時分割小角散乱実験用検出器
八木直人
要

旨

財団法人高輝度光科学研究センター

兵庫県佐用郡佐用町光都 111

時分割小角散乱実験を行うには，検出器はそれに合ったものでなければならない。これまでに多くの検出器が開発されてきているが，汎用的で理想的な性能を持つものは無い。それぞれの検出器について，骨格筋の時分割 X 線回折実験を主な実験例として解説する。

1. 時分割 X 線小角回折散乱実験の方法の場合には，検出器には時間分解能は必要なく，時間分解能は X 線シャッターの速度（もしくは X 線パルス

昔も今も，時分割実験は放射光の魅力的なアプリケーシの幅）だけで決まる。したがって，放射光のバンチ長まで

ョンの一つとされている。しかし，実際には放射光を用いの時間分解能が得られるため，非常に速い現象を観察する

た時分割実験は意外に行われていない。小角散乱はその中ことが可能である。検出器としては，一瞬の間に来るフォでは例外的に，時分割実験が多く行われている分野であトンをすべて効率よく記録するために，イメージングプ

る。その理由は，小角散乱が物質の大きな構造を観察してレートなどの積分型検出器（後述）が用いられる。Keithいるからであると考えられる。大きな構造に関する情報

MoŠat らが中心になって行われてきたタンパク質結晶のは，回折実験では回折角の小さな領域に現れるので，必然

時分割白色ラウエ回折実験は，このような実験の典型的な的に小角散乱の測定が必要となる。その一方で，大きな構

例である1)。放射光のパルス性を生かして，ピコ秒の時間

造は変化がゆっくりであるため，回折の変化は遅くなる。

分解能でタンパク質分子の構造変化を追跡する実験が行わ

光受容タンパク質分子を例に取ると，光を受容するのはレ

れてきている。将来 X 線自由電子レーザーなどのパルス

チナールなどの小さな部分あることが多く，この部分の光性の X 線源を用いて行われるであろう実験も，この型の受容による構造変化はフェムト秒で生じる。これは現在得実験となると予想される。このタイプの小角散乱実験としられる放射光では測定できないくらいに速い。しかし，タては，岡らのバクテリア紫膜の研究2,3)や， APS におけるンパク質化学としてもっとも興味深いのは，このレチナー

昆虫飛翔筋の X 線回折実験4)が代表的である。

ルの局所的な構造変化が，タンパク質分子全体の構造をどX 線シャッターを用いる実験では，一度に一フレームのようにして変えるかである。タンパク質分子は分子量がしか記録できないという欠点がある。遅延時間を変えて多数万もある大きなものなので，その構造変化は多くの中間

くの時間点を記録するのは時間がかかるし，現象が多数回構造を取りつつゆっくりと進行する。そのため，最も大き繰り返し可能でなければならない。特に生物材料では，繰な変化が観察されるのはマイクロ秒領域となる。筋肉のより返し可能な現象は少ない。したがって，大量の均一な試

うなタンパク質分子の複合体の場合には，さらに構造変化料を用意して，多くの実験を繰り返さねばならない。このは遅く，タンパク質分子どうしの結合や解離まで含める

問題を解決するには，時間分解能を持った X 線検出器をと，数10ミリ秒の時間がかかる。

用いた連続時分割実験が必要となる。
連続した時分割実験では， X 線を試料に連続照射し，

2. 時分割 X 線回折実験の総論

回折を連続的に記録する。したがって検出器も，連続して多くのフレームを（例えばテレビカメラのように）記録で2.1

時分割実験の二つの方法

きなければならない。少ない繰り返しで時分割実験を行う

時分割回折実験（ここでは散乱も回折に含むことにする）には，一回の測定で十分な大きさの信号が得られることがには二通りの方法がある。ひとつは高速のシャッターを用必要である。これには，入射 X 線の強度が高いことが必

いて，特定の「瞬間」の回折像を記録する方法である。X

要であり，放射光が必要とされる所以である。しかし，こ線がパルスで得られる場合には，一つのパルスを選択する

れは検出器に入射するフォトン数が多くなるということでだけの時間幅の X 線シャッターが必要なだけである。時あり，検出器が高いフラックスに対応できることが条件と間経過を追うには現象を引き起こしてからシャッターを開なる。以下は，このような連続時分割実験用の X 線検出

