X 線マイクロトモグラフィー
X-ray Micro- and Nano-tomography Techniques and Their Applications
戸田裕之ａ，小林正和ａ，鈴木芳生ｂ，竹内晃久ｂ，上杉健太朗ｂ

Hiroyuki Toda, Masakazu Kobayashi, Yoshio Suzuki, Akihisa Takeuchi and Kentaro Uesugiａ

豊橋技術科学大学生産システム工学系ｂ

要

旨

高輝度光科学研究センター

シンクロトロン放射光による高分解能 X 線トモグラフィーを念頭に，X 線の吸収や屈折を利用する X 線イメージングの基礎的な事項，
三次元画像再構成の原理，画像の S/N 比などについて詳述する．また，第三世代の大型放射光施設である SPring-8 で現在利用できる X 線トモグラフィーのセットアップについて，検出器やシンチレーターの特性も含めて紹介する．これらに加え，筆者らの研究
事例など，各種応用研究の現状についても簡潔に触れる．本稿では，高い空間分解能が応用研究の鍵となることに鑑み，空間分解能を本質的に規定するサンプリングの考え方をはじめ，結像光学のための光学素子，検出器系やその他の各種因子など，様々な観点から空間分解能を考えていく．これは，X 線の上流から下流に至る様々な因子が複雑に重畳し，X 線トモグラフィーで得られる
画像の空間分解能が規定されるためである．

キーワード：トモグラフィー，X 線，シンクロトロン放射光，歪計測，元素分析

1.

はじめに

2.

X 線吸収によるイメージング

トモグラフィー（Computed tomography, CT）という技術は，

SR 施設では，一般に単色光が利用される．二結晶分光器

X 線吸収係数分布の三次元（3D）分布を計測する手法に端の場合には，エネルギー分解能 ΔE（ ：X 線エネル
ΔE/E ≈ 10−4（Eを発する．CT のうち，高分解能なものをマイクロトモグラ

ギー）程度，多層膜の場合には ΔE
ΔE/E ≈ 10−2 程度が得られる．

フィー，ナノトモグラフィーと称している．これらの実験は，

厚み l の均一な物体に強度 I0 の単色 X 線が入射した時の透X 線管球を用いたラボスケールの装置，もしくはシンクロト

過 X 線強度 I(l) は，Lambert-Beer 則により以下のように与ロン放射光（SR）施設を使って行われる．特に，後者は X

えられる．

線の輝度，単色性，発散角などからマイクロ・ナノ CT には

ρ

− l
− m l
I(l) = I0e−μ= I0e−μ最適と言える．現在では，分解能 1 μm 程度の投影型 CT1）と並び，100 nm オーダーの最高分解能を有する結像型 CT2,3）も利用されている．
近年，TEM-CT，連続断層撮影，中性子 CT など，3D 可視化手法の利用が進んでいる．これらの手法と比べ，X 線（1）

ここで，μm は質量吸収係数，ρ は物質の密度，μ は線吸収係数である．μ は，E に依存する係数で，マイクロ CT に通常用いられる波長域では光電吸収が支配的になり，近似的には以下のように物質と X 線の波長に依存する．

CT は 4D 観察（時間発展挙動の 3D 連続観察）にも容易に

μ = kρZ
ρZαλα−1

展開でき，また高度な可視定量化が可能な点で優れている．

（2）

後者の例として，結晶粒界位置，き裂進展駆動力，力学的歪ここで，α ≈ 4，ρ は密度，Z は原子番号，λ は波長，k はみや元素濃度などが挙げられる．これらをバルク材料内部で定数である．E が 5 keV 以上の X 線では，Z の小さな物質の高密度に 3D/4D 計測することが可能になっている．このよ吸収コントラストは，非常に小さくなる．

うに情報に富む画像やデータを用い，材料工学，地球宇宙科
学，生命医工学などで，複雑で局所的な現象の理解に成果を3.

