BL24XU 概要

Inquiry number

INS-0000000488

ビームライン一覧表

放射光利用の産業応用を主軸としたビームライン運営
A1ステーション
高精度粉末回折計、小角散乱装置（整備予定）
A2ステーション
微小タンパク結晶回折計、斜入射回折計
B2ステーション
X線マイクロ～ナノビーム応用（走査型顕微鏡、蛍光分析、回折計）
X線顕微鏡を用いたイメージング実験（ナノイメージング、高速イメージング、CT）
B1ステーション
高平行X線マイクロビーム応用（高精度回折計、反射率計）

ビームラインの概要

　BL24XU（兵庫県ID）は兵庫県が管理する専用ビームラインであり、放射光利用の産業応用に特化した運用を行っております。ビームラインは光源に８の字アンジュレーターを採用しており、2本のパラレルブランチA、Bで構成されています。ブランチAの分光器には薄板ダイヤモンド（３００ミクロン）を使用した4 mオフセット2結晶分光器を採用し、ビームを分岐分光しているため、ブランチA、ブランチBでの同時実験を可能としています。ブランチBの分光器は標準型のシリコン2結晶分光器を用いていますが、水平反射型であり、光軸から退避も可能であるために、アンジュレーター白色光の利用も可能です。ブランチの同時使用条件では、アンジュレーターのGapは固定であり、11.3 mm（１次光： 10 keV）を定格としていますが、8の字アンジュレーターを採用しているため、各ブランチでは5 keV毎にエネルギー選択が可能であり、直線偏光の方向選択も可能です。

　各ブランチではそれぞれ特徴付けられたエンドステーション構成をしており、目的に応じた利用実験が行われています。ブランチAは構造解析用ステーションと位置づけられており、実験ハッチA1に高精度粉末回折計、実験ハッチA２に斜入射回折計および微小タンパク結晶回折計を配置しています。また、小角散乱ステーションの整備も進められています。7 m離れた実験ハッチA1と実験ハッチA2は大口径真空パイプで接続されているため、これを利用した極小角散乱、斜入射小角散乱、マイクロビーム小角散乱への応用も計画しています。一方で、ブランチBは実空間観察用のステーションと位置づけられており、特に集光ビーム応用を主軸としています。光学ハッチB2ではナノ～マイクロサイズの集光ビームが利用でき、走査型顕微鏡、蛍光分析の他に、イメージングプレートを用いたWAXS測定、カウンターを用いたθ―２θ回折計も配置しています。集光ビーム利用以外にも、位相コントラストイメージング、マイクロCT等のイメージングの他、ミリ秒イメージング、サブ秒CTなどの高時間分解イメージング法の利用も可能となっています。また、実験ハッチB2においては、高平行度マイクロビーム回折計を配置しており、高い空間感度での高精度X線回折実験が可能であり、半導体基板、デバイス等の局所結晶性評価に用いられています。

　ビームラインの管理は、兵庫県ナノテク研究所および兵庫県立大学大学院物質理学研究科X線光学分野の共同で行われており、ユーザーサポートの他、集光ビーム光学系の高度化、顕微干渉計の開発、光学素子の開発等、X線光学分野における学術研究も行われています。これらの技術はユーザー利用光学系へフィードバックされていくため、高いクオリティの光学系供用を可能としています。

研究分野

微小タンパク結晶の構造解析とその産業利用
金属材料の結晶解析とその産業利用（表面解析、歪み測定）
Ｘ線顕微鏡の産業応用（マイクロまたはナノビーム、高分解能イメージング）

キーワード

サイエンス
タンパク結晶構造解析、表面/界面解析、位相コントラスト、結晶歪み評価
装置
タンパク結晶回折計、高精度粉末回折計、マイクロ・ナノビーム分析装置、X線顕微鏡、X線高速イメージングシステム、高平行マイクロビーム回折計

光源と光学系

光源
　光源には８の字アンジュレーターを採用しています。８の字アンジュレーターは図１のような磁極配列をしており、通常の垂直周期磁場に加えて2倍の周期の水平磁場成分が付与される構成をしています。アンジュレーターを通過する電子は光軸から見て８の字の軌道を描き、垂直磁場による1次光を基準とすると0.5次刻みに高調波を定義することができ、半整数次では垂直偏光、整数次では水平偏光の放射光を得ることができます。本ビームラインでは基本的にID Gapを11.3 mmに設定しています。このときの放射スペクトルと偏光特性を図２に示します。1次光のエネルギーは10 keVです。