くまでの遅延時間を変えて，何回も回折像を記録する。こ

器について解説する。

放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6 ● 349(C) 2006 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Researchなお，連続して画像を記録する時分割実験は，試料に強い X 線を連続して照射しなければならないため，放射線損傷が避けられない。したがって，この方式で時間分解能を更に上げるには，これまでよりも強い X 線，高速の検出器，そして放射線損傷に強い試料が必要となる。現在では，多くの実験において，放射線損傷が最大の問題になり
つつある。

2.2

X 線検出器：積分型と光子計数型

X 線検出器は，一般に積分型と光子計数型がある。光子計数型は，文字通り検出器に入射した X 線フォトンを一つずつ計数する。一つ一つのフォトンの信号を処理しなければならないため，入射フォトン数が多い場合には高速の信号処理回路が必要となる。昔からよく使われている一次元 PSPC (Position Sensitive Proportional Counter) や，

Fig. 1

Schematic diagram of the PSPC system at BL15A in Photon
Factory. The analog data acquisition system is not shown.
The CAMAC data bus is connected to a workstation (WS).

二次元ガス検出器などが代表的なものである。ピクセルア
レイ検出器も，このタイプのものが主流である。
小角散乱回折実験では，一般にビームストップ周辺のの実績を持つシステムである。使用されている PSPC は

回折散乱は非常に強く，広角領域の強度は低い。そのた

有効長20 cm のリガク社製ディレイライン型である。X 線

めに広いダイナミックレンジを持つ検出器が必要となる。

がガスを電離して生じた電荷パルスは，ディレイラインの光子計数型の検出器は，後述の積分型検出器のような読み両端に現れるが，入射した場所によって両端で時間差が生出しに伴うノイズが無いため，広いダイナミックレンジがじるので，それを TDC (Time to Digital Converter) でデ得られると一般には考えられている。しかし実際には信号ジタル値に変換して読み取る。デジタルデータは処理系が低速なため処理可能なフォトン数に制限があり，

CAMAC を用いてヒストグラムメモリーに保存し，コンダイナミックレンジが不足する場合が多い。

ピ ュ ータ に 取り 込 む。 最 高 時間 分 解能 は 1 ミ リ 秒で あいっぽう積分型検出器は， X 線フォトンを電荷などのる。このシステムは 20 年以上前のものであるが，時分割形で蓄積し，まとめて読み出すものである。フォトン一つX 線回折実験に必要な要素がすべて含まれている。以下ずつを処理する必要はないが，読み出し時にノイズが混入にそれらの要素について説明する。

するため，フォトン数が少ないときには S / N が悪い。 X

まずトリガの問題である。時分割実験は，何らかの方法

線イメージインテンシファイア，フラットパネル検出器，

で試料に一過性の現象を誘起して，それに合わせて測定を

X 線テレビカメラ（サチコンなど），イメージングプレー行うものである。したがって，現象と測定の同期が必要でトなどが代表的な積分型検出器である。

ある。これには実験機器にトリガパルスを発生させ，これ放射光技術の進歩に伴って，放射光実験では概して検出を用いて検出器のデータ収集を開始することが多いが，ト

器に入射するフォトン数は増加する傾向にある。光子計数

リガ後に測定が始まるまでの時間は検出器側の信号処理回型の検出器では入射フォトン数に追いつかないため，放射路の特性で決まり，トリガしてもすぐに測定が始まるわけ

光ビームラインで使用される検出器は現在では積分型が主ではない。また，トリガ前のデータを比較のために得てお流となっている。

きたい場合も多いが，その場合には現象が何番目かのフレームの先頭で始まるように遅延を工夫しないと，時間分

3. 時分割 X 線小角散乱実験用検出器の各論

解能が十分に生かされない。タンパク質溶液のストップドフロー実験のように，トリガがいつ発生するか分からない

3.1

一次元 PSPC

一次元の X 線検出器は，一般に回折のごく一部分しか計測しないため，効率の悪い検出器であり，将来的には二場合には，現象前のデータは得られないことも多い。このようなトリガや遅延の設定は，デジタルパルス発生器や電気刺激装置を用いて行うのが一般的である。

