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JP2013068505A - X-ray waveguide - Google Patents

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JP2013068505A
JP2013068505A JP2011206998A JP2011206998A JP2013068505A JP 2013068505 A JP2013068505 A JP 2013068505A JP 2011206998 A JP2011206998 A JP 2011206998A JP 2011206998 A JP2011206998 A JP 2011206998A JP 2013068505 A JP2013068505 A JP 2013068505A
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ray
waveguide
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gap
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JP2011206998A
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Japanese (ja)
Inventor
篤史 ▲高▼本
Atsushi Takamoto
Wataru Kubo
亘 久保
Kohei Okamoto
康平 岡本
Hirokatsu Miyata
浩克 宮田
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Canon Inc
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Abstract

【課題】 空間的コヒーレンスの空間範囲の大きなX線を形成することができ、かつX線の導波特性を外部からの操作によって変調可能なX線導波路を提供する。
【解決手段】 周期性構造体から構成されるコアと、前記コアの外側に形成されたクラッドと、前記クラッドの少なくとも一部と前記コアとの間に設けられたギャップと、前記クラッドの少なくとも一部あるいは前記コアを駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させる駆動手段とを有し、前記クラッドと前記ギャップとの界面におけるX線の全反射臨界角が、前記コアの構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、且つ前記コアの周期構造体を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さいX線導波路。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an X-ray waveguide capable of forming X-rays with a large spatial range of spatial coherence and capable of modulating the X-ray waveguide characteristics by an external operation.
A core composed of a periodic structure, a cladding formed outside the core, a gap provided between at least a part of the cladding and the core, and at least one of the cladding. Driving means for changing the gap interval by driving the core or the core, and the total reflection critical angle of X-rays at the interface between the cladding and the gap corresponds to the structural period of the core An X-ray waveguide having a total reflection critical angle smaller than the Bragg angle, which is larger than the Bragg angle and has an interface of a plurality of components having different real refractive indices forming the core periodic structure.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、X線を導波するX線導波路に関し、特にコアに周期性構造体を用いたX線導波路に関するものである。   The present invention relates to an X-ray waveguide that guides X-rays, and more particularly to an X-ray waveguide that uses a periodic structure as a core.

数10nm以下の短い波長の電磁波を扱う際、異物質間における電磁波に対する屈折率差が10−4以下と非常に小さいため、全反射臨界角も非常に小さくなることなどにより、X線を含めたこのような電磁波をコントロールするために、大型の空間光学系が用いられてきており、今でもなお主流となっている。空間光学系をなしている主な部品として、異なる屈折率の材料を交互に積層した多層膜反射鏡があり、ビーム整形、スポットサイズ変換、波長選択などの様々な役割を担っている。 When dealing with electromagnetic waves with short wavelengths of several tens of nanometers or less, the difference in refractive index with respect to electromagnetic waves between different substances is as small as 10 -4 or less. In order to control such electromagnetic waves, large spatial optical systems have been used and are still mainstream. As a main part constituting the spatial optical system, there is a multilayer film reflecting mirror in which materials having different refractive indexes are alternately laminated, and plays various roles such as beam shaping, spot size conversion, wavelength selection and the like.

主流であるこのような空間光学系に対し、近年では光学系の小型化、高性能化を目指し、クラッドに囲まれたコア中に電磁波を閉じ込めて伝搬させる、X線導波路の研究が行われている。具体的にはクラッド層がコア層を挟み込んだ1次元構造の薄膜導波路(非特許文献1参照)や、クラッド材料中にファイバー状のコアを貫通させた2次元閉じ込め構造のX線導波路(非特許文献2参照)などの研究が行われている。   In recent years, research has been conducted on X-ray waveguides that confine electromagnetic waves in a core surrounded by a clad and propagate them in order to reduce the size and increase the performance of the optical systems, which are the mainstream. ing. Specifically, a thin-film waveguide having a one-dimensional structure in which a cladding layer sandwiches a core layer (see Non-Patent Document 1), or an X-ray waveguide having a two-dimensional confinement structure in which a fiber-like core is penetrated in a cladding material ( Studies such as Non-Patent Document 2) have been conducted.

Salditt,T.,Kru‥ger,S.P.,Fuhse,C.& Ba‥htz,C.High−transmission planar x−ray waveguides.Physical Review Letters 100 (2008).Salditt, T .; Kru.ger, S., et al. P. Fuhse, C .; & Ba ... htz, C.I. High-transmission planar x-ray waveguides. Physical Review Letters 100 (2008). Jarre,A.et al.Two−Dimensional Hard X−Ray Beam Compression by Combined Focusing and Waveguide Optics.Physical Review Letters 94 (2005).Jarre, A .; et al. Two-Dimensional Hard X-Ray Beam Compression by Combined Focusing and Waveguide Optics. Two-Dimensional Hard X-Ray Beam Compression by Combined Focusing and Waveguide Optics. Physical Review Letters 94 (2005).

しかしながら、従来のX線導波路には改善すべき課題があった。   However, the conventional X-ray waveguide has a problem to be improved.

非特許文献1及び非特許文献2では、ともにX線の導波損失を小さくするために、導波モードの中でも最も伝搬角度が小さい0次モードを主に利用している。X線帯域の電磁波では、物質間の屈折率差(実部)が極めて小さいため、0次モードの伝搬角度が小さくなり、その結果X線導波路では極めて微小なコアを作製する必要があった。そのため、伝搬させるX線の面積が小さくなり、X線導波路が出射するX線ビームが小さく、また、導波路の特長の一つである空間的コヒーレンスの空間範囲に制限があった。さらに、非特許文献2のような2次元閉じ込め構造のX線導波路の場合、必要となる数10nm程度の大きさのコアを作製することが非常に困難であった。   In both Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, in order to reduce the X-ray waveguide loss, the 0th-order mode having the smallest propagation angle among the waveguide modes is mainly used. In an X-ray band electromagnetic wave, the refractive index difference (real part) between materials is extremely small, so that the propagation angle of the 0th-order mode is small, and as a result, it is necessary to produce a very small core in the X-ray waveguide. . Therefore, the area of X-rays to be propagated is reduced, the X-ray beam emitted from the X-ray waveguide is small, and the spatial range of spatial coherence, which is one of the features of the waveguide, is limited. Furthermore, in the case of an X-ray waveguide having a two-dimensional confinement structure as in Non-Patent Document 2, it is very difficult to produce a required core having a size of about several tens of nm.

さらには、これらのX線導波路では、コア断面の大きさやクラッドとコアの材質等の導波路の構成よって決定された一定のX線導波特性を示すのみであり、そのX線導波特性を外部からの操作等によって変調することはできなかった。   Furthermore, these X-ray waveguides only exhibit certain X-ray waveguide characteristics determined by the waveguide configuration such as the size of the core cross-section and the material of the cladding and the core. The characteristics could not be modulated by external operation.

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、空間的コヒーレンスの空間範囲の大きなX線を形成することができ、かつX線の導波特性を外部からの操作によって変調可能なX線導波路を提供するものである。   The present invention has been made in view of such background art, and can form X-rays having a large spatial range of spatial coherence, and modulates the X-ray waveguide characteristics by an external operation. A possible X-ray waveguide is provided.

上記の課題を解決するX線導波路は、複数の屈折率実部の異なる物質からなる基本構造が周期的に配された周期性構造体から構成されるコアと、前記コアの外側に形成された、X線を全反射によってコア内に閉じ込めるクラッドと、前記クラッドの少なくとも一部と前記コアとの間に設けられたギャップと、前記クラッドの少なくとも一部あるいは前記コアを駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させる駆動手段とを有し、前記クラッドと前記ギャップとの界面におけるX線の全反射臨界角が、前記コアの構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、且つ前記コアの周期構造体を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さいことを特徴とする。   An X-ray waveguide that solves the above-described problems is formed on a core composed of a periodic structure in which a plurality of basic structures made of materials having different real parts of refractive index are periodically arranged, and on the outside of the core. Further, the clad for confining X-rays in the core by total reflection, a gap provided between at least a part of the clad and the core, driving at least a part of the clad or the core, Drive means for changing the gap interval, and the X-ray total reflection critical angle at the interface between the cladding and the gap is larger than the Bragg angle corresponding to the structure period of the core, and the period of the core The total reflection critical angle at the interface of a plurality of components having different real parts of the refractive index forming the structure is smaller than the Bragg angle.

本発明によれば、空間的コヒーレンスの空間範囲の大きなX線を形成することができ、かつX線の導波特性を外部からの操作によって変調可能なX線導波路を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an X-ray waveguide capable of forming X-rays having a large spatial range of spatial coherence and capable of modulating the X-ray waveguide characteristics by an external operation. .

