Innovation of synchrotron radiation moving image by single-shot X-ray ptychography

• Project/Area Number: 20K20523
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高橋 幸生 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (00415217)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000); Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2020: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
• Keywords: 放射光 / コヒーレント回折イメージング / 位相回復 / X線 / 可視化

Outline of Research at the Start

Ｘ線は高い透過力を有するため、バルクに埋もれた微細構造を非破壊で可視化するプローブとして有用であり、近年、放射光の高輝度Ｘ線を活用したＸ線顕微法が様々な学術領域で利用されている。しかしながら、ナノスケールでの微細構造が時々刻々変化する様子を動画として捉えるＸ線顕微法は未だ確立されておらず、時間分解能を大幅に向上させるブレークスルーが必要であった。本研究では、未踏であるシングルナノメートルの空間分解能と数秒の時間分解能を併せ持つ放射光動画撮像法を第三世代放射光施設SPring-8で実証し、次世代放射光施設における動画撮像の革新へと繋げる。

Outline of Annual Research Achievements

令和４年度は、以下の２つの項目を中心に実施した。
①シングルショットコヒーレント回折イメージングによる金コロイド粒子の動画撮像の実証
大型放射光施設SPring-8において、三角形開口を導入したシングルショットコヒーレント回折イメージング(シングルショットCDI)による液中の金コロイド粒子のブラウン運動のイメージングを行った。直径150nmの金コロイド粒子が分散した溶液を窒化ケイ素メンブレンチップで挟みアラルダイトで接着することで封入し、試料とした。5keVに単色化された放射光X線を1辺の長さ10μmの三角形開口によって切り出し、フレネルゾーンプレートにより2分の1に縮小し、試料に照射した。そして、二次元画像検出器によって1秒露光で2000枚の回折データを連続的に収集した。回折強度パターンに位相回復計算を実行し、像再生を行った結果、金コロイド粒子がブラウン運動する様子を捉えることに成功した。
②シングルショットCDI用試料加熱装置の開発
シングルショットCDIによる動画撮像の応用研究に向けて、試料加熱装置の開発を行った。具体的には、MEMSマイクロヒータを搭載した窒化ケイ素メンブレンに電流を印可する加熱機構を開発した。リハーサルチャンバー内での加熱試験を行った結果、数マイクロメートルの領域を約1000℃まで加熱できることを確認した。
これまでの研究により、シングルショットCDIによる動画撮像法が実証され、応用研究に向けた研究開発が行われた。今後、本手法の更なる高分解能化ならびに様々な実試料観察への応用展開が期待される。

Research Products

• [Journal Article] 三角形開口を用いたコヒーレントX線回折イメージング (2022)
  • Author(s): 高澤 駿太郎, 姜 正敏, 阿部 真樹, 上松 英司, 石黒 志, 高橋 幸生
  • Journal Title: 光学 Volume: 51 Pages: 272-272
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Demonstration of single-frame coherent X-ray diffraction imaging using triangular aperture: Towards dynamic nanoimaging of extended objects (2021)
  • Author(s): Takazawa Shuntaro、Kang Jungmin、Abe Masaki、Uematsu Hideshi、Ishiguro Nozomu、Takahashi Yukio
  • Journal Title: Optics Express Volume: 29 Issue: 10 Pages: 14394-14394
  • DOI: 10.1364/oe.419998
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-frame coherent diffraction imaging of extended objects using triangular aperture (2021)
  • Author(s): Kang Jungmin、Takazawa Shuntaro、Ishiguro Nozomu、Takahashi Yukio
  • Journal Title: Optics Express Volume: 29 Issue: 2 Pages: 1441-1453
  • DOI: 10.1364/oe.414341
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 三角形開口を用いたコヒーレントX線回折イメージングによる溶液中金コロイド粒子の動画撮像 (2023)
  • Author(s): 高澤駿太郎、阿部真樹、上松英司、石黒志、星野大樹、Dam Hieu-Chi、高橋幸生
  • Organizer: 第36回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] 三角形開口を用いたシングルフレームコヒーレントX線回折イメージングのための光学系開発 (2022)
  • Author(s): 高澤駿太郎、姜正敏、阿部真樹、上松英司、石黒志、高橋幸生
  • Organizer: 第35回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] Single-frame coherent X-ray diffraction imaging using triangular aperture (2022)
  • Author(s): Shuntaro Takazawa, Jungmin Kang, Masaki Abe, Hideshi Uematsu, Nozomu Ishiguro, Yukio Takahashi
  • Organizer: 14 th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation(SRI2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三角形開口を用いたシングルフレームコヒーレントX線回折イメージング法の開発 (2021)
  • Author(s): 高澤駿太郎、姜正敏、阿部真樹、上松英司、石黒志、高橋幸生
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2021
• [Presentation] Proposal and experimental demonstration of single-frame coherent X-ray diffraction imaging using triangular aperture (2021)
  • Author(s): Jungmin Kang, Shuntaro Takazawa, Masaki Abe, Hideshi Uematsu, Nozomu Ishiguro, Yukio Takahashi
  • Organizer: The Korean Physical Society 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三角形開口を用いたシングルフレームコヒーレント X 線回折イメージング (2021)
  • Author(s): 高澤駿太郎、姜正敏、阿部真樹、上松英司、石黒志、高橋幸生
  • Organizer: 第34回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
• [Presentation] コヒーレントX線回折イメージングによる時間発展可視化を目指して (2021)
  • Author(s): 高橋幸生
  • Organizer: ISSP Workshop 2021
  • Invited
• [Remarks]
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/takahashi-y/html/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/takahashi-y/html/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/takahashi-y/html/index.html