1

位相コントラストＸ線イメージング法による材料観察

（株）日立製作所基礎研究所米山 明男

2

目次

１．位相コントラストX線イメージング法の原理と特徴

２．X線干渉計を用いたイメージング法（X線干渉法）の原理と装置

３．X線干渉法による観察例a. 燃料電池膜b. 南極古氷c. アルツハイマー病βアミロイド

４．屈折コントラストを用いたイメージング法（DEI）の原理と装置

５．DEIによる観察例a. 発泡ポリマーb. 信号ケーブル

６．まとめ

3

位相コントラストとは？

従来のＸ線イメージング（CTなど）

位相Ｘ線イメージング

各原子番号に対する感度の比

エネルギー18 keV35 keV50 keV

1

10

100

1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60

原子番号

感度

の比

（位

相／

従来

）

従来のＸ線ＣＴより１０００倍高感度→有機材料や生体試料を無造影で観察可能！

4

位相コントラスト法と吸収コントラスト法の比較

ラット心臓の測定例（同一被曝量）

位相コントラスト法 吸収コントラスト法

5

位相シフトの検出方法

位相の変化（検出丌可）

強度の変化（検出可能）

位相シフトを強度に変換する方法

検出方法 概要 検出量 感度 密度レンジ

Ｘ線干渉法 cos(p) ◎ 狭

屈折コントラスト法

○ 広

タルボ干渉法

伝搬法

x

p

p2

干渉（重ね合せ）により強度に変換して検出

屈折角を結晶の回折現象を利用して検出

フレネル回折を利用して検出

)cos(x

p

回折格子によるタルボ効果を用いて検出

6

X線干渉計を用いた方法（X線干渉法）

一体LLL型

干渉Ｘ線強度∝cos(p)

分離型Ｘ線干渉計

試料

Ｘ線削り出し

Siインゴット

10 pradの位置決め

7

X線干渉法イメージングシステム

分離型Ｘ線干渉計

非対称結晶

除振機構

Ｘ線

Ｘ線画像検出器

画像検出器

画像フィードバックシステム

干渉計用ステージ

イメージングシステムの模式図

主な性能

エネルギー 17–35 keV

観察視野60×４0 mm at

17 keV

空間分解能 約 50 mm

密度分解能三次元観察において

約 0.7 mg/cm3

（測定時間３時間）

参考文献：Nucl. Instrum. Meth. A 523, 217-222(2004)など

8

南極古氷の観察

気泡

岩盤

気泡を含む氷結晶

雪

氷

500～1000 m(～100気圧～数万年)

エアハイドレート

ドームふじ

3030 m

氷床

岩盤

酸素や窒素分子

水分子

ハイドレートの模式図 ハイドレートの写真

200 mm

ハイドレート

氷

9

南極古氷の観察結果

深さ1775.8 m（間氷期）の氷コアの三次元像（氷に相当する密度を透明化）

エアハイドレート

サンプルＸ線

液体窒素

液体容器（酢酸メチル）

サンプル

冷却容器

液体容器第１結晶

第２結晶Ｘ線

参考文献 Rev. Sci. Instrum. 77, 053705(2006)

10

(a)氷期(1975.8 m) (b)間氷期(1775.8 m)

エアハイドレート

各氷床コアの三次元像（氷に相当する密度を透明化して表示）

氷期と間氷期の南極古氷の観察結果

エアハイドレートのサイズの度数分布

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200

サイズ[boxel]

度数

氷期

間氷期平均1.3倍

11

アルツハイマー病βアミロイドの観察

老人斑

蓄積

bアミロイドの凝集体（プラーク）

APPAb

正常マウスの脳の断面

モデルマウスの脳の断面

高密度の斑点

12

アルツハイマー病βアミロイドの観察結果

皮質 線条体

脳梁

位相コントラストＸ線ＣＴによる断面像

bアミロイド染色切片の光学顕微鏡像

プラーク 脳の模式図

Neuroscience. 138, 1205(2006)

プラーク

13

各月齢のマウス脳の観察結果

4 M 6 M

12 M9 M

PF News 24, 28(2006)

14

βアミロイドの定量解析

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

プラ

ーク

の平

均半

径[m

m]

プラ

ーク

の個

数[個

]

月齢

月齢とプラーク大きさ及び個数の関係

参考文献：PF News 24, 28(2006)

15

屈折コントラスト法（DEI）の原理

dxzxzxp x ),(2

),(

y

x

z

サンプルによる屈折角θと、位相シフトpの関係式

x

p

2

上式から、p（密度に比例）を

下記の積分により算出

16

DEIのシステム

放射光（単色X線）

非対称結晶

角度アナライザーSi(220)