本発明のX線導波路の一実施態様を示す概略図である。It is the schematic which shows one embodiment of the X-ray waveguide of this invention. X線導波路の周期性構造体内でのX線電場強度分布を示す図である。It is a figure which shows X-ray electric field strength distribution in the periodic structure body of a X-ray waveguide. X線導波路のX線電場強度分布と伝搬損失の周期数依存性を示す図である。It is a figure which shows the X-ray electric field intensity distribution of an X-ray waveguide, and the cycle number dependence of a propagation loss. 本発明のX線導波路の電場強度分布のギャップの間隔依存性を示す図である。It is a figure which shows the space | interval dependence of the gap of the electric field strength distribution of the X-ray waveguide of this invention. コアとクラッド間のギャップの間隔を変化させる駆動手段を示す概略図である。It is the schematic which shows the drive means to change the space | interval of the gap between a core and a clad. 本発明の実施例1,2の導波X線強度の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the waveguide X-ray intensity of Example 1, 2 of this invention.

以下、本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明に係るX線導波路は、複数の屈折率実部の異なる物質からなる基本構造が周期的に配された周期性構造体から構成されるコアと、前記コアの外側に形成された、X線を全反射によってコア内に閉じ込めるクラッドと、前記クラッドの少なくとも一部と前記コアとの間に設けられたギャップと、前記クラッドの少なくとも一部あるいは前記コアを駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させる駆動手段とを有し、前記クラッドと前記ギャップとの界面におけるX線の全反射臨界角が、前記コアの構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、且つ前記コアの周期構造体を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さいことを特徴とする。   The X-ray waveguide according to the present invention is formed on the outer side of the core composed of a periodic structure in which a plurality of basic structures made of different materials of the refractive index are periodically arranged. A clad for confining X-rays in the core by total reflection, a gap provided between at least a part of the clad and the core, driving at least a part of the clad or the core; Driving means for changing the interval, wherein the critical angle of total reflection of X-rays at the interface between the cladding and the gap is larger than the Bragg angle corresponding to the structural period of the core, and the periodic structure of the core The total reflection critical angle at the interface of a plurality of components having different real parts of the refractive index is smaller than the Bragg angle.

図1は、本発明のX線導波路の一実施態様を示す概略図である。同図1において、本発明のX線導波路は、コア101と、前記コア101の外側に形成されたクラッド102および103と、前記クラッド102と前記コア101との間に設けられたギャップ104と、前記クラッド102を駆動させることにより、前記ギャップ104の間隔Lを変化させる駆動手段105とを有する。   FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the X-ray waveguide of the present invention. In FIG. 1, the X-ray waveguide of the present invention includes a core 101, clads 102 and 103 formed outside the core 101, and a gap 104 provided between the clad 102 and the core 101. Driving means 105 for changing the interval L of the gap 104 by driving the clad 102.

本発明において、駆動手段105は、前記クラッドの少なくとも一部を駆動させるか、あるいは前記クラッドの少なくとも一部以外の部分と前記コアとを一体で駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させることを特徴とする。   In the present invention, the driving means 105 changes the gap interval by driving at least a part of the clad or by driving a part other than at least a part of the clad and the core integrally. It is characterized by.

本発明のX線導波路は、コア101に周期性構造体を用いることにより、その周期構造の周期性と共鳴する導波モードを利用することができるX線導波路である。クラッド102及び103とコア101の界面にはギャップ104が配置され、さらには該ギャップの間隔Lを変化させる駆動手段105によって、前記X線導波路の導波X線強度等のX線導波特性を変調することができる。   The X-ray waveguide of the present invention is an X-ray waveguide that can utilize a waveguide mode that resonates with the periodicity of the periodic structure by using a periodic structure for the core 101. A gap 104 is arranged at the interface between the clads 102 and 103 and the core 101, and further, an X-ray waveguide characteristic such as the waveguide X-ray intensity of the X-ray waveguide is driven by a driving means 105 that changes the gap L. Sex can be modulated.

図1(a)はクラッド102のみを駆動させる駆動手段105を用いる実施形態を示す図である。図1(b)はクラッド103とコア101を一体で駆動させる駆動手段105を用いる実施形態を示す図である。いずれの場合においても、駆動手段105によってH方向に上下に駆動させることで、ギャップ104の間隔Lを調整することができる。駆動対象であるクラッド102(図1(a)の例)、あるいはクラッド103とコア101の結合体(図1(b)の例)は、駆動手段105に密着している。駆動手段105は、前記駆動対象に密着する駆動ステージ部106と、その駆動を制御する制御部107から構成される。   FIG. 1A is a diagram showing an embodiment using a driving means 105 that drives only the clad 102. FIG. 1B is a diagram showing an embodiment using a driving unit 105 that drives the clad 103 and the core 101 integrally. In any case, the gap L of the gap 104 can be adjusted by driving the driving means 105 up and down in the H direction. The clad 102 to be driven (example in FIG. 1A) or a combination of the clad 103 and the core 101 (example in FIG. 1B) is in close contact with the driving means 105. The drive unit 105 includes a drive stage unit 106 that is in close contact with the drive target and a control unit 107 that controls the drive.

(X線)
本発明においてX線とは、物質の屈折率実部が1以下となる波長帯域の電磁波である。具体的には、本発明においてX線とは、極端紫外光(Extreme Ultra Violet(EUV)光)を含む100nm以下の波長の電磁波を指す。このような短い波長の電磁波の周波数には、非常に高く物質の最外殻電子が応答できないため、紫外光の波長以上の波長をもつ電磁波(可視光や赤外線)の周波数帯域と異なり、X線に対しては物質の屈折率の実部が1より小さくなることが知られている。このようなX線に対する物質の屈折率nは一般的に、下記の式(1)
(X-ray)
In the present invention, X-rays are electromagnetic waves in a wavelength band where the real part of the refractive index of a substance is 1 or less. Specifically, in the present invention, the X-ray refers to an electromagnetic wave having a wavelength of 100 nm or less including extreme ultraviolet light (Extreme Ultra Violet (EUV) light). Unlike the frequency band of electromagnetic waves (visible light and infrared rays) having a wavelength longer than the wavelength of ultraviolet light, the X-rays are different because the outermost electrons of a substance are extremely high and cannot respond to such short-wavelength electromagnetic wave frequencies. It is known that the real part of the refractive index of a substance is smaller than 1. The refractive index n of a substance for such X-rays is generally expressed by the following formula (1)

Figure 2013068505
Figure 2013068505

で表されるように、実数部の1からのずれ量δ、吸収に関係する虚数部の The amount of deviation δ from 1 in the real part and the imaginary part related to absorption

Figure 2013068505
Figure 2013068505

を用いて表される。原子固有のエネルギー吸収端が寄与する場合を除き一般に、δは物質の電子密度ρに比例するため電子密度の大きい物質ほど屈折率の実部が小さくなることになる。また、屈折率実部は、 It is expressed using Generally unless the atomic energy inherent absorption edge contributes, [delta] will be the real part of the larger material as the refractive index of the electron density is proportional to the electron density [rho e materials is reduced. The real part of the refractive index is

Figure 2013068505
Figure 2013068505

となる。さらに、ρは原子密度ρと原子番号Zに比例する。このようにX線に対する物質の屈折率は複素数で表されるが、その実部を本明細書中では屈折率実部または屈折率の実部と称し、虚部を屈折率虚部または屈折率の虚部と称する。X線の帯域では、屈折率実部が最大の1となる物質は真空であり、空気に代表される気体は真空とほぼ同じ屈折率を持つが、気体以外のほぼすべての物質の屈折率実部は、1よりも小さい値となる。本明細書中では、「成分」、「材料」、「物質」という文言を真空や空気等の気体に対しても適用する。 It becomes. Furthermore, ρ e is proportional to the atomic density ρ a and the atomic number Z. As described above, the refractive index of a substance with respect to X-rays is represented by a complex number. In this specification, the real part is referred to as the real part of the refractive index or the real part of the refractive index, and the imaginary part is the imaginary part of the refractive index or the refractive index. Called the imaginary part. In the X-ray band, the substance whose refractive index real part is 1 at maximum is a vacuum, and a gas typified by air has almost the same refractive index as that of vacuum, but the refractive index of almost all substances other than gas is real. The part has a value smaller than 1. In the present specification, the terms “component”, “material”, and “substance” also apply to gases such as vacuum and air.