収めつつある．

一般に，X 線の複素屈折率 n̂ は，以下のように表される．

ａ〒 441–8580 愛知県豊橋市天伯町雲雀ヶ丘 1–1
TEL: 0532–44–6697; FAX: 0532–44–6690
E-mail: toda@pse.tut.ac.jp
2009 年 5 月 13 日受付

講座

X 線マイクロトモグラフィー

X 線の屈折によるぼやけと輪郭強調n̂ = 1 − δ + iβiβ（3）

δ = NaZ/Aρe2λ2/(2πm
π ec2)（4）β = μλ/4
λ π

（5）

199

【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

ここで，NNa はアボガドロ数，A は質量数，ρ は密度，e2/(mec2) は古典電子半径である．実部 1−δ は屈折や位相差を，4.

そして虚部 β は X 線の減衰を表す．多くの物質で Z/
Z/A ≈ 0.5

X 線 CT では，所望する空間分解能を得られるよう，試料

サンプリングと分解能であり，δ は極めて小さい値をとる．X 線では n̂ がほぼ 1 で内の各方向について十分短い周期でサンプリングを行う必要あり，屈折は非常に小さい．それでも図 1 に示すように，硬がある．逆に言えば，サンプリング周波数 1/Δ/ r（Δr：画素サ

X 線の領域では δ の方が β より桁違いに大きいため，吸収係

イズ）の半分の周波数（ナイキスト周波数）が分解能を規定数差によるコントラスト（吸収コントラスト）が充分に得らし，これを越える周波数成分は評価出来ない．一般に，透過れない場合，屈折／位相コントラストの活用が有効となる．

力が高い X 線 CT では，TEM-CT の場合に典型的に見られ屈折コントラストでは，特殊なセットアップを用いずとも，る特定の角度範囲のデータ欠損が生じないのが普通である．

試料―検出器間隔 L の調整で界面に白黒濃淡のフリンジが代表的なセットアップ例である図 3 に示すように，X 線の照現れ（いわゆるフレネル回折条件），界面が強調される．試

射方向に垂直な回転軸を置く．これを中心に試料を 180° 回

料中のミクロ構造のサイズを Dm とすると，L << Dm2/λ の時

転させながら平面画像検出器を用いた多数回の透過像連続撮に は 界 面 検 出 に 利 用 で き る 程 度 に フ リ ン ジ が 抑 制 さ れ，像を行う．したがって，上記の回転軸に対応する円筒座標（r,L ≈ Dm2/λ ではホログラフィー領域となる4）．たとえば，E がϕ, z）で，r，z 方向には画素サイズを，また ϕ 方向について

20 keV（λ = 0.062 nm）で Dm = 5 μm の場合，L ≈ 0.4 m となる．

は回転ステップを，それぞれサンプリング定理6）を満たすよ

前者の場合に生じるフリンジの幅は，第 1 フレネルゾーンサ

う決定することになる．

イズ rFZ により評価できる5）．
––rFZ = √λλL

（6）

界面への入射角が比較的浅い場合は偏向角が大きくなり，
フリンジが明瞭に現れる．図 2 は，20 keV の X 線を用い，アルミニウム中に分散したシリコン（原子番号差が最小で，吸収では区別できない）を L を変化させながら可視化した例である．この図で Si がきれいに可視化できる L = 30 mm
では，rFZ ≈ 1.4 μm である．この場合，rFZ が分解能程度になる L = 20 ～ 30 mm 辺りが適切な条件であり，図 2 でも Dm
が数 μm 以上の構造に対して輪郭強調による界面検出が出来ている．このような界面での屈折に加え，X 線源の見込み角の効果が重畳する．例えば，Ⅹ線源の実効的な大きさを500 μm，線源―試料間距離を 50 m とすれば，見込み角は
10 μrad となり，L = 30 mm に対し約 0.3 μm となる．なお，フリンジが現れる条件では，線吸収係数の定量性が損なわれる点には充分に注意すべきである．

図1200

アルミニウムにおける位相と吸収の効果の比較

図 2 試料―検出器間隔を変化させた時の仮想断面像の変化（Al-7%Si 合金）

図 3 （a）投影型 CT および（b）結像型 CT の代表的セットアップ例．（b）ではゾーンプレートを用いたものを示している．

顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

例えば，視野幅 D で 180° 回転中に M 投影する撮像では，視野端部において，ϕ 方向で理想的には空間分解能：d = πD
πD/
M となる．水平方向 N 画素の検出器で計測すると，r 方向で
2D/N となる．多くの場合，検出器の選択は，理想的に d = 2D