次元検出器で置き換えられてゆくものと考えられる。しかもう一つは，アナログデータの同時計測である。最も一し，時分割実験に使用可能な X 線検出器の種類は少ない

般的なのは，イオンチェンバーで入射 X 線の強度を計測ため，現在でも一次元 PSPC が使われることは多い。

し，各フレームごとの値を記録する場合である。入射 X

現在フォトンファクトリーの BL15A で使用されている

線強度は X 線実験データの一部であり，回折データと一

一次元 PSPC による時分割測定装置は， Fig. 1 のようにな

緒に保存されることが望ましいので，BL15A の測定シスっている5)。これは数多くの時分割実験で用いられ，多くテムもそのように設計されている。しかし，実験によって350 ● 放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6

小角散乱特集 ■ 時分割小角散乱実験用検出器

は試料に関するアナログ量の種類が多く，またフレーム間隔以上の時間分解能で測定したい場合も多い。このような場 合 に は 別 個 に パ ソ コ ン に 繋 が っ た AD 変 換 器 を 使 用
し，フレームごとに検出器からパルスを出力して同時記録することにより，実験後に X 線データとアナログデータの対応付けを行うことになる。
一次元 PSPC の信号処理系は一般に低速なので，毎秒数万フォトンまでしか処理できないことが多い。 BL15Aの X 線強度でもこれでは不足なのだが，実際には使用されているガスがアルゴンを主体としたものであるために，検出効率も 20 以下しかない。フォトンを数え落とすことによって放射光のフラックスに対処しているのが現状で
ある。

3.2

Fig. 2

RAPID detector head installed in the experimental hutch of
BL40B2 at SPring-8.

Fig. 3

Electrode arrangement of RAPID. Cathodes are printed ona board, while anodes are tungsten wires. The gap between
them is 0.5 mm. Each strip or wire is connected to an AD
converter.

マイクロギャップ二次元検出器

二次元ガス検出器を備えた小角散乱ビームラインは少な
くない。英国 Daresbury 研究所の SRS の 3 つの小角散乱
ビームラインはいずれも二次元ガス検出器を使用しており，

ESRF の ID2 にも二次元ガス検出器がある。また，台湾や韓国の小角散乱ビームラインも，二次元ガス検出器を使用している。しかし，多くの二次元ガス検出器は信号処理が十分に速くないため，放射光の強いフラックスに対応できず，強い散乱体に対してはビームを減衰させて使用することが多い。

RAPID (Reˆned ADC Per Input Detector) は，時分割
小 角 散 乱 実 験 の た め に 開 発 さ れ た 高 速 検 出 器 で あ る 6)
（ Fig. 2 ）。マイクロギャップ方式という，電極間の距離を極力小さくする設計を用いることにより，一つの X 線フ

RAPID にも問題はある。 20 cm 角の検出領域に一様に

ォトンによって生じる電荷の寿命を短くしている（ Fig.

X 線が入射した場合には毎秒 1000 万フォトンを計測でき3）。さらに，高速のフラッシュ ADC を用いて信号処理をるが，局所的に強い X 線（ 1 平方ミリに数 10 万フォトン行うことにより，検出器全体で毎秒 1000 万フォトンを計以上）が入射すると全体のフォトン数が少なくても数え落測できる。各アノードワイヤとカソードストリップのそれとしが発生する。合成高分子のように小角領域に強い散乱

ぞれに対してプリアンプがあり，その出力をデジタルに変を生じる試料の場合には，これが計測数の上限を決定する

換する ADC ボードが 16 枚ある。 X 軸と Y 軸の座標の相ことになる。

関を取る correlator board や，ワイヤ間の座標の補間を行

RAPID はキセノンを主体としたガスを使用している

う lookup board など，その信号処理回路は大規模なもの

が，加圧できる設計になっていないために 10 keV を越すで，水冷チラーの付いたラックが必要である。

ような X 線エネルギーにおいては計数効率が低下する。

RAPID の時分割データ処理系は，TFG (Time Frame

しかし最近は試料の放射線損傷を避けるために高いエネル

Generator ) というモジュールを基本としている。これはギーの X 線が用いられる傾向があり，この点も RAPID

プログラム可能なパルス発生器で，計測されたフォトンをには不利である。また，カメラ距離を短くして広角領域をメモリーのどの部分に格納するかを制御する。 TFG はこ

測定しようとするとガスの厚みによる斜め入射の問題が生の他にも X 線シャッターを制御したり，実験装置へトリ

じるなど，実験の制約は強い。それでも，理想的な状態でガパルスを送ることによって，実験全体を制御できる。時計測されたデータの質は積分型検出器では望めないもので間分解能は 20 マイクロ秒となっている。各フレームのアある。