(コアとクラッドの関係)
本発明のX線導波路は、コアとクラッドの界面における全反射によりX線をコアに閉じ込めてX線を導波させる。この全反射を実現するために、本発明のX線導波路は、コアとクラッドの界面におけるコアの屈折率実部がクラッドの屈折率実部より大きいものである。このときの全反射臨界角を界面からの角度として、θと表す。
(Relationship between core and clad)
The X-ray waveguide of the present invention guides the X-ray by confining the X-ray in the core by total reflection at the interface between the core and the clad. In order to realize this total reflection, in the X-ray waveguide of the present invention, the real part of the refractive index of the core at the interface between the core and the clad is larger than the real part of the refractive index of the clad. The critical angle for total reflection at this time is expressed as θ c as an angle from the interface.

(コア)
本発明のX線導波路は、コアに屈折率実部の異なる複数の物質からなる周期性構造体を用いることを特徴とする。コアが周期構造を有していることにより、導波路中に形成される導波モードが周期構造と共鳴したものとなる。このような異なる屈折率実部の周期構造は、周期数が無限の場合、伝搬定数とX線の角周波数との間でフォトニックバンドを形成し、コアの周期性と共鳴する特定のモードのX線しかこの構造中には存在できないことになる。前記屈折率実部が異なる複数の物質のうち少なくとも一つの物質が酸化物であることが好ましい。
(core)
The X-ray waveguide of the present invention is characterized by using a periodic structure made of a plurality of substances having different real parts of the refractive index for the core. Since the core has a periodic structure, the waveguide mode formed in the waveguide resonates with the periodic structure. Such a periodic structure of different real part of the refractive index, when the number of periods is infinite, forms a photonic band between the propagation constant and the angular frequency of the X-ray and has a specific mode that resonates with the periodicity of the core. Only X-rays can exist in this structure. It is preferable that at least one substance among the plurality of substances having different real parts of refractive index is an oxide.

前記周期性構造体は、基本構造が周期的に配列した構造体であり、層状構造を基本構造としてそれらが積層した1次元周期構造、シリンダー状構造を基本構造としてそれらが配列した2次元周期構造、ケージ構造を基本構造としてそれらが配列した3次元周期構造を例示することができる。本発明のX線導波路内に形成される導波モードは、前記周期性構造体の周期構造の各次元に対応した多重反射に起因するものとなる。またこのようなモードは周期性により形成されるもので、X線の電場分布や電場強度分布の腹と節の位置は、基本構造を構成しているそれぞれの物質領域内の位置に一致する。その際、前記周期性構造体の電子密度の小さい物質にX線の電場強度が集中する導波モードの伝搬損失が他の導波モードに比べて小さくなり、その導波モードを選択的に取り出すことが可能となる。   The periodic structure is a structure in which basic structures are periodically arranged, a one-dimensional periodic structure in which they are stacked with a layered structure as a basic structure, and a two-dimensional periodic structure in which they are arranged with a cylindrical structure as a basic structure A three-dimensional periodic structure in which the cage structure is arranged as a basic structure can be exemplified. The waveguide mode formed in the X-ray waveguide according to the present invention is caused by multiple reflection corresponding to each dimension of the periodic structure of the periodic structure. Such a mode is formed by periodicity, and the positions of the antinodes and nodes of the X-ray electric field distribution and electric field intensity distribution coincide with the positions in the respective substance regions constituting the basic structure. At that time, the propagation loss of the waveguide mode in which the electric field intensity of the X-ray is concentrated on the substance having a low electron density of the periodic structure is smaller than that of other waveguide modes, and the waveguide mode is selectively extracted. It becomes possible.

図2に、シリカ202中で一方向に伸びるシリンダー状の空気の孔201が、孔の長さ方向(図中z方向)に垂直な方向(x−y面内方向)で2次元三角格子構造を形成している周期性構造体中でのX線の電場強度分布の例を示す。図2では、破線により構造周期dを表し、シリンダー状の空気の孔201中の白黒の濃淡はX線の電場強度を表し、この材料中に形成される導波モードのうちの一つについての電場強度分布である。黒、白がそれぞれ電場強度の大、小に相当する。電場強度を、白黒の濃淡の変わりに多数の円の間隔により説明する。シリンダー状の空気の孔201中の多数の円の間隔の大小はX線の電場強度205を表し、この材料中に形成される導波モードのうちの一つについての電場強度分布である。多数の円の間隔の小が電場強度の大、間隔の大が電場強度の小に相当する。空気の孔201の中心部分は円の間隔が小で電場強度205が強く、中心部分から孔の周囲の方向に円の間隔が傾斜して大きくなるように変化し、孔の周辺部分は円の間隔が大で電場強度が弱く表れている。電場強度の極大、極小となる領域が、x方向及びy方向で周期的に繰り返されており、電場が周期性構造体の孔(周期性構造体の基本構造205)に集中する。空気の孔101は、周期性構造体の基本構造を表す。204は周期方向を表す。   In FIG. 2, a cylindrical air hole 201 extending in one direction in the silica 202 has a two-dimensional triangular lattice structure in a direction (xy in-plane direction) perpendicular to the hole length direction (z direction in the figure). The example of the electric field intensity distribution of the X-ray in the periodic structure which forms is shown. In FIG. 2, the broken line represents the structural period d, and the black and white shading in the cylindrical air hole 201 represents the electric field intensity of the X-ray, and for one of the guided modes formed in this material. Electric field intensity distribution. Black and white correspond to large and small electric field strengths, respectively. The electric field strength is explained by the intervals of a large number of circles instead of black and white. The size of the space between the multiple circles in the cylindrical air hole 201 represents the electric field strength 205 of the X-ray, which is the electric field strength distribution for one of the guided modes formed in this material. A small interval between many circles corresponds to a large electric field strength, and a large interval corresponds to a small electric field strength. The center portion of the air hole 201 has a small circle interval and a high electric field strength 205, and the circle interval changes from the center portion toward the periphery of the hole so that the circle interval increases. The interval is large and the electric field strength is weak. The regions where the electric field intensity is maximized and minimized are periodically repeated in the x direction and the y direction, and the electric field is concentrated in the holes of the periodic structure (the basic structure 205 of the periodic structure). The air hole 101 represents the basic structure of the periodic structure. 204 represents the periodic direction.

(閉じ込め関係)
このような周期構造と共鳴する電場強度分布を有するX線をクラッドによりコアに閉じ込めることにより、周期性と共鳴する導波モードを形成してX線を導波させることができる。この導波モードを、周期共鳴導波モードと称する。一方、本発明のX線導波路のコアは無限に続く周期構造ではなく、クラッドに挟まれた有限の厚さをもつ周期性構造体なので、周期共鳴導波モード以外にも、コア全体をある平均的な屈折率をもつ均一な媒質とした場合の導波モードが存在し、これを一様導波モードと称する。
(Containment relationship)
By confining the X-ray having the electric field intensity distribution resonating with such a periodic structure in the core by the clad, it is possible to guide the X-ray by forming a waveguide mode that resonates with the periodicity. This guided mode is referred to as a periodic resonant guided mode. On the other hand, the core of the X-ray waveguide according to the present invention is not an infinite periodic structure, but a periodic structure having a finite thickness sandwiched between clads. There is a waveguide mode in the case of a uniform medium having an average refractive index, and this is referred to as a uniform waveguide mode.

この一様導波モードに対し、本発明のX線導波路が発現する周期共鳴導波モードは、近接する一様導波モードに比べて損失が少なく、位相がそろったものとなる。クラッドとコアの界面における全反射により、一様導波モード以外に上記の周期共鳴導波モードを形成するために本発明のX線導波路は、以下の条件を満たすように設計されている(図1参照)。   In contrast to this uniform waveguide mode, the periodic resonant waveguide mode in which the X-ray waveguide of the present invention appears has less loss than the adjacent uniform waveguide mode, and has a uniform phase. The X-ray waveguide of the present invention is designed to satisfy the following conditions in order to form the above-described periodic resonant waveguide mode in addition to the uniform waveguide mode by total reflection at the interface between the cladding and the core ( (See FIG. 1).

図1において、クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をnclad、コア側の物質の屈折率実部をncoreとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θc−total(°)は、nclad<ncoreとして、式(2) In FIG. 1, when the real part of the refractive index of the clad material at the interface between the clad and the core is n clad and the real part of the refractive index of the material on the core side is n core , the total from the direction parallel to the film surface is shown. The reflection critical angle θ c-total (°) is expressed by the equation (2) where n clad <n core.

Figure 2013068505
Figure 2013068505

と表される。 It is expressed.

