Development of Neutron Focusing Mirror by Ultrahigh Precision Machining

作者：Y. Yamagata · 发表于：Journal of the Japan Society for Precision Engineering · 年份：2018 · DOI：10.2493/JJSPE.84.494 · 研究领域：Materials Science

超精密加工装置は,1980 年代ごろより高エネルギーレ ーザーミラーの加工,光ディスクのピックアップ光学系, レーザープリンターのポリゴンミラー,磁気ディスクのヘ ッドの加工技術として発展し始めたと考えられる.当初 は,0.1 μm 程度の制御分解能の装置が主流であったが, 1990 年代では,10 nm 制御で 3 軸以上の同時制御が可能 な超精密加工装置が開発された.さらに 1 nm 制御で 4 軸 同時制御が可能な超精密加工装置も 1990 年代後半になる と出現している.2000 年代になると,リニアモーターを 用いた超精密加工装置が多数登場し,制御分解能も 1 nm 以下となり,形状精度が 100 nmPV 以下となるような高 精度な光学素子金型等の加工も比較的容易に実行可能とな った.こうした超精密加工技術の発展を形状創成という 観点から見ると,初期では平面加工やカーブジェネレータ ーによる球面加工が主流であったが,2軸制御の旋盤型の 超精密加工装置の実用化により,回転対称な非球面形状の 高精度な加工が可能となった.さらに 3軸制御の超精密加 工装置が開発されたことで,レーザープリンターに用いら れる fθレンズのように非軸対称な形状や自由曲面形状の 加工が可能となった.近年では,4~5 軸の同時制御性能 を有し,サブナノメーターの制御分解能を有する超精密加 工装置も開発されており,自由曲面の加工はもとより, LED 向けの導光板や曲線・曲面回折格子などのように自 由な深さと曲線をもった多数の溝を超高精度に加工するこ とも可能となりつつある.(図 1) 一方で,量子ビーム(X 線,中性子線等)の集光に用 いられるミラーは,1948 年に Kirkpatrick と Baez らが開 発した通称 K-B ミラーと呼ばれる二つの比較的浅い曲率 をもった凹面鏡を直交した方向に並べて X線の 2 次元集 光を実現したものが最初と考えられる.1952 年に, Wolter は回転双曲面と放物面を組み合わせた結像光学系 を提案しているが,当時の技術では十分な精度の加工は 困難であったようである.1978 年に坂柳らは,カムを用 いた独自の研磨装置によりモリブデンのマンドレルを研磨 し,これをガラスに転写してWolter 型光学系によるX線 の結像に成功した.こうした軸対称のマンドレルを用い た加工方法は,今日に至るまで用いられているが,軸対称 な型を加工することは比較的容易に高精度な形状を創成で きると考えられる.また,山村らは,EEM 法および PVCM 法と呼ばれる高精度な研磨手法を用いて,比較的 浅い形状ながら極めて高精度な X線集光ミラーの形状を 創成することに成功している. X線は,1960 年代後半から 1970 年代にかけて,電子シ ンクロトロンを用いた放射光の利用が可能になったことか ら,発散角が比較的小さく高輝度なビームを利用できるよ うになった.このため比較的浅い形状であるものの高精 度な形状を有するミラーが求められるようになり,研磨を 主体とした形状創成法とマッチしたと考えられる.一方 で,中性子線は,その発生原理が X 線とは大きく異なっ ており,ビームの発散角と輝度は放射光に比べて非常に小 さくなっている.このため,NA(Numerical Aperture) を大きくするために比較的深い形状が求められる一方で, 精度の要求は比較的緩やかであると考えられる. 中性子光学素子は,1963 年の Mainer-Leibnit...