{

}

x
1
q(r,ϕ) = ∫ −xh(r − t) ― p(t,ϕ) dtt
−
2

（8）

1 2π
μ(x
( ,y
, ) = ―∫ −00qϕ(x
( ,y
, )dϕ
2π

（9）

肢はそれほど多くはない．そこで，もし視野内の全領域で等なお，qϕ(x( ,y, ) は，q(r,ϕ) を全体座標系に再変換したもので方的な分解能を得たいなら，投影数は M = πN
πN/2 となる．たある．図 5 に示す Ramp フィルターは，ナイキスト周波数以

だし，実際には光源から検出器に至るまでの様々な因子がこ上を不連続に切り落とす形でカットオフするため，周波数領れに重畳し，実効的な分解能が決定される．これについては域での振動をもたらす．このため，画像に擬似輪郭が生じる．

後述する．

また，高周波成分としてフーリエ空間に現れる統計ノイズをも強調してしまう．これを防止するため，一般には何らかの

5.

画像再構成

窓関数 H(f(f)（（f：周波数）を導入する．代表的な窓関数であCT は，「2D あるいは 3D の物体は，その投影データの無限集合から一意に再構成できる」との定理による．原理的には，フーリエ空間のデータを 2D 逆フーリエ変換することで画像再構成できる．しかし，この方法では離散的な投影デー
タを補間する際に発生する誤差によりアーティファクト（虚る Shepp-Logan および Hann を次式に示す．
πf/fc)
2fcsin(πf2f( < fc)(f
H(f) = ―
H(
π
πf

(

)

f
f
H((f) = ― 1 + cos π ― ((f < fc)
H
2
fc

（10）
（11）

像）が生じてしまう．そこで，一般的には下記に紹介するよここで，fc はカットオフ周波数で，fc 以上で H(f(f) = 0 となる．

うなフィルター補正逆投影法が用いられる．化学組成や密度

これらは，いずれも空間周波数領域ではバタフライ型を呈し，の分布がある物体を考え，その内部の位置（x（ ,y, ）における

空間領域では正の δ 関数の両側に負の裾野を持つような形と線吸収係数を μ(x( ,y, ) とする．X 線をある方向 ϕ から入射したなる．一般に，空間分解能とアーティファクトやノイズはト場合の投影 p(r,ϕ) は，ビームに沿った線積分で与えられる．

レードオフの関係にあり，窓関数の選択には注意を要する．
観察や解析の対象となるミクロ構造が既知である場合，その

∞

( ,y
, )ds
p(r,ϕ) = ∫ −∞ μ(x∞= ∫ −∞ μ(u cos ϕ − s sin ϕ, u sin ϕ + s cos ϕ)ds

周波数特性に合わせた窓関数がふさわしいと言える．筆者ら（7）は，通常中間的な周波数を強調する Hann フィルターを用い

ここで，全体座標（x（ ,y, ）を角度 ϕ だけ回転した局所直交ている．現実には，多分に経験的ないしブラックボックス的座標系（u,s）（図 4）を用いている．これをそのまま逆投影に扱われることが多い様に思う．

した場合，1 /|f| に従うフィルターを作用させることになり，

ところで，X 線 CT では，大きな試料の一部分（関心領域）

画像がボケてしまう．これを補正するには，|f| に比例したのみを実現可能な最高分解能で撮像したいというニーズが大フィルター（図 5 の Ramp フィルター）を畳み込むことが第きい．これは，TEM-CT 等と比較して分解能上の制約が大一義となる．これは，実は極座標系から直交座標系へ変数変きいことと，分解能―視野幅のトレードオフ（分解能を高く換する時に現れるヤコビアンに過ぎない．次式に，逆投影手

すると，観察できる試料サイズが小さくなること）に起因す順を示す．

る．たとえば，前述の結像 CT では，視野幅が 100 μm 以下に制限される場合もある．このような場合に有効な関心領域
再構成法が提案されている7,8）．

図4

講座

全体座標系とビームに沿う局所座標系

X 線マイクロトモグラフィー

図5

一般的な各種再構成フィルター

201【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

効果を有する．SN 比の優れた検出器は，読み出しノイズや6.