ナログデータの保存も，TFG を用いて行える。

SPring-8 にも現在 RAPID が設置されているが，時間分

RAPID のような光子計数型の X 線検出器は，読み出し

解能や大量のフォトン計測が可能だという長所よりも，微ノイズが無いため，実験を繰り返して微弱な信号を加算す

弱な信号を精度良く測定可能だという利点を生かすためる場合に有用である。単一筋線維の子午線反射の時分割測に，アンジュレータビームラインではなく比較的 X 線強定7)などが代表的な応用例であろう。

度の弱い偏向電磁石ビームライン（BL40B2）に設置して放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6 ● 351

ある。

3.3

X 線イメージインテンシファイア

X 線イメージインテンシファイア（ X II ）は元来医療用に使われてきたものだが，入射面の窓材をアルミニウムからベリリウムに交換することによって，放射光の X 線回折実験でも使用されるようになった8)。XII は，入射面の CsI によって X 線を可視光に変換する。次にこの可視光をフォトカソードで電子に変換し，この電子を電場で加Fig. 4

Operation of an x-ray image intensiˆer. The output window
is a glass plate with a thin phosphor layer on its inner side.

速して出力窓の蛍光体に当てる（Fig. 4）。蛍光量は電子の持つエネルギーに比例するため，出力蛍光面で発生する蛍
光は入射蛍光面よりも多い。これによって X 線の作り出こなしていかなければならない。

す微弱な蛍光を増幅して，検出器としての感度を増加させ

X II の出力面を観察するカメラには，さまざまなものることが可能である。実際， X II の出力面を肉眼で観察が用いられてきているが，現在は CCD が一般的である。

していると，自然放射線による蛍光を見ることができるく

静的な測定には時間分解能は低いがノイズの少ない冷却らいである。

CCD カメラが用いられ，動的な測定には高速の CCD カ

X II のもう一つの機能は，画像の縮小である。X II にメラが用いられる。カメラを交換して使用できることが，は電子レンズ系が組み込まれており，これを用いて画像のイメージインテンシファイアの有用性を非常に高めてい大きさを変えられる。一般に出力面の画像はレンズ系を用る。

いてテレビカメラや CCD で観察することが多いが，この時間分解能数 10 ミリ秒の時分割実験には，デジタルの際に観察する画像とカメラの CCD チップの大きさがあま

高速 CCD カメラを用いることが多い。例えば浜松ホトニ

り異なると光の損失が大きいため， X II で画像を適当にクス社製の C488080や C9300201などである。これらの縮小することが多い。

カメラは VGA 画像（640 ×480ピクセル）を毎秒30～150

X II は，蛍光体を入射面と出力面と二箇所に使っていフレームの速度で連続して読み込むことができる。もっとる。入射面の蛍光体は， X 線の検出効率を上げるために低速でよければ，C7300のように画素数の多いものも使用は厚いことが好ましいが，そうすると蛍光体の中での光のできる。これらのカメラに用いられている CCD はイン

散乱によって空間分解能が低下する。これを避けるために

ターライン方式と呼ばれ，受光素子の画素の他に，遮光さCsI の針状結晶が用いられる。CsI はその成長法によってれた画素を持っている。フレームの切り替わりには，受光

太さ 10 ミクロン程度の針状の結晶となる。このような蛍素子に蓄えられた電荷が遮光された画素に転送される。受光体に X 線が吸収されると，発生した蛍光の一部は針状光素子が次のフレームの画像を記録している間に，遮光さ結晶に沿って伝わってゆく。屈折率の違いによって，蛍光れた画素に蓄えられた電荷を読み出す。したがって，時間は針状結晶の外には出ないので，効率よく分解能を落とさ

