■第 2 回放射光科学賞受賞研究報告
X 線計測技術と放射光 X 線産業利用による放射光科学への貢献
雨宮慶幸
1.

（東京大学

新領域創成科学研究科）

はじめに

エネルギーを一旦着色中心に変換し，その着色中心をレー放射光源の高輝度化に伴い，それまで不可能であった研ザー光で励起して蛍光（＝輝尽性蛍光）を放出させる蛍光究が可能になる。しかし，そのためには，光源性能を最大フィルムである。医用に開発されたフィルムであるが，定限に利用できる光学系と検出器の開発が必須である。すな

量性を有する放射光実験にも使えるかも知れないと考え，わ ち ， 光 源 （ Kogen ）， 光 学 系 （ Kougakukei ）， 検 出 器

その性能評価を行うことにした。感度，ダイナミックレン（Kenshutsuki）の 3K は放射光科学における三種の神器でジ，直線性，不均一性，フェーデング効果等々を調べ，そあると考えている。私はこれまで，小角 X 線散乱実験の結果に基づき，放射光実験に最適化された性能を有する（ SAXS ）において，光源性能を最大限に活用するためにイメージングレートの読み取り装置を開発した1,2) 。その必要な X 線計測技術（ X 線光学系及び X 線検出器）の開後，民間企業で製作された読み取り装置も含めて，イメー発を行ってきた。また，それらを用いて種々の応用研究を

ジングレートが広く放射光実験で用いられるようになっ展開してきた。本稿では， X 線計測技術としては X 線検た。放射光実験用 IP 読み取り装置を開発するに当たり，出器の開発に関して，応用研究としては小角 X 線散乱実最も重要であったことは， IP のような積分型検出器の感験の産業利用に関して，その概要を述べる。

度をどのように定量的に評価するかという問題であった。
パルス型の場合は，感度は，検出光子数/入射光子数，で2.

放射光用 X 線検出器に求められる性能とイメージ
ングプレート簡単に定義できる。しかし，積分型検出器では検出された

放射光実験用 X 線検出器に最も求められる性能は， 1 )量子効率（DQE: Detective Quantum E‹ciency）と呼ばれ入射する X 線光子を一個一個確実にカウントできる高感光子の個数が分からない。そこで私が導入したのは，検出る物理量で，次式で表される2)。

度性， 2) 瞬間的に多数の光子が入射しても数え落とすことのない高計数率能力，である。換言すると，微弱な光でDQE＝も，眩しい光でも精確にカウントできる性能である。しかし，この 2 つの性能は相反するので，その両立が大変に難しい。 X 線光子を一個一個カウントするパルス型検出2( ) output
input(signalnoise )
signal
noise

2

( 1)

器は高感度であるが，カウント毎に伴う不感時間（ deadもちろん，上式で定義される DQE は，パルス型の場合にtime）があるために，高計数率能力には限界がある。X 線

は，検出光子数/入射光子数で与えられる感度に一致す

光子を別な物理量（電流，電圧，黒化度，熱等）に変換しる。私は， DQE は検出器に固有な値を持つのではなく，てその積分量を計測する積分型検出器は，高計数率能力は空間分解能（またはピクセルサイズ）と入射 X 線量に依高いが，検出器に混入するノイズが避けられないために感存することを示した3,4)。このことを通して， IP の感度お度が低下する。私が放射光実験に関わり始めた 1980 年代

よび検出器としての他の特性を定量的にかつ客観的に示す

前半は，高計数率能力を有するパルス型検出器の開発に取ことができ， IP に対する評価を欧米においても定着させり組んでいた。希ガスを用いた 1 次元位置敏感比例計数

ることができた。「綺麗な回折像が短時間で取れます。」だ

管の開発， 2 次元多線式比例計数管の開発である。しかけでは欧米の研究者は納得してくれなかったのである。そし，高感度性は実現できたものの，高計数率能力に関しての意味で，DQE の導入は大変に重要であった。Fig. 1 は，は，画素あたり 104 ～ 105 photon / s が限度であった。そこ