またコアをなす周期構造体の構造周期をd(図2の203)とした場合、コア中での多重回折の有無に関わらず次の式(3)ようにブラッグ角θ(°)を定義する。 Further, when the structural period of the periodic structure forming the core is d (203 in FIG. 2), the Bragg angle θ B (°) is defined as in the following equation (3) regardless of the presence or absence of multiple diffraction in the core. To do.

Figure 2013068505
Figure 2013068505

mは次数(自然数)、λはX線の波長である。本発明のX線導波路を構成している物質の物性パラメータ、導波路の構造パラメータ、およびX線の波長は、θ<θc−totalを満たす必要がある。 m is the order (natural number), and λ is the wavelength of the X-ray. The physical property parameter of the substance constituting the X-ray waveguide of the present invention, the structural parameter of the waveguide, and the wavelength of the X-ray must satisfy θ Bc-total .

本発明においては、もう一つの条件が満たされることが必要であり、以下に説明する。周期構造が、屈折率実部が異なる複数の成分から構成される場合、各成分間の界面におけるX線の反射を考慮する必要がある。本発明のX線導波路が機能するためには、周期構造に由来する多重反射が起こらなければならない。周期構造を構成する材料の界面で全反射が起こる場合には、例えば1次元周期構造体に関しては、X線は、積層構造を形成する材料のうちで最も屈折率の高い成分中に閉じ込められ、多重干渉が阻害される結果、本発明の目的を果たすことができなくなる。言い換えれば、周期構造を構成するユニットがマルチ全反射X線導波路として機能することになり、従来の平板型導波路と同じ構造になってしまう。従って、コアの周期構造を形成する屈折率実部が異なる成分間の界面における全反射臨界角が、前記ブラッグ角よりも小さいという条件が必要になる。このことは、数式を用いて下記のように表すことができる。   In the present invention, it is necessary to satisfy another condition, which will be described below. When the periodic structure is composed of a plurality of components having different real parts of the refractive index, it is necessary to consider X-ray reflection at the interface between the components. In order for the X-ray waveguide of the present invention to function, multiple reflections originating from the periodic structure must occur. When total reflection occurs at the interface of the material constituting the periodic structure, for example, for a one-dimensional periodic structure, X-rays are confined in the component having the highest refractive index among the materials forming the laminated structure, As a result of the multiple interference being inhibited, the object of the present invention cannot be achieved. In other words, the unit constituting the periodic structure functions as a multi-total reflection X-ray waveguide, resulting in the same structure as a conventional flat plate waveguide. Therefore, it is necessary that the total reflection critical angle at the interface between components having different real parts of the refractive index forming the periodic structure of the core is smaller than the Bragg angle. This can be expressed as follows using mathematical formulas.

コアの周期構造を構成する屈折率実部の異なる成分間での全反射臨界角をθc−multi(°)とする場合、θc−multi<θの式が満たされる。 When the total reflection critical angle between different components of the real part of the refractive index constituting the periodic structure of the core is θ c-multi (°), the equation θ c-multiB is satisfied.

以上述べたような条件が満たされる場合、クラッドとコアとの界面による全反射により閉じ込められる導波モードを、コア内に局在させることができる。膜に平行な方向から測った有効伝搬角度   When the conditions described above are satisfied, the waveguide mode confined by total reflection at the interface between the clad and the core can be localized in the core. Effective propagation angle measured from the direction parallel to the membrane

Figure 2013068505
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は、導波モードの伝搬方向の波数ベクトル(伝搬定数)k、真空中の波数ベクトルkを用いて次式で表される。 Is represented by the following equation using a wave number vector (propagation constant) k z in the propagation direction of the waveguide mode and a wave number vector k 0 in vacuum.

Figure 2013068505
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以上説明したような、本発明のX線導波路においては、多重干渉によって規則構造の周期に共鳴する導波モードのX線のみを、選択的に低損失で伝搬させることができる。このX線は、位相がコアの厚さ全体にわたって揃っている。つまり、空間的にコヒーレントなX線となり、導波路の端面から、X線の波長とコアの構造周期で決定される小さな発散角で出射される。   As described above, in the X-ray waveguide of the present invention, only the waveguide mode X-rays that resonate with the period of the regular structure due to multiple interference can be selectively propagated with low loss. The x-rays are in phase throughout the core thickness. That is, it becomes a spatially coherent X-ray, and is emitted from the end face of the waveguide with a small divergence angle determined by the wavelength of the X-ray and the structure period of the core.

周期共鳴導波モードは、近接する一様導波モードよりも損失が小さくなるので、モード選択されたX線の導波が可能となる。図3は、X線導波路のX線電場強度分布と伝搬損失の周期数依存性を示す図である。図3(a)は、シリカ302と界面活性剤303の層状構造を基本構造とする1次元周期性構造体をコアし、クラッドを金301としたX線導波路の概略図である。図3(b)は、シリカと界面活性剤の層状構造を基本構造とする1次元周期性構造体をコアし、クラッドを金とした導波路(図3(a)、構造周期d=10nm)の周期共鳴導波モードのコア内での電場強度分布の有限要素法によるシミュレーション実験の結果である(X線エネルギー:17.5keV)。この導波路では、17.5keVのX線において、θc−total=0.243°、θ=0.203°およびθc−multi=0.058°であり、θ<θc−total及びθc−multi<θの条件を満たしている。 Since the periodic resonant waveguide mode has a smaller loss than the adjacent uniform waveguide mode, the mode-selected X-ray can be guided. FIG. 3 is a diagram showing the period dependence of the X-ray electric field intensity distribution and propagation loss of the X-ray waveguide. FIG. 3A is a schematic diagram of an X-ray waveguide in which a one-dimensional periodic structure having a layered structure of silica 302 and a surfactant 303 as a basic structure is cored and a clad is gold 301. FIG. 3B shows a waveguide in which a one-dimensional periodic structure having a layered structure of silica and a surfactant as a basic structure is cored and the clad is gold (FIG. 3A, structure period d = 10 nm). 3 is a result of a simulation experiment by a finite element method of an electric field intensity distribution in the core of the periodic resonant waveguide mode of (X-ray energy: 17.5 keV). In this waveguide, in an X-ray of 17.5 keV, θ c-total = 0.243 °, θ B = 0.203 °, and θ c-multi = 0.058 °, and θ Bc-total And θ c-multiB.

この導波モードの伝搬角度は周期性構造体のブラッグ角よりわずかに小さいものとなり、電場がコア中心付近に集中し、クラッドへの染み出しが少なく、位相がそろった導波モードを実現される。図3(c)に示すとおり、これら周期共鳴導波モードの利点は、周期数が増えるほどその効果が顕著になって伝搬損失が低下するという点にある。本発明のX線導波路のコアである周期構造の周期数は、20周期以上であることが好ましい。   The propagation angle of this guided mode is slightly smaller than the Bragg angle of the periodic structure, and the electric field is concentrated near the center of the core. . As shown in FIG. 3C, the advantage of these periodic resonant waveguide modes is that the effect becomes more prominent and the propagation loss decreases as the number of periods increases. The number of periods of the periodic structure that is the core of the X-ray waveguide of the present invention is preferably 20 periods or more.

本発明のX線導波路のX線を閉じ込める次元は、膜状のコアをクラッドで挟み込んだ1次元のものであっても、導波方向に垂直な断面が円や方形等の形状のコアをクラッドで取り囲んだ2次元であっても構わない。2次元閉じ込め型導波路では、X線が2次元的に導波路内に閉じ込められることから、1次元閉じ込め型より発散性が抑制され、かつ小さなビームサイズのX線ビームを取り出すことができる。また、周期性構造体が前述の2次元構造(基本構造:シリンダー状構造)や3次元構造(基本構造:ケージ構造)である場合には、複数存在する周期方向の周期構造と共鳴する電場強度分布を、コア内により効率的に形成させることができる。   Even if the dimension of the X-ray waveguide of the present invention for confining X-rays is a one-dimensional structure in which a film-like core is sandwiched between clads, a core whose cross section perpendicular to the waveguide direction is a circle or a rectangle is used. It may be two-dimensionally surrounded by a clad. In the two-dimensional confinement type waveguide, X-rays are confined two-dimensionally in the waveguide, so that the divergence is suppressed compared to the one-dimensional confinement type, and an X-ray beam having a small beam size can be extracted. When the periodic structure is the above-described two-dimensional structure (basic structure: cylindrical structure) or three-dimensional structure (basic structure: cage structure), the electric field intensity that resonates with a plurality of periodic structures in the periodic direction. A distribution can be formed more efficiently in the core.

