九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン 利用報告書
課 題 番 号 ： 2101143F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL07

（様式第 5 号）

凍 結 試 料 の 非 破 壊 測 定 の た め の 低 温 型 吸 収 コ ン ト ラ ス ト X 線 CT法の確立
Establishment of low-temperature absorption contrast X -ray CT method
nondestructive measurement of frozen samples

for

竹谷敏・米山明男

Satoshi Takeya, Akio Yoneyama
産業技術総合研究所・九州シンクロトロン光研究センター

National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST),SAGA Light Source
※１
※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す （ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要
X 線 CT は 、 X 線 が 物 質 を 透 過 す る 際 の X 線 吸 収 率 の 違 い を コ ン ト ラ ス ト と し て 、 物 質の 内 部 構 造 を 三 次 元 画 像 に す る 方 法 で あ る 。構 成 元 素 が 軽 い 元 素 で あ る ほ ど X 線 の 吸 収は小さくなるため、軽元素（例えば、水素、炭素、酸素等）で構成される軽い物質では吸 収 コ ン ト ラ ス ト は 低 下 し て し ま う と い っ た 問 題 が あ る 。し か し 、放 射 光 を 線 源 と す る
単 色 X 線 CT 計 測 系 で は 、 低 エ ネ ル ギ ー の 単 色 X 線 を 用 い る こ と が で き 、 軽 元 素 材 料 の可 視 化 実 験 に 有 効 で あ る 。本 研 究 で は 、高 輝 度 で 低 エ ネ ル ギ ー の 単 色 放 射 光 X 線 を 用 い 、氷 点 下 温 度 で の X 線 CT に よ る 非 破 壊 三 次 元 観 察 技 術 の 確 立 を 目 的 と し て い る 。
低 温 型 X 線 CT 測 定 法 を 確 立 、‐ 150℃ で の 凍 結 試 料 の X 線 CT 測 定 を 行 っ た 。低 エ ネ ル
ギ ー の X 線 を 用 い る こ と に よ り 、氷 結 晶 と の 密 度 差 が 小 さ く X 線 の 透 過 率 差 が 小 さ い 対
象 物 質 の 可 視 化 を 試 み た 。実 験 に は 、九 州 シ ン ク ロ ト ロ ン 光 研 究 セ ン タ ー BL07 で の X 線
CT 測 定 用 に 開 発 し た 窒 素 ガ ス 吹 き 付 け 装 置 を 用 い 、 X 線 の 単 色 化 に は Ge コ ン パ ク ト 単色器を使用した。
X-ray CT is a method to create a three-dimensional image of a material's internal structureby using the difference in X-ray absorption ratios when X-rays pass through the material . Thelighter the constituent elements, the smaller the X -ray absorption difference, and the lighter
the elements (e.g., hydrogen, carbon, oxygen, etc.), the lower the absorption contras t.
However, the low energy mono -energetic X-ray CT system using synchrotron radiation can beused for visualization experiments of li ght-element materials.
The purpose of this study is to establish a non-destructive 3D observation technique by
X-ray CT at sub-zero temperatures by using high -brightness and low-energy monochromaticsynchrotron radiation X-rays. We successfully performed the measurements at 123 K in the
optical hutch of BL07 using the developed nitrogen gas spraying system from the previous
experiments at the Kyushu Synchrotron Radiation Research Center. The measurements wereperformed using a Ge compact monochromator for monochromatization of X -rays of 8 keV inphoton energy.

