そして、構築し そ したすべ ての集光光学 て 学系は理 想的に機能して 想 ているこ とが実証されま と ました。 図 3 今回実 実現した X 線ナ ナノビームの強 強度分布 赤丸は実験値 値、線はシミュレー ーションによって て予想した値 本研究成 成果が社会 会に与える影 影響（本研究 究成果の意義 義） これまで X 線 線領域では不可 可能であった、 、X 線集光ビー ームを自由自在に制御する ることが可能に になったことで、多機能型 X 線 顕微鏡の実現 顕 が期待されま ます。それぞれ れの顕微分析に に最適なビーム ムサイズを形成 成することで、 1 台の実験装 装置で様々な X ※ 線分析・X 線 線顕 顕微鏡を実施す することが可能 能になります。 特に、世界に 2 台(日本・ア アメリカ)しかない い X 線自由電 電子レーザー※12 や世界各国で競 や 競って開発が が進められてい いる超低エミッタ タンス放射光源 源※13 のような な先端的な X 線 線光源におい いて、貴重なビー ムタイム中に様 ム 様々な分析法で で試料を調べ べ尽くす、新しい い効率的な実験スタイルの導 導入が期待さ されます。 特記事項 項 本研究成果 果は、平成 28 年 4 月 21 日(木)（英国時 日 時間）に英国 Nature Publishing Group の Scientific Re eports 誌にて公 公 開されました。 開 は、科学技術振興機構（JS ST) 戦略的創 創造研究推進事業 チーム型 型研究（CRESST）の研究領域「先端光源 源を また本研究は 駆使した光科学 駆 学・光技術の融 融合展開」（研 研究総括：伊藤 藤 正、研究代 代表者：山内 和人）の一環で 和 で行われました た。 掲載論文 文 【題名】Nearly diffraction-limited X-ray focusing witth variable-numerical-aperture focusinng optical system based on o fo our deformabble mirrors 【日本語訳】4 枚 枚の形状可変 変鏡に基づく開 開口数可変集 光光学系を用 用いた回折限界 界 X 線集光 【著者】Satoshhi Matsuyamaa, Hiroki Nakamori, Takum Khakurel, Yo mi Goto, Tak kashi Kimura, Krishna P. K oshiki Kohmurra, Yasuhisa Y Sano o, Makina Yabbashi, Tetsuya a Ishikawa, Y oshinori Nishino, and Kazuto Yamauchi 【掲載誌】Scienntific Reportss DOI: 10.1038/srrep24801 本件に関 関する問い合 合わせ先 大阪大学 学大学院工学研 研究科精密科 科学・応用物理 理学専攻 助教 松山 山 智至（まつ つやま さとし） FAX: 06-6879-7284 [email protected] a-u.ac.jp E-mail: ma 用語集 ※1 ※ X 線形状 状可変鏡 必要に応じてそ 必 その形状を変え えることができる X 線用の反 反射鏡。機械式 式アクチュエー ータで湾曲だけ けさせるタイプや、本研究の のよ うに圧電素子で う で自由形状に変形できるタイ イプなどがある る。 ※2 ※ 多機能型 型 X 線顕微鏡 鏡 例えば、元素分 例 分布を高感度に観察できる走 走査型蛍光 X 線顕微鏡と、 、高い空間分解能を持つコ コヒーレント回折 折イメージング※7 を組み合わせた を た新しい顕微システムなどが が考えられる。 。これを細胞観 観察に応用す すれば、細胞内 内の元素の濃度 度分布とミトコ コン ドリアなどの細胞 胞小器官の位 位置・構造を対 対応付けることが ができ、薬の開 開発や病気の の解明に貢献す するものと期待 待される。その他 他、 これまでの こ X線 線顕微鏡にはな なかったズーム ム機能の実装 装が可能になる るなど、様々な な新しい機能を を付与できる。 ※3 ※ X 線ナノビ ビーム X 線を 1μm 以 以下程度に集 集光させたビーム。集光させる ることで、X 線分析の空間分 線 分解能や感度 度を向上できる る。 ※4 ※ 回折限界 界 で光を集光す レンズやミラー レ するときの限界 界値。レンズや ミラーは集光 光すると同時に、自身が開口 口となって光を を広げる作用(回 折)を持つため、 折 、集光できる下 下限値が存在 在する。回折限 限界は、光の波 波長に比例し、開口数に反比 比例する。 ※5 ※ 電磁レンズ ズ 電場や磁場の作 電 作用を利用し して電子線を収 収束させる電子 子顕微鏡用の のレンズ。 ※6 ※ 走査型 X 線顕微鏡 X 線集光ビーム ムを試料に照 照射しながら試 試料を走査し、X X 線分析する ることで、分析結果を可視化 化できる顕微法 法。分解能は集 集 光ビームのサイ 光 イズに依存する る。 ※7 ※ コヒーレン ント回折イメージ ジング レンズによる結 レ 像作用を計算 算によって代替 替することで、レ レンズレスに微 微小構造を可視 視化することが ができる顕微法 法。本手法は可 可 干渉性に優れた 干 た X 線を試料 料に照射する必 必要があるため め、最先端の放 放射光施設を を中心に実施さ されている。 ※8 ※ 大型放射 射光施設 SPrinng-8 名前は Superr Photon ring兵庫県の播磨 兵 科学公園都市 市にある世界最 最高輝度の放 放射光を生み出 出す施設。SPring-8 という名 -8 GeV G の略。放射 射光とは、荷電 電粒子(例えば ば電子)が磁場 場の中で曲がる る際に放射され れる光の一種 で、その強度が非常に強い いこ とが特徴の一つ と つである(例えば ば X 線領域で では、普通の X 線発生装置 置の 10 億倍)。 ※9 ※ 開口数 レンズや集光ミ レ ミラーの光を集 集める能力を示 示す指標。開口 口数が大きいほ ほど光を小さく く集光すること とができる。 ※10 ※ X 線波面 面計測法 つ誤差によって波面が乱れ 光学素子が持 光 れることを利用 し、波面の乱れを X 線干渉 渉計などで計測 測することで、こ この誤差を決定 定 する手法。本研 す 研究ではペンシ シルビーム法と という光の直進 進性を利用した た手法を用いた た。 ※11 ※ Å(オングストローム) 1Åは 0.1 nm 長さの単位で、 長 m。原子・分子 子の大きさや、X X 線の波長の のような小さな長 長さを表記す するためによく用 用いられる。 ※12 ※ X 線自由 由電子レーザ ザー X 線領域の波 波長をもつレーザー。一般的 的なレーザーと とは異なり、物質 質中から真空 空中に抜き出さ された電子(自由電子)を使用 用 してレーザー光 し 光を発生させる る。光の波が完 完全にそろって ている点、非常 常に高い輝度を を持つ点(SPrinng-8 の 10 億倍明るい)、超 億 超 短パルス光であ 短 ある点(カメラの のフラッシュのように光の時間 間幅が短い)で で通常の X 線とは異なる。 線 ※13 ※ 超低エミ ミッタンス放射 射光源 電子ビームの空 電 空間的な広が がり（エミッタンス ス）を抑えること とで、現在の放 放射光施設よりも、さらに高 高輝度な光を発 発生させることが できる次世代放 で 放射光源。
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