■ICFOにおけるアト秒と超高速光学

ICFOは、アト秒軟X線分光分析用の高分解能かつ高スループットの分光器を開発しました。コンパクトさと精密なアライメントの鍵となるのは、3つの異なる格子を備えた新しい X線ゾーンプレートを配置するSmarAct GmbHのSmarPodです。この設定では、最大分解能1/4000と最大25%の効率が得られます。

図1: 軟X線分光器。
ここに示されているのは、SmarAct GmbH SmarPod、ビームパイプ、極低温冷却 CCDカメラを備えた分光器チャンバーを構成した真空セットアップです。分光器全体を走査モノクロメータとして使用したり、迅速なスペクトル測量に使用したりすることもできます。

図2: 軟X線分光器チャンバー。分光器チャンバー内の様子。
X線ゾーンプレートは、SmarAct GmbHのSmarPodを使用して精密に位置合わせまたはスキャンされます。ゾーンプレートには3つの格子があり、そのうちの1つがアライメントレーザで照射されます。

図3： 軟X線分光器の最初の光。
CCD画像は、294eVのカーボンエッジに焦点を当てた広域スペクトル画像を示しています。

定点振動測定

PICOSCALE干渉計は、単一点の振動測定を実現し、グラフィカルユーザーインターフェイスを使用して直接分析できます。このアプリケーションノートでは、小さなカンチレバーの振動を分析します。

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■二超精密な芯振れの測定

PICOSCALE干渉計は、ピコメートルの分解能を持つ変位センサです。これは、回転するワークピースまたは軸の芯振れを測定(最終的には補正)するために産業用途に適用することができます。

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■PICOSCALE干渉計とMCS2を使用したClosed-Loop位置決め

PICOSCALE干渉計は、MCS2、SmarActのステージなどの自動ステージと組み合わせることで、対象物の特定の位置での最高の精度でクローズドループ制御を行うことができます。

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■ピエゾスキャナの高分解能な光学変位測定

このアプリケーションノートでは、ピエゾスキャナの手順を検証します。光学エンコーダをセンサとして使用するClosed-Loop操作では、PICOSCALE干渉計を使用してシングルナノメートルのステップを明らかにします。

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■高度な軟X線ラミノグラフィー用にカスタマイズされた回転ステージ

シンクロトロン放射による3Dイメージングは、複雑な物体の内部構造に関する様々な詳細情報を提供するために広く使用されています。軟X線の短い波長により、1桁ナノメートル未満の空間分解能を約束します。しかし、アクセス可能な最大サンプル量は軟X線の浸透深度が低いため制限されます。 一方、ラミノグラフィーは、非常に薄く横方向に広がったサンプルを、X線ビームの方向に対して角度をつけて配置することが可能です。サンプルはビームに垂直な軸の周りを回転します。カメラはさまざまな位置でサンプルの吸収コントラスト画像を撮影し、それを使用してサンプルの3D画像を計算します。 軟X線とラミノグラフィーを組み合わせることで、両方の技術の利点が融合し幅広い用途に期待されています。主な用途は、機能性ナノ材料、フォトニック性生物学的ナノ構造、および高性能磁性材料にまで及びます。 Swiss Light Source, Paul Scherrer InstitのPolLuxビームラインの走査透過X線分光顕微鏡でソフトX線ラミノグラフィー(SoXL)を実装するために、重要な角度サンプル回転に、SmarActのHV互換性を備えたカスタマイズされた高性能回転ステージが使用されました

■シリアルフェムト秒結晶構造解析(SFX)における自動サンプル配信

シリアルフェムト秒結晶構造解析(SFX)では、自由電子レーザ(FEL)源からのX線パルスを使用します。SFXは、回折性の高い大きな結晶に容易に結晶化できない生物学的分子の構造を解明する可能性があります。高いパルス繰り返しレートのFELを利用すると、わずか数分という短い測定時間が可能になります。SFX実験用のサンプルサスペンションの自動供給により、 結晶の調整や複雑なロボット動作が不要になるため、現在の第3世代シンクロトロン放射施設よりもはるかに高い確率で完全な測定結果が得られる可能性があります。その結果、データ収集率が高くなり、信頼性の高いサンプル提供が可能になることから、新たな課題が生じます。[1] サンプルを送出するために、SmarAct SMARGONゴニオメータによって配向および位置決めされたノズルを介して、真空チャンバー内にエマルジョンジェットが分配されます。
ゴニオメータは、大きな回転ステージに取り付けられた4つのリニアステージで構成され、部分的に平行な運動構造を形成します。各ステージにはSmarActのピエゾドライブテクノロジーが搭載されており、ナノメートル分解能と高い再現性が可能な移動を実現します。
5Dゴニオメータシステムにより、液体ジェットを±30°傾け、±15mm移動させることができます。特別な機能は、ノズルマガジンからノズルを選択できる磁気交換システムです。
SmarActの5Dゴニオメータは、この自動サンプル配送システムの一部であり、測定時間が短縮され、それによって、サンプルスループットが向上します。
1] 将来の光源における連続フェムト秒結晶構造解析サンプル配信の可能性、L. M. G. Chavas、L. Gumprecht、H. N. Chapman、Structural Dynamics 2、041709 (2015)、doi: 10.1063/1.4921220

