FYNE – ハイテク産業向け次世代X線源

1a. ナノスケール分解能での高速測定 - バックグラウンド

ナノスケールイメージングにおける解像度と線量の相互作用を理解することは、効率的なイメージング設定を確保するために不可欠です。競合する主な効果は2つあります。電子軌道と電子線量です。透過力この競争がどのように発生するのか、そしてそれに対処するための戦略は何かを簡単に説明します。X線管では、電子がエミッタから放出され、真空中で高電圧によって加速され、ターゲット材質電子が標的原子と衝突すると、X線が発生する[3]。材料内の3D相互作用領域によって、X線源の焦点スポットの体積が決まる。加速電圧が高い場合、陽極と陰極間の電界が強くなるため、エミッタから発生した電子の軌道は広がりにくくなる。

その結果、ターゲットに到達する電子の横方向の広がりが小さくなり（図5a参照）、焦点スポットサイズが小さくなり、解像度が向上します。しかし、加速電圧が高い場合、電子はターゲットに到達する際に運動エネルギーも高くなります。運動エネルギーが高くなると、原子との衝突間の平均時間が増加します。ターゲット材質 [4] これは、電子がターゲット内部にさらに伝播し、ターゲット原子との散乱によって横方向への広がりがさらに大きくなることを意味します。その結果、焦点スポットの体積が増加し、最終的な解像度が低下します（図5a参照）。これら2つの効果のバランスによって焦点スポットのサイズが決まります。

このことから、ターゲットの厚さがX線相互作用体積、ひいては焦点スポットサイズを決定する上で重要な役割を果たすことが明らかになります。ターゲットが厚い場合、電子はターゲットの体積全体に横方向に散乱することができ、この散乱は加速電圧が高くなるほど大きくなります。体積が増加すると焦点スポットが大きくなり、解像度が制限されますが、同じ理由で線量も高くなります。ターゲットが厚い場合、解像度は主に3次元体積全体で発生する電子の散乱によって制限されます。

解像度を向上させる一つの方法は、ターゲットの厚さを制限することである（図5B参照）。これにより、材料内部での電子の横方向への伝播の可能性が低減され、焦点スポットの体積が制限される。この方法の欠点は明らかである。相互作用体積を小さくすると、生成できる最大X線線量が減少する。 

1b. ナノスケール分解能での高速測定 - 例 

それでは、これらの効果を現実世界で示すために、2つの例を見てみましょう。 FYNE 160 NF4 線源。図 6 では、アクセス可能な電圧範囲 (60 ～ 160 kV) における 2 つの可能な線源構成のデータを示します。最初の例では、より厚いターゲットを使用すると、空間分解能は電圧範囲全体で約 1.2 µm でほぼ一定になります。ただし、検出器に到達する線量は、同じ範囲で 80% 近く変化します。さらに、より薄いターゲットを使用した 2 番目の例の線量と比較すると、この場合の線量はすべての電圧点でより高く、より高い電圧ではかなり高くなります。この構成の欠点は、動作点によって線量が大きく変化し、最終的な分解能が制限されることです。線量が高く、分解能が制限される理由は、上記の議論から理解できます。相互作用体積が大きいほど線量は多くなりますが、横方向の焦点スポットサイズも大きくなります。したがって、これらの設定は、広い電圧範囲にわたって一貫した分解能とより高い X 線束を必要とするアプリケーションに適しています。 

図6に示す2番目の構成では、最初の構成よりも薄いターゲットを使用している。この場合、電圧範囲全体にわたる挙動は、厚いターゲットの場合とは全く異なる。特に、加速電圧によって解像度が変化する。 

これは、電界が強くなるためターゲット上での広がりが小さくなり、ターゲット内部での横方向の広がりによって相殺されないためです。ここで選択したターゲットは、特定の動作点である 160 kV で 0.4 µm (400 nm) の解像度を達成しながら線量を最大化するように設計されています。しかし、最初のケースとの比較から明らかなように、得られる総線量は、より厚いターゲットの場合よりも少なくなります。一般に、空間分解能が高いほど、X 線束は減少します。したがって、ナノスケールイメージングを計画する際には、光源の実際の動作点とアプリケーションに必要な解像度を考慮し、これらの要件を満たす線量を最大化することが重要です。達成可能な最高解像度を選択すると線量が減少するため、そのような高解像度が必要ない場合は、検査効率が大幅に低下します。

