高エネルギーX線用符号化開口を用いたコンプトン散乱X線イメージングの高度化

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H02103
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 群馬大学
• 研究代表者: 鈴木 宏輔 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (90580506)
• 研究分担者: 伊藤 直史 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (20223159) ; Varnava Maria 群馬大学, 重粒子線医学推進機構, 助教 (40913108) ; 田代 睦 群馬大学, 重粒子線医学推進機構, 教授 (60447274) ; 酒井 真理 群馬大学, 重粒子線医学推進機構, 助教 (70727338) ; 櫻井 浩 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (80251122)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 非破壊測定 / X線イメージンング / 符号化開口 / 放射光 / コンプトン散乱

研究実績の概要

蓄電デバイスの高性能化は、持続可能な社会の実現に不可欠であるが、蓄電デバイスの高性能化を妨げる要因として、デバイス内部でのイオン分布の偏りがある。本研究は、これまで申請者らが開発してきた高エネルギー放射光X線コンプトン散乱法による非破壊定量分析法に符号化開口イメージング技術を導入することで、実用蓄電デバイス内部の動的な構造変化やイオン分布の偏りを非破壊かつ高い空間分解能で測定し、定量的に解析することでイオン分布の発生要因を特定し、その抑制指針を得ることを目指している。
これまでに、LIGA微細加工技術を用いて高エネルギーX線用の符号化開口を作製した。作製した符号化開口は、3mm四方、厚さ0.25mmの金板上に直径0.025mmの開口を約500個備えた形状である。その後、作製した符号化開口をコンプトン散乱イメージングに適用した。測定されたコンプトン散乱X線パターンに対し逐次近似法による再構成処理を施すことで点光源の再構成像と大学のロゴマークの再構成画像の測定に成功した。本イメージング手法の特徴は、エネルギー分散型二次元検出器を使用することにあり、本検出器を用いることで、X線が照射されている領域の断層画像の測定と同時に、二次元検出器を構成する受光素子ごとにX線のエネルギースペクトルが得られることである。そこで2023年度は測定によって得られるエネルギースペクトルを解析することで試料を構成する元素を識別した再構成画像が得られるかを検証した。具体的には、銅製試料、アルミニウム製試料、アクリル製試料から測定したエネルギースペクトルにおいてコンプトン散乱強度と弾性散乱強度比を計算し再構成画像を求めた。その結果、試料の材質により再構成画像のピーク強度が異なり元素識別した再構成画像が得られることがわかった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2023年度は定量的な再構成画像が得られるかを検証するため、材質の異なる試料から得られるエネルギースペクトルに着目した。試料の材質は、銅、アルミニウム、アクリルの三種類である。得られたエネルギースペクトルを比較した結果、元素によりコンプトン散乱X線エネルギースペクトルの形状が変化するとともに、弾性散乱強度が明確に変化することがわかった。そこでコンプトン散乱強度と弾性散乱強度比を計算し再構成画像を求めることで元素識別した再構成画像が得られた。
以上より研究は概ね順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

2023年度は、単一の材質で作製した試料の測定を行い元素識別した再構成画像の取得を行った。
今後は、異なる元素が隣り合う試料や、単一の物質の中に異なる物質が点在するような試料を測定対象とし元素識別画像が得られるかを検証するとともに、粒子線シミュレーションを行うことで高精細な再構成画像を得るための実験条件の明確化を行うことを考えている。

研究成果

• [国際共同研究] Northeastern University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Northeastern University
• [国際共同研究] LUT University(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: LUT University
• [国際共同研究] University of Oxford/Imperial College London(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Oxford/Imperial College London
• [雑誌論文] Compton scattering study of strong orbital delocalization in a LiNiO2 cathode (2024)
  • 著者名/発表者名: V. N. Kothalawala, K. Suzuki, J. Nokelainen, A. Hyvonen, I. Makkonen, B. Barbiellini, H. Hafiz, P. Tynjala, P. Laine, J. Valikangas, T. Hu, U. Lassi, K. Takano, N. Tsuji, Y. Amada, A. A. S. Devi, M. Alatalo, Y. Sakurai, H. Sakurai, A. Bansil
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 109 ページ: 035139
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.109.035139
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Determining effects of doping lithium nickel oxide with tungsten using Compton scattering (2024)
  • 著者名/発表者名: V. N. Kothalawala, K. Suzuki, X. Li, B. Barbiellini, J. Nokelainen, I. Makkonen, R. Ferragut, P. Tynjala, P. Laine, J. Valikangas, T. Hu, U. Lassi, K. Takano, N. Tsuji, Y. Amada, A. A. S. Devi, M. Alatalo, Y. Sakurai, H. Sakurai, M. Babar, V. Vishwanathan, H. Hafiz, A. Bansil
  • 雑誌名: APL Energy 巻: 2 ページ: 026102
  • DOI: 10.1063/5.0193527
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 測定効率の増大を目的とした符号化開口コンプトン散乱イメージング法の開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 鈴木宏輔，安東智也，譚境良，伊藤直史，櫻井浩，辻成希，小泉昭久，林雄二郎，矢橋牧名，酒井真理，Varnave Maria，田代睦
  • 学会等名: 第37回日本放射光学会年会放射光科学合同シンポジウム
• [学会発表] 符号化開口コンプトン散乱イメージングによる 元素識別イメージングの可能性の検討 (2024)
  • 著者名/発表者名: 鈴木宏輔，安東智也，譚境良，伊藤直史，櫻井浩，辻成希，小泉昭久，林雄二郎，矢橋牧名，酒井真理，Varnave Maria，田代睦
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Coded aperture imaging using 100 keV synchrotron radiation X-rays (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki, T. Ando, J. Tan, T. Ito, H. Sakurai, N. Tsuji, A. Koizumi, Y. Hayashi, M. Yabashi, M. Sakai, M. Varnava, M. Tashiro
  • 学会等名: 26th International Conference on Ion Bean Analysis & 18th International Conference on Particle Induced X-ray Emission
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a coded aperture for high-energy synchrotron X-ray Compton scattering imaging (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Suzuki
  • 学会等名: 4th International Conference on Optics, Photonics and Lasers
  • 国際学会