(クラッド材料)
クラッドとコアの界面におけるクラッド側の物質の屈折率実部をnclad、コア側の屈折率実部をncoreとした場合の、膜の面に平行な方向からの全反射臨界角θc−total(°)は、nclad<ncoreとして、式(2)で表される。本発明のX線導波路のクラッド材料は、導波路のその他の構造パラメータ、物性パラメータが、式(2)を満たすもので構成することができる。例えば、コアとして、構造周期10nmで三角格子状に空孔が配列した二次元周期構造を有するメソポーラスシリカを用いた場合、Au、W、Taなどでクラッドを構成することができる。
(Clad material)
The total reflection critical angle θ c− from the direction parallel to the film surface when the real part of the refractive index of the clad side material at the interface between the clad and the core is n clad and the real part of the refractive index on the core side is n core. The total (°) is expressed by Expression (2) as n clad <n core . The clad material of the X-ray waveguide of the present invention can be configured by other structural parameters and physical property parameters of the waveguide satisfying the formula (2). For example, when a mesoporous silica having a two-dimensional periodic structure in which holes are arranged in a triangular lattice shape with a structure period of 10 nm is used as the core, the cladding can be made of Au, W, Ta, or the like.

このような構成とすることにより、本発明のX線導波路は周期性と共鳴し、位相制御され、損失が少ない周期共鳴導波モードを形成して、X線を導波させることができる。   By adopting such a configuration, the X-ray waveguide of the present invention can resonate with periodicity, phase-control, form a periodic resonant waveguide mode with little loss, and guide X-rays.

(ギャップ、周期性構造体との関係、厚さ)
本発明のX線導波路は、コアである周期性構造体とクラッドの間にギャップを配していることを特徴としている。前記ギャップには流体が充填されているか又は真空であることを特徴とする。このギャップは、その間隔を変化できるように流体、つまり気体または液体から構成されている。例えば、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン等の気体や、水、アルコール等の液体を挙げることができる。本発明では、ギャップの流体の物質によるX線の吸収や散乱が比較的抑制できるように、電子密度の低い流体である気体を用いることが好ましく、空気、窒素、及びヘリウム等の気体や真空を用いることがさらに好ましい。
(Gap, relationship with periodic structure, thickness)
The X-ray waveguide according to the present invention is characterized in that a gap is disposed between a periodic structure as a core and a clad. The gap is filled with fluid or is vacuum. The gap is composed of a fluid, that is, a gas or a liquid so that the distance can be changed. For example, a gas such as air, nitrogen, helium, or argon, or a liquid such as water or alcohol can be used. In the present invention, it is preferable to use a gas that is a fluid with a low electron density so that absorption and scattering of X-rays by the substance of the fluid in the gap can be relatively suppressed, and a gas such as air, nitrogen, and helium, or a vacuum is used. More preferably, it is used.

前述のとおり、図3に示す様に、ギャップがない場合には、X線の電場強度分布がコアの中心に集中し、クラッド部への電場の染み出しによる損失の少ない、すなわち近接するモードに比べて伝搬損失の小さい導波モードが形成される。   As described above, as shown in FIG. 3, when there is no gap, the electric field intensity distribution of the X-ray is concentrated at the center of the core, and the loss due to the leakage of the electric field to the cladding part is small, that is, the mode is close. In comparison, a waveguide mode with a smaller propagation loss is formed.

図4は、本発明のX線導波路の電場強度分布のギャップの間隔依存性を示す図である。図4(a)は、シリカ403と界面活性剤404の多層の周期性構造体(構造周期10nm)を用いたX線導波路のコアと、タングステン401のクラッドの間に空気からなるギャップ402を配した構成のX線導波路の概略図である。図4(a)のX線導波路の、有限要素法によるシミュレーション実験(X線エネルギー:8.04keV)の結果を、図4(b):ギャップ0nm、図4(c):ギャップ4nm、および図4(d):ギャップ8nmに示す。この導波路では、8.04keVのX線において、θc−total=0.515°、θ=0.442°およびθc−multi=0.128°であり、θ<θc−total及びθc−multi<θの条件を満たしている。 FIG. 4 is a diagram showing the gap dependence of the electric field intensity distribution of the X-ray waveguide of the present invention. FIG. 4A shows a gap 402 made of air between the core of an X-ray waveguide using a multilayered periodic structure (structure period: 10 nm) of silica 403 and surfactant 404 and the cladding of tungsten 401. It is the schematic of the X-ray waveguide of the structure which arranged. The results of a simulation experiment (X-ray energy: 8.04 keV) of the X-ray waveguide of FIG. 4A by the finite element method are shown in FIG. 4B: gap 0 nm, FIG. 4C: gap 4 nm, and FIG. 4 (d): shows a gap of 8 nm. In this waveguide, in an X-ray of 8.04 keV, θ c-total = 0.515 °, θ B = 0.442 ° and θ c-multi = 0.128 °, and θ Bc-total And θ c-multiB.

この図4では、ギャップの上端がy=−200nmの座標にある。ギャップ4nmの図4(c)に示すように、ギャップがない場合(図4(b))と比べて、周期共鳴導波モードのX線電場強度分布が変化することがわかる。ギャップの間隔が4nmである場合には、コアの中心に集中していた電場強度分布がギャップに集中してクラッドへのX線の染み出しが大きくなり、伝搬損失が他の近接するモードに比べて増大する。すなわち、周期共鳴導波モードが選択的に透過してこないことを意味する。   In FIG. 4, the upper end of the gap is at the coordinate y = −200 nm. As shown in FIG. 4C with a gap of 4 nm, it can be seen that the X-ray electric field intensity distribution in the periodic resonance waveguide mode changes compared to the case without the gap (FIG. 4B). When the gap interval is 4 nm, the electric field intensity distribution concentrated at the center of the core is concentrated at the gap, and the X-ray oozes out to the clad and propagation loss is larger than that of other adjacent modes. Increase. That is, it means that the periodic resonant waveguide mode is not selectively transmitted.

一方で、図4(d)のギャップの間隔を8nmに変化させた場合には、ギャップがない場合と同様にコア中心部に電場強度が集中し、周期性特有の導波モードの伝搬損失が近接する他の導波モードに比べて小さくなる。シミュレーション実験の結果、ギャップの間隔に対して周期的に周期共鳴導波モードの伝搬損失が変化することが分かる。   On the other hand, when the gap interval in FIG. 4D is changed to 8 nm, the electric field strength is concentrated at the core center as in the case where there is no gap, and the propagation loss of the waveguide mode peculiar to periodicity is reduced. Smaller than other adjacent guided modes. As a result of the simulation experiment, it can be seen that the propagation loss of the periodic resonant waveguide mode changes periodically with respect to the gap interval.

ギャップの間隔が大きくなりすぎると、周期共鳴導波モードの導波特性が顕著に見られなくなり、また、導波X線の損失が大きくなるため、ギャップの間隔は100nm以下、好ましくは50nm以下が望ましい。   If the gap interval becomes too large, the waveguide characteristics of the periodic resonance waveguide mode will not be noticeable, and the loss of the guided X-ray will increase. Therefore, the gap interval is 100 nm or less, preferably 50 nm or less. Is desirable.

図5は、コアとクラッド間のギャップの間隔を変化させる駆動手段を示す概略図である。図5のX線導波路は、図1(a)をより詳細に描画した図である。駆動されるクラッド502と、固定されたコア501及びクラッド503と、コア501とクラッド502の間に形成されたギャップ504を有するX線導波路である。図5のように本発明のギャップの間隔を変化させる駆動手段は、特に単一の駆動方向のみである必要はなく、複数の方向に駆動できる駆動手段505を用いることができる。駆動手段505は、一般に駆動対象であるクラッド502と密着した駆動ステージ部506とその制御部507から構成される。また、周期共鳴導波モードの変調に寄与する限り、その駆動方向を任意に選択することができる。図5において、ギャップの間隔を変化させるためには、主にz軸を変化させることになるが、X線導波方向(y軸)に対する角度調整が必要であれば、ω軸で補正することができる。一方で、ω軸の走査によるX線導波方向に対するクラッド501の角度変化によっても、本発明のX線導波路は、周期共鳴導波モードのX線電波強度分布等の特性がX線伝搬方向に進むにつれて、徐々に変化するため、導波モードの特性の変調を実行できる。   FIG. 5 is a schematic diagram showing driving means for changing the gap distance between the core and the clad. The X-ray waveguide of FIG. 5 is a diagram depicting FIG. 1A in more detail. An X-ray waveguide having a clad 502 to be driven, a fixed core 501 and a clad 503, and a gap 504 formed between the core 501 and the clad 502. As shown in FIG. 5, the driving means for changing the gap interval according to the present invention does not have to be a single driving direction, and driving means 505 capable of driving in a plurality of directions can be used. The driving means 505 generally includes a driving stage unit 506 that is in close contact with a clad 502 that is a driving target, and a control unit 507 thereof. Moreover, as long as it contributes to the modulation of the periodic resonant waveguide mode, the driving direction can be arbitrarily selected. In FIG. 5, in order to change the gap interval, the z-axis is mainly changed. However, if angle adjustment with respect to the X-ray waveguide direction (y-axis) is necessary, correction is made with the ω-axis. Can do. On the other hand, the characteristics of the X-ray waveguide of the present invention, such as the X-ray radio wave intensity distribution, in the X-ray propagation direction are also affected by the change in the angle of the clad 501 with respect to the X-ray waveguide direction by scanning the ω axis. Since it gradually changes as it goes to, modulation of the waveguide mode characteristics can be performed.