画像の統計的不確定性

暗電流が低いものと言える．また，ビニング（複数画素の加6.1

フォトンノイズと光量の関係

算）処理は，画素あたりのフォトン数を向上させ，かつ読み

X 線 CT の計測における統計的不確定性は，計測されるフォ

出し回数削減による読み出しノイズ低減やフレームレート向

トン数が有限であることに起因し，画像中にノイズとなって上にもつながる．通常 2 × 2 などと表示されるが，これは水表れる．このようなフォトンノイズは，n 個のフォトンを計

平垂直の合計 4 画素を積算することを意味する．

–

–

–

測する場合には √n で表される．また，SN 比は，n/√n = √n

CCD におけるダイナミックレンジは，飽和電荷量と読みσ/μとなる．Flannery は，フォトンノイズが支配的な場合に σ/

出しノイズの比で定義される．飽和電荷量は，CCD のピク

σ/μ は NS 比）で画像の精度（σ：ノイズの標準偏差．つまり σ/

セルサイズによってほぼ決まる．飽和電荷量が大きく，読みを再構成するため，各透過像撮影に必要なフォトン数 nP を出しノイズが小さな CCD はダイナミックレンジが広く，試示している9）．
μ
D4eμD
―
2
np∝ 4
Δr μD(σ/μ)

料中の局所的な X 線吸収の差が非常に大きい場合であって

[

（12）

]

これより，画像の精度は nP の平方根に比例することがわ
σ/μ を保ちながら Δr を小さくして分解能かる．また，精度 σ/も，定量性を担保した計測が可能になる．例えば，後述の
C4880-41S では，飽和電荷量 13,000e- に対し読み出しノイズ
15e-（Fast モード）でその比は 867:1 となる．これを，12 bitの A/D コンバーターで変換している．

−4を上げようとすると，Δr に比例して nP を大きくする必要がある．
ところで，均一な線吸収係数分布を仮定すると，（12）式
μ = 29,10）ないし 2.2211）の場合に極値をとる．この条件で，
は μD

7.

X 線 CT 装置

7.1

SPring-8 での現状

マイクロ・ナノトモグラフィーは，主としてビームライン

SN 比一定なら最小の露光時間で済み，nP 一定なら SN 比がBL20B2，BL20XU，BL47XU で行われている．偏向電磁石

最高となる．式（1）より，この条件は I/
I/I0 = 11 ～ 14（％）のビームラインである BL20B2 では，到達可能空間分解能がに相当する．式（2）のように μ は λ に依存し，実用的には

10 μm 程度に制約されるが，幅 20 mm 以上におよぶ高画質

10 ～ 20％程度の透過率が得られるよう λ を調整することにな CT 像を得ることができる．一方，挿入光源を用いたビーなる．例えば，透過厚さ 1 mm 程度の純アルミニウム試料に

ムライン（BL20XU，BL47XU）では，1 μm 程度の空間分解

対して，この条件は X 線エネルギー 14 ～ 16 keV に相当する．

能を持つ投影型 CT（視野幅最大 2 mm）に加え，フレネルゾー

著者らは，Zn，Cu，Fe 等を数％程度含むアルミニウム合金に，ンプレート（FZP）と呼ばれる回折光学素子を利用した結像

通常 20 keV 程度を用いている．また，次節で述べる検出器型高分解能 CT（ナノトモグラフィー）が利用されている．

μ の値は上記より小さくなのノイズが無視できない場合，μD
り，より大きな透過が必要な事には注意が必要である．
6.2

検出器から出るノイズの寄与

図 3（a）の投影型 CT の場合，発光点から 36 ～ 46 m の位置に設置された二結晶分光器で単色化された X 線は，そのまま回転ステージ上に設置された試料を透過し，検出器に入検出器から出力される画像には，その他，読み出しノイズ，る．検出器前面にはシンチレーターがセットされており，X

