放射光科学30年の歩みと展望

X 線ナノイメージングの歩み
青木貞雄
一般財団法人

総合科学研究機構〒3000811 茨城県土浦市上高津1601

X 線結像光学素子の存在しない時代の X 線イメージングは，投影型顕微法が一般的であったため，分解能は光学顕微鏡程度に留まっていた。放射光の利用が始まると新しい X 線結像素子が開発され，光学顕微鏡の分解能を越■要
旨えるイメージングが可能になった。アンジュレーターの発明はコヒーレント光学の発展を促し，ナノメートルに迫る高分解能のイメージングを可能にした。また，ほとんどのイメージングにおいて CT（computed tomography）の手法が導入され，3 次元画像の取得も可能になった。
本報告では，放射光の発生開始時期から今日に至る X 線イメージングに焦点を合わせ，その発展の歴史を振り返る。

たつの大きな問題を同時に解決できるのは，「X 線レンズ

1. はじめに的なもの」を開発することが近道だろうと思えた。

X 線が身近に感じられるのは，レントゲン診断や空港本報では，筆者の研究分野に近い X 線顕微イメージン

での手荷物検査であるが，これらの使い方は X 線の透過

グの歴史を振り返り，放射光と共に発展してきた最近のイ力を活かしたもので，その短波長性を直接的に利用したもメージングについて紹介する。尚，画像に関しては，世界のではない。放射光が出現する以前から X 線結晶解析な的に数多くの成果があふれ，選択に迷ったので，筆者の関

どでは，短波長の特性を有効に活用していたが，イメージ係したものに限らせていただいた。最近の具体的な個別ング分野においては，実用的な結像素子がなかったので，テーマの詳細については，それぞれの文献を参照して頂きその利点を活かした例は少ない。

たい。

放射光は赤外線からガンマ線に至る幅広いスペクトルを有しているので，イメージングに使われる波長域は利用分
野によって異なる。微細加工を目指した半導体用リソグラ

2. 放射光以前の X 線イメージング

フィーは，当初，マスクパターンとウエハーを接近させた

1947 年に米国 GE で電子シンクロトロンによる初めて

密着法（ contact radiography）を考慮して 1 nm 前後の波の放射光の発生が確認され， 1960 年代に入ると世界各国

長域で開発が進められたが，多層膜直入射ミラーによる縮で放射光実験が始まった。 1970 年前後に蓄積リングの建小露光が利用可能になり10 nm 近辺にシフトした。生体試設も始まったが，加速エネルギーが比較的低いため真空紫料の観察には，水の吸収が相対的に小さく，有機物の吸収外軟 X 線領域での分光実験が大半であった。我が国での大きい「水の窓」（ water window ）と呼ばれる波長域の本格的な利用は，東大原子核研究所に建設された 0.75

（酸素吸収端2.3 nm から炭素吸収端4.3 nm）が注目された

GeV 電子シンクロトロン（ES）による放射光からである

が，位相差法の導入が盛んになるにつれ，短波長の利用も（ 1961年）。共同利用は 1963年から始まり，その後 1966年進んできた。一方で，蛍光 X 線による元素マッピングもに1.3 GeV までエネルギーを上げた。このような状況のた行われるようになり， 0.1 nm 付近の波長でも結像可能なめ， 1970 年代初めまでは放射光利用のイメージングの試ミラーやゾーンプレートの開発が進んだ。

みはほとんどなされず，大半の研究は実験室系光源（ X

筆者は 1970 年代初めの頃，東大原子核研究所の電子シ

線管など）で進められた。

ンクロトロン放射光を X 線ホログラフィーの光源として1912 年，ラウエの結晶回折実験によって X 線の波動性

初めて使用した。その頃の放射光は高エネルギー物理学用が示されたが，屈折率が 1 よりごくわずかに小さな値の加速器のパラサイト利用であったが，真空紫外や軟 X 線

ため， X 線レンズは不可能と考えられていた。そのため分光実験が精力的に行われていた。当時は，まだ放射光をX 線像形成は単純な投影像の撮影に限られていた。代表

イメージングの光源として使う雰囲気もなく，「X 線顕微的な撮影法としては，レントゲン写真のように物体と写真法」は異端の分野であった。 X 線にはレンズがないと言乾板（画像検出器）をなるべく近づけて撮影する密着法

うのが当時のコンセンサスであったし，一方で，結晶解析（ contact microradiography），微小 X 線源に物体を近づけにおける「位相問題」も歴史的な課題でもあった。このふ

幾何学的に拡大する投影拡大法（projection microscopy）

102 ● 放射光 March 2018 Vol.31 No.2
(C) 2018 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research特集 ■ 放射光科学30年の歩みと展望

年代

Table 1

History of Xray imaging.

