JP7239502B2

JP7239502B2 - Ｘ線撮像装置及びｘ線撮像方法

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Publication number: JP7239502B2
Application number: JP2020000085A
Authority: JP
Inventors: 真籔内; 明男米山; 大郊高松; 直人深谷; 純早川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: JP2021110538A

Description

本発明は、Ｘ線を用いた撮像装置および撮像方法に関する。

一般に、原子レベルの物理現象は極めて短い時間の間に起こるため、現ピコ秒程の時間分解能が実現可能な測定技術は、固体材料、生体材料など幅白い分野の研究にとって重要である。例えば、電気・電子工学、医療など様々な分野において利用可能な技術である。

例えば、非特許文献１には、可視光を使った高速イメージング技術によって、ピコ秒程度短い時間間隔の材料の変化を捉える方法が記載されている。また、特許文献１には湾曲結晶を用いて高速観察が可能になる方法が記載されている。

特開２０１４－１０３８５７号公報特開２００８－２６０９８号公報

Nature Photonics volume 8, pages 695-700 (2014)

従来、熱キャリアのひとつであるフォノンのダイナミクスを理解するためにはピコ秒オーダーのダイナミクス測定が必要となるため、当該測定においてはポンプアンドプローブ法が用いられてきた。ポンプアンドプローブ法は、再現性の良い実験にのみ適応可能な手法であるため、ピコ秒オーダーのような瞬間的なダイナミクス計測に用いることは望ましくない。より詳細な現象の理解のためには、単一のパルスのよるダイナミクス測定が望まれている。

本発明者は、Ｘ線を用いて原子的な構造変化をナノ秒やピコ秒の高い時間分解能で観測可能とし、従来の検出器によるミリ秒程度の時間分解能やポンプアンドプローブ法のような高い再現性を有する系以外の測定方法では、観測できなかったものを観測可能とした。本発明の一側面としては、Ｘ線検出器の時間分解能を高めることなく、時間分解能が高い計測を行うことができるＸ線撮像装置及びＸ線撮像方法を提供することを目的とする。

一実施の形態によるX線測定装置は、試料に照射されたＸ線を観測するＸ線撮像装置であって、複数の波長を含むＸ線の入射方向に配置された複数の結晶板を有した第１の結晶板群と、前記第１の結晶板群と所定距離隔てて配置され、前記第１の結晶板群を構成するそれぞれの結晶板によって複数の波長に分離されたＸ線が入射される複数の結晶板であって、前記分離されたＸ線のそれぞれを含むＸ線群を前記試料に入射する前記複数の結晶板を有する第２の結晶板群と、を有した第１の光学系、を備えることを特徴とするＸ線撮像装置として構成される。

一実施の形態によれば、Ｘ線検出器の時間分解能を高めることなく、時間分解能が高い計測を行うことができる。

３つの異なる波長のＸ線に光路差をつけたＸ線撮像装置の構成例を示す図である。３つの異なる波長のＸ線に光路差をつけたＸ線撮像装置の他の構成例を示す図である。３つの異なる波長のＸ線に光路差をつけたＸ線撮像装置のさらなる他の構成例を示す図である。結晶板の構成例を示す図である。図４に示した結晶板を用いた回折条件を説明するための図である。図４に示した結晶板の変形例を示す図である。図６に示した結晶板を用いて入射光の照射位置の調整方法を説明するための図である。３つの異なる波長のＸ線に光路差をつけたＸ線撮像装置のさらなる他の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

（検討事項）
＜Ｘ線撮像装置について＞
以下、実施の形態を説明する前に、本発明者が検討した事項について説明する。
前述したように、ナノ秒やピコ秒の高い時間分解能を有する測定方法は、様々な分野で利用可能な技術であるが、これを実現することは難しい。本発明者は、検討例として、複数の波長を有するＸ線と波長によって光路差を変える機構を検討した。検討例のＸ線撮像装置であれば、複数の波長を有するＸ線をそれぞれの波長によって光路を変えることができ、試料にＸ線が照射されるタイミングを変えることができる。また、照射後のＸ線を同一もしくは異なるＸ線検出器で観測することによって、検出器側の時間分解能によらず、検出器の領域によって異なる時間の情報を得ることが可能になる。

このようなＸ線計測装置を実現するためには、Ｘ線の光路を変える機構が必要となる。可視光の場合、単純な光学ミラーを用いて光路を変えることができるが、波長の短いＸ線では回折現象を使った光路制御が必要となる。そのため、光路を制御するためには、Ｘ線の回折条件を考慮した単結晶の結晶板の配置とその角度制御が極めて重要となる。また、複数の波長を有するＸ線を用いてピコ秒程度の光路差を複数に分割するためには、それぞれの結晶板間の相対的な位置に関しても精密な結晶の角度制御が必要となる。