ダークノイズ等が含まれる．ダークノイズは，シリコン内部

線を可視光に変換する．発生した可視光は光学レンズで拡大で熱的に励起されて発生する熱電子の数に応じて発生するたされ，ミラーで 90° 方向に反射されたあと，CCD カメラにめ，暗電流の平方根に比例する．暗電流は，素子の冷却によ入射する．この場合の分解能は，基本的に可視光に対するレり低減できるため，SPring-8 でもペルチェ素子により −50°C

λ/NA，NA は開口数），シンチレーター
イリーの回折限界（0.61λ/まで冷却できる CCD が用いられている．

の分解能，（6）式で表わされる X 線の回折で規定され，最読み出しノイズ，ダークノイズをそれぞれ Nr，Nd とし，フォトンフラックスを ICCD(photons/pixel/s)，露光時間を τ(s)，検高で，おおよそ 1 μm 程度となる．前二者については（16）式で後述する．

出器の量子効率（検出されるフォトンの数を入射光のフォト

また，ナノ CT を実現する方法として，二枚の集光ミラー

ン数で割ったもの）を η，暗電流値を id とすると，トータルで構成する Kirkpatrick-Baez 光学系，および FZP を用いる結のノイズ Nt は（13）式で，また SN 比 SNR は（14）式で表像光学系（図 3（b））が代表的である3）．SPring-8 では，後される．

者のセットアップが欧米に先駆けて公開され，大きな成果を
–
–
–
–

––
–
–
–
–

Nt = √n + Nd2 + Nr2 = √ ICCDητ + idτ + Nr2
ICCDητ
–––––SNR =―(ICCDητ + idτ + Nr2
√(I

（13）
（14）

（14）式より，光量不足の場合には読み出しノイズの寄与が相対的に大きくなり，SN 比が低下することが分かる．この場合には，フォトンフラックスと露光時間の増加が等価な202

生みつつある．FZP は，格子間隔が外側に行くほど徐々に狭くなる円盤状の回折格子である．m 次の回折光について，その分解能 dFZP は，最も外側の格子線幅 ΔrrN により（15）式で表わされる．
dFZP = 1.22ΔrrN/m（15）

本 報 で 示 す 例 で は，Δr
ΔrN = 100 nm の FZP を 用 い て お り，
顕微鏡 Vol. 44, No. 3（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

一 次 光 に 対 し dFZP = 122 nm で あ る． ま た， 焦 点 深 度

9.8 keV で行った．この場合の X 線顕微鏡としての倍率はΔff(= dFZPP/NA) は 280 μm 程度となり，試料サイズも物理的にΔ

49.3 倍，3D 画像の画素サイズは 88 nm となっている．このこの程度に制約される．最近では，低効率や焦点深度などのセットアップで，テストパターンの 180 ～ 240 nm のライン問題はあるものの，ΔrrN = 35 ～ 50 nm の FZP も製作されてが透過像で分解できている13）．また，このエネルギー領域でいる．FZP の一次光に対する効率が 5 keV 程度でピークをもの FZP の回折効率は 10 ～ 15％程度であることから，より多つことから，X 線エネルギーは概ね 10 keV 以下に限られる．