事

項

研究者等

1948

直交クロス円筒ミラー結像光学系

Kirkpatrick, Baez

1948

ホログラフィーの発明

Gabor

1951

拡大投影型 X 線顕微鏡

Cosslett, Nixon

1952

ウォルターミラー光学系の理論

Wolter1952

オーバーサンプリング位相回復法の提案

Sayre

1956

密着 X 線顕微鏡

W. Ladd, Hess, M. Ladd

1963

軟 X 線顕微鏡用ゾーンプ
レートの作製M äollenstedt, Grote, J äonsson

1965

ウォルター型 X 線望遠鏡
打ち上げ

Giacconi et al.

1969

タイコグラフィーの原理提案

Hoppe

1969

CCD の発明

Boyle, Smith1972

レンズレスフーリエ変換 X
線ホログラフィーKikuta, Aoki, Kosaki,
Kohra

1973

コンピュータートモグラフ
ィー（CT）

Hounsˆeld

1974

ゾーンプレート軟 X 線顕微鏡

Niemann, Rudolph, Schmahl

1974

X 線ホログラフィー顕微鏡

Aoki, Kikuta

1978

軸対称トロイダルミラー X
線顕微鏡

Sakayanagi, Aoki

1985

レーザー励起軟 X 線レー
ザーの生成

Matthews et al.

Fig. 11989

シュバルツシルト軟 X 線
顕微鏡Xray optical elements. (a) Kirkpatrick-Baez mirror (b)Wolter mirror (c) Zone plate (d) Schwarzschild mirror

楕円面を組み合わせた軸対称斜入射ミラーを提案した3)。
この光学系は，コマ収差を少なくし，比較的広い視野が確保できるので， X 線顕微鏡の有力な候補になった。しかしながら，小型のミラーでは内面の研磨加工が難しく，最初にこの光学系を採用したのは，比較的大型の X 線望遠鏡だった。 1965 年，ロケットに搭載されたウオルター型
X 線望遠鏡が太陽からの軟 X 線像を捉えた。現在の人工衛星を使って X 線星を望遠鏡観測するさきがけとなっ

Trail, Byer

た。また，この間， 1963 年には可視光用のフリースタン
ディング（基板なし）ゾーンプレート（Fig. 1c）を軟 X 線
顕微鏡に利用しようという試みも始まっていたが，分解能もミクロン台に留まり，本格的な利用には至らなかった4)。
1948 年にはもう一つ X 線光学に与える大きな進展があがある。前者は検出器の解像度によって分解能が決まるが，った。Gabor によるホログラフィーの発明である5)。ホロ

X 線源の制約が少ないので，非破壊検査用として異物やグラフィーは光の振幅と位相の情報を同時に記録でき，3

欠陥検出などに使われてきた。後者は X 線源の大きさが次元物体の像再生ができるという画期的な撮影法である。

像のボケにつながるので，微小焦点 X 線発生装置を使っGabor の最初の提案の方式では，像再生時に実像と虚像がていた。また，電子ビームを走査して微小焦点 X 線源を同軸上に映し出されるために，精細な画像の再生が難しか作り，走査型 X 線像の撮影も行われた。 1960 年代までった。この問題を1962年，Leith と Upatnieks は記録時には，このように X 線イメージングは結像素子を使わない

軸外し光学系を採用することで解決した6)。また，その頃

簡単な光学系によることが大半であった1)。尚，後章の参He―Ne レーザー（波長632.8 nm）の市販品が出回るよう考 の た め に ， Table 1 に 「 X 線 イ メ ー ジ ン グ の 主 な 歴 史になり，一気にホログラフィーが実用化した。ホログラフ（放射光の直接利用を除く）」を示しておく。

ィーがレンズの役目を果すという特徴は， X 線の結像に一方では， X 線の結像を試みる動きも 1940 年代後半にチャンスを与えた。特に， X 線で位相情報を記録したホは始まっていた。 1948年に Fig. 1a に示すような X 線全反

ログラムを可視光で再生すれば波長比の拡大率が見込まれ射を利用した Kirkpatrick-Baez ミラーが考案され，実証ることから， X 線結像にとって大変魅力的な手法と考え的な実験が行われた2)。当時の研磨加工技術ではミラー形られた。有限な大きさを持つインコヒーレントな光源（半状の正確な加工が難しく，分解能はミクロン程度にとどま径 r）から距離 L 離れた位置における空間的にコヒーレンった。この光学系は，非点収差とコマ収差が大きく，視野

トな領域（直径 D）は，D＝0.16Ll/r（ツェルニケの式）を広く取ることが困難だったので，主に X 線ビームの収で表わされる。ここで l は波長を表わす。 1972 年，菊田束用 に使わ れた 。この 収差 の問題 を解決 する ため に，