以上より、複数の波長を有するＸ線の短パルスをそれぞれの波長によって光路を分割するための構成を工夫することにより、時間分解可能な装置を提供することが望まれる。

＜Ｘ線撮像装置について＞
前述したように、上記特許文献１に記載された技術によれば、湾曲した結晶を用いることによって単一の波長のＸ線でも光路差を作りだすことが可能である。しかしながら、一般的な固体材料（特に単結晶）を湾曲させることは極めて困難である。従って特殊な歪曲構造を必要としない構造が望ましい。

以上より、構成を工夫することにより、湾曲単結晶を用いないで、複数の光路が単一の試料に時間差を伴って照射されるＸ線撮像装置を提供することが望まれる。

（実施の形態）
［加熱装置］
＜本実施の形態のＸ線撮像装置の構成＞
以下、本実施の形態のＸ線撮像装置について、図１～ＸＸを用いて説明する。図１は、本実施の形態に係るＸ線撮像装置１００を示す模式図である。図１は、３つの異なる波長のＸ線に光路差をつけたＸ線撮像装置及び撮像方法の例である。

図１に示すように、Ｘ線撮像装置１００は、複数の異なる波長を含む白色Ｘ線が入射する方向に複数の結晶板が配置されている。以下に示すように、Ｘ線撮像装置１００は、結晶板１ａ、２ａ、３ａと、これらの結晶板の中心軸から、白色Ｘ線の入射方向に対して垂直方向（すなわち、結晶板１ａ、２ａ、３ａに平行）に距離ｘを隔てて配置された結晶板１ｂ、２ｂ、３ｂとを有した第１の光学系１０１と、結晶板１ｂ、２ｂ、３ｂと同じ中心軸であって上記入射方向における下流側に配置された結晶板１ｂ、２ｂ、３ｂと、結晶板１ｂ、２ｂ、３ｂにより回折された波長のＸ線を測定するＸ線カメラ１０、２０、３０とを有した第２の光学系１０２とを有している。

図１において、同一線軸上に配置された結晶板１ａ、２ａ、３ａは、それぞれ、白色Ｘ線の入射軸に対して、θ₁、θ₂、θ₃の角度で配置されている。一般に、波長λのＸ線は、結晶板の結晶面の面間隔dに対して、λ＝2dsinθで示される回折条件の方向θに回折が起こる。この回折条件を満たさない場合は、Ｘ線は透過し、直進する。そのため、異なる波長を含むＸ線は、各結晶板で特定の波長に対してのみ回折が起こり（図１下参照）、特定の角度の方向に対して一部のＸ線の進路が変えられる。

図１では、それぞれ材料が同じである同一の結晶板を角度θ₁、θ₂、θ₃に配置することによって、それぞれの回折条件に対応したλ₁、λ₂、λ₃の波長のＸ線の一部の進路を変えることができる。結晶板１ａ、２ａ、３ａで回折した波長λ₁、λ₂、λ₃のＸ線は、次に、結晶板１ｂ、２ｂ、３ｂで回折し、サンプルＰに照射される。この時、Ｘ線が時間的に短いパルスであれば、λ₁、λ₂、λ₃の波長のＸ線の光路は、それぞれ異なる光路を通りサンプルＰに照射されるため、それぞれの光路長によって、サンプルＰに照射されるＸ線パルスのタイミングが時間的に変わる。このような結晶板の角度と配置の工夫によって、サンプルに照射されるＸ線パルスの照射のタイミングに関して、ナノ秒やピコ秒程度の時間差が作り出すことができる。

そのために、図１では、一例として、試料（サンプルＰ）に照射されたＸ線を観測するＸ線撮像装置１００において、複数の波長を含むＸ線（例えば、入射白色Ｘ線）の入射方向に配置された複数の結晶板（例えば、結晶板１ａ、２ｂ、３ｃ）を有した第１の結晶板群と、上記第１の結晶板群と所定距離ｘ隔てて配置され、上記第１の結晶板群を構成するそれぞれの結晶板によって複数の波長に分離されたＸ線（例えば、波長λ₁、λ₂、λ₃の単色Ｘ線）が入射される複数の結晶板であって、上記分離されたＸ線のそれぞれを含むＸ線群を上記試料に入射する複数の結晶板（例えば、結晶板１ｂ、２ｂ、３ｂ）を有する第２の結晶板群と、を有した第１の光学系１０１を備えた構成を採用している。