したがって、重要なポイントは、アプリケーションの特定の要件に合わせてソースを最適化することが極めて重要であるということです。 FYNE これにより、このような柔軟性が実現する。

2. 優れた焦点安定性

サブミクロンレベルの画像測定に必要な精度を考慮すると、X線源は高い安定性も必要とされます。これは、「仮想」焦点スポットのサイズがアプリケーションにとって大きくなりすぎるのを防ぐためです。仮想焦点スポットとは、焦点スポットのサイズに、測定期間中に平均化されたドリフトによる動きを加えたものです（図7参照）。典型的な測定時間は、2D画像の場合は数秒、詳細な3Dスキャンの場合は数時間に及ぶことがあります。したがって、ドリフトの少なさは非常に重要です。 

高い安定性を示すためにFYNE 光源については、24時間にわたってドリフト測定を実施しました。その間、光源に対する調整や修正は一切行いませんでした。光源、サンプルマニピュレーター、検出器は、内部の花崗岩ブロックを介して接続されています。 X線キャビネット 振動の影響を最小限に抑えるため、ドリフトを測定するために以下の手順を実行しました。円形の金構造を持つサンプルを視野の中心に配置し、120 kV の固定動作点で画像を取得しました。時刻 T における位置は、時刻 t = T で取得した金構造の画像から、時刻 t = 0 で取得した同じ構造の画像を差し引くことによって決定されます。次に、ピクセルシフトを X 方向と Y 方向の実空間シフトに変換します。測定は全時間範囲にわたって調整なしで実行され、つまり、測定全体を通してビームの位置は一切制御されません。 

重要な点として、焦点位置の固有のドリフトによって生じる画像のずれと、撮像チェーンの残りの部分の変化（例えば、機械的支持体の熱平衡化や、光源の直前に配置された試料の熱平衡化）によって生じるドリフトを完全に分離することは不可能である。まず、機械システム全体が熱平衡化する期間がある。 

測定結果を図7にまとめる。その結果、焦点スポットだけでなく、イメージングチェーン全体の安定性が得られた。システムの熱平衡化後、Y方向のドリフト速度は0.029 µm/時間、X方向はわずか0.012 µm/時間であった。したがって、測定全体における焦点スポットの最大総偏差は、光源の分解能（0.4 µm）を下回る。これらの値は、他のいくつかの代替方式と比較して最大100倍小さい。開放型X線管 設計。測定中にアクティブなビーム安定化が一切使用されていないことを考えると、このような小さなドリフト速度は驚くべきものである。

3. 光源の長寿命

以来FYNE これは「オープン」なX線源であり、物理的に開けてメンテナンスできるため、重要な部品を交換でき、光源の寿命は技術的には無制限です。これは、検査システムの総所有コストを計算する際に考慮すべき要素です。密閉型X線管 定期的に交換する必要があります。ただし、検査用途では最大限に活用することが重要です。稼働時間 特に生産環境で使用される場合、メンテナンスの実施頻度を減らすことができます。アットライン あるいはインラインプロセス。ナノスケールイメージングアプリケーションで特に感度の高いコンポーネントは電子放出ユニットであり、開放型X線管 設計上の寿命は数百時間程度ですが、動作パラメータによって大きく異なります。例えば、1日平均8時間の動作を想定した場合、寿命が500時間のフィラメントは2ヶ月ごとに交換する必要があります。この期間を延長することは、稼働時間 実験室環境と産業環境の両方において。 

図2のイメージングセットアップを用いて寿命測定を実施しました。測定指標として、X方向とY方向の空間分解能を時間経過とともに変化させました。0.6 µmの構造を120 kVの動作点でイメージングしました。FYNE FYNEは、テスト期間中、動作を中断することなく連続運転しました。結果を図8にまとめました。光源を2600時間以上運転した後でも、分解能に大きな変化は見られませんでした。1日8時間運転という前述の例では、これはメンテナンスなしで約11ヶ月の運転に相当します。光源の寿命を決定する要因は数多くあり、指標として選択されたパラメータはアプリケーション固有のものであり、ここで一般化することはできません。しかし、測定結果は、FYNE光源で達成可能な光源寿命の桁数を示しています。 FYNE ：数千時間に及ぶ連続稼働。