青木ら7)は，空間的にコヒーレントな領域を得るため微1952年に Wolter は Fig. 1b に示すような回転双曲面と回転

小焦点 X 線装置を用い， Winthrop8) らが提案したレンズ

放射光 March 2018 Vol.31 No.2 ● 103

レスフーリエ変換 X 線ホグラムを炭素 Ka 線（波長 4.5「放射光の主な歴史」を示しておく。

nm）で記録し，像再生に HeNe レーザーを使い223倍のES 放射光は連続スペクトルだが，幸いビームラインに拡大像を得ることに世界で初めて成功した。ホログラフ

斜入射分光器が設置されていたので，空間的なコヒーレン

ィーは原理的に 1 枚のホログラム画像から 3 次元的な像シーを考慮して比較的波長の長い 6 nm を使用した。最初再生が可能で， 1974 年，分解能は低いながらも，筆者らに干渉性を確かめるために，何種類かのダブルスリットには AlKa 線（0.83 nm）を使ってガボア型 X 線ホログラム

よるヤングの干渉実験を行った。干渉性の確保のため，上の撮影と 3 次元の像再生に成功した9)。

流に単スリットを配置し，この単スリットからダブルスリ

ホログラフィーは部分的にでもコヒーレントな光を必要ットまでの距離の長短で空間的コヒーレンス領域を調整しとするが， 1973 年，インコヒーレント光源でも 3 次元のた。試料は実験室系との比較のため，同一のものを使っ像再構成可能な方法が Hounsˆeld によって提案され，実た。結果は炭素の Ka 線に比べ 1 桁以上の性能向上を得た。

証実験が行われた10) 。物体の投影像をいろいろな角度かFig. 2 はこの結果をまとめた論文の抜粋である11)。非常にら撮影し，それらの画像をコンピューターで像再構成する

単純な実験であったが，放射光による世界初のコヒーレン

computed tomography （ CT ）の発明である。 CT はインシーを利用した実験となった。一方，同年の 1972 年，外コヒーレント光源でも複数の投影像から像再構成ができる

国では Horowitz と Howell が斜入射楕円ミラーを集光素ので，その後の発展は目を見張るものがあった。

子として使い，放射光による初めての走査型 X 線顕微鏡の実験を行った。使った波長は 0.36 nm，分解能は約 2 ミ

3. 1970年代初期から80年代半ばまで
1970 年代初めの頃，日本での放射光利用可能な施設はクロンであった12) 。偏向電磁石からの放射光のため，コヒーレンス度も低く，また，非球面加工精度の制約で分解
能 1 ミクロンを切る X 線ミラーの製作は難しかった。

東大原子核研究所の電子シンクロトロン（ ES）のみであTable 3 に見られるように， 1974 年，我が国で放射光専った 。筆者 がこ の放射 光に 触れる 機会を 持っ たの は，用装置が出来たが，真空紫外と軟 X 線の波長域であった

1971 年頃からで，実験室系 X 線源との比較も兼ねて軟 X

ため，イメージングの利用はほとんどなかった。ただ，そ線ホログラフィーの実験を行った。参考として， Table 2の頃に半導体メモリーの微細化が進み， DRAM の微細加に「放射光関連 X 線イメージングの主な歴史」，Table 3 に工リソグラフィー用光源として放射光が注目され始めた。
当時の半導体メモリーの容量は16 K ビットが製品化され，256 K ビットの開発が進んでいたが，紫外線露光による限Table 2
年代

History of synchrotron radiation imaging.

界が 見え ，よ り短波 長へ のシフ トが考 えら れてい た。

事

Spiller らは 1976 年に放射光を利用した密着顕微法とリソ

項

研究者等

1972

放射光レンズレスフーリエ
変換 X 線ホログラフィー

Aoki, Ichihara, Kikuta

1972

楕円ミラーによる放射光走
査型顕微鏡

Horowitz, Howell1976

放射光ゾーンプレート軟 X
線顕微鏡

Niemann, Rudolph, Schmahl

1976

放射光密着顕微法，リソグ
ラフィー

1984

グラフィーに関する論文を発表した13) 。この発表を機会

Table 3

History of synchrotron radiation.

年代

事

項

施

設

等

Spiller et al.

1895

X 線の発見R äontgen

走査型軟 X 線顕微鏡

Rarback, et al.