サンプルＰに照射されたＸ線は、結晶板１ｂ、２ｂ、３ｂと同一線軸上に配置された第２の光学系１０２を構成する結晶板１ｃ、２ｃ、３ｃで、それぞれ別の方向に進路を変えることによって、異なるＸ線カメラ１０、２０、３０で観測することができる。異なるそれぞれのＸ線カメラで測定された測定値は、異なるタイミングでサンプルＰに照射されたＸ線についての情報であるため、ナノ秒やピコ秒程度のダイナミクスについての情報を測定することが可能になる。そのため、図１では、一例として、上記Ｘ線撮像装置１００において、上記試料に入射されたＸ線群に含まれるそれぞれの波長のＸ線を分離する複数の結晶板であって、分離されたＸ線のそれぞれを異なる位置のＸ線検知器（例えば、Ｘ線カメラ１０、２０、３０）に入射する複数の結晶板（例えば、結晶板１ｃ、２ｃ、３ｃ）を有する第３の結晶板群、を有した第２光学系１０２を備えた構成を採用している。

図１に示す結晶板は、単結晶であり、ＳｉやＧｅのような半導体単結晶を用いることが可能である。また、酸化物のような絶縁体の単結晶や金属材料の単結晶を用いても良い。結晶の格子定数が異なる材料を使うことにより、λ＝2dsinθの面間隔dを変えることができるため、結晶板の材料によってＸ線回折の角度を変調させることができる。本実施の形態では、結晶板は全て同一の面間隔を有した結晶でも良いし、面間隔の異なる結晶を複数使っても良い。

図１の例では、異なる３つの波長を含むＸ線を例示しているが、入射される白色Ｘ線の波長の範囲と配置する結晶板の数を増やすことにより、多く種類の光路を作ることができ、時間差が異なる情報を得ることができる。

図１では、Ｘ線検出器の一例として、Ｘ線カメラを用いた構成とした。しかし、Ｘ線カメラ１０、２０、３０の配置は、図２に示すように、結晶板１ｂ、２ｂ、３ｂおよびＸ線カメラ１０、２０、３０に替えて、大視野検出器４０を配置してもよい。このような光学系１０３を有したＸ線撮像装置２００を用いた場合、サンプルＰに照射されるＸ線の波長はそれぞれのタイミングで異なるが、全てのタイミングでの検出情報が大視野検出器４０で観測される。図１に示したＸ線検出方法の場合、Ｘ線の透過情報は得られるが、Ｘ線回折による評価はできない。図２に示すように、第２の光学系１０２のＸ線カメラ１０、２０、３０に替えて大視野検出器４０を配置した光学系１０３を採用することによって、サンプルＰへの照射のタイミングが異なるＸ線を、それぞれの検出器で分離はできないが、Ｘ線回折スポット位置は、Ｘ線の波長に依存するため、個々の回折ピークの情報は照射のタイミングが異なる情報が含むことになる。そのため、照射時間の情報も含むそれぞれの回折ピークを解析することによって、ダイナミクスの評価も可能になる。

本実施の形態では、図３に示すように、Ｘ線干渉効果を用いた構成を採用することができる。図３では、図１に示した第１の光学系１０１、第２の光学系１０２における各要素の配置に加え、さらに、第３の光学系１０４として、参照用のＸ線（参照波）を得るための結晶板１ｄ、２ｄ、３ｄを有したＸ線撮像装置３００を用いる。図３に示すように、結晶板１ｄ、２ｄ、３ｄを通るＸ線はサンプルＰに照射されていないが、結晶板１ｃ、２ｃ、３ｃおよびＸ線カメラ１０、２０、３０までの光路長はサンプルＰに照射したＸ線と同じ距離となるように、結晶板１ｄ、２ｄ、３ｄの位置および角度を調整して配置する。

そのため、参照波とサンプルＰに照射したＸ線は、Ｘ線カメラ１０、２０、３０の位置で干渉を起こす。二つの波を干渉させた場合、Ｘ線の吸収強度の変化を観測するのではなく、Ｘ線の位相の変化を観測可能になる。特許文献２にあるように、Ｘ線の位相の変化は、吸収強度の変化よりも高感度に測定可能になるため、本実施の形態により、時間分解可能なＸ線位相イメージングが可能になる。そのため、図３では、一例として、上記第１の結晶板群を透過したＸ線が入射される複数の結晶板であって、当該透過したＸ線に含まれる複数の波長のＸ線のそれぞれを、上記第２の光学系１０２の第３の結晶板群を構成するそれぞれの結晶板（例えば、結晶板１ｃ、２ｃ、３ｃ）に入射する複数の結晶板（例えば、結晶板１ｄ、２ｄ、３ｄ）を有する第４の結晶板群、を有した第３の光学系１０４、を備える構成を採用している。