図１　８の字アンジュレーターの概略

図２　放射スペクトルと偏光特性（ID Gap：11.3 mm）

実験ハッチ構成
　実験ハッチ構成は図３のようになっています。ビームラインはモノクロメーターAおよびモノクロメーターBによって、それぞれブランチAとブランチBに分岐しており、各ブランチは2つのタンデムハッチで構成されています。ブランチAは単色用ハッチである実験ハッチA1および7 m下流に設置された実験ハッチA２で構成されており、実験ハッチ間は真空パイプで接続されています。また、ブランチBではタンデムハッチの上流側は白色用ハッチあるため、光学ハッチB2と命名されており、下流側の単色用ハッチは実験ハッチB1と呼ばれます。

図３　実験ハッチ構成

試料位置でのＸ線パラメータ
・　実験ハッチA1、A2
エネルギー　：　15 keV
ビームサイズと強度　：　0.25 mm角＠〜5×10¹⁰ (Photons/s)
・　光学ハッチB2

　エネルギー　：　5 keV、10 keV、15 keV、20 keV、25 keV、30 keV、35 keV
　エネルギー分解能　：　E/ΔE　～　2000
　ビームサイズと強度　：
　　マイクロビーム光学系１＿φ1ミクロン＠ 10⁹ (Photons/s)　(10 keV)
　　マイクロビーム光学系２＿ 100～300 nm(V)×400 nm(H) ＠ 2×10⁸ (Photons/s) (15 keV)
　　イメージング光学系＿ 1 mm角＠ 10¹² (Photons/s)
・　実験ハッチB1
　　エネルギー　：　15 keV
　　エネルギー分解能　：　E/ΔE　～　100000
　　ビームサイズと強度　：１ミクロン(V)×５ミクロン(H) ＠ 10⁶ (Photons/s)
　　ビーム発散角　：　～　2 arcsec

実験ステーション

実験ハッチA1
　粉末回折計
　　　　チャンネルカット結晶（入射光用）
　　　　試料用クライオクーラー
　　　　シンチレーションカウンター
　　　　イメージングプレート
実験ハッチA2
　斜入射回折計
　　　　試料温度調整機構

　微小タンパク結晶回折計
　　　　試料用クライオクーラー
　　　　R-AXIS5
　　　　Jupiter
光学ハッチB2
　光学素子
　　　　高次光カット用全反射平面ミラー（Pt、Rh、SiO2面）
　　　　フレネルゾーンプレート（集光用、結像用）
　　　　　　　最外線幅　：　50 nm　～　250 nm, 直径　：　0.1 mm ～ 1 mm 各種
　検出器
　　　　イオンチェンバー、シリコンフォトダイオード、シリコンPSD
　　　　SDD （Rontec ：XFlash2001）
　　　　シンチレーションカウンター　(YAP)
　　　　電子変換型画像検出器　（浜松ホトニクス： C5333　＋ C4880-40）
　　　　　　　空間分解能： 600 nm @ 10 keV
　　　　可視光変換型画像検出器　（蛍光体＋リレーレンズ＋ C4880-40）
　　　　　　　蛍光体： P43 （厚さ_10ミクロン、20ミクロン）
　　　　　　　リレーレンズ： Fマウントカメラレンズの組み合わせ（f_ 35 mm～180 mm）
　　　　　　　　　　　　　　拡大率： 1/5 ～ 5倍
　　　　X線高速カメラ　（蛍光体＋リレーレンズ　＋高速CMOSカメラ）
　　　　　　　蛍光体：　P43　（厚さ_10 ～ 30ミクロン）
　　　　　　　リレーレンズ： Cマウント（等倍、2倍、3倍）
　　　　　　　フレームレート：　最高1000 fps

図４　汎用X線顕微鏡ステーション

　ユーザー利用光学系
　　　　蛍光X線分析
　　　　リボルバー式試料チェンジャーを用いた自動測定
　　　　マイクロ・ナノビームを用いた多元素同時マッピング
　マイクロビーム回折計
　　　　イメージングプレートを用いたWAXS測定
　　　　１次元集光ビームを用いたθ-２θ回折計
　イメージング
　　　　高速屈折コントラストイメージング（～ 1000 fps）
　　　　X線高速CT　（１CTの取得時間：　0.16 s　～　）
実験ハッチB1
　光学素子
　　　　チャンネルカット結晶　（Si (111)対称333反射）
　　　　集光用全反射ベントトロイダルミラー
　検出器
　　　　イオンチェンバー、シリコンフォトダイオード、SDD、シンチレーションカウンター　(YAP)