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2012 Fiscal Year Annual Research Report

実験室X線源によるナノメートル解像度三次元観察を目指した高感度X線顕微鏡の開発

Research Project

Project/Area Number 24310087
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

矢代 航  東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (10401233)

Project Period (FY) 2012-04-01 – 2015-03-31
KeywordsX線 / 顕微鏡 / 位相 / イメージング / 三次元 / ナノ材料 / 燃料電池 / 細胞・組織
Research Abstract

コンパクトな実験室X線源によって数nmスケールの空間分解能の三次元硬X線高感度顕微鏡を将来的に実現するための基盤技術の確立を目指した。本申請で提案する方法は、2009年に我々が提案した新しいタイプの硬X線位相差顕微鏡の着想をさらに発展させたもので、従来の方法にはない高感度の定量イメージングが実現できると期待される。本研究は、X線光学の知識と、先端的なX線光源技術、微細加工技術、および情報処理技術を駆使し、さらにエラストグラフィなどの新たなコントラスト形成技術を融合することによって、まずは百nmよりも高い空間分解能で、高感度あるいは短露光時間の硬X線顕微鏡の実現を目指すものである。
平成24年度は、研究協力者とともに投影型X線Talbot位相差顕微鏡の開発を行った。まずはサブpmの光源サイズの実験室X線源によりX線Talbot差分顕微鏡によるFresnelホログラフィの実証実験を行った。プラスティック標準試料や、燃料電池内部に使用される可能性のある材料など実用的な観点から要望の高い試料を用いて描出性能の評価を行った。
平成24年7月1日に研究代表者が東京大学新領域創成科学研究科から東北大学多元物質科学研究所に移るなど、本研究課題申請時には予想できなかった事態が生じたが、当初の計画通り、三次元位相イメージングのための投影型X線ラミノグラフィ顕微鏡システムの開発(光源の開発、位相格子の開発、X線波動光学シミュレータの開発、ラミノグラフィ三次元再構成アルゴリズムの開発)に着手するまでに至ることができた。
本研究の成果は、2013年2月にRoyal Societyの主催で開催された国際ワークショップの招待講演、および2013年3月の日本物理学会、その他いくつかの出版物において発表された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

平成24年7月1日に研究代表者が東京大学新領域創成科学研究科から東北大学多元物質科学研究所に移ったことに伴い、引越、X線発生装置設置の届出、実験装置立ち上げ、その他研究室立ち上げに伴う庶務などに数ヶ月以上を要したため、当初計画していた実験をすべて行うことが困難であった。当初の計画項目に優先順位をつけることで対応した。

Strategy for Future Research Activity

投影型X線talbot位相差顕微鏡(三次元顕微ラミノグラフィ)の開発のさらなる推進を行う(光源の開発、位相格子の設計・開発、高速並列計算機による解析アルゴリズムの開発)。
設計・開発した複数の光源および位相格子により、実際に光学系を組み立てる。はじめは比較的大きい光源サイズ、長い波長、小さいラミノグラフィック角で、投影型X線ラミノグラフィシステムの実現可能性を明らかにする。本年度は、第一段階としてサブμm空間分解能の位相イメージングを目指す。
特に光源と光学素子については、リング状光源、およびリング状位相格子が不可欠である。リング状光源の実現方法として、電子ビームスキャン方式、リソグラフィによるターゲットパターニング方式、キャピラリー+リングスリット方式などを試みる。リング状位相格子については、多層膜+リソグラフィ方式、X線リソグラフィ用のマスク作製技術を応用した方式(フレキシブル位相格子)などを試みる。
ラミノグラフィ三次元再構成アルゴリズムのさらなる高度化も行う。大きなラミノグラフィック角および少ない投影数でも定量的な再構成ができるようにするため、本研究では統計的方法やコンプレスドセンシングなどの最新の情報処理技術を積極的に取り入れてアルゴリズムの改良を進めていく。
さらなる高空間分解能・高感度化の取り組みも開始する。すなわち、光源サイズを縮小することにより高空間分解能を目指すとともに、位相格子の周期を小さくすることにより、光学系のサイズを小さくする。さらにラミノグラフィック角を大きくすることにより、検出器の単位画素あたりに入射するフォトン数を増やすと同時に、大面積検出器が不要となるような光学系を目指す。
さらに、エラストグラフィなどの新たなコントラスト形成技術の融合によって、X線位相イメージングの感度の限界をさらに超える研究や、液体ターゲットの使用による大強度微小X線光源の実現を目指す研究など、萌芽的課題にも鋭意取り組んでいく。
これらの研究によって得られた成果は、学会発表(国内、海外)、学術雑誌への投稿はもちろん、インパクトの高い成果が得られた場合にはプレスリリースも積極的に検討する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

学術研究助成基金助成金の次年度使用額(9,266円)については、少額であったため、次年度の研究費と合算して物品費などに使用する計画である。

  • Research Products

    (17 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (11 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Theoretical aspect of x-ray phase microscopy with transmission gratings2012

    • Author(s)
      矢代航, 百生敦
    • Journal Title

      AIP Conf. Proc.