DQE が入射 X 線量にどのように依存するかを示した一例

で， X 線検出器の原点であり，積分型検出器の典型であである。

る写真フィルムの高感度化を目指すべく蛍光増強 X 線フ

その次に重要であったことは，読み取り装置の性能を最ィルムの探索に取りかかることにした。そのような時に，大化する上で IP の出力信号とその揺らぎが，読み取り装

富士写真フィルムが新しい原理に基づく写真フィルムを開

置内の信号変換を通してどのように伝搬するかを定量的に発したとのニュースを聞き， X 線アンジオグラフィーに解析することであった。その際，下記の，揺らぎ（誤差）

用いられようとしていることを知った。それがイメージンの伝搬式5)（下記）が大いに役に立った。

グプレート（以後， IP ）であった。蛍光体を利用した写真フィルムであるが，普通の蛍光体とは異なり， X 線の

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(C) 2019 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research放射光ニュース ■ 第 2 回放射光科学賞受賞研究報告

Fig. 2

Fig. 1

Dose dependence of DQE (Detective Quantum E‹ciency)of Xray detectors.
DQE also depends on spatial resolution (or pixel size). See
text.
FOTCCD: Fiber optic taper coupled CCD

Schematic drawing of the rotating drum with imaging plateused to measure the time course of onedimensional Xraypatterns based on a streakcamera method. Onedimensional timeresolved Xray patterns can be recorded with atimeresolution of 23 ms for a total duration of up to 46
ms.16)

IP をコマ送りでき，試料上流に設置したシャッタと試料へのトリガーに同期させることにより，多重回露光が可能
2

s2u＝

2

2

(ddux) s ＋(dduy) s ＋(dduz ) s ＋…
2
x

2
y

2
z

(2)

であり，微弱な二次元 X 散乱像の時間変化を記録することができる。この装置の場合は， IP の読取りはオフラインで行う必要がある。いずれの装置も多くのユーザーに利

ここで，u＝u(x, y, z, …）は検出器の出力信号であり，x,用された。

y, z, …は検出器の入力信号，および，検出器内部の各種変換パラメータである。また，si は変数 i の揺らぎである。
ただし，この式が成り立つためには，x, y, z, …が各々独立である必要がある。

3.

CCD 型 X 線検出器の開発

IP は優れた性能を持つものの実時間（ real time ）で測定できないということが大きな欠点である。 IP では原理

放射光実験用に開発した IP 読取り装置を用いて，これ的に露光と読取りを同時に行うことはできないからだ。米まで不可能であった種々の応用研究を共同研究者と行うこ

国では実時間測定ができる CCD（Charge Coupled Device）とができた3,4,615)。その代表的な例が，大阪大学の若林克を用いた CCD 型 X 線検出器の開発が 1980 年代前半から

三氏と行った収縮中の筋肉から小角 X 線散乱像を得る実行われていた。 X 線を蛍光体で可視光に変換し，その可験であった6,13) 。それらの結果は， Science に掲載され，視光像を光ファイバーで CCD 画面に結像させる方式であ新聞でも大きく取り上げられた。
IP 自体には時間分解能力がないので，時間的に変化する。ダイナミックレンジ，感度，有効面積では IP に劣るが，実時間測定ができるという性能が重視され，タンパクる X 線散乱像を記録することはできない。その問題を解

質結晶構造解析実験では， 1990 年代後半以降，世界で広決するために開発したのが， IP をストリークカメラとしく用いられるようになった。

て用いる手法である16) （ Fig. 2 ）。回転するドラム上に IP

我が国においては IP が普及していたこともあり，CCDを巻き付け，その前方の一次元スリットを通して入射した型 X 線検出器の開発は遅れを取っていた。その遅れを取一次元 X 線散乱像の時間変化をドラム周上に沿って記録り戻すべく，我々は， IP の読取り装置開発での経験を活する。20 ms の時間分解能で一次元 X 線散乱像の時間変化

かして，上記の米国方式に比べて感度が飛躍的に高い，新を測定することができる。ドラムの回転に同期して試料にしいタイプの CCD 型 X 線検出器の開発に取り組むことにトリガーを与えるので繰り返し露光が可能であり，積算にした。それは，日本が誇る技術の一つである X 線イメー

