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X線レンズ

新情報
■ 2021年4月 LIGAプロセス 高コントラストのX線分解能ターゲットの商品化
■ 2021年3月 X線回折格子(タルボ干渉計) Publications (ユーザによる発表事例)を追加。心臓大血管の構造研究への応用例。
■ 2020年7月 X線レンズ Publications (ユーザによる発表事例)を追加

展示会情報
[出展] 2021年1月8-10日: 日本放射光学会年会,オンライン開催
[出展] 2020年1月10-12日: 日本放射光学会年会,ウインクあいち(愛知県産業労働センター)
[出展] 2019年10月20-24日:XNPIG,International Conference on X-ray and Neutron Phase Imaging with Gratings,
仙台国際センター

カールスルーエ技術研究所(KIT)が開発している,単色X線を集光する屈折式のレンズです。

1. X線集光 複合屈折レンズ (CRL)


X線の屈折率は1よりも小さいため,可視光用レンズとは逆の両凹型の形状をもつレンズとなります。一つ一つのレンズ素子による屈折角は非常に小さく焦点距離は長いものの,最多で数百もの素子を並べることにより,数十mm~といった短焦点距離も実現できます。


多段式「複合屈折レンズ」の集光コンセプト。レンズの素子数が増えると,焦点距離が短くなります。

2. X線レンズ 標準品



VHVH集光型 (デザイン #1357, #1405)
入射光の縦方向と横方向の両方を集光し,1次元集光のレンズを2組交差させた構造です。
単色光5 keV~,焦点距離 > 数十mm,アパーチャ サイズ46 µm~1,500 µm,集光サイズは最小1 µm x 1 µm程度。1次元集光のレンズとしての納品も可能。フレネルレンズタイプあり。
オプション: プロテクト機能付きレンズホルダ,ナイフエッジ測定用の金アパーチャ等

3. 標準品集光例


SPring-8 BL10XUにおける集光例です。その他の導入事例については,下記7. Publicationsを御覧ください。


レンズタイプ #1357 (長焦点向け),#1405 (短焦点向け),2次元集光。
資料御提供: 平尾直久様 (JASRI/SPring-8),大石泰生様 (JASRI/SPring-8)

4. 開発品: X線プリズムレンズ / X-ray prism lens, XPL


X線プリズムレンズ(XPL)は,非常に高い平均透過率を持つ大きなアパーチャの集光レンズです。プリズムレンズは,数万個もの三角柱のプリズム構造によって構成されます。プリズム一つ一つによってX線の方向が微小角だけ屈折し,プリズムレンズ全体で見ると湾曲型の光路を構成します。そのため,非常に厳密なレイアウトが必要となります。
このコンセプトにより,入射光の拡大も可能です[1]。
[1] O Márkus et al., "Optimizing illumination for full field imaging at high brilliance hard X-ray synchrotron sources", Vol. 26, No. 23 | 12 Nov 2018 | OPTICS EXPRESS 30435

プリズムレンズコンセプト

プリズムレンズに入射したX線の強度分布シミュレーション。色は,光路にレンズがない場合と比較した場合の各平面における強度。

プリズムレンズ素子拡大

集光のプリズムレンズ(20 µmのプリズム,45°の支持平面)。左: 支持平面がある左半分,プリズムは正しく配列されている。右半分: 支持平面がなく,プリズムの配置が崩れている。

上左図はXPLを通ったX線の強度分布シミュレーションです。5番目の平面内の強度線(赤色)は概ねプリズムのサイズ1つ分に相当します。

上右図にあるように,プリズムの構造は高アスペクト比(最大1:50程度)のため,そのまま配列すると毛細管力で崩壊してしまいます。そこで,45°の支持構造平面を導入することで構造は安定的に維持されます。