くの光量を得るために照明系も鍵となる．いずれの例も比較

一般に 20 keV 程度までは可能であるが，低効率，低倍率な的初期のもので，図 3 のようなケーラー照明と呼ばれる集光

どの問題が生じる．

照明系ではなく，平行照明を利用している．図 3 には集光照

図 6 は，産業用 CT 装置も含め，各種セットアップで撮像

明系に円形の回折格子型コンデンサプレートが描かれているした Al-Zn-Mg 系合金発泡材のミクロ組織である12）．いずれ

が，これには X 線強度の中央部への局所的集中という問題

も 3D 像の仮想断面を示している．アンジュレーター（挿入がある．その対策として，多角形コンデンサプレートが開発

光源の一種）ビームラインでの撮像により，図 6（c）のよされ，約 100 μm の領域で均一な照明が実現されている14）．

うに投影型 CT でも明瞭な内部のミクロ組織像が得られてい7.2

現在利用できる可視光変換型検出器

る．図 6（d）に示す結像型 CT では，さらに詳細に，微細著者らがよく用いる検出器を例に説明する．浜松ホトニク

な分散粒子や時効析出物のようなミクロ構造が鮮明に可視化

ス製 C4880-41S カメラは，4000 × 2624 画素，ピクセルサイ

できる．図 7 は，結像型 CT により Al-10mass%Ag 合金中のズ 5.9 μm で，背面照射タイプである．この検出器は，図 813）γ-Ag2Al 析出物を観察したものである ．(0001)γ //(111)α-Al ののように量子効率が入射光 460 nm（青色）の時に最大で約方位関係を持って析出する板状粒子（厚み 200 ～ 700 nm）

ダー
50％，また 420 ～ 550 nm で 40％以上となっている．また，が明瞭に観察される．撮像は，BL47XU で X 線エネルギー

クノイズは −50°C 程度までの冷却により 1e-/s に抑えられている．ESRF（ヨーロッパ放射光施設）製の FReLoN2000 カ
メラ15）のように，500 ～ 800 nm 程度の範囲（緑～赤）で高感度な検出器もある．一般的に，正面照射では透明電極が光学的にはフィルターとして作用し，量子効率と紫外光に対する感度が低下する．一方，背面照射の場合には，高い量子効率が広い波長範囲で実現される．CCD の量子効率の波長依存性を元に，用いるシンチレーターを選定することが必要になる．
現在，SPring-8 で用いられるシンチレーターは，Gd2O2S:
Tb+(P43) 粉末を積層したもの，ないしは Lu2SiO5:Ce+(LSO)
単結晶をカーボン基板に接着したもので，必要な分解能などに応じて使い分けられる．Ce や Eu，Tb のドーピングは，発光効率向上と，CCD カメラで撮影できるような波長で発光するようバンドギャップを制御する効果がある．図 8 に

図 6 産業用 CT 装置，および放射光による投影型／結像型
CT を用いて撮像した Al-Zn-Mg 系合金発泡材のミクロ構造．
図中には，線源，画素サイズを付記した．（b）は SPring-8 の
BL20B2，（c），（d）は同じく BL47XU で撮像した．

示すように，前述の C4880-41S は，LSO の青色発光特性とよくマッチしている15）．また，FReLoN カメラは，Lu3Al5O12:
Eu+(LAG) と組み合わせて用いられる15）．
シンチレーターとして重要な特性は，X 線の阻止能，空間分解能，変換効率，発生光波長の CCD とのマッチング，減衰時間，発光と入射 X 線フラックスの線形性，可視光に対する透明性などである15）．LSO は，YAG や LAG，P43 などと比べて高密度で有効原子番号も大きく，阻止能に優れている．また，空間分解能は，厚み，蛍光 X 線の発生などによって規定される．次式は，検出器系の分解能 ddet についてのシ
ミュレーション結果を定式化したものである16）．
/ )2 + (Cls NA)2]1/2
ddet = [(B/NA（16）

ここで，B = 0.18，C = 0.075，ls はシンチレーターの厚みである．第一項は回折，第二項は焦点深度に関する．ls ≦図7

結像型 CT を用いて撮像した Al-Ag 合金の γ-Ag2Al 析出物講座

X 線マイクロトモグラフィー

10 μm かつ NA > 0.2 の場合に，1 μm 以下の分解能となるこ
203【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

では，き裂進展挙動17 ～ 22）やデンドライトの成長23），高温での粒子やポアのオストワルド成長24），塑性加工中の微視欠陥の消滅と再発生25） など，様々な現象がその場観察され，有意義な成果が生まれつつある．また，4D 画像内部に見られる分散粒子やミクロポアなどのミクロ組織特徴点を外乱下で追跡することにより，き裂進展駆動力18,19,21,22）や歪20,25,26），変位などの様々な力学量が 4D でマッピングされている．この時利用されるミクロ組織特徴点は，典型的な撮像域の体積である 0.2 mm3 あたり，数千～数万点にもおよぶ．高精度でエラーのない追跡のための手法開発も精力的に行われ25,26），高密度な 4D マッピングが実現されている．これは現在，不透明な材料内部で，き裂進展駆動力や歪などを計測する唯一の手法と言える．この応用として，多結晶材料で粒界粒子を追跡することによる結晶粒追跡法も報告されている27）．筆者らは，3D-X 線回折との組み合わせによる 3D 結晶方位解析法
図8