分解能は全画素の電荷を読み出すのに必要な時間というこずに光をフォトカソードまで導くことが出来る。現在用いとになる。

られている CsI の厚さは150ミクロン程度である。

時分割実験においては，これらのカメラは外部からのト

時分割実験で大切なことは，蛍光体の残光を必要な時間

リガパルスに合わせて画像の記録を開始できる。さらに，分解能以下に抑えることである。CsI の蛍光の寿命は10マ

画像を小さく（走査線の数を減らす）ことによって，毎秒イクロ秒以下と言われており，ほとんどの実験では十分にあたりのフレーム数を増加することが可能で， C4880 80

速い 。 し か し 出 力蛍 光 体 に も っ とも よ く 使 わ れ る P43

でも640 × 56 ピクセルの領域だけを用いて，5 ミリ秒の時（ Gd2O2S  Tb ， GADOX と呼ばれる）は蛍光強度は強い

間 分解 能で測 定を 行った 骨格 筋実 験の例 もあ る10) 。 まが残光が 1 ミリ秒以上持続するため，高速の時分割実験

た，画像を小さくしなくても， X 線シャッターとフレーには注意を要する。10～100マイクロ秒程度の時間分解能

ムを同期させることによって一つのフレームを細分化してが必要であれば，P46（Y3Al5O12Ce）を用いるのが適当

時間分解能を上げるという方法もある。これについては文であろう9)。

献を参照されたい9)。現在このシステムは，フォトンファ

X II の問題は，入手が困難なことである。浜松ホトニ

クトリーでも SPring-8 でも時分割実験の主要な検出器とクス社 は 6 イン チの X 線イ メー ジイン テン シファ イア

なっており，タンパク質溶液散乱実験11,12)や，紫膜13)，心（ V5445P ）の製作を中止しており，海外での唯一のメー筋14)などの時分割実験に用いられている。

カーだったトムソンも，注文してもいつ納品されるか分か

これらの高速カメラは低速の冷却 CCD カメラと比べるらないという状況である。4 インチ径のイメージインテンと読み出しノイズが大きいため， X II で十分に画像を明シファイアは現在でも入手可能なので，これをうまく使い

るくしておく必要がある。その一方で，これらの高速カメ

352 ● 放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6

小角散乱特集 ■ 時分割小角散乱実験用検出器

Fig. 5

Schematic diagram of the 3CCD camera in combination
with an x-ray image intensiˆer.

Fig. 7

Timing control system for time-resolved muscle diŠraction
experiment at BL40XU. Circuits for conversion of polarityand pulse lengths are not shown for clarity.

ンターに入力しておき，トリガパルスの代わりにカウン
ターにゲート信号を送る。こうするとカウンターはゲート
信号が入力されてからクロックパルスを数え始め，ある数に達した時点でパルスを出力する。このパルスを使って現象を誘起すれば，カメラのクロックと同期させることができる。 Fig. 7 は骨格筋実験用の制御システムの一部を示したものであるが，複雑なものである。
実験を更に複雑にするのは，放射線損傷を避けるために試料を連続的に動かす必要があることである。このカメラが使われているのは SPring-8 の BL40XU であるが，このFig. 6

Operation of the 3CCD fast camera. Three CCD chips
work alternately. Before an exposure, charges in the pixels
are erased. After an exposure, charges are transferred tolight-shielded pixels. They are read out during the next 10.2
msec.

ビームラインでは水に連続的に X 線を照射すると，ビー
ムの透過している部分は 1 秒以内に沸騰する。したがってこのカメラを使って回折の変化を記録する場合には，放射線損傷を防ぐために試料を連続的に動かす必要がある。
すべての現象は試料が X 線ビームを横切っている最中に起きなければならない。これには試料の載ったステージのラの AD コンバーターは 10 ～ 12 ビットあり，ダイナミッ

位置を検出する仕組みが必要で，試料がある位置に来たとクレンジが狭いため， X II とカメラの間に絞りを置いてきに 現象が始 まるように プログラムし ，それがさ らに適当に明るさを調整する必要もある。

CCD カメラのクロックと同期しなければならない（ Fig.