1947

世界初のシンクロトロン放
射光，70 MeV

米国，GE

1987

3 次元 X 線マイクロトモグ
ラフィー

Flannery, Deckman,
Roberge, D'AMICO

1963

放射光による分光実験開始
180 MeV

米国，NBS1987

軟 X 線位相差顕微鏡

Schmahl, Rudolph, Guttmann

1963

東大原子核研究所

1996

走査型 X 線顕微鏡のタイ
コグラフィー

国内放射光施設共同利用開始，750 MeV

Chapman

1964

X 線領域放射光利用 6 GeV

ドイツ，DESY

1998

結像型蛍光 X 線顕微鏡

Aoki, Takeuchi, Ando

1968

1999

X 線回折顕微鏡

Miao, Charalambous, Kirz,
Sayer

世界初の放射光蓄積リング，
米国，ウイスコンシン大学
240 MeV1974

国内初の蓄積リング， 300
MeV

東大原子核研究所

1983

X 線領域蓄積リング， 2.5
GeV

KEK, PF

X 線タルボ干渉位相コント
ラスト法

David, N äohammer, Solak2004

レンズレスフーリエ変換 X
線ホログラフィーによる磁区の観察

Eisebitt, et al.

1997

第 3 世代放射光，8 GeV

SPring82006

トンネル顕微鏡型 X 線分析

Saito et al.

2011

国内初の X 線自由電子レー
ザー，8 GeV

SPring8, SACLA

2002

104 ● 放射光 March 2018 Vol.31 No.2

特集 ■ 放射光科学30年の歩みと展望

Fig. 2

Excerpt from the paper of synchrotron lens-less Fourier transform holography11).

に半導体関係者の放射光に対する関心が急速に高まり，国見積りも行うことが出来た21) 。内径 10 mm ，長さ 50 mm

内でもリソグラフィー用放射光施設の建設の機運が出てき程度のパイレックスガラス製トロイダルミラーは，非球面た。この動きは，レーザープラズマ X 線源や放電プラズに研磨加工された金属を母材とし，真空レプリカ法によっ

マ光源の開発にも影響を与え，プラズマ発光 X 線源分布て製作された。この手法は後の高分解能 Wolter ミラーののイメージングを含め，いろいろな関連する計測法が研究製作に引き継がれ， 1990 年代に入って青木らはレーザーされるようになって来た。

プラズマ軟 X 線を使って，分解能 50 nm を超える実験室

リソグラフィー技術はゾーンプレートの作製にも大きな系 X 線顕微鏡を構築した22)。

影響を与えた。 Schmahl らは，レーザーホログラフィー

反射光学系のもう一つの流れとして，多層膜を利用した技術を利用してゾーンプレートの製作を開始した14,15) 。

直入射光学系の開発が活発になって来たのもこの時期であ1976 年，彼らは放射光を使って初めてのゾーンプレート

る。Fig. 1d に示す凹面鏡と凸面鏡を組み合わせたシユバル

結像型軟 X 線顕微鏡を組み立て，その後， 1980年に光学

ツシルト光学系は，古くから光学望遠鏡に使われて来たが，顕微鏡を超える分解能を得た16) 。この技術は電子ビーム

30 nm 以下の短波長域では，直入射反射率の低下のため実露光法に受け継がれ， X 線結像素子の中心的役割を担う用化が困難であった。より短波長域での直入射光学系実現ことになった。指向性の良い放射光とゾーンプレートは比のため，異なる屈折率の薄膜を交互に積み重ね，実効的な較 的 相 性 が よ く ， 1983 年 ， Kirz グ ル ー プ の Rarback ら

反射率を上げる多層膜の開発が進められた。多層膜は 1は，ゾーンプレートを集光素子とした初めての走査型軟周期の厚さを d とすると，波長 l との間のブラッグの関X 線顕微鏡を組み上げ， 0.3 mm の分解能を得た17) 。結像

係式， 2d sin u ＝ l を満たせば，特定の角度 u で大きな反型，走査型共にゾーンプレートの改良に伴い性能も向上し，射率が得られる。直入射にこだわらなければ，短波長の硬1990 年 代 半 ば に は 分 解 能 も 50 nm を 超 え る よ う に な っX 線領域までその利点が生かされるので， X 線用の多層た18)。

膜開発が一気に進んだ。シュバルツシルト光学系は走査型

一方で，全反射を利用した X 線顕微鏡光学系の開発もX 線顕微鏡として放射光施設で初めて組み立てられ

1970 年代後半から徐々に活発になり始めて来た。 1978

た23) 。その後いくつかの X 線顕微鏡が作られたが24,25) ，年，坂柳らは， Wolter のアイデアとは独立に軸対称二段

いわゆる「水の窓」の波長域（炭素の吸収端波長 4.4 nmのトロイダル面による X 線結像ミラーを提案し，斜入射から酸素の吸収端波長 2.3 nm ）では，反射率が極端に低X 線顕微鏡の試作を行った19,20)。同年，このミラーを使っくなるため，開発は X 線縮小露光リソグラフィー用の 13て核研 ES からの軟 X 線集光にも成功し，光源サイズのnm 近辺にシフトして行った。