シンチレーター物質と検出器の組み合わせを開発中である．また，3D 画像を用いたイメージベースシ
ミュレーション20,28）も X 線 CT の重要な応用例と思われるが，とが示されている．このように，現在利用されているいくつ

4D 歪マッピングは，これを直接かつ精密に比較検証できる

かのシンチレーターでは，分解能は可視光の回折限界の水準

唯一の実験手法という点でも非常に重要である．

に達している．シンチレーターの特性が問題となるのは，高この他，特定元素で X 線吸収端の直上と直下で得た画像

時間分解能を必要とする場合である．その場合，明るい発光

を画素差分する元素濃度 3D/4D マッピングも試みられておと迅速な減衰が必要になる．減衰時間の短縮には複数のドーり29），ミクロ組織の空間的な不均一性，およびその破壊へのパントの使用が，また発光効率に関しては，等方的に放射さ影響評価などに活用されている．

れる可視光を一方向に集光する構造化シンチレーターの試み
が，それぞれ報告されている15）．
7.3

分解能に影響する他の因子

9. まとめX 線マイクロ・ナノトモグラフィーの基礎と現状について

X 線 CT で得られる 3D 画像の空間分解能を左右する他の概説した．現在，30 nm 程度までの高分解能化，1 s/scan ま

要因として，ビームやステージの安定性，ステージの動作精での超高速化が模索されており，今後，その有用性はますま度，熱ドリフトを含む試験片の相対的ドリフト，各種アーティ

す向上すると期待される．
同手法は，それでも TEM や SEM と比べて決して分解能ファクトなどが挙げられる．
SPring-8 では，一定の蓄積電流を実現するトップアップ運に優れるわけではない．しかし，得られる 3D 情報は極めて転が 2004 年 5 月から導入された．ビーム入射は頻繁に行わ

Information-rich であり，何物にも代えがたいものがある．

れるものの，その時の蓄積ビームの振動はわずかである．まSPring-8 でも，X 線光学，医学・生命，地球・宇宙物理学，た，分光結晶の冷却を液体窒素による間接冷却方式とし，ビー

材料科学，産業技術など多岐にわたる分野の研究者が集まっ

ムドリフトを最小限に抑えている．これらにより，1 回の計て研究会活動が始まるなど30），数年前からこの分野の活性化

測中，あるいは多数回連続撮像する場合にも，X 線の輝度変が見られる．今後，この技術を 4D 観察に拡張すれば，物質・化は無視できるレベルであり，安定した撮像が可能となって生命内部のナノ～マクロ構造を通して複雑かつ動的な現象のいる．

解明にダイナミックにアプローチできると考えられる．そのX 線 CT では，回転ステージの精度も時として分解能を大ためにも，実在する物質・生命の複雑な形態をこれまでの理

きく左右する．この対策として，エアベアリングやスライド論に取り込む科学と技術のインターフェース作りが必要と考ガイド式の回転ステージが用いられ，最高で回転ぶれ精度えている．3D・4D 観察に基づく確度の高い実証性とそれと1）±70 nm/360° が実現されている ．これは，現行の結像型 CT

体系的に整合する実画像ベースの論理的推論を十分に活用すに対しても充分な値と言える．

れば，X 線マイクロ・ナノトモグラフィーが単なる可視化ツー
ルのレベルを超え，3D・4D サイエンスとも言うべき新しい

8.

応用例

学術領域の核となり得ると確信する．

冒頭にも述べたように，X 線 CT は 4D 観察への発展性に大きなメリットがある．ESRF では，輝度に優れた白色 X 線
を利用し，これに 60 frames/s の高速度カメラを組み合わせることで，数十 s/scan の高速撮像を実現している．4D 観察
204

文

献

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