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ミリ秒X線CTのための放射光マルチビーム化に成功 ~試料の回転要らず動的3D観察を可能に~

 東北大学,東京学芸大学,筑波大学,公益財団法人高輝度光科学研究センター(JASRI),国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年5月13日,東北大学 多元物質科学研究所の矢代 航准教授,東京学芸大学のWolfgang Voegeli准教授,筑波大学 システム情報系の工藤 博幸教授,JASRIの梶原 堅太郎主幹研究員らの共同研究グループが,試料を回転せずにミリ秒オーダーのX線CTを実現するための放射光マルチビーム化に成功したと共同発表した.本研究は,JST戦略的創造研究推進事業(CREST)の支援を受けて実施され,成果は米国光学会の科学誌Opticaでオンライン公開された(注).

 医療診断分野において開発されたX線コンピュータ断層撮影法(CT)は,被写体に対してX線ビームを多くの方向から投射して透過像を撮影し,その複数の投影像から,被写体の内部まで含めた三次元的な構造を可視化する方法である.病院のX線CTの撮影時間は数秒~数10秒のオーダーであるが,強力な放射光を用いると,ミリ秒オーダーの時間分解能で試料内部を三次元的に可視化できる.しかしながら,多くの方向から試料を撮影する必要があるため,試料を高速に回転しなければならず,流動性のある試料,生体試料への適用や,その場観察のための様々な試料環境の導入が困難,という課題があった.

 この課題に対して本研究グループは,放射光をマルチビーム化するためのX線光学系を開発し,1msの撮影時間で三次元再構成ができることを実証した.X線CTに用いられている透過力の高いX線は,一般に物質との相互作用が小さいため,可視光の鏡による反射のように伝播方向を容易に制御することができない.そこで本研究では,形状の薄い(ブレード状)Si単結晶を微細加工により作製し,溝を挟んで重なり合った多数枚(30枚以上程度)のSi単結晶板の薄層Si支持体をAl双曲面に貼り付け,X線ビームを多数枚の単結晶板で回折させた.X線ビームの入射角は,各単結晶板ごとに異なるので,回折して試料に入射するX線は方向の異なる多数のビームとなり,一定方向のビームを当てて試料を回転させた時と同じ効果が得られる.さらに,こうした双曲面回折装置を三段配置し,後段になるほど双曲面の曲率を上げて回折角度を大きくすることにより,±70°の投影方向をカバーするマルチビーム光学系の開発に成功した.

 実験は大型放射光施設SPring-8のビームラインBL28B2の放射光(10~50keV)を用いて行った.直径50μmのタングステンワイヤーの試料に対し,放射光マルチビーム化技術により32方向(-73.5°~+77.9°)からの投影像を1msで取得した.32方向の投影像から,圧縮センシングに基づくアルゴリズムを用いて,三次元画像を再構成した.試料を回転せずに,ミリ秒オーダーのX線CTが実現できることを確認した.

 本成果により,流動性のある試料や生きた生物などの動的3Dその場観察がミリ秒オーダーで可能となり,物質・生命科学の基礎研究から産業応用に至る広い分野への応用展開が期待される,としている.

(注)Wolfgang Voegeli, Kentaro Kajiwara, Hiroyuki Kudo, Tetsuroh Shirasawa, Liang Xiaoyu, and Wa-taru Yashiro, "A multi-beam X-ray optical system for high-speed tomography", Optica, Vol. 7, Issue 5, pp. 514-517 (2020), DOI: 10.1364/OPTICA.384804; Published: May 12, 2020