放射光 March 2018 Vol.31 No.2 ● 105

1970 年代後半から 1980 年代前半は，まだ世界的にも X

きな関心を呼んだ。コヒーレント X 線源についてはレー線領域の放射光蓄積リングが少なく，軟 X 線の利用がほ

ザープラズマ分野の研究が先行していたが，極めて限られとんどで，光源としては放射光とレーザープラズマ X 線

た条件での発振であった。これに比べ，アンジュレーター

源が共存していた。その頃の雰囲気が最もよく現れていた

放射光の生成は，周期的な磁石配列の利用で済み，比較的のが， 1979年にニューヨークで開かれた「 Ultrasoft

X

容易に部分的コヒーレント X 線を放射するので，利用者

ray Microscopy: Its Application to Biological and Physicalにとってアクセスしやすかった。1985年， PFBL2 での最Sciences」の会議である26)。この会議では，光源としては初の実験は，ロシア研究者との共同研究で，タルボ干渉効

放射光とレーザープラズマ，光学素子としてはゾーンプ

果を 利用 した 周期パ ター ンの縮 小リソ グラ フィー だっ

レートとウオルターミラー，検出器としては CCD とホトた31) 。実験は理論通りの結果を生じ，アンジュレーター

レジスト等，それぞれの特徴を示し合う場にもなった。

光の素晴らしさを実感した。この成果を活かすために，翌年 X 線ホログラフィーの実験を行った32)。微小焦点 X 線

4. 1980年代半ばから2000年頃まで発生装置ではガボア型ホログラム撮影に 1 時間以上の露光を要したが，アンジュレーターでは 1 秒以下で済ん

真空紫外，軟 X 線を主体とした放射光はその使い勝手だ。回折を伴う干渉縞の数も 10 倍以上を記録し，その性の良さから， X 線領域への期待が高まり，世界各国で専能に圧倒され，高分解能のイメージングが可能になること

用施設の建設が始まった。国内では，KEKPF の共同利を確信した。

用が 1983 年に始まった。建設が関係者の士気を高め，い一方で，放射光の積極的な利用で勢いを増したのが，ろいろな分野の研究グループが研究会を発足し，それぞれ

ゾーンプレート軟 X 線顕微鏡である。この頃，既に光学独自のビームライン設計に関係した。イメージング関係で顕微鏡の分解能を越えていた結像型のゾーンプレート軟は，軟 X 線ビームラインでリソグラフィーや「水の窓」

X 線顕微鏡は，生体試料の観察に重点が移ってきた。 X

波長域の軟 X 線顕微鏡が，硬 X 線ビームラインでは蛍光

線は電子線に比べ，照射損傷が少ないと言われていたが，X 線分析用マイクロビームの形成がトピックになった。

吸収コントラスト像では，分解能が上がるに連れて損傷のリソグラフィー関連研究のため，民間会社数社と NTT は影響が現れ始めていた。 1987 年， Schmahl らは，この問PF に専用のビームラインを設けて，放射光リソグラフ

題を解消し，より短波長でも像コントラストを上げられる

ィ ー の 可 能 性 を 探 っ た 。 そ こ で 使 わ れ て い た PMMA

軟 X 線位相差顕微鏡を組み立てた33)。これを契機として，（ polymethyl methacrylate ）レジストは数 nm の高い解像

X 線イメージングでも位相コントラストに注目が集まり力を持っていたので，密着顕微法の記録剤として利用され

始めた。

た。
この頃にはゾーンプレートはまだ一般的ではなく，密着

国内でのゾーンプレート軟 X 線顕微鏡の開発はやや遅れてスタートした。PF アンジュレーターの共用開始に合法が高分解能 X 線顕微鏡の役割を担った。その流れのひ

わせ， PF ， NTT ，筑波大の 3 者で光源，ゾーンプレー

とつとして， 1986 年に台湾で生物応用に関する X 線顕微

ト，顕微鏡システムについてそれぞれ分担して研究を開始

鏡シンポジウムが開催された27) 。この会議で日本のゾーした。 NTT はリソグラフィー開発で培った微細加工技術

ンプレート軟 X 線顕微鏡の成果が初めて発表された。翌を使って，タンタル製最外輪帯幅0.25 mm のゾーンプレー

年 1987 年には，第 2 回目の X 線顕微鏡国際会議が米国のトを製作した。第 1 作目は，透過部分が完全に抜けていブルックヘブンで開催され28) ，また 1988 年にはつくばでるフリースタンディングタイプにした。幸い，強度が大き

第 3 回 の SRI （ Synchrotron Radiation Instrumentation ）なアンジュレーターの照射にも耐えられるものができた。

が開かれた29) 。これらの会議には，国内外の放射光立ち

光学系は照明系と分光を兼ねたコンデンサーゾーンプレー

上げ期に貢献した多くの研究者が参加し， 1988 年，本放トと対物ゾーンプレートの組み合わせにした。PF で組み射光学会がスタートするきっかけを作った。また，翌年立てる前に，ゾーンプレートを大学の X 線管（炭素 Ka

