大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年02月17日

2016年2月17日
理化学研究所

背景
　X線の可干渉性（コヒーレンス）を利用したイメージング技術であるX線タイコグラフィは、原理的に非常に高い空間分解能と感度が実現可能なX線顕微法であり、放射光施設を中心に利用法の研究が進められています。従来のレンズとしての機能を持つ光学素子を用いて試料像を結像する一般的なX線顕微鏡法とは異なり、測定によって得られた回折強度パターンに位相回復計算を実行して試料像を再構成するイメージング技術です。これまでレンズ性能によって制限されてきたX線顕微法の空間分解能を飛躍的に向上させる技術であり、原理的にはX線の波長程度の空間分解能が達成可能です。しかし、世界トップクラスのX線強度を持つSPring-8のような第三世代放射光施設あっても、X線タイコグラフィにはコヒーレントX線の強度が小さく、高い空間分解能を有する試料像の再構成には、回折強度パターンの取得に長い時間を要するという課題がありました。

研究手法と成果
　研究チームは、完全ではなく部分的にコヒーレントなX線（部分コヒーレントX線）を使って得られた試料の回折強度パターンからも試料像の再構成が可能な「混合状態再構成アルゴリズム」を駆使することで、コヒーレントX線を最大限利用する方法を提案・実証しました。混合状態再構成アルゴリズムとは、X線の強度分布を考える際に、「部分コヒーレントＸ線の強度分布を互いに干渉しない複数モード^[4]のコヒーレントＸ線の強度分布の和」とすることで、X線回折強度パターンから試料像を再構成するアルゴリズムです。このアルゴリズムを用いることで、測定時に入射するX線に部分コヒーレントX線を用いても、X線タイコグラフィで試料像を得ることができます。しかし、入射X線のコヒーレンスが悪くなるにつれてモード数が増えることで試料像の再構成に必要な回折強度パターンの数も増えるため、測定条件の最適化が必要です。そこで研究チームは、部分コヒーレントX線を集光することでモード数の増加を抑制しつつ、第1モード^[4]のコヒーレントX線を効率良く利用するために最適な測定条件を計算機シミュレーションにより決定しました。そして、この条件に基づき、SPring-8の理研専用ビームラインBL29XULにおいて実証実験を行いました（図1)。

　厚さ12nmのタンタル製テストパターンを試料として、入射X線に（ほぼ完全な）コヒーレントX線と部分コヒーレントX線を用い、X線回折強度パターンを測定しました。その際、X線の照射時間は、両者において同じになるようにしました。そして、実験で得られたX線回折強度パターンに位相回復計算を実行し、試料像を再構成しました。位相回復計算には、混合状態を考慮しない従来の再構成アルゴリズムと混合状態再構成アルゴリズムを用いました。従来法では、コヒーレントX線を照射した場合のみ、試料像が再構成されました。一方、混合状態再構成アルゴリズムを用いた場合、いずれのX線照射においても試料像が再構成されましたが、部分コヒーレントX線を照射することで、分解能の向上が確認されました（図2）。これは、部分コヒーレントX線に含まれる第1モードのコヒーレントX線の強度がコヒーレントX線に含まれる第1モードのコヒーレントX線の強度よりも大きいことを意味します。再構成された入射X線の波動場（図3)から、試料に照射された第1モードのコヒーレントX線の光子数を比較したところ、コヒーレントX線に比べて、部分コヒーレントX線は6倍程度大きいことが判明しました。すなわち、6倍程度高い効率でコヒーレントX線を使用できたと言えます。

今後の期待
　今回実証した方法を用いることで、X線タイコグラフィによる試料観察の測定効率が向上します。特に、軽元素で構成される生物試料の観察や様々な入射X線角度での測定が必要な三次元イメージングは測定に長時間を要するため、大きな効果が得られます。今後、本手法を標準化することで放射光施設におけるX線タイコグラフィの普及を促進し、数多くの成果の創出が期待できます。

《補足説明》
[1] 可干渉性（コヒーレンス）
　波と波が重なり合う時、打ち消し合ったり、強め合ったりする性質。

[2] Ｘ線タイコグラフィ
　コヒーレントＸ線回折イメージング手法の一つ。Ｘ線照射領域が重なるように試料を二次元的に走査し、各点からのコヒーレント回折パターンを測定する。そして、回折パターンに位相回復計算を実行し、試料像を再構成する手法。

[3] 大型放射光施設SPring-8
　理化学研究所が所有する、兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高輝度の放射光を生み出す共用施設。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来する。放射光（シンクロトロン放射光）とは、荷電粒子が磁場の中で曲がる際に放射される光の一種。SPring-8では、周回する電子群のサイズが小さいことや高い安定性のため、干渉性の優れたＸ線が得られる。

[4] モード、第1モード
　波動場としての形態。第1モードは、全てのモードの中で割合の最も多い形態。