最も高速な CCD カメラとしては，浜松ホトニクス社製7 ）。技術的にはダウントリガをアップトリガに変換した

C7770 が挙げられる9) （ Fig. 5 ）。これは，プリズムを使っり，短すぎるパルスを延ばしたりなどという操作も必要とて入力画像を 3 つに複製し， 3 つの CCD を使って交互になる。これらは遅延機能の付いたパルス発生装置やカウン

それらを記録することにより，フレーム速度を 3 倍に増

ターを数台組み合わせて実現している。

したものである。

このようにして得られた骨格筋の X 線回折実験のデー

3 つのインターライン CCD は，それぞれ 10.2 ミリ秒でタの一例を Fig. 8 に示す15)。これは14.5-nm 子午線反射と読み出せる。露光時間はこの1/3の3.4ミリ秒にして，残りいうミオシンクロスブリッジに由来する反射の強度を0.53の時間に入ってきた光は読み捨てて記録しない。これを 3

ミリ秒の時間分解能で測定したものである。この測定でつの CCD で 3.4 ミリ秒ずつずらして行うことによって，は，C7770 の画像の大きさを640 ×72 ピクセルに狭めて回3.4 ミリ秒の時間分解能を達成できる。得られた画像はフ折像の子午線に沿った部分だけを記録し，時間分解能を上

レームメモ リに送られ ，測定後に パソコンに 読み出す

げている。試料のカエル骨格筋は垂直ステージに載せ，毎（Fig. 6）。一秒間のデータ量は180メガバイト程度になる。

秒100 mm の速度で降下させて放射線損傷を防いだ。試料

このような複雑な構成の CCD カメラでは，外部トリガ

が X 線ビームをよぎる約300ミリ秒前から電気刺激パルスで記録を開始することはできない。画像は常にフレームメ

を50 Hz で与えて，筋肉の長さを固定した状態で収縮させモリに送られており，トリガ以降のデータだけを保存すている。その後，筋肉が X 線ビーム上に来たときに，る。カメラは自身のクロックパルスで自走しているから，

サーボモーターを用いて筋肉の長さを約 1 だけ短くし実験全体をカメラのクロックパルスをマスタークロックとた。 X 線回折像は，この長さ変化の前後だけを記録してして構築する必要がある。これにはクロックパルスをカウいる。他にも筋肉の長さや発生張力，各種のタイミング信放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6 ● 353

Fig. 8Intensity change of the third order meridional re‰ection
from the thick ˆlament (at /14.5 nm－1) after a quick releaseof frog skeletal muscle. The release (1 of muscle length)
was initiated at time 0 and completed at 1 msec.

Fig. 9Imaging plate exchanger based on the cinema method. 3.3
exposures per second is possible.

号など 8 つの信号を50 マイクロ秒の時間分解能でAD コンる。例えば一枚のイメージングプレートを高速で動かすこバーターを用いて同時記録している。

とにより，異なった条件下で 2 つの回折像を同じイメー

筋肉の長さの変化は時間 0 に始まって 1 ミリ秒で終わジングプレート上に記録する実験も行われている18) 。イっているが，興味深いことに，大きな強度低下は筋肉の長

メージングプレートを素早く動かすことにより，時間的にさが変わり始めてから0.5 ミリ秒程度たってから始まる。

接近した二つの時点での回折像を X 線シャッターを用い

この 0.5 ミリ秒の間にも張力は変化しているので，クロスて記録できる。この方法の利点は，同じイメージングプ

ブリッジのコンフォメーションは変化しているはずで，こレート上に回折像が記録されるため，高い空間分解能でのの期間のコンフォメーション変化はクロスブリッジの質量比較が可能なことである。もっとゆっくりした現象であれの軸上への投影を変えないことを示している。

ば，イメージングプレートを上下左右に動かして，一枚の三板式 CCD カメラは，プリズムによって光量が 1 / 3 に上に多くの回折パターンを記録することも可能である19)。

なり，時間分解能も高いため，フレームごとの光量が十分

また，イメージングプレートを小さく切って，カセットないと暗すぎて，信号が CCD の読み出しノイズに埋もれに入れて高速で交換することによって，300ミリ秒おきにてしまう。しかも AD コンバーターは 10 ビットしかない