1989 年には，国内の X 線光学研究者が中心になって文部線）で結像評価した。ウオルターミラーを評価する光学系

省重点領域研究「 X 線結像光学」をスタートさせた。こを使い，簡単な光軸合わせできれいなメッシュ像がすぐにこでは，多層膜光学を初めとした新しい光学素子の開発，撮影できた。ところが，アンジュレーター光では平行性がX 線望遠鏡と X 線顕微鏡を中心とした結像システムの研良過ぎ，光軸付近ではバック（0 次光）と像が重なってな

究など，産業界からの参加も含めオールジャパンの体制でかなかスッキリした像が見えなかった。あれこれ工夫し，臨んだ。重点領域研究終了後も X 線結像光学研究会とし結像位置を光軸から外してやっと像が見えたが，それでもて，シンポジウムの開催とニューズレターの発行が続いてコヒーレント光に特有なスペックルが重なり，ノイズの多いる30)。

い像しか得られなかった34) 。アンジュレーター光で結像

PF の共同利用が始まると，いろいろなイメージングの型のイメージングをする際の悩ましい最初の経験になっ試みが始まったが，特にアンジュレーターの運転開始は大た。最近では拡散板の挿入でこの問題を解決している。コ

106 ● 放射光 March 2018 Vol.31 No.2

特集 ■ 放射光科学30年の歩みと展望

ヒーレンシーの良いアンジュレーター光は，マイクロビー
ムの生成に向いているので，その後の走査型顕微鏡の光源としては必須になっている。
放射光の連続スペクトルは波長選択が容易なので，元素の吸収端に注目した元素分析に都合が良い。吸収コントラ
ストでは，吸収端前後の差分像から，また，蛍光 X 線では励起波長から元素の特定が可能になる。蛍光 X 線は原
子番号の大きな元素の方が励起効率が高いので，励起波長は 0.2 nm より短波長にすることが多い。当時は硬 X 線用のゾーンプレートがなかったので，非球面ミラーによってマイクロビームを生成し，試料上を 2 次元的に走査し，その蛍光 X 線を使って元素マッピングを行った。PF での本格的なマイクロビーム蛍光 X 線分析は東大，筑波大，
PF の共同研究で行われた35) 。光学系はウオルター型ミラーを基本にして，収差の少ない 2 段階の収束システムにした。第 1 段目のウオルターミラーは部分開口で長さ50 cm の楕円面と32 cm の双曲面を連結した。第 2 段目は本来のウオルターミラーで，内径 1 cm，長さ 7 cm のもの

Fig. 3

Projection images of the 3D reconstructed Xray ‰uorescence images. (a) A test specimen consisted of an Fe wire of
100 mm diameter, Cu and Ni wires of 5 mm diameter. The excitation Xray energy was (b) 9.000 keV, (c) 8.343 keV,and (d) 7.122 keV.

を使っ た。集 光可能な 短波長 はおよそ 0.1 nm に設 定した。国内では X 線用の大型非球面ミラーの製作は未経験だったが，表面粗さ（ d ）の条件 d ＜ l / 8 sin u を満足する

影が 1 回の露光で可能になった。その結果，比較的短時ようにして研磨加工した。使用予定の波長 0.1 nm ，斜入間の測定で 3 次元画像の取得が出来るようになり，ま射角 u を 7 mrad とすると，粗さを1.8 nm 以下に仕上げれた，像面に蛍光板を使用し，その像を可視光レンズ系で拡ば良いことになる。当時の光学研磨技術でも十分達成可能

大することによってミクロン程度の分解能も可能になっな値であった。偏向電磁石からの X 線を使ったのでコた38)。1988年，PF でも結晶の非対称反射による像拡大法

ヒーレンシーが低く，マイクロビームによるスポットサイを使って 10 ミクロン台の 3 次元 CT 画像が得られるよう

ズは数ミクロン程度に留まったが，従来の X 線管に比べになった。

2 桁近い分解能の向上が見られた。

Table 2 および Table 3 からも分かるように，1990年頃ま蛍光 X 線顕微鏡はこのような走査型が一般的であった

でに，軟 X 線イメージングは放射光とレーザープラズマ

が，通常，ひとつの 2 次元データを得るのに当時は 1 時

X 線，硬 X 線イメージングは放射光と実験室系 X 線管な間以上を要した。この撮影時間を大幅に短縮するために

ど，インコヒーレントな光源を使ったいろいろなイメージ

は，蛍光 X 線を直接 2 次元的に結像する結像型の蛍光 X

ング法がほぼ出揃った。 90 年代前半は第 3 世代放射光源

線顕微鏡が望ましい。ウオルターミラーは，他の集光素子

SPring 8 の建設が始まり， X 線領域におけるコヒーレンに比べて相対的に開口数が大きいので，発散の蛍光 X 線

トイメージングの機運が高まって行った。

の結像に向いている。前述の小型ウオルターミラーを結像拡大型で使い，銅メッシュやステンレスシートの蛍光 X
線を撮影した。 1 mm2 以上の領域を 1 分前後で撮影する