      Volume: 1466 Pages: 144-149

    • DOI

      http:/dx.doi.org/10.1063/1.4742283

  • [Journal Article] Evaluation of gratings for x-ray and neutron phase imaging techniques by using x-ray projection microscope2012

    • Author(s)
      南勝利, 他
    • Journal Title

      AIP Conf. Proc.

      Volume: 1466 Pages: 193-198

    • DOI

      10.1063/1.4742268

  • [Journal Article] Wavefront measurement for a hard-x-ray nanobeam using single-grating interferometry2012

    • Author(s)
      松山智至, 他
    • Journal Title

      Opt. Exp.

      Volume: 20 Pages: 24977-24986

    • DOI

      10.1364/OE.20.024977

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Coherent Nanobeam and Imaging2012

    • Author(s)
      矢代航
    • Journal Title

      KEK Report

      Volume: 2012-4 Pages: 12-14

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 実験室X線源と一枚の位相型回折格子による投影型X線顕微鏡の開発2013

    • Author(s)
      矢代航, 他
    • Organizer
      日本物理学会第68回年次大会
    • Place of Presentation
      東広島
    • Year and Date
      2013-03-28
  • [Presentation] x-ray phase microscopy with gratings2013

    • Author(s)
      矢代航
    • Organizer
      SATELLITE MEETING Real and reciprocal space X-rayimaging (The Royal Society)
    • Place of Presentation
      Chicheley, イギリス(招待講演)
    • Year and Date
      2013-02-13
  • [Presentation] A multiple-wavex-ray diffraction phenomenon and its application to surface crystallography2013

    • Author(s)
      矢代航
    • Organizer
      Symposium on Surface and Nano Science 2013(SSNS' 13)
    • Place of Presentation
      山形(招待講演)
    • Year and Date
      2013-01-17
  • [Presentation] X線多波回折現象を利用した位相計測-放射光照射効果のその場観察2013

    • Author(s)
      矢代航, 他
    • Organizer
      第26回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2013-01-12
  • [Presentation] High-Sensitive Hard-x-Ray Imaging Microscopy with Gratings and its Future Applications to Nano-Micro Materials2012

    • Author(s)
      矢代航, 他
    • Organizer
      The 13th RIES-Hokudai International Symposium(Joined with The 1st International Symposium of Nano-Macro Materials, Devices, and System Research Alliance Project)
    • Place of Presentation
      札幌
    • Year and Date
      2012-12-13
  • [Presentation] 回折格子を利用した投影型および結像型硬X線顕微鏡の開発2012

    • Author(s)
      矢代航, 他
    • Organizer
      第12回多元物質科学研究所研究発表会
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2012-12-10
  • [Presentation] X線多波回折現象を利用した位相計測とその応用一放射光照射効果のその場観察2012

    • Author(s)
      矢代航, 他
    • Organizer
      第32回表面科学学術講演会
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2012-11-21
  • [Presentation] 回折格子を利用した高感度X線顕微鏡の現状と将来展望2012

    • Author(s)
      矢代航, 百生敦
    • Organizer
      第53回高圧討論会
    • Place of Presentation
      豊中(招待講演)
    • Year and Date
      2012-11-07
  • [Presentation] In situ Phase Retrieval of X-ray Amplitude Reflectivity by Using Multiple x-ray Diffraction Phenomenon2012

    • Author(s)
      矢代航, 他
    • Organizer
      International workshop on 3D atomic imaging at nano-scale active sites in materials (3D-AINAS)
    • Place of Presentation
      柏
    • Year and Date
      2012-08-07
  • [Presentation] Talbot効果を利用した高感度X線位相差分顕微鏡2012

    • Author(s)
      矢代航, 他
    • Organizer
      多元物質とシンクロトロン放射光が紡ぎ出すイノベーション
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      2012-07-30
  • [Presentation] x-ray Phase Measurements for Analyzing Buried Interfaces - Recent Progress and Future Prospects2012

    • Author(s)
      矢代航
    • Organizer
      薄膜・多層膜の埋もれた界面の解析-高度な量子ビーム源による新しい研究の方向性
    • Place of Presentation
      つくば
    • Year and Date
      2012-06-27
  • [Book] X線物理学の基礎2012

    • Author(s)
      篠原佑也, 他
    • Total Pages
      460
    • Publisher
      講談社サイエンティフィック
  • [Remarks]

    • URL

      http://mm1.tagen.tohoku.ac.jp/

URL: 

Published: 2014-07-16  

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