■コンパクトフォンハモスX線分光計用モーションシステム

新しい先端材料の研究には、高い検出効率と高いスペクトル分解能を目指し、改良された校正可能なX線分光計が必要です。National Metrology Institut(PTB)は、SmarActの位置決め技術とカスタマイズサービスを使用して、コンパクトなフォンハモス分光計を開発しました。
最大3つのフルシリンダー光学系と水冷CCDカメラは、光学Z軸に沿って個別に移動可能な3つのキャリッジを備えた長さ1.2mのSLL42リニア位置決めステージで調整できます。
各シリンダー光学系はXおよびY方向(±2mm)に個別に移動でき、光学システムの正確な位置合わせのためのチップチルトメカニズム(最大2°)も含まれています。CCDカメラの位置も3軸で調整可能です。システム全体は超高真空に対応しており、外径は 150mm未満です。

■X線画像用7Dシステム

シンクロトロンSOLEILのNANOSCOPIUM硬X線(5-20 keV)ナノプローブビームラインは、高速スキャンと高空間分解能を使用したマルチテクニックX線イメージングに特化しています。ビームラインチームは最先端のX線ナノイメージングおよびトモグラフィー技術を開発し、提供しています。 このチームはSmarActにSLSモジュラーシステムコンポーネントで構成される7Dサンプルステージの構築を依頼しました。位置決めシステムは、上下に取り付けられた2つのサブステージで構成されています。上部にSHL Z軸ステージと回転ステージを備えたSLSシリーズリニアステージが下部に含まれています。回転ステージに取り付けられた上部サブステージは、最上部に2つのSLSリニアステージと2つのゴニオメータステージからなるXYテーブルで構成され、共通の回転中心を持つオイラークレードルを形成します。XYステージにより、オイラークレードルの中心を回転ステージの軸上に正確に位置決めすることができ、下部のリニアステージとZ軸ステージによって、ビーム軸上に正確に位置決めできます。

■ビームライン内の回転物体の精密制御

PICOSCALEラインフォーカスセンサヘッドは、シンクロトロンビームラインで研磨されたシリンダーの動きをフィードバックするために使用されます。回転ステージに取り付けられたSmarActのステージにより、シリンダーを偏心なく配置できます。また、サンプルを静止状態に保つために、スタブオフセット付きのシリンダーが使用されます。

■フーリエ変換赤外分光法および顕微鏡法におけるコンデンサーのアライメントの改善

MIRASはフーリエ変換赤外分光法（FTIR）と顕微鏡法の分野で活用されています。FTIR は、物質の振動サインを検出することによって物質の化学組成を識別する方法です。
このビームラインは、最新のシンクロトロンベースの赤外分光計と顕微鏡を提供し、約1～ 100μmの波長範囲をカバーし、2.5～14μm範囲の調査用に最適化されたスペクトル領域をカバーします。
MIRASのエンドステーションは、Bruker Vertex 70 FTIR分光計に接続されたBruker Hyperion 3000顕微鏡です。
最近、顕微鏡のコンデンサーホルダは、SmarActの4D電動コンデンサーホルダに置き換えられました。35x18.5x24mm3の動作範囲で、分解能＜1nm、繰り返し精度＜]100nm/軸のXYZモーションを提供し、開口分解能＜0nmの電動アイリス絞りと組み合わせます。電動ホルダにより、コンデンサーの位置合わせが大幅に改善され、シンクロトロンビームによるサンプルの照明も改善されました。
MIRASでは、さまざまな応用分野の専門家や科学者によって、多くの学際的なアプリケーションが実行されています。
SmarActの電動コンデンサーホルダにより、システムの操作がより直感的でかつ、より使いやすくなります。

■SMARPODによるプラズマ加速実験

レーザプラズマ加速器は、電子を加速する次世代技術となる可能性があります。この技術により、これらの荷電粒子をより小さな空間で加速できるため、システムがよりコンパクトになります。
世界中のシンクロトロン施設がこの技術の発展に参加しています。
2つの非磁性SMARPODsは、レーザプラズマ加速を調査するために、DESYの REGAEビームラインのインタラクションチャンバーで使用されています。超高真空条件(10-9 mbar)および高磁場で動作するこれらのSMARPODsは、このプロジェクトに取り組んでいる科学者と協力して特別に設計されています。どちらのSMARPODsも1.7kgの荷重を移動することができ、X、Y、Z方向にそれぞれ149mm、49mm、2.8mmの移動範囲を持ち、1ナノメートルの分解能でソレノイドとガス供給ステージの6軸を正確に位置決めします。