5. 2000年頃から現在ことに成功した36) 。十分な照射強度を得るためにモノク

1997年に供用を開始した SPring8 の利用は，それまで

ロメーターは使用しなかった。同程度の領域を走査型で撮の X 線イメージングの主な波長域が軟 X 線から硬 X 線に影すると 1 時間以上掛かるので，その差は歴然としてい広がるきっかけになった。先行したヨーロッパの ESRF

た。この有効性は，SPring8 を利用した結像型蛍光 X 線（European Synchrotron Radiation Facility）と米国の APS

顕 微 鏡 CT に よ る 3 次 元 蛍 光 X 線 撮 像 で も 実 証 さ れ た（Advanced Photon Source）は第 3 世代の放射光光源と呼（Fig. 3)37)。

ばれ，アンジュレーター装置を備えた高輝度 X 線源を提放射光の指向性の良さを活かした投影型のトモグラフ

供するようになった。一方で，実験室系の光源として有望

ィー研究も，この頃から盛んになり始めた。多数の投影像視されていたレーザープラズマ軟 X 線源は， EUV （ Ex-から 3 次元の画像再構成を行うには，演算速度が速く，treme Ultra Violet）リソグラフィー用の波長域（13 nm

メモリー容量の大きなコンピューターが必要であるが，半前後）と水の窓波長域（ 2.3 nm ～ 4.3 nm ）に開発の重点

導体微細加工の進歩で DRAM 容量も 1 M を越えるようが移って行った。このような流れから， 2000 年代に入るになり，それに伴い CCD の高性能化も進み， 1 投影の撮と X 線イメージング装置開発は硬 X 線領域（波長～ 0.2

放射光 March 2018 Vol.31 No.2 ● 107

nm 以下の短波長）が中心となり，軟 X 線イメージングは応用へと展開して行った。この間，利用分野も生物医学，環境宇宙，地球地質，材料表面科学等に広がり，産業への結び付きも強くなり始めた。
SPring 8 のような高輝度光源は新しい計測法も生み出した。 2006 年，齋藤らは STM と K B ミラー集光ビームの組み合わせで 1 nm の分解能と元素分析を実現した39)。
このような高分解能の顕微プローブの生成は，アンジュ
レーター光と高精度に研磨加工された KB ミラーの存在が大きい40)。
X 線光学素子の高分解能化も進み，2005年，Chao らは

高分解能軟 X 線用ゾーンプレートとして， 15 nm の分解能に迫る素子を作製した41) 。一方で， X 線用は，輪帯板の厚みを増すことによって使用可能な波長域を 0.1 nm 付
近まで広げ，分解能は 50 nm を超える水準に至った42) 。
更なる分解能の向上は，ゾーンのアスペクト比の著しい増加を招くため，多層膜を 1 次元あるいは 2 次元的にゾーンプレート状に積層し，それを適当な厚さにスライスした
通称「ラウエレンズ」で克服した。ラウエレンズの最初の試作品は 1987 年の X 線顕微鏡国際会議で発表され，銅

Fig. 4Development process of xray imaging method.
●: First paper, ◎: Practical use[Acronym] CM: contact microscopy, PRJ: projection
microscopy,
HOLO: holography, K-B: Kirkpatrick-Baez mirror, ZP(S):soft xray zone plate,
ZP(H): hard xray zone plate, WM(S): soft xray Wolter
mirror,
WM(H): hard xray Wolter mirror,
CXDM: coherent xray diŠraction microscopy, PTY: ptychography,
TOMO: tomography

Ka 線の 1 次元集光を確認している43)。その後，しばらくの間，開発が滞っていたが，最近では成膜技術の向上でナノレベルの分解能を持つものも現れた。ごく最近，ビーム
ラインの実装例として， 12 keV の X 線で 15 nm の分解能

きく，1996年に Chapman によって実証された52)。このアを持つ走査型 X 線顕微鏡の報告があった44)。

イデアの改良版が 2004 年に Faulkner らによって提案さ

CT は様々な局面で X 線イメージングの 3 次元化を促進れ，現在一般に広く使われるようになった53) 。コヒーレしている。Larabell らは，クライオ法で凍結したイースト

ント X 線回折顕微鏡は回折パターンの最大空間周波数近菌の 3 次元 CT 像を水の窓領域の軟 X 線を用い， 60 nm

くまで分解能を上げることが可能で，最近ではナノレベルの分解能で撮影した45) 。一方で，実験室系の軟 X 線顕微の 3 次元像も得られるようになって来た。

鏡では，レーザープラズマ光源と開口数の大きな Wolter
ミラーを用いれば短時間露光で数10 nm の分解能が得られまとめとして，主な X 線イメージング手法のおおよその開始時と実用化時期を Fig. 4 に示しておく。

