広帯域X線対応タイコグラフィ装置を開発
石黒志准教授（東北大学：計画A03）
【概要】
X線タイコグラフィは、非破壊かつ高解像度の観察が可能な手法として注目されていますが、同一の装置でテンダーX線から硬X線領域まで測定できるシステムはこれまで存在していませんでした。東北大学 大学院工学研究科の佐々木雄平大学院生、東北大学 国際放射光イノベーション・スマート研究センターの石黒志准教授、高橋幸生教授らの研究チームは、3GeV高輝度放射光施設「NanoTerasu」のビームラインBL10Uを活用し、テンダーX線から硬X線領域にわたる広帯域での高分解能X線タイコグラフィ装置の開発に成功しました。本システムでは、NanoTerasuの高輝度かつ高コヒーレンスなX線に加え、色収差・コマ収差（注４）のない高効率な全反射集光光学系および、テンダーX線から硬X線まで対応可能な高速積分型X線画像検出器CITIUS（注５）を組み合わせることで、集光ビーム位置を変えることなくエネルギーを連続的に掃引しながら測定を実施することが可能となりました。これにより、従来困難であったテンダーX線と硬X線領域をまたいだX線タイコグラフィ測定を初めて実現しました。実証実験として硫酸カルシウム試料に対し元素吸収端近傍でのエネルギー走査を行い、ナノメートル（nm、1 nmは10億分の1 m）スケールでの構造と化学状態の同時可視化に成功しました。この成果は、電池材料、触媒材料をはじめとする高度な機能性材料のナノスケール解析と開発を加速するものとして期待されます。本研究成果は、2025年11月7日に国際結晶学連合の学術誌IUCrJにオンライン掲載されました。
X-ray ptychography is a high-resolution imaging technique capable of resolving nanoscale structures and probing chemical states. However, despite advances, most conventional X-ray ptychography systems have been designed to operate within a single energy regime, such as hard (> 5 keV), soft (< 2 keV) or tender (2–5 keV) X-rays. We have developed a high-efficiency achromatic ptychographic measurement system on beamline BL10U at NanoTerasu, a 3 GeV synchrotron radiation facility in Japan, that incorporates advanced Kirkpatrick–Baez focusing mirrors and a high-speed CITIUS detector. Utilizing this innovative system, we have successfully reconstructed phase images with a spatial resolution exceeding 50 nm from 200 nm-thick tantalum test charts at X-ray energies of 2.5, 5.0 and 7.5 keV. We have performed energy scans around the Ca and S K edges on CaSO4·2H2O particles to demonstrate the spectromicroscopic capabilities of the system. The reconstructed images provide spatially resolved X-ray absorption spectra, revealing distinct edge features. This system not only enables element-specific imaging across the tender to hard X-ray spectrum but is also particularly advantageous for light-element materials, which benefit from enhanced phase contrast in the tender X-ray range. This advancement opens up new possibilities for in situ imaging of complex chemical environments in energy devices and biological specimens.
"*Y. Sasaki, N. Ishiguro, M. Abe, S. Takazawa, H. Uematsu, N. Okawa, F. Kaneko, *Y. Takahashi"IUCrJ13,2026"Broadband high-resolution X-ray ptychography system spanning tender to hard X-ray regimes"