図5はクラッド502のみを駆動させる場合の例であるが、本発明では、クラッドの一部が駆動してギャップの間隔を変化させることができればよく、図1(b)のようにクラッドの一部とコアが結合した状態で両者が一体となって駆動する場合も含まれる。   FIG. 5 shows an example in which only the clad 502 is driven. However, in the present invention, it is only necessary to drive a part of the clad to change the gap interval. As shown in FIG. The case where both are integrally driven while the part and the core are coupled is also included.

本発明において、コアとクラッドの間に配されるギャップの間隔を変化させる駆動手段としては、高い分解能での位置制御と精度が必要となるため、ピエゾアクチュエータが好ましく用いられる。   In the present invention, a piezo actuator is preferably used as the driving means for changing the gap between the core and the clad because position control and accuracy with high resolution are required.

(周期性構造体の材料)
本発明のX線導波路のコアに用いられる周期性構造体は、前述の本発明の導波路の構成を満たす限り、特に限定はされない。スパッタや蒸着法によって作製される多層膜や、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィー、エッチングプロセス、積層や貼り合わせ、などといった従来の半導体プロセスによって作製される周期性構造体等を用いることができる。また、周期性構造体を構成する物質に酸化物を用いることによって、酸化劣化を防ぐことができる。
(Material for periodic structures)
The periodic structure used for the core of the X-ray waveguide of the present invention is not particularly limited as long as it satisfies the above-described configuration of the waveguide of the present invention. A multilayer film produced by sputtering or vapor deposition, a periodic structure produced by a conventional semiconductor process such as photolithography, electron beam lithography, etching process, lamination, bonding, or the like can be used. In addition, oxidation degradation can be prevented by using an oxide as a material constituting the periodic structure.

コアの材料の屈折率の違いが、導波モードの変調のギャップの間隔依存性に寄与するため、必要とする導波路特性に応じて、適宜、コアの材料の屈折率を選定することができる。   Since the difference in the refractive index of the core material contributes to the gap dependence of the modulation of the waveguide mode, the refractive index of the core material can be appropriately selected according to the required waveguide characteristics. .

本発明のX線導波路のコアとしては、特に、その製造工程の簡便性や規則性の高い周期構造の観点から、有機無機多層膜やメソポーラス材料膜を好ましく用いることができる。多孔質材料は、IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)によって、その孔径により分類されており、孔径が2から50nmの多孔質材料は、メソポーラス材料膜に分類される。これらの材料は、主に酸化物の前駆体である反応液を基板上に塗布等のプロセスによって付与することによって、自己集合的に周期構造が形成されることを特徴としている。そのため、従来の半導体プロセスの多数のプロセスを要せず、極めて簡便かつ高いスループットで作製することが可能である。数十nmの周期性構造体を形成することは、従来の半導体プロセスでは極めて困難であり、特に2次元以上の周期性構造体を作製することはほぼ不可能であると言ってよい。   As the core of the X-ray waveguide of the present invention, an organic-inorganic multilayer film or a mesoporous material film can be preferably used particularly from the viewpoint of the simplicity of the manufacturing process and the periodic structure with high regularity. The porous material is classified according to its pore diameter by IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), and the porous material having a pore diameter of 2 to 50 nm is classified as a mesoporous material film. These materials are characterized in that a periodic structure is formed in a self-assembled manner by applying a reaction liquid, which is mainly a precursor of an oxide, to the substrate by a process such as coating. Therefore, many processes of the conventional semiconductor process are not required, and it is possible to fabricate with extremely simple and high throughput. It is extremely difficult to form a periodic structure of several tens of nanometers by a conventional semiconductor process, and it can be said that it is almost impossible to manufacture a periodic structure of two or more dimensions.

本発明で用いられる周期性構造体は、有機無機多層膜やメソポーラス材料膜の無機成分と有機成分(あるいは空孔)によって周期構造を形成している。無機物には、無機酸化物が用いられることが好ましく、シリカ、酸化チタン、酸化ジルコニウム等を例示することができる。有機物には、例えば界面活性剤に代表される両親媒性分子、シロキサンオリゴマーのアルキル鎖部分、あるいはシランカップリング剤のアルキル鎖部分等を挙げることができる。界面活性剤としては、C1225(OCHCHOH、C1635(OCHCH10OH、C1837(OCHCH10OH、Tween 60(東京化成工業)、Pluronic L121(BASF社)、Pluronic P123(BASF社)、Pluronic P65(BASF社)、Pluronic P85(BASF社)等を例示することができ、それらを適切に選択することにより周期性構造体の周期構造の次元や構造周期(ブラッグ回折から得られる面間隔)を調整することができる。用いる有機物に対する周期性構造体の構造を表1に例示する。 The periodic structure used in the present invention forms a periodic structure by an inorganic component and an organic component (or pores) of an organic-inorganic multilayer film or a mesoporous material film. An inorganic oxide is preferably used as the inorganic substance, and examples thereof include silica, titanium oxide, and zirconium oxide. Examples of the organic substance include an amphiphilic molecule represented by a surfactant, an alkyl chain portion of a siloxane oligomer, or an alkyl chain portion of a silane coupling agent. As the surfactant, C 12 H 25 (OCH 2 CH 2 ) 4 OH, C 16 H 35 (OCH 2 CH 2 ) 10 OH, C 18 H 37 (OCH 2 CH 2 ) 10 OH, Tween 60 (Tokyo Kasei) Industrial), Pluronic L121 (BASF), Pluronic P123 (BASF), Pluronic P65 (BASF), Pluronic P85 (BASF), etc., and a periodic structure by appropriately selecting them It is possible to adjust the dimension of the periodic structure and the structure period (surface spacing obtained from Bragg diffraction). Table 1 shows the structure of the periodic structure for the organic matter used.

Figure 2013068505
Figure 2013068505

メソポーラス材料膜の場合、前駆体反応液の付与によって自己集合によって形成された際には、その細孔内部に有機物を含有したままとなっている。これらの有機成分は、焼成、有機溶媒による抽出、オゾン酸化処理等の従来公知の方法によって除去することができる。本発明においては、必要とする性能を有する限りにおいて、メソポーラス材料膜の細孔内に有機成分が残存していいても構わないが、有機成分を除去することにより、X線の吸収成分が少なくなるため、より伝搬損失の小さいX線導波路を提供することができる。ただし、有機成分が残存率が高い方がメソポーラス材料膜の構造周期性がより良好である場合が多く、周期共鳴導波モードの特性が比較的明瞭に得ることができる。そのため、適宜、目的とする導波路特性に応じて有機成分の残存率(除去率)を決めることができる。   In the case of a mesoporous material film, when it is formed by self-assembly by application of a precursor reaction solution, organic substances remain contained in the pores. These organic components can be removed by a conventionally known method such as baking, extraction with an organic solvent, or ozone oxidation treatment. In the present invention, the organic component may remain in the pores of the mesoporous material film as long as it has the required performance. However, by removing the organic component, the X-ray absorption component is reduced. Therefore, an X-ray waveguide with smaller propagation loss can be provided. However, the higher the organic component remaining rate, the better the structural periodicity of the mesoporous material film is often, and the characteristics of the periodic resonant waveguide mode can be obtained relatively clearly. Therefore, the residual rate (removal rate) of the organic component can be appropriately determined according to the target waveguide characteristics.

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(実施例1)
本実施例は、クラッドにタングステン、コアにBCとAlからなる多層膜、及びギャップに真空を用いたX線導波路の例である。
Example 1
This example is an example of an X-ray waveguide using tungsten as a clad, a multilayer film composed of B 4 C and Al 2 O 3 as a core, and a vacuum as a gap.