るので，CT による 3 次元像形成も可能になっている46)。
位相コントラスト X 線イメージングもいくつかの新しい進展が見られた。 Talbot 効果を利用した位相コントラ
ストイメージングは，医学診断分野の注目を集め，急速な6. 今後への期待
X 線イメージングは光源，光学素子，検出器の 3 要素

広がりを見せている47) 。 Talbot 効果は空間的にも時間的の発展に伴って順調に開発が進んでいる。 SPring 8 でにもそれほど高いコヒーレンシーを要求しないので，実験

は，放射光アンジュレ―ターと集光系の組み合わせによっ

室系での利用の広がりが期待される。

て，波長 1 nm 近辺で 1 mm 平方当たり毎秒 1010 個，すな

X 線自由電子レーザーの実用化48) はコヒーレンシーを

わち 1 nm 平方当たり毎秒 100個程度の X 線が利用できる

利用したホログラフィー顕微鏡や回折顕微鏡の研究を促しので， 1 nm を超える分解能の結像は可能である。実際にている。回折顕微鏡はコヒーレントに照明された物体からX 線回折顕微法ではナノレベルの 3 次元像が得られておの回折パターンを利用して位相を再生する方法で， 1952

り，他の直接結像法でも実現性は高い。

年に Sayer によって提案されたオーバーサンプリング法

ゾーンプレートを初め，斜入射ミラーなどの光学素子分が起点になっている49)。この理論を基に1999年，Miao は解能向上に伴い光学系の集光効率も増し，実験室系 X 線

Kirz, Sayre らと共に初めて実験的に X 線回折顕微法を実

顕微鏡の実用化も進みつつある。多層膜を応用した結像系

証した50) 。この方法は，平面波照明を仮定するため，試は EUV リソグラフィー用として実用化され，半導体産業

料がビームサイズに比べて十分小さく，孤立物体が仮定さのキーテクノロジーになりつつある。これまでの X 線イれる。これに比べ， 1969 年に Hoppe51) によって提案されメージングの歴史を振り返ると，LSI に関連する加工技術

たタイコグラフィーは，試料制限が少ない点で自由度が大や制御技術の精度に対応して分解能の向上が図られた。画108 ● 放射光 March 2018 Vol.31 No.2

特集 ■ 放射光科学30年の歩みと展望

像処理技術もメモリー容量の増大に負うところが多い。

23)

放射光の高輝度化は，空間分解能も時間分解能も飛躍的に向上させ，その利点を利用して様々な研究分野で有効活用が始まった。高分解能化に伴い，これまではあまり問題にならなかった照射損傷など，試料環境の整備や対策が必

24)
25)

要になってくる。一研究者，一課題の解決が望まれる。

26)

本 報告で は， 主に 筆者が 経験 し，見 聞き した X 線イ
メージングの研究開発の歴史を述べた。 1970 年当時は X
線イメージングの端境期（停滞期）で，世界的に見ても27)

同業の研究者は 10 指に満たなかった。その分，のんきに研究もできたが，進歩もゆっくりだった。 X 線「マイク28)ロ」イメージングが目標だった頃から「ナノ」イメージン
グが日常化した今日，あらゆる分野への広がりが想像でき

29)

る。

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著者紹介
青木貞雄
一般財団法人総合科学研究機構 理事，
筑波大学 名誉教授
E-mail: s_aoki＠cross.or.jp
専門応用光学，X 線顕微鏡学［略歴］
1974 年東京大学大学院理学系研究科相関理化学専門課程修了（理学博士）
1974年東京工業大学精密工学研究所助手
1976年東京教育大学光学研究所助手
1978年筑波大学物理工学系講師
1994年筑波大学物理工学系教授
2010年同定年退職
2012年より現職

History of X
ray nanoimaging
Sadao AOKI
Abstract

Comprehensive Research Organization for Science and Society
Tsuchiura, Ibaraki 300-0811

1601 Kamitakatsu,

Since the projection microscopy was common at the time when the Xray imaging optical element
was not present, the spatial resolution remained at the level of the optical microscope. When theuse of synchrotron radiation begins, new Xray imaging elements have been developed, and thenimaging beyond the resolution of the optical microscope became possible. The invention of the undulator promotes the development of coherent optics, and high resolution imaging approachingnanometers became possible. After computed tomography was introduced in most imaging, it is
now possible to acquire three-dimensional images.
In this report, we focus on Xray imaging from the beginning of synchrotron radiation generation to today, and look back on the history of its development.

110 ● 放射光 March 2018 Vol.31 No.2