点焦点の集光を行う場合は,2次元集光レンズを得るために,2つの線集光プリズムレンズが光軸周りに90°傾けて配置され,交互に配列されます。

5. 他の集光素子との比較


既存の集光製品と比較して,時間コスト・費用コスト共に大幅に削減できます。

ゾーンプレート(FZP)との比較

・屈折のみを利用するため,回折高次光は生じません。フレネルタイプのレンズでも同様です。

・大アパーチャ製品があります(種類により最大2,000 µm)。

KBミラーとの比較

・レンズでは光軸が不変です。

・ビームライン上への設置時間を格段に削減できます。レンズステージの要求精度については資料を御覧ください。

・必要な設置スペースはプレート1枚分のみです。

複合屈折レンズ独自の強み

・同一基板に複数のレンズ: 一つの基板上に異なる集光パターンを持った複数のレンズ列を搭載できます。

・エネルギーや入射光サイズ,御希望の焦点距離に基づき,仕様を調整してお届けいた します。

6. 製造者と実績


カールスルーエ技術研究所/工科大学(KIT)・IMTのX線レンズは,国内では2005年以来,SPring-8を中心に多数の納入実績があります。

X線光学製品資料

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7. Publications: SPring-8に設置された複合屈折レンズを用いた研究成果 (抜粋)

▶[BL03XU] Large apparent internal deformation of carbon fibres under tension observed by in-situ microbeam small-angle X-ray scattering. H Okuda et al., Carbon 157, 2020, 295-297
▶[BL09XU] X-ray pumping of the 229Th nuclear clock isomer. T Masuda et al., Nature volume 573, pages 238–242 (2019)
▶[BL10XU] New developments in high-pressure X-ray diffraction beamline for diamond anvil cell at SPring-8. N Hirao et al., Matter and Radiation at Extremes 5, 018403 (2020)
▶[BL10XU] Equation of State of Liquid Iron under Extreme Conditions. Y Kuwayama et al., Physical Review Letters 124, 165701 (2020)
▶[BL13XU] Ferroelastic domain motion by pulsed electric field in (111)/(111¯) rhombohedral epitaxial Pb(Zr0.65Ti0.35)O3 thin films: Fast switching and relaxation. Y Ehara, et al., Phys. Rev. B, 100, 10416 (2019)
▶[BL13XU and 15XU] Charge screening strategy for domain pattern control in nano-scale ferroelectric systems. T Yamada et al., Sci. Rep. 7, 5236 (2017)
▶[BL15XU] Time-resolved X-ray diffraction system for study of Pb(Zr, Ti)O3 films under a temporal electric field at BL15XU, SPring-8. O Seo et al., Rev. Sci. Instrum. 90, 093001 (2019)
▶[BL22XU] Development of an apparatus for Bragg coherent X-ray diffraction imaging, and its application to the three dimensional imaging of BaTiO3 nano-crystals. K Ohwada et al., Japanese Journal of Applied Physics 58, SLLA05 (2019) 58 SLLA05
▶[BL22XU] Improving Fatigue Performance of Laser-Welded 2024-T3 Aluminum Alloy Using Dry Laser Peening. T Sano et al., Metals, 9, 1192, 2019
▶[BL24XU]「樹脂射出成形品の板厚断面方向の結晶化度分布解析」舟本三恵 他, 兵庫県ビームライン年報・成果集 Vol. 5, 6, pp.33-36, 2017
▶[BL39XU]「X線屈折レンズとKBミラーによる二段階ナノ集光光学系の開発」鈴木基寛 他, SPring-8/SACLA 利用研究成果集 Vol. 8 No. 1
▶[BL41XU] Low-dose X-ray structure analysis of cytochrome c oxidase utilizing high-energy X-rays. G Ueno et al., J. Synchrotron Rad. (2019). 26, 912-921
▶[BL43LXU] X-ray Phase-Contrast Imaging and Metrology through Unified Modulated Pattern. MC Zdora et al., Phys. Rev. Lett. 118, 203903 (2017)
X線光学製品と微細加工技術LIGA
X-ray optics and micro fabrication (LIGA)

マイクロ流体デバイス
Microfluidic devices