本実施例のX線導波路の作製方法は、スパッタ法による以下のような工程が挙げられる。図5に示すX線導波路の例を示す。   The manufacturing method of the X-ray waveguide of the present embodiment includes the following steps by sputtering. The example of the X-ray waveguide shown in FIG. 5 is shown.

(a)クラッド層の形成
Si基板(図5のC)上にマグネトロンスパッタリングによってタングステン503を30nmの厚さで形成する。
(A) Formation of Cladding Layer Tungsten 503 is formed with a thickness of 30 nm on a Si substrate (C in FIG. 5) by magnetron sputtering.

(b)多層膜の形成(図5の501)
マグネトロンスパッタリングによってAl(図5のA)、BC(図5のB)の順に交互に成膜して多層膜を作製する。AlとBCの厚さは、それぞれ2.0nmと13.0nmとし、多層膜の最下部、及び最上部の層はAlとする。AlとBCは、それぞれ101層と100層形成する。
(B) Formation of multilayer film (501 in FIG. 5)
A multilayer film is formed by alternately forming films of Al 2 O 3 (A in FIG. 5) and B 4 C (B in FIG. 5) by magnetron sputtering. The thicknesses of Al 2 O 3 and B 4 C are 2.0 nm and 13.0 nm, respectively, and the lowermost and uppermost layers of the multilayer film are Al 2 O 3 . Al 2 O 3 and B 4 C are formed as 101 layers and 100 layers, respectively.

(c)導波路長の決定
導波路長が1mmになるように、ダイシング装置を用いて上記のSi基板上に形成された多層膜をSi基板と共に切断する。
(C) Determination of waveguide length The multilayer film formed on the Si substrate is cut together with the Si substrate by using a dicing apparatus so that the waveguide length becomes 1 mm.

(d)駆動手段を有するクラッドの配置
1mmの長さに切断したガラス基板506にマグネトロンスパッタリングで形成した30nmのタングステン膜(クラッド502)を、上記多層膜の表面に対向させて配置する。前記タングステン膜基板は、図5に示す駆動軸を有するピエゾアクチュエータ505によってその位置を制御することができる。
(D) Arrangement of clad having driving means A 30 nm tungsten film (clad 502) formed by magnetron sputtering is arranged on a glass substrate 506 cut to a length of 1 mm so as to face the surface of the multilayer film. The position of the tungsten film substrate can be controlled by a piezo actuator 505 having a drive shaft shown in FIG.

得られるX線導波路は、コアがクラッドにより挟まれた形となっており、コアとクラッドの界面での全反射によりX線をコアに閉じ込めるものである。この構成によれば、コアである多層膜の周期と、それをなす物質の屈折率実部の関係が、θ<θc−total及びθc−multi<θを満たしている。例えば、8.04keVのX線に対して、θc−total=0.472°(Alとタングステンの界面の全反射臨界角)、θ=0.295°およびθc−multi=0.182°(AlとBCの界面の全反射臨界角)であり、X線はクラッドおよびとコアとの界面における全反射によりコア中に閉じ込められ、周期共鳴導波モードを形成することができる。 The obtained X-ray waveguide has a shape in which the core is sandwiched between clads, and the X-rays are confined in the core by total reflection at the interface between the core and the clad. According to this configuration, the relationship between the period of the multilayer film as the core and the real part of the refractive index of the material forming the core satisfies θ Bc-total and θ c-multiB. For example, for an X-ray of 8.04 keV, θ c-total = 0.472 ° (total reflection critical angle at the interface between Al 2 O 3 and tungsten), θ B = 0.295 °, and θ c-multi = 0.182 ° (total reflection critical angle at the interface between Al 2 O 3 and B 4 C), and X-rays are confined in the core by total reflection at the interface between the cladding and the core, and the periodic resonant waveguide mode is Can be formed.

X線(エネルギー:8.04keV)を前記X線導波路の端部から入射し、導波路終端部から出射される出射X線が導波路の後方(カメラ長:1500mm)で形成する干渉パターンをX線2次元検出器で測定する。測定システム内は、減圧し真空状態とする。   An X-ray (energy: 8.04 keV) is incident from the end of the X-ray waveguide, and an output X-ray emitted from the end of the waveguide forms an interference pattern behind the waveguide (camera length: 1500 mm). Measure with an X-ray two-dimensional detector. The measurement system is evacuated to a vacuum state.

図6(a)はギャップ504の間隔を変化させた場合の、本実施例のX線導波路の透過率の変化である。ギャップの間隔が大きくなるにつれて、周期的に透過率が増減し、ギャップの間隔によってX線導波特性を変調できることが確認される。±0.0002°の範囲で図5のω軸を駆動させても、同様なX線導波強度の変化を観測することができる。   FIG. 6A shows a change in the transmittance of the X-ray waveguide of this embodiment when the gap 504 is changed. As the gap interval increases, the transmittance periodically increases and decreases, confirming that the X-ray waveguide characteristics can be modulated by the gap interval. Even if the ω-axis in FIG. 5 is driven in a range of ± 0.0002 °, the same change in the X-ray waveguide intensity can be observed.

クラッド502を固定し、ピエゾアクチュエータでクラッド503、Si基板(図5のC)、及び多層膜からなるコア501を一体に駆動させても、ギャップ504の間隔を変化させることで図6(a)と同様な導波特性を観測することができる。   Even if the clad 502 is fixed and the clad 503, the Si substrate (C in FIG. 5), and the core 501 formed of a multilayer film are integrally driven by a piezoelectric actuator, the gap 504 is changed to change the gap 504 in FIG. The same waveguide characteristics can be observed.

(実施例2)
本実施例は、クラッドにタングステン、コアにメソポーラスシリカ、及びギャップに空気が充填されているX線導波路の例である。
(Example 2)
This embodiment is an example of an X-ray waveguide in which the cladding is filled with tungsten, the core is filled with mesoporous silica, and the gap is filled with air.

このメソポーラス材料膜は、X線の導波方向に垂直な方向(xy面内方向)で空孔が2次元周期構造を形成している。孔以外の部分の材料はシリカである、メソポーラスシリカである。このメソポーラスシリカを含む本実施例のX線導波路の作製方法を、以下に示す。   In this mesoporous material film, vacancies form a two-dimensional periodic structure in a direction (xy in-plane direction) perpendicular to the X-ray waveguide direction. The material other than the pores is mesoporous silica which is silica. A method for producing the X-ray waveguide of this example containing this mesoporous silica will be described below.

(a)クラッド層の形成
Si基板(図5のC)上にマグネトロンスパッタリングによってタングステン503を20nmの厚さで形成する。
(A) Formation of Cladding Layer Tungsten 503 is formed with a thickness of 20 nm on a Si substrate (C in FIG. 5) by magnetron sputtering.

(b)メソ構造体膜の前駆体溶液調製
メソポーラスシリカ膜は、ディップコート法で調製される。メソ構造体の前駆体溶液は、テトラエトキシシラン54.7mL、エタノール74.4mL、0.01Mの塩酸26.4mLの順に三角フラスコに加えて撹拌し、15分後に界面活性剤であるP123(BASF社)をエタノール49.6mLで十分に溶解させた溶液を加える。そののち、3時間攪拌したのち、純水を12.0mL加える。
(B) Preparation of precursor solution of mesostructured film A mesoporous silica film is prepared by a dip coating method. The precursor solution of the mesostructure was added to an Erlenmeyer flask in the order of 54.7 mL of tetraethoxysilane, 74.4 mL of ethanol, and 26.4 mL of 0.01 M hydrochloric acid, and after 15 minutes, P123 (BASF), which is a surfactant, was added. Solution) is sufficiently dissolved in 49.6 mL of ethanol. Then, after stirring for 3 hours, 12.0 mL of pure water is added.

(c)メソ構造体膜の成膜(図5の501)
タングステンをスパッタした基板に、ディップコート装置を用いて(b)のメソ構造体膜の前駆体溶液をディップコートする(引き上げ速度:毎秒0.5mm)。このときの温度は25℃、相対湿度は5%以下である。成膜後、膜は25℃、相対湿度40%の恒温恒湿槽で18時間以上保持される。その後、エタノールを用いた溶媒抽出によって、P123(BASF社)を除去する。図5は平面図として簡略化したものであるが、図5において、Aがシリカ、Bが細孔である。
(C) Formation of mesostructured film (501 in FIG. 5)
The precursor solution of the mesostructured film (b) is dip-coated on the substrate sputtered with tungsten using a dip coater (pickup speed: 0.5 mm per second). The temperature at this time is 25 ° C., and the relative humidity is 5% or less. After film formation, the film is held in a constant temperature and humidity chamber at 25 ° C. and a relative humidity of 40% for 18 hours or more. Thereafter, P123 (BASF) is removed by solvent extraction using ethanol. FIG. 5 is a simplified plan view, but in FIG. 5, A is silica and B is pores.