回折像を記録することも可能である16)（Fig. 9）。イメージ

から，観察しようとしている信号が十分な強度を持っていングプレートは，時間分解能が低いという欠点を除けば，ることを実験前によく確認する必要がある。

ダイナミックレンジや空間分解能については非常に優れた検出器であるため，このように様々な工夫のもとに時分割

3.4

その他の時分割 X 線検出器

実験に利用されている。

以上で解説した以外にも，多くの時分割実験用 X 線検

タンパク質結晶構造解析で多用されているテイパー光フ出器が考案されてきているが，実用化された例は少ない。

ァイバーを用いた CCD 検出器も，ゆっくりした時分割実唯一の例外はイメージングプレートを用いたものである。

験になら利用できる。ビニングによってピクセル数を減ら

イメージングプレートを時分割実験に使うには，実験目

して時間分解能を上げられる検出器も開発されつつあり的に応じて様々な工夫が必要である。一次元検出器として（例えば APS の小角散乱ビームラインで使用されているは，雨宮の作成したドラム型のイメージングプレート検出

Aviex の検出器），今後は高速時分割実験にも使用される器がある16) 。これはドラムに貼り付けたイメージングプ

かもしれない。ただし，光ファイバーは X II のような増レートを一定速度で回転させることにより，一次元の回折幅機能を持たないため，微弱な X 線は CCD の読み出しノ

像をストリーク状に連続して記録できる。繰り返し露光もイズに埋もれてしまいがちで，シグナルが十分に強いこと可能であり，回折像をイメージングプレート上に積算しが条件である。

て，後から読み出すことになる。振動実験のように変化が最近の放射光実験では，フラットパネル型の X 線検出

周期的に生じる場合には，現象とドラムの回転を同期させ器も用いられるようになってきている。 CMOS 型のフラることによって容易に積算を行える。これは，骨格筋の振ットパネル検出器の読み取り速度は，通常毎秒 2 ～ 3 フ

動実験に用いられた17)。

レームであるが，部分的な読み出しで毎秒 10 フレーム以

さらに，イメージングプレートを高速で交換することに上にすることも可能である。フラットパネル検出器は読み

よって，数100 ミリ秒の時間分解能を得ることも可能であ出しノイズが CCD よりも更に高いので，X 線は十分に強354 ● 放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6

小角散乱特集 ■ 時分割小角散乱実験用検出器

くなければならず，弱い回折像を加算するような実験には不向きである。

8)9)

4. 最後に

10)

時分割 X 線回折実験用の理想的な汎用検出器は存在し11)ない。この問題は過去 20 年以上にわたって指摘されてきた。しかし，実際には時分割実験は実験ごとに目的が異な12)るため，実験ごとに異なった検出器が必要になる。新たな検出器開発を促すだけの価値のある時分割実験が存在する

13)ということが，検出器技術以前に必要とされている。検出器によってサイエンスが進歩するのではなく，サイエンス

14)

によって検出器は進歩するのである。例えばイメージング
プレートは回折実験を行う研究者には天から振ってきた検出器のように思えるかも知れないが，別の分野での強い
ニーズがあってこそ生まれたものである。新しい検出器を生まない研究分野は，研究への意欲が低いと思われてもしかたがないだろう。

15)
16)

17)

18)

謝辞
日本の放射光小角散乱時分割実験は，東京大学の雨宮慶幸博士によって始まったと言えると思います。同博士の長年のご努力と貢献に感謝します。

参考文献
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● 著者紹介 ●八木直人
財団法人高輝度光科学研究センター
利用研究促進部門 主席研究員
E-mail: yagi＠spring8.or.jp
専門非結晶 X 線回折［略歴］
1975 年東京大学物理工学科卒業， 1980年東北大学医学部助手， 1982 年医学博士， 1990 年東北大学医学部講師， 1997年より現職

X-ray detectors for time-resolved small-angle
scattering experiments
Naoto YAGISPring8/JASRI, 111 Kouto, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo 6795198

Abstract In order to perform a time-resolved small-angle x-ray diŠraction/scattering experiment, an adequate detector must be used. Although many types of detectors have been developed, none of them meetsthe requirements of all types of small-angle experiments. Detectors for time-resolved experiments aredescribed with special reference to applications in muscle diŠraction studies.

放射光 Nov. 2006 Vol.19 No.6 ● 355