真空環境下で動作可能な高精度形状可変ミラーを開発――第4世代放射光施設、宇宙望遠鏡等での応用に期待 大阪大学など

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開発した接着剤フリー形状可変ミラー

大阪大学は2019年3月11日、ジェイテックコーポレーションとの共同研究により、真空環境下で動作可能な高精度形状可変ミラーの開発に世界で初めて成功したと発表した。開発されたミラーは真空が必要なX線実験や、真空中でしか利用できない軟X線をはじめとする様々なX線分析に利用できる。

世界各国で建設が計画されている第4世代放射光施設では、兵庫県のSPring-8に代表される第3世代放射光施設と比べて、ビームの輝度が100~1000倍となることが予想されており、より高精度かつ短時間でのX線分析が可能になると期待されている。このようなX線の有効活用には、X線の波の形を揃える「波面制御」技術や、集光サイズを自在に変える「集光径制御」技術が必要だ。

大阪大学の山内教授らの研究グループでは以前、SPring-8において、形状可変ミラーを用いた波面制御により、世界最小の集光径である7nmのX線ビーム発生に成功している。また、回折限界(光学系に収差がないときの最小集光サイズ)下において集光径を自在に変化させることが可能な集光径制御技術の開発にも成功している。

しかし、従来の高精度形状可変ミラーは圧電素子とシリコンミラーの接着に樹脂成分からなる接着剤を使用していた。このため、真空チャンバー内に接着剤からの有機ガスが放出される、チャンバークリーニング時の加熱工程で接着部が劣化する、などの課題があった。この結果、従来の形状可変ミラーは高真空下では利用できず、利用用途が大気下もしくは低真空下に限定されていた。

このような中、研究グループは有機物が含まれていない無機材料を用いて圧電素子とミラーを接合する技術の開発に成功した。ミラーの性能を評価した結果、従来と同等の駆動性能を示しつつ、有機ガスの放出レートも真空チャンバーを汚染しないレベルに抑えられていた。加えて、クリーニングに必要な加熱温度である200℃の処理工程前後でも形状変化量がほぼ同一だった。これらの結果から、真空下での形状可変ミラーの利用において、実用上全く問題ないことが実証された。

200℃加熱後の変形試験の結果。加熱後も変形特性は変化していない。

今回の研究成果により、各国で建設中・計画中の第4世代放射光施設において、開発した形状可変ミラーを用いた高度なX線利用が期待される。例えば、波面制御技術を応用して高強度なX線ビームを10nm以下に集光できれば、極微小試料の高感度分析が可能だ。集光径制御に活用すれば、解析対象や解析手法に応じて様々な大きさのX線ビームをユーザーに供給できる。

これ以外にも、形状可変ミラーの用途は多岐に渡る。放射光X線だけでなく、宇宙望遠鏡や高輝度レーザーなどの制御用途に用いられることも提案されており、今後様々な形状可変ミラーの開発が予想される。今回の研究で開発された技術はそれらにも応用可能であり、高精度形状可変ミラーの更なる活用が期待される。

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