■高分子結晶構造解析のための高精度レンズアライメント

PSIの研究者は、ハイブリッド反射回折アプローチに基づく硬X線用の2段階縮小マイクロフォーカスモジュールに基づき革新的なソリューションを開発しました[1]。
Swiss Light Source(SLS)のX10SAビームラインのアンジュレータ光源の前段フォーカスは、二次光源を作成する一対の反射光学系と回折光学系によって実現されます。2番目の縮小ステージは、一対の高効率キノフォーム回折レンズを利用してビームをサンプル位置に再び焦点を合わせます。
X線ビーム内でキノフォームレンズを正確に位置合わせするために、2つのSMARPODsが使われています。各寸法ごとに、4つのレンズをそれぞれ含む3つのチップが、ヘキサポッド状の2つのSMARPOD上に取り付けられています。これらのカスタマイズされた位置決めシステムの移動範囲は長いため、レンズの配列を一度に取り付けることができ、各レンズの組み合わせをX線ビーム内で正確に配置および調整することができます。レンズを含むすべてのメカニカルユニットは高真空チャンバー内に配置されます。したがって、高真空中でナノメートルの精度で単一のレンズを選択し、6軸すべてに位置決めすることができます。 どちらのSMARPODsも1メートルのSLLV42レール上を滑走し、X線軸に沿った大まかな位置決めを行います。
高分子結晶学では、シンクロトロン光源を使用してマイクロメートルサイズの結晶から難しいタンパク質構造を解明するために、集中した高強度X線ビームが必要になることがよくあります。そのため、高効率でビームサイズの柔軟性を備えた硬X線用の光集束方式の設計が継続的に追求されています。

■シンクロトロンエンドステーション用の多軸位置決めおよびプロービングシステム

材料のミクロおよびナノ構造を理解するには、さまざまな分析技術が必要です。最も高度な技術には、シンクロトロン光源によって生成される集束X線ビームの使用が含まれます。
結晶相、配向、ひずみ/応力分布、ならびにそれらの光学的、電気的、機械的、表面特性をより深く理解するために、SmarActはTaiwan Light Sourceの “FOcus x-Ray for MicrO-Structure Analysis” (FORMOSA)ビームラインのエンドステーション用に独自のサンプル位置決めおよびプローブシステムを開発しました。
それぞれ3軸構成の4つのマイクロマニピュレータ、サンプルステージ、および6軸の自由度を持つ完全なヘキサポッドのSMARPOD が、真空チャンバーの狭いスペースに収まるコンパクトなセットアップです。
多軸位置決めシステムにより、X線ビーム内でサンプルをナノメートルの分解能で移動したり、システムに接続されているSEMの電子コラムに向けてサンプルを配向したりすることができます。カスタマイズされたSMARPODは、水平面で最大110mmx80mm、垂直面で70mmの移動が可能で、チャンバーに取り付けられたさまざまな検出器にサンプルプラットフォームを位置合わせするために最大20°の傾斜角が可能です。
Ching-Shun Ku / TPS@NSRRC (Image Credit)

■個々の望遠鏡の画像を組み合わせて光学系を調整するための極低温対応ポジショナ

ヨーロッパ南天天文台（ESO）、チリ、セロ・パラナル山

超大型望遠鏡アレイ(VLT)は、ヨーロッパの地上天文学の中心となる施設です。これは4 つのユニット望遠鏡で構成されており、これらを組み合わせることで巨大な天文干渉計を形成し、天文学者は個々の望遠鏡よりもはるかに細かく詳細を見ることができます。光線は、再調整用の可動部品を最小限とするように設計された複雑なミラーシステムが使用されています。SmarActは、以前の設備が利用できなくなった後、ASTRON Novaと協力して極低温環境での使用に適したコンパクトな高精度ポジショナを開発しました。
SmarActのコンパクトな位置決めステージは、Novaのミラー設計に完全に適合し、機器の正常な試運転を可能にするガイド機構と組み合わされました。

■積層造形の基礎研究のための3Dプリンターステージ

さまざまな積層造形機能が共同開発され、NSLS-IIの3つのビームラインに実装されています。
連続フロー直接描画(CDW)処理の構造とダイナミクスのオペランド研究のために、印刷プラットフォームが開発され、CHXビームラインに実装されました。XPCS測定におけるアーティファクトを回避し、マイクロビーム実験における空間分解能を維持するために、印刷プロセス中の振動を排除することが重要な設計目標でした。[1]
SmarActはプリントベッドの位置決め用のXYZステージを開発しました。これは、SLC およびSLLシリーズのリニアステージの直列配列に基づいています。プリントヘッドを配置するために使用されているガントリーは、SLLシリーズの重要な機能の 1つであり、1つのレール上で複数のピエゾ駆動キャリアを使用できる独自の機能を活用しています。ここでは、この機能を2つの異なるプリントヘッドを同時に保持するために使用しており、そのうちの1つはY方向の移動も装備できます。これは、キャリアの上部に取り付け可能なSLS-3232リニアステージによって実現されます。実験のセットアップと最初の結果の詳細については、グループの最新の記事を参照してください。[1]