より微弱な X 線散乱像の時間変化を高速で記録すること

ジインテンシファイヤー（以後， XII ）と CCD を組み合ができる。露光後は， IP を取り外すこと無く，背面に設わせた X 線検出器である。医用の XII は入射窓にアルミ置したレーザー読取り装置で IP のデータを読み取ることニウムを使用しているので吸収が大き過ぎて放射光実験にができる。

は使用できない。そこで，アルミニウム窓をベリリウム窓

次には，二次元 X 線散乱像の時間変化を記録できる IPに替えた XII を浜松ホトニクスの協力を得て開発するこ

コマ送り装置を開発した16) 。一秒間に 3 コマのレートでとにした17) 。 XII の出力像をレンズで CCD に結像させる

放射光 July 2019 Vol.32 No.4 ● 221Fig. 3

(Color online) 3×6 arrayed CCD Xray detector system.
Frametransfer type CCD is used, where the image recorded in image area is transferred into buŠer area within
1.6 ms, so that successive scattering images can be recorded without stopping the rotation of a sample.

方式である。この方式は，入射 X 線量が低い領域でのき，それを試料に入射して，試料から透過または散乱され

DQE が IP より更に高い。更に，XII に内蔵する電圧ゲー

る X 線の偏光状態を解析できる機能を有している20)。

トを活用するとマイクロ秒の時間幅でのスナップショット
で，X 線散乱像を高い S/N で記録することができる。

四番目に開発したのは，XPCS（Xray Photon Correlation Spectroscopy）を行うための検出器で，縮小比が 1 : 1

二 番 目 に 開 発 し た CCD 型 X 線 検 出 器 は ， 蛍 光 体 とのストレートな XII と CCD を光学レンズで結合する方式

CCD を光ファイバーで接続する方式である。欧米で開発である。有感面積は小さいが，高感度かつ高空間分解能をされた方式と同じであるが，露光と読取りをほぼ同時に行有する。XPCS 実験にはコヒーレントフラックスが高い高えるように一個の CCD を露光部とバッファー部に二分し輝度光源が必要であるが，コヒーレントフラックスが低いて用いる方式であり，これにより結晶を連続回転しながら既存光源（ SPring 8 ）を用いて XPCS 実験が実現できた

タン パク質 結晶 構造解 析実 験を行 うこと が可 能で あるのは，この検出器のお陰である21)。

（ Fig. 3 ）。露光部の面積が半分になるので，その分，使用する CCD の個数が増えるという問題はあるが，総研大の博士課程の学生であった伊藤和輝氏のソフトウェア面での貢献により開発することに成功した18)。

4.

先端的小角 X 線散乱法の開発とその産業利用

小角 X 線散乱は，散乱角が数度以下の散乱像を得て，1～ 100 nm スケールの物質構造を観測する手法であり，合三番目に開発したのは，高空間分解能を有する CCD 型

成高分子，生体高分子，合金等の構造解析に広く用いられ検出器で，蛍光体と CCD を光ファイバーではなく光学レている。この手法は光源の高輝度化によるメリットが非常ンズを通して結合する方式である19) 。この検出器は X 線に大きい手法であることに注目し，高輝度光源を用いた先偏光顕微鏡用検出器として開発したもので， 5.3 mm の空

端的小角 X 線散乱法の開発に取り組んだ。輝度（ Brilli-

間分解能を有する。本稿では詳細は割愛するが，我々が開ance）は次式で与えられる。

発したユニバーサル X 線ポラリメータ20)と組み合わせて，
8 ～ 12 keV 領域 X 線の円二色性，線二色性の偏光顕微像を観察することに成功した。このユニバーサル X 線ポラ
リメータは，私が BNL に滞在中に P. Siddons,

Brilliance＝

D 4N
Dt・DQ・DS・Dl/l( 3)

M. Hart,J. Hasting らと共同開発した X 線偏光子と X 線検光子，

上式で，N は光子数，t は時間，Q は発散角，S は面積，lおよび，平野，石川，菊田らによって開発された透過型は波長である。高輝度光源では，上式の分子 N （光子数）