(d)メソポーラスシリカ膜の評価
調製されたメソ構造体膜をBragg−Brentano配置のθ−2θスキャニングX線回折を行う。その結果、このメソ構造体膜は,基板面の法線方向に秩序性をもち、その面間隔つまり閉じ込め方向における構造周期が、10.2nmであることが確認される。その膜厚はおよそ480nmである。
(D) Evaluation of mesoporous silica film The prepared mesostructured film is subjected to θ-2θ scanning X-ray diffraction in a Bragg-Brentano configuration. As a result, it is confirmed that this mesostructured film is ordered in the normal direction of the substrate surface, and the structural interval in the plane spacing, that is, the confinement direction, is 10.2 nm. Its film thickness is approximately 480 nm.

(f)導波路長の決定
導波路長が1mmになるように、ダイシング装置を用いてX線導波路を切断する。
(F) Determination of waveguide length The X-ray waveguide is cut using a dicing apparatus so that the waveguide length becomes 1 mm.

(f)駆動手段を有するクラッドの配置
1mmの長さに切断したガラス基板にマグネトロンスパッタリングで形成した30nmのタングステン膜502を、上記メソポーラスシリカ膜の表面に対向させて配置する。前記タングステン基板は、図5に示す駆動軸を有するピエゾアクチュエータ505によってその位置を制御することができる。
(F) Arrangement of clad having driving means A 30 nm tungsten film 502 formed by magnetron sputtering is arranged on a glass substrate cut to a length of 1 mm so as to face the surface of the mesoporous silica film. The position of the tungsten substrate can be controlled by a piezoelectric actuator 505 having a drive shaft shown in FIG.

得られたX線導波路のコアであるメソポーラスシリカ膜は、周期は10.2nmであるために、θ<θc−total及びθc−multi<θを満たしている。例えば、8.04keVのX線に対して、θc−total=0.515°(シリカとタングステンの界面の全反射臨界角)、θ=0.433°およびθc−multi=0.201°(シリカと空気の界面の全反射臨界角)であり、X線はクラッドおよびとコアとの界面における全反射によりコア中に閉じ込められ、周期共鳴導波モードを形成することができる。 The mesoporous silica film that is the core of the obtained X-ray waveguide has a period of 10.2 nm, and therefore satisfies θ Bc-total and θ c-multiB. For example, for 8.04 keV X-rays, θ c-total = 0.515 ° (total reflection critical angle at the interface between silica and tungsten), θ B = 0.433 °, and θ c-multi = 0.201. ° (total reflection critical angle at the interface between silica and air), and X-rays are confined in the core by total reflection at the interface between the cladding and the core, and can form a periodic resonant waveguide mode.

X線(エネルギー:8keV)を前記X線導波路の端部から入射し、導波路終端部から出射される出射X線が導波路の後方(カメラ長:1500mm)で形成する干渉パターンをX線2次元検出器で測定する。測定システム内は、常圧の空気とする。   An X-ray is an interference pattern formed by X-rays (energy: 8 keV) incident from the end of the X-ray waveguide and formed by the emitted X-rays emitted from the end of the waveguide behind the waveguide (camera length: 1500 mm). Measure with a two-dimensional detector. The measurement system is at atmospheric pressure.

図6(b)、ギャップ504の間隔を変化させた場合の、本実施例のX線導波路の透過率の変化である。ギャップの間隔が大きくなるにつれて、周期的に透過率が増減し、ギャップの間隔によってX線導波特性を変調できることが確認される。図5のω軸を±0.0002°駆動させても、同様なX線導波強度の変化を観測することができる。   FIG. 6B shows a change in the transmittance of the X-ray waveguide of this example when the gap 504 is changed. As the gap interval increases, the transmittance periodically increases and decreases, confirming that the X-ray waveguide characteristics can be modulated by the gap interval. Even when the ω-axis of FIG. 5 is driven ± 0.0002 °, the same change in the X-ray waveguide intensity can be observed.

クラッド502を固定し、ピエゾアクチュエータでクラッド503、Si基板(図5のC)、及びメソポーラスシリカ膜からなるコア501を一体に駆動させても、ギャップ504の間隔を変化させることで図6(b)と同様な導波特性を観測することができる。   Even when the clad 502 is fixed and the clad 503, the Si substrate (C in FIG. 5), and the core 501 made of a mesoporous silica film are driven integrally by a piezoelectric actuator, the gap 504 is changed to change the gap 504 in FIG. ) Can be observed.

本実施例において、メソポーラスシリカ膜作製時のP123(BASF社)の抽出率を低くした場合、導波したX線の強度が小さくなるが、周期共鳴導波モードの特性、及びその変調された特性をより明確に観測することができる。   In this example, when the extraction rate of P123 (BASF) at the time of producing the mesoporous silica film is lowered, the intensity of the guided X-ray is reduced, but the characteristics of the periodic resonance waveguide mode and the modulated characteristics thereof. Can be observed more clearly.

本発明にかかるX線導波路は、位相の揃ったX線ビームを提供することが可能となり、さらにその透過率などの導波特性を調整することができ、X線を用いた分析技術やイメージング手法等で有用である。   The X-ray waveguide according to the present invention can provide an X-ray beam having a uniform phase, and can further adjust waveguide characteristics such as transmittance, Useful in imaging techniques.

101 コア(周期性構造体)
102 クラッド
103 クラッド
104 ギャップ
105 ギャップの間隔を変化させる駆動手段
106 駆動手段の駆動ステージ部
107 駆動手段の制御部
101 core (periodic structure)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 102 Cladding 103 Cladding 104 Gap 105 Driving means for changing gap distance 106 Driving stage section of driving means 107 Control section of driving means

Claims (7)

複数の屈折率実部の異なる物質からなる基本構造が周期的に配された周期性構造体から構成されるコアと、前記コアの外側に形成された、X線を全反射によってコア内に閉じ込めるクラッドと、前記クラッドの少なくとも一部と前記コアとの間に設けられたギャップと、前記クラッドの少なくとも一部あるいは前記コアを駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させる駆動手段とを有し、前記クラッドと前記ギャップとの界面におけるX線の全反射臨界角が、前記コアの構造周期に対応するブラッグ角よりも大きく、且つ前記コアの周期構造体を形成する屈折率実部の異なる複数の成分の界面における全反射臨界角が前記ブラッグ角よりも小さいことを特徴とするX線導波路。   A core composed of a periodic structure in which a plurality of basic structures made of materials having different real refractive indexes are periodically arranged, and X-rays formed outside the core are confined in the core by total reflection. A clad, a gap provided between at least part of the clad and the core, and driving means for changing the gap interval by driving at least part of the clad or the core. A plurality of X-ray total reflection critical angles at the interface between the cladding and the gap are larger than a Bragg angle corresponding to the core structure period, and the refractive index real parts forming the core periodic structure are different. An X-ray waveguide characterized in that the critical angle for total reflection at the interface of the component is smaller than the Bragg angle. 前記ギャップには流体が充填されているか又は真空であることを特徴とする請求項1に記載のX線導波路。   The X-ray waveguide according to claim 1, wherein the gap is filled with a fluid or is a vacuum. 前記駆動手段は、前記クラッドの少なくとも一部を駆動させるか、あるいは前記クラッドの少なくとも一部以外の部分と前記コアとを一体で駆動させることにより、前記ギャップの間隔を変化させることを特徴とする請求項1または2に記載のX線導波路。   The driving means is configured to change the gap interval by driving at least a part of the clad or by driving a part other than at least a part of the clad and the core integrally. The X-ray waveguide according to claim 1 or 2. 前記駆動手段がピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかの項に記載のX線導波路。   The X-ray waveguide according to any one of claims 1 to 3, wherein the driving means is a piezo actuator. 前記コアの周期構造の周期数が20以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかの項に記載のX線導波路。   The X-ray waveguide according to claim 1, wherein the number of periods of the periodic structure of the core is 20 or more. 前記コアが無機多層膜またはメソポーラス材料膜であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの項に記載のX線導波路。   6. The X-ray waveguide according to claim 1, wherein the core is an inorganic multilayer film or a mesoporous material film. 前記屈折率実部が異なる複数の物質のうち少なくとも一つの物質が酸化物であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかの項に記載のX線導波路。   7. The X-ray waveguide according to claim 1, wherein at least one of the plurality of substances having different real parts of refractive index is an oxide.
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