大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年10月14日

2016年10月14日
大阪大学
理化学研究所

研究成果のポイント
♦回折強度パターンのダイナミックレンジ^※１を1000分の1程度圧縮する新規Ｘ線タイコグラフィ^※2法を提案・実証
♦検出器性能によって制限される限界を突破し、世界最高水準の空間分解能・感度を実現
♦安価にＸ線タイコグラフィが可能になり、材料・生物試料のイメージング研究の普及・促進に期待

研究の背景
　Ｘ線タイコグラフィはＸ線の可干渉性(コヒーレンス)^※５を利用したイメージング技術であり、従来のＸ線顕微鏡では得られない高い空間分解能を有するため、次世代のＸ線イメージング技術として、近年、放射光施設を中心に盛んに研究開発が行われています。Ｘ線タイコグラフィを用いて高い空間分解能と感度で試料を観察するためには、試料の回折強度パターンを広いダイナミックレンジで計測することが必要です。したがって、高輝度コヒーレントＸ線源と高性能二次元Ｘ線検出器の存在が欠かせません。
　前者については、現在、世界的に高輝度低エミッタンス放射光源の開発が盛んであり、放射光の可干渉性が向上しています。後者については、特に高エネルギーＸ線用の二次元Ｘ線検出器で、光子計数率の大きなハイブリット型ピクセル検出器^※６が登場したことで、短時間でダイナミックレンジの大きな回折強度パターンを取得することが可能になってきました。ただ、ハイブリッド型ピクセル検出器は極めて高価であることに加え、現状の光子計数率では、将来の高輝度放射光源をする際、光子計数率が追いつかなくなることが予測されています。

研究の内容
　今回、開発チームは、暗視野Ｘ線タイコグラフィという新手法を提案し、それを大型放射光施設SPring-8における実験で実証しました。図1に暗視野Ｘ線タイコグラフィの概念図を示します。暗視野Ｘ線タイコグラフィでは、試料の上流に微小円柱構造体を配置します。入射Ｘ線は試料を照射する前に、円柱構造体を照射します。その際、円柱構造体によってＸ線が散乱します 。この散乱Ｘ線が参照光となって、検出器面上で試料のインラインホログラムを形成します。このインラインホログラムは、試料を透過したＸ線が有している試料の構造情報を含むため、透過Ｘ線を測定せずとも、インラインホログラムで補完できます。透過Ｘ線強度は大きいため、金属遮蔽板(ビームストップ)によって透過Ｘ線を遮ることで、結果として、回折強度パターンのダイナミックレンジが1000分の1程度に圧縮されます。したがって、目的の空間分解能と感度を達成するために必要とされる回折強度パターンのダイナミックレンジが従来法と比較して1000分の1程度小さくて済みます。
　今回、SPring-8での実証実験で得られた試料の観察像を図2に示します。検出器として光子計数率の小さなCCD検出器を用いて30nmの厚さのタンタルで構成されるテス試料を11.5nmの空間分解能(ピクセルサイズ9.1nm)、0.01ラジアンの位相分解能で観察することに成功しました。これは、硬Ｘ線を用いたＸ線タイコグラフィとしては世界最高水準の性能です。また、生物試料として磁性細菌^※７を観察した結果、細菌の外形ならびに内部に含まれる直径20—70 nmの微小磁石が数珠状に並んだマグネトソームを可視化することにも成功しました。

今後の期待
　諸外国では、高価なハイブリッド型ピクセルアレイ検出器を駆使して、今回の結果と同等の空間分解能と感度を達成しています。今回、比較的安価で光子検出率の小さなＣＣＤ検出器を用いて、世界最高水準の空間分解能と感度を達成できたことから、本手法の普及・促進が期待できます。また、暗視野Ｘ線タイコグラフィの測定をハイブリッド型ピクセルアレイ検出器で行うことで、世界最高の感度と空間分解能の達成が期待されます。

【用語解説】
※1 ダイナミックレンジ
識別可能な信号の最小値と最大値の比率。

※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強度パターンを測定する。そして、回折強度パターンに位相回復計算を実行し、試料像を再構成する手法。

※3 インラインホログラフィ
物体光と参照光が干渉して形成されるホログラムを解析して、像を得る方法で、物体光と参照光が同一光路上にあるもの。

※4 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。

※5 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。

※6 ハイブリット型ピクセル検出器
パルス計数型検出器をアレイ状に並べた二次元検出器。スイスのパウル・シェラー研究所で開発されたピクセルアレイ検出器PILATUSは暗電流や読み出しノイズによるバックグラウンドが生じず、6 桁以上のＸ線光子数のダイナミックレンジが得られること、ピクセル毎にＸ線光子数がデジタル化される為に読み出し時間が3 ミリ 秒程度で行えることが特徴である。

※7 磁性細菌
細胞内に単体鉄やフェライトの微小磁石を作り、磁性を持つ細菌の総称。 この磁石はマグネトソームと呼ばれる。