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マルチアノードMCPと軟X線偏光スイッチングによる
深さ分解XMCD測定システムの開発
計測システム研究会2014年11月20日
雨宮 健太高エネルギー加速器研究機構
物質構造科学研究所
メンバー
雨宮健太（代表：IMSS KEK）
岸本俊二（IMSS KEK）
酒巻真粧子（IMSS KEK）
小菅 隆（IMSS KEK）
濁川和幸（IMSS→ACCL KEK）
田中真伸（IPNS KEK）
内田智久（IPNS KEK）
斉藤正俊（IPNS KEK）
池野正弘（IPNS KEK）
仲吉一男（IPNS KEK）
なぜ偏光スイッチングか ～X線磁気円二色性(XMCD)～
右回り円偏光と左回り円偏光のスペクトルの差を取る⇒ 試料の磁気モーメントの情報
0.01 0.1 1 10 100 10001E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0.01
50 Hz
Dete
ction L
imit
Frequency (Hz)
(DC)
10 Hz
3桁の改善
微量元素，わずかな磁気モーメントを何とかして観測したい！！
通常のDC的な測定では~1%がやっと⇒ 偏光スイッチング＋ロックイン検出
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
700 710 720 730 740 750
3 ML Fe / Cu(100)
Fe L-edge XMCD
e-
e-
e-
e-
X線表面
Auger 電子
様々な出射角で電子収量XMCDを測定
XMCD スペクトル
円偏光X線
電子増幅器(MCP)
CCDカメラ
蛍光スクリーン
試料
qd
なぜマルチアノードか ～深さ分解XMCD法～
表面敏感
全ての検出深度に対応するスペクトルを一度に測定
⇒ 様々な検出深度を持つスペクトル群
角度の範囲と分解能： 0-15°を1°刻み程度
エネルギー分解能： 現在は阻止電場のみ(例えば500 V)
数10 eVでもあれば嬉しい(S/Bが向上)
カウントレート： 1チャンネルあたり最大108 CPS程度
偏光スイッチング時： ~10 Hzのスイッチングに対応する必要⇒ 10 Hzより十分に速い取り込みが望ましい (~1kHz)
X線
電子増幅器(MCP)
CCDカメラ
蛍光スクリーン
試料
qd
偏光スイッチングに対応した角度分解電子検出器の開発
従来の方法(蛍光スクリーン＋CCDカメラ)のメリット，デメリット
データを自由に処理できる(回転，スライス数)
検出効率では損している(スクリーンをアノードとして電気的に測定した方がS/Nは良い)
線形性，ダイナミックレンジに対する不安スイッチングへの対応は少し厄介(それぞれの角度に対してlock-in的に処理したい)
エネルギー分解能はない
マルチアノード型のMCPで，電気的に信号処理
30チャンネル同時に>1 kHzでデータ取得
浜松ホトニクス社製MCP検出器 SHV端子(4 pin X 8 = 32 pin)
配線中… 最後の一本 阻止電場用グリッド取付け
マルチアノードMCP検出器の導入Ch1 → 30
６ｍＶ/ｄｉｖ１０ nsec/div
MCPからの信号
•MCPのシグナル
→アナログ処理(増幅、時間幅調整)
→閾値を設定してデジタル化
→時間ごとのカウント数として出力
•30(32)チャンネル同時測定
データ処理
0 500 1000 1500 2000 25000
1000
2000
3000
4000
Polarization switching 10 Hz L2 peak
In
ten
sity (
co
un
ts/m
s)
Time (ms)
I0, CH5, CH10, CH15, CH20
初期の測定結果(偏光スイッチングへの追随)
0 100 200 300 400 5000
1000
2000
3000
4000
Polarization switching 10 Hz L2 peak
In
ten
sity (
co
un
ts/m
s)
Time (ms)
I0, CH5, CH10, CH15, CH20
ID1ID2
840 850 860 870 880 890 900
1
2
3
4
5
6
Time-averaged X-ray absorption spectra
In
ten
sity (
arb
. u
nits)
Photon Energy (eV)
CH5
CH10
CH15
CH20
初期の測定結果(XAS)
表面敏感