サンプル

画像検出器

ＰＣ

CT用のサンプル回転

主な性能

エネルギー 17–７０ keV

観察視野 ４０×４0 mm at 17 keV

空間分解能 約 50 mm

17

発泡ポリマーの観察結果

1 mm

内部導体（銅パイプ）

絶縁体（発泡ポリマー）

発泡ポリマーの３次元像（導体なし、絶縁体の一部）

高周波同軸ケーブルの模式図

外部導体

試料提供：日立電線

18

発泡ポリマーの定量解析結果

1 mm

サンプルAの断面像

サンプルA

10000

20000

30000

40000

0 100 200 300 400 500

中心からの距離 [pixel]

密度

[相対

値]

サンプルB

サンプルBの断面像

動径方向の密度分布解析結果

試料提供：日立電線

0

19

DEIによる複合材料（金属＋有機材料）の観察

mが急激に変化するため金属と有機材料では最適なエネルギーが異なる

従来の吸収法では高精細な観察は難しい

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

0 20 40 60 80 100Lin

ear

abso

rpti

on

coef

fici

ent m

[mm

-1]

X-ray energy [keV]

CH2OFeCu

有機材料に適したエネルギー

金属に適したエネルギー

各エネルギーにおける線吸収係数

観察に適した吸収係数

20

DEIによる複合材料（金属＋有機材料）の観察

高エネルギーにおいても位相シフトは十分に大きい

複合材料の観察には、高エネルギーX線を用いた位相コントラスト法が適している！

1

10

100

1000

10000

0 20 40 60 80 100

Phas

e-sh

ift

coef

fici

ent dp

[rad

/mm

]

X-ray energy [keV]

CH2OFeCu

減少は1/10以下

各エネルギーにおける位相シフト係数

21

DEIによる複合材料（金属＋有機材料）の観察

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

0 20 40 60 80 100

Rat

ion

of

dp

/m

X-ray energy [keV]

CH2OFeCu

係数の比は高いエネルギーのX線ほど大きい。

高いエネルギーのX線ほど 位相コントラストは高感度

各エネルギーにおける位相シフトと吸収係数の比

22

信号ケーブルの投影像（エネルギー70 keV）

芯線

ジャケット

グランドメッシュ

位相コントラスト像

吸収コントラスト像

1 mm

23

信号ケーブル投影像のラインプロファイル

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 100 200 300 400

位置 [pixel]

位相

シフ

ト[相

対値

]

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

吸収

[相対

値]

位相シフト吸収

ジャケット

投影像のラインプロファイル

24

グランドメッシュ

絶縁体

外部ジャケット

芯線

信号ケーブルの三次元観察結果

４芯ケーブルの三次元像

25

まとめ

・位相コントラストX線イメージング法は、従来のX線CTに比べて1000倍以上高感度であり、有機材料や生体試料を高精細に観察することができる。

・X線干渉法は最も高感度でサブmg/cm3の密度分解能を有し、南極古氷に含まれるエアハイドレートや、アルツハイマー病βアミロイドの可視化・定量解析に成功している。

・屈折コントラスト法（DEI）は、密度のダイナミックレンジが広く、電線の絶縁材料である発泡ポリマーの観察・定量解析に成功している。また、高いエネルギーのX線を用いることによって、金属と軽元素で構成された複合材料の観察にも成功している。

26

謝辞

武田 徹 （北里大学医療衛生学部）竹谷 敏 （産業技術総合研究所 計測フロンティア研究部門）本田 一匡 （産業技術総合研究所 計測フロンティア研究部門）奥山 純一 （北海道大学 低温科学研究所）本堂 武夫 （北海道大学 低温科学研究所）齊田 恭子 （アステラス製薬（株）薬理研究所）志鷹 義嗣 （アステラス製薬（株）薬理研究所）山崎 孝則 （日立電線（株）技術本部技術研究所）兵藤 一行 （高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所）平野 馨一 （高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所）平井 康晴 （九州シンクロトロン光研究センター）上田 和浩 （（株）日立製作所基礎研究所）

放射光を用いた実験は、高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所放射光施設において、Ｓ型課題「分離型X線干渉計を用いた位相コントラスト法による生体in vivo 観察」（Ⅰ～Ⅲ）、G型課題「低温環境下における水分子で構成される結晶構造の3次元分布可視化技術の開発 」、及び先端研究施設共用イノベーション創出事業（産業戦略利用）のもと、下記の方々にご協力頂き実施した。