２．背景と目的
ガスハイドレートなどの物質の物性評価、食品の冷凍保存性能の評価など、氷点下温度での非破壊可視化技術は、各種材料等の保管、搬送時の品質維持等、様々な場面で有効な技術となっている。低温下での測定における主な測定ニーズは、凍結状態を安定に維持し、温度変化にともなう状態や形態変化、品質変化を抑制した状態での測定技術の開発である。
Ⅹ線 CT 技術は、凍結状態における対象物質や組織中の氷結晶の形態観察するための技術として、利用が試みられてきた。しかし従来の方法では、一般に対象物質と氷結晶との密度差が小さく X 線の透過率差が小さいため、試料中の氷を、高コントラストかつ高空間分解能で可視化することは困難であった。そのため、例えば冷凍食品の X 線 CT 観察では、フリーズドライにより氷結晶部分を空洞化することにより観察する方法など用いられていた。しかし、正確な測定対象の観察や評価のためには、凍結したそのままの状態でのＸ線 CT 測定や、その状態での物質の同定が必要である。
本研究では、高輝度で低エネルギーの単色放射光 X 線を用いることにより、氷点下温度での X 線CT による非破壊三次元観察技術を確立することを目的としている。我々は、これまでの九州シンク
ロトロン光研究センターでの実験において、173K 以下の温度での低温型 X 線 CT 測定を可能にしている。しかし、より高い空間分解能（～数μm）で高コントラストな測定の実現に向け、測定中の試料への氷の結露や、吹付けガスによる試料の振動を防いだ状態で、高い再現性を有する測定の実現が不可欠である。今回の実験では、より高精細な X 線 CT 測定の実現に向け、試料冷却部の構成を改良することにより、より高精細な低温条件下での X 線 CT 測定法を可能にするための開発を行った。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
本課題では、X線吸収率の小さいガスハイドレートを対象とするため、 試料の吸収コントラストを向上させるために、8 keV～25 keV程度のエネルギーの単色X線で、X線CT測定による非破壊三次元観察を行う（図1）。
具体的には、試料位置決め・回転機構、画像検出器、試料冷却用から主に構成される。試料は基礎から独立した位置決め機構により、上述の光路に設置する。3次元測定は、試料をX線に対して回転して行う（図2）。 温度制御には冷却窒素ガスを用い、123 Kに温度保持が可能で、PID制御により温度精度は±1Ｋを目指す。排出される窒素ガス量は10L/min程度であり、吸引排気機構を設けることにより、ハッチ内へ排出することな
図 1 単色 X 線 CT の計測系
くハッチ外に排出する機構を設けるとともに、ハッチ内の酸素濃度計での安全管理を行う。
４．実験結果と考察
今回の実験においては、上記システムを用いての吸収コントラストのＸ線エネルギー依存性の検証を目的に、標準試料の測定として、凍結試料の測定を行った。測定は、エネルギー8 keV の単色 X 線を用い、露光時間 1 秒での測定を行った。
今回の測定で用いた、Ｘ線ＣＴの光学系内に設置した冷却システムを、図 2 および図 3 右図で示す。測定では、試料を垂直に自立するような配置とした。今回の測定条
件においては、一回のＸ線ＣＴ測定は、1 時間以下の時間での測定が可能である。測定時、試料周囲への結露は無い状態での測定が可能であるが、数μm 程度以上の高空間分解能な測定では、吹付け窒素ガスの影響による試料の僅かな振動の影響があった。

図 2 試料冷却部

今後、より高い空間分解能（～数μm）で高コントラストな測定の実現に向け、測定中の試料への氷の結露や、吹付けガスによる試料の振動を防いだ状態での測定の実現が不可欠である。

図 3 試料温度制御Ｘ線ＣＴ
左：全体の構成、右図：試料冷却部拡大図

５．今後の課題
今回の測定で、123 K での低温域での試料の温度制御が可能となった。今後、測定中の結露防止を行うための対策を講じ、正確に温度制御した状態での測定を可能にする必要がある。
温度制御下での高精細な三次元観察の実現により、温度変化による物質やデバイスの機能発現状態での非破壊可視化や機能劣化過程の可視化、さらには、それら物質やデバイスの性能向上への貢献が期待される。
６．参考文献1) “Diffraction-enhanced X-ray imaging under low-temperature conditions – Non-destructive observations ofclathrate gas hydrates –”, S. Takeya, et al, J. Synchrotron Radiat., 19, pp.1038–1042, 2012.
2) “Non-destructive imaging of anomalously preserved methane clathrate hydrate by phase contrast X-rayimaging” S. Takeya, et al., J. Phys. Chem. C, 115, pp.16193-16199, 2011.
７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）
1) “X-Ray attenuation and image contrast in the X-ray computed tomography of clathrate hydrates depending
on guest species” S. Takeya et al., Phys Chem Chem Phys, (2020), 22, 27658.
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
ガスハイドレート、氷、温度制御 X 線 CT
９．研究成果公開について① 論文（査読付）発表の報告（報告時期：2022 年 3 月）