X 線位相子を組み合わせたものである。直線偏光，円偏が増大するのではなく，分母の各項（Dt, DQ, DS, Dl）が光，楕円偏光を含め任意の偏光状態を作り出すことがで減少することによって，輝度が大きくなる。先端的小角

222 ● 放射光 July 2019 Vol.32 No.4

放射光ニュース ■ 第 2 回放射光科学賞受賞研究報告

Table 1

Advanced SAXS methods and the corresponding terms inthe denominator of the equation (3) of Brilliance to givethe beneˆt to the respective methods.

分母の各項

先端的小角 X 線散乱法

得られる構造情報small Dt, DQ

time-resolved SAXS

時間変化するナノ構造

small Dt, DQ, DS XPCS

ナノ構造ダイナミクス

small Dt, DQ

pump-probe SAXS

外場応答ナノ構造

small DQ

wide-q SAXS/USAXS

階層構造

small DQ

multi-probe SAXS

物性相関ナノ構造

small DS, DQ

scanning m-beam SAXS

不均一ナノ構造small DS, DQ

grazing-incidence SAXS

表面・界面ナノ構造

small Dl, DQ

anomalous SAXS (ASAXS)

元素識別ナノ構造

X 線散乱の各手法が，分母のどの項が小さくなることを活用しているかの対応を Table 1 に示す。
先端的小角 X 線散乱を用いて行った産業利用を 2 例，

Fig. 4

Scattering intensity proˆle of silica particles in styrenebutadiene rubber which is obtained in combination of SAXS
＠BL03XU and USAXS＠BL20XU with two diŠerent X
rayenergies (8 keV and 23 keV).28)

以下に紹介する。

4.1

scanning mbeam SAXS 法による毛髪のナノ構造の抗の 20 を占めている。転がり抵抗を低減し，かつ，停不均一度の解析22,23)

止時のグリップ抵抗を高めるという相反する性能を実現す

毛髪は，人種または個人により，直毛カール毛縮れるために，ゴム中に混ぜ込むフィラー構造とその動的特性

毛など曲がり形状が異なる。曲がり形状が毛髪内部のナノに注目し，それらを最適化するパラメータを見つける研究

構造，特にナノ構造の不均一性とどのような相関があるかである。ゴム中のフィラーとして用いられるカーボンブラを調べるために，scanning mbeam SAXS 法を用いて，株ック（以後 CB）（炭の微粒子，粒径数～数10 nm）は，

式会社花王と共同研究を行った。毛髪（直径約 100 mm ）複数段階の大きさにわたった凝集構造を形成するので，サ軸と直角に m ビーム（直径約 6 mm ）を入射させ，毛髪軸

ブ nm～数 mm に渡る広い階層構造を精確に測定する必要と m ビーム方向の両方に直角な方向に試料を走査して，がある。従来の SAXS では100 nm が測定できる最大サイ

毛髪内のナノ構造を形成する中間径フィラメントの直径，ズであった。そこで，我々は，SPring8 の中尺 BL20XU

間隔，平行性が場所によってどのように変化するか（不均を使って，160 m に及ぶカメラ距離（試料検出器間距離）一度）を測定した。その結果，フィラメントの直径は均一

での USAXS（UltraSmall Angle Xray Scattering）に挑であるが，間隔と平行性の不均一度が，曲がり形状と極め戦した。カメラ距離が長いと微小角の散乱強度プロファイて強い相関を示すことが判明した。また，その不均一度は

ル，即ち，大きいサイズの構造情報を得ることができるか

毛髪の光沢と相関があることも明らかになった。このことらである。CB の散乱強度プロファイルは，ピーク形状をが株式会社花王による，毛髪の光沢を失わないシャンプー

持たずにブロードであるため，そのプロファイルから構造の開発に繋がった。m ビームを得ようとすると透過ビーム

情報を引き出すことは難度が高い。その上，q レンジを広の発散が大きくなるため，透過光と散乱光の分離が困難にげるために，二つの異なる BL で，しかも異なる X 線エ

なり，その結果，小角領域の S / N が低下する。そのたネルギーを用いて測定した散乱プロファイルを精確に合成

め，種々の工夫が必要であった。根気を要する 6 年がかして解析することは難度が極めて高い実験であった。 Fig.

