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シングルショットX線タイコグラフィによる放射光動画撮像の革新

研究課題

研究課題/領域番号 20K20523
研究種目

挑戦的研究(開拓)

配分区分基金
審査区分 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
研究機関東北大学

研究代表者

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)

研究期間 (年度) 2020-07-30 – 2023-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (2022年度)
配分額 *注記
25,740千円 (直接経費: 19,800千円、間接経費: 5,940千円)
2023年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2022年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
2021年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2020年度: 8,190千円 (直接経費: 6,300千円、間接経費: 1,890千円)
キーワード放射光 / コヒーレント回折イメージング / 位相回復 / X線 / 可視化
研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] 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

    • 著者名/発表者名
      高澤 駿太郎, 姜 正敏, 阿部 真樹, 上松 英司, 石黒 志, 高橋 幸生
    • 雑誌名

      光学

      巻: 51 ページ: 272-272

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Demonstration of single-frame coherent X-ray diffraction imaging using triangular aperture: Towards dynamic nanoimaging of extended objects2021

    • 著者名/発表者名
      Takazawa Shuntaro、Kang Jungmin、Abe Masaki、Uematsu Hideshi、Ishiguro Nozomu、Takahashi Yukio
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 29 号: 10 ページ: 14394-14394

    • DOI

      10.1364/oe.419998

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Single-frame coherent diffraction imaging of extended objects using triangular aperture2021

    • 著者名/発表者名
      Kang Jungmin、Takazawa Shuntaro、Ishiguro Nozomu、Takahashi Yukio
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 29 号: 2 ページ: 1441-1453

    • DOI

      10.1364/oe.414341

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      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
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      高澤駿太郎、姜正敏、阿部真樹、上松英司、石黒志、高橋幸生
    • 学会等名
      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
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Single-frame coherent X-ray diffraction imaging using triangular aperture2022

    • 著者名/発表者名
      Shuntaro Takazawa, Jungmin Kang, Masaki Abe, Hideshi Uematsu, Nozomu Ishiguro, Yukio Takahashi
    • 学会等名
      14 th International Conference on Synchrotron Radiation Instrumentation(SRI2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      高澤駿太郎、姜正敏、阿部真樹、上松英司、石黒志、高橋幸生
    • 学会等名
      Optics & Photonics Japan 2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Proposal and experimental demonstration of single-frame coherent X-ray diffraction imaging using triangular aperture2021

    • 著者名/発表者名
      Jungmin Kang, Shuntaro Takazawa, Masaki Abe, Hideshi Uematsu, Nozomu Ishiguro, Yukio Takahashi
    • 学会等名
      The Korean Physical Society 2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      高澤駿太郎、姜正敏、阿部真樹、上松英司、石黒志、高橋幸生
    • 学会等名
      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
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      高橋幸生
    • 学会等名
      ISSP Workshop 2021
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [備考]

    • URL

      http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/takahashi-y/html/index.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/takahashi-y/html/index.html

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [備考]

    • URL

      http://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/takahashi-y/html/index.html

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2020-08-03   更新日: 2023-12-25  

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