初期の測定結果(XMCD)
840 850 860 870 880 890 900-2000
-1500
-1000
-500
0
500
1000XMCD (lock-in)
Inte
nsity (
arb
. u
nits)
Photon Energy (eV)
CH5
CH10
CH15
CH20
それぞれのチャンネル，それぞれのエネルギーに対して，時間変化のデータを数値的にlock-in処理して10 Hz成分を抽出
問題点
0
1k
2k
3k
4k
5k
0 100 200 300 400 5000
2
4
6
8
Polarization switching 10 Hz L3 peak
Inte
nsity (
co
un
ts/m
s) I
0 CH5 CH10 CH15 CH20
Inte
nsity
Time (ms)
CH5/I0 CH10/I
0 CH15/I
0 CH20/I
0
0
1k
2k
3k
4k
5k
0 100 200 300 400 5000
2
4
6
8
Polarization switching 10 Hz L2 peak
Inte
nsity (
co
un
ts/m
s) I
0 CH0 CH10 CH15 CH20
Inte
nsity
Time (ms)
CH0/I0 CH10/I
0 CH15/I
0 CH20/I
0
I0(光強度)で割り算した時に割り切れていない ← MCPのオフセット？シグナルが大きすぎてカウントしきれない (意図的に<107 CPSに抑えている)
新しいアナログ基板の導入
より多くのカウント数に対応できるもの
新しいアナログ基板を用いた測定結果
1 kHzでの連続測定に成功？
※I0は電流値をV-Fコンバータを介してCH31に入れている
カウント数が思いのほか少ない(シグナルが小さい？)
ところが…
時々暴れてみたり… Referenceシグナル(偏光の状態を示す電圧シグナルをV-Fを介してCH32
に入れている)に追随してみたり…
※この時，光強度は一定
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
ON OFF
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
onoff
さらに新しいアナログ基板(VOLUME2012搭載)の導入
Threshold, Gain
調整後(17-32 Ch)
Threshold初期値Gain x20
2013年11月
チャンネル間の独立性が向上
Channel number
Channel number
Beam
Beam
しかし気になる点が…
予想されるシグナルから設定したThreshold, Gainの初期値だと
カウントゼロ
適切に調整した後のカウント値が数千cpsしかない(以前は数百万)
カウントが来ないチャンネルが結構ある
(オシロでみてもシグナルなし)
⇒ MCP自身が劣化しているのでは？
電子銃を使ったオフラインテスト等で酷使しすぎたか…
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
onoff
17
1822原因判明
MCP交換を決断して取り外してみたところ，マルチアノード基板があちこち割れていた…
チャンネルによるシグナルの有無とそれなりに対応
19
202428
2630
Beam
Channel number
SHV端子(4 pin X 8 = 32 pin)
阻止電場用グリッド
MCP更新配線はピン方式
SHV端子フランジ軽量化 阻止電場用グリッド更新※従来のものはチェンバー内壁に当たる…
大改造を断行
0
50
100
150
200
250
300
0 200 400 600 800 1000
Co
un
t
Time (ms)
Channel 16
Beam off
Beam on
テスト測定2014年11月
0 50 100
Time (ms)
1msごとの連続測定が行えることを確認ビームがない状態で，100 Hzのスパイク状のノイズが見られる
まとめ
0
50
100
150
200
250
300
0 200 400 600 800 1000
Co
un
t
Time (ms)
Channel 16Beam off
Beam on
マルチアノード(30チャンネル)MCP，1 kHｚ取り込み偏光スイッチングと組み合わせて深さ分解XMCD測定を目指す紆余曲折を経てスタートに戻ってきた今後，より強いシグナルで実際に深さ分解XMCD測定を行うさらに，放射光パルスと同期させた時間分解実験も視野に
