フェムト秒軟X線ハイパースペクトル顕微鏡を実現 ―1ショットで空間・エネルギー情報を同時取得―

2026-08-20 東京大学,理化学研究所,科学技術振興機構

東京大学、理化学研究所、科学技術振興機構(JST)の研究グループは、X線自由電子レーザー(XFEL)の1パルスを使って、試料の空間情報と軟X線スペクトルを同時取得するフェムト秒軟X線ハイパースペクトル顕微鏡を開発した。Wolterミラーで拡大した試料像を、417個の微小な開口と回折格子を集積したマルチ開口回折格子で空間的に分割し、2次元検出器上で一括分光する。これにより、従来は両立が難しかった空間分解能とエネルギー分解能を維持しながら、走査せず1ショットで多地点のスペクトルを取得できる。SACLAでの実証では、XFELビームの空間的・ショットごとのスペクトル変動を可視化し、窒化ケイ素薄膜の吸収スペクトルも単一パルスで測定した。今後は、電池材料、触媒、デバイス、生体試料などの化学状態をフェムト秒スケールで可視化する分析基盤や、XFELビーム診断への応用が期待される。

フェムト秒軟X線ハイパースペクトル顕微鏡を実現 ―1ショットで空間・エネルギー情報を同時取得―
図1:フェムト秒軟X線ハイパースペクトル顕微鏡の原理図

<関連情報>

単一ショットX線パルスによるフェムト秒ハイパースペクトルイメージング Femtosecond hyperspectral imaging with a single-shot X-ray pulse

Yoko Takeo, Satoru Egawa, Noboru Furuya, Kyota Yoshinaga, Kai Sakurai, Yu Nakata, Shigeki Owada, Takashi Tanaka, Hidekazu Mimura, Makina Yabashi, and Takashi Kimura
Optica  Published: August 19, 2026
DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.599397

Abstract

Single-shot hyperspectral imaging was demonstrated in the soft X-ray region by combining a multi-aperture grating (MAG) with Wolter-mirror microscopy. The MAG simultaneously segments the magnified image into 417 spatial channels and disperses each channel onto a two-dimensional detector. This system functions as a dispersive spectrometer with two-dimensional spatial sampling, obtaining absorption spectra at each point of the magnified image in a single pulse. At SACLA BL1, a field of view of 39µm ×39µm was obtained, and a spatial sampling of 2.4µm(H)×1.6µm (V), defined by the MAG aperture pitch, was achieved. A grating-limited spectral resolving power of E/△E ≈ 103around 100 eV was theoretically estimated, limited by the grating line count per aperture. The system is applied to shot-to-shot measurements of the spatially resolved beam spectrum and to single-shot spectro-microscopy of a silicon nitride thin film near its absorption edge. These results establish a route to chemical-state-sensitive imaging of heterogeneous and potentially non-repeatable samples.

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