りの研究であったが，産学がしっかりとタッグを組み，製

4 にシリカ粒子の場合における測定例を示す。 q レンジは品開発までたどり着くことができた。mbeam SAXS 法の4 桁，強度レンジは 9 桁におよび，精度の高い測定が必要

初期段階での開発には，研究室の博士課程の学生であったであることが分かる。この測定により，CB の各次の凝集

野末佳伸氏（現住友化学株式会社）が大きな貢献をした。

構造の大きさとその比率を得ることができ，それらから得

現在では mbeam SAXS 法は広い分野で利用されている。

られるパラメータとタイヤゴムの粘弾性特性との相関をス
パコンを用いたシミュレーションを併用して求めることが

4.2

wide
q

SAXS/USAXS 法と XPCS による低燃費タ

イヤ開発研究2430)
タイヤゴムの粘弾性特性とナノ構造の相関を明らかにすできた。
CB の動的特性に関しては， XPCS 法を用いて，各 q における散乱強度の時間領域での自己相関関数を求め，そのるために住友ゴム工業株式会社と 2003 年に共同研究を開時定数 t ( q )の q 依存性や，温度や架橋条件との相関を調始した。タイヤの転がり抵抗は自動車が走行する際の全抵べた。

放射光 July 2019 Vol.32 No.4 ● 223上記の実験結果を総合的に考察した結果を，CB の混入
条件や架橋条件に反映させることにより，低燃費タイヤの開発が可能になった。共同研究を始めた最初の 5 年近く

19)
20)
21)

は思うような研究成果は出なかった。最終的に研究成果が得られたことは，社会人博士課程で雨宮研で博士号を取得

22)した岸本浩通氏（住友ゴム工業株式会社）と篠原佑也氏

23)（当時，雨宮研助教）の二人の高い研究推進能力と，私も含めた専門領域の相補性が高く信頼関係が高いチームワー

24)

ク力によるものであると考えている。

25)

5.

26)
27)

おわりに

今回，期せずして放射光科学賞を受賞できたことを大変に光栄に感じています。共同研究者を始め，本賞に推薦して下さった方々，そして，本学会の会員の皆様に心からお礼申し上げます。今後も，放射光科学の推進のために微力を尽くしたいと思っていますので，よろしくお願いします。

28)
29)
30)

K. Sato et al.: Journal of Synchrotron Radiation 8, 1021
(2001).
上ヱ地義徳 他放射光 13, 48 (2000).
Y. Shinohara et al.: Journal of Synchrotron Radiation 17, 737(2010).
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Y. Kajiura et al.: Journal of Structural Biology 155, 438(2006).
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Y. Shinohara et al.: Soft Matter 8, 3457 (2012).
Y. Shinohara et al.: Journal of Synchrotron Radiation 20,
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224 ● 放射光 July 2019 Vol.32 No.4

● 著者紹介 ●雨宮慶幸
JASRI 理事長
産総研東大 先端 OPERANDO 計測技術 OIL ラボ長
東京大学 名誉教授
Email: amemiya＠edu.k.utokyo.ac.jp,
amemiya＠spring8.or.jp
専門放射光科学，X 線計測学，X 線結晶学，小角 X 線散乱，回折物理，ソフ
トマター
［略歴］
1979.3 東京大学工学系研究科 物理工学専攻 博士課程修了(工学博士）
1979.4 日本学術振興会特定領域奨励研究員
1982.4 高エネルギー物理学研究所 放射光実験施設 助手
1988.10 ～ 1989.9 米国ブルックヘブン国立研究所 客員研究員
1989.7 高エネルギー物理学研究所 放射光実験施設 助教授
1996.4 東京大学大学院 工学系研究科 物理工学専攻 助教授
1998.4 同上 教授
1999.4～2017.3 東京大学大学院 新領域創成科学研究科 物質系専攻 教授2017.6 東京大学 名誉教授