＜実施例の結晶板の作製＞
Ｘ線の光路を変化される結晶板として、本実施の形態では単結晶Ｓｉを用いた。単一の単結晶Ｓｉを加工することによって、図４の（ａ）、（ｂ）に示す結晶板１aと結晶板１ｂの二つが連結した構造を作ることが可能である。図４では、結晶板１aと結晶板１ｂとが、互いに基部４０１を介して一体となった凹形状となっていることがわかる。このような構造にＳｉを加工することによって、結晶面方位が平行な２つの結晶板を用意することが可能であり、極めて高い精度で角度がそろっている結晶板を構成することができる。結晶板１ａと結晶板１ｂとの間隔Ｌは、図４および図５に示すように、２つの光路の距離ｘとすると下記（数１）の関係がある。

ここで、角度θはＸ線の回折条件（λ＝2dsin2θ_B）によって決まる。図５下に示すとおり、ラウエケースのＸ線回折条件は、通常のブラッグの回折条件と同じ式で定められる。Ｓｉの(220)面を用いる場合、d=1.92Åとなる。仮に、θ_B＝4.0°、x=30mmとなるように結晶板を設計する場合、Ｌ＝215.0mmに加工することによって、23.2keVのエネルギーのＸ線の光路を変えることができる。表１に各Ｘ線のエネルギーと結晶板とＸ線の角度の配置の関係を示す。

表１に示すＸ線のエネルギーと結晶板の傾きの関係で配置することによって、照射される時間差を表１の時間差のように制御することが可能となる。表１に示す関係はあくまでも一例であり、本実施の形態では、測定に望ましいＸ線のエネルギーによって設計は変更可能である。また、単結晶Ｓｉの（220）面を例にしているが、Ｓｉの異なる結晶面を用いても良いし、異なる単結晶材料の回折を用いても良い。異なる面間隔dを用いた場合は、上記の説明に基づいて設計することにより適切に光路を分離することができる。

本実施の形態では、単一の単結晶Ｓｉを加工することによって、図６に示す結晶板１aと結晶板１ｂの間隔がわずかに異なるような構造を作っても良い。すなわち、図６に示すように、結晶板１ａと結晶板１ｂとの間隔Ｌを、これらの結晶板のうちのいずれかの結晶板（例えば、結晶板１ｂ）の幅方向の一端を、上記これらの結晶板のうちの他の結晶板（例えば、結晶板１ａ）に傾け、結晶板１ａと結晶板１ｂとの幅方向中央部の間隔Ｌを、より狭い間隔Ｌ’となるように近づけた構成としてもよい。図６では、結晶板１ｂを結晶板１ａに近づけた構成としているが、結晶板１ａを結晶板１ｂに近づけた構成としてもよい。

図６のような結晶板を使うことによって、図７に示すように入射光の照射位置を変えた時に、光路差をつけた時のＸ線と透過するＸ線との距離xを変えることができる。図７の（ａ）では、距離ｘを隔てて結晶板１ａと１ｂが配置されているが、図７の（ｂ）では、これらを図中の下方向Ｄに移動させ、結晶板１ａと１ｂとの間隔が、距離ｘよりも短い距離ｘ’となっていることがわかる。

異なる波長のＸ線をサンプル位置に照射するためには、距離xの調整が必要となるが、図６のような構造の単結晶を使い、図７のように結晶板の位置を調整することによって、容易に結晶板の間隔を調整することができる。

本実施の形態では、２つの結晶板を同一の単結晶から加工したものを用いているが、２つの単一の結晶板のそれぞれの位置および角度を調整しても良い。例えば、図示しないモータ等の一般的な駆動機構（調整機構）により、各結晶板群を構成するそれぞれの結晶板の一部または全部の位置および角度を調整すればよい。

以上、本実施の形態におけるＸ線撮像装置について説明したが、さらに、以下に示すように、上記第１の結晶板群に入射する複数の波長を含むＸ線（例えば、入射白色Ｘ線）の入射方向を調整する複数の結晶板（例えば、結晶板１ｅ、２ｅ）を有した第４の光学系１０５を設けた変形を加えてもよい。

図８は、Ｘ線撮像装置４００の構成例を示す図である。図８に示すように、Ｘ線撮像装置４００は、図１に示した第１の光学系１０１、第２の光学系１０２に加え、さらに、２つの集光ミラー（例えば、ＫＢミラー）１ｅ、２ｅを有した第４の光学系１０５を含んでいる。このような第４の光学系１０５を用いることにより、入射白色Ｘ線をねらいの位置に入射させることが容易となる。図８では、図１に示したＸ線装置１００に第４の光学系１０５を適用した場合を例示したが、図２に示したＸ線装置２００や、図３に示したＸ線装置３００についても同様に適用することができる。

このように、本実施の形態によれば、複数の波長を有するＸ線を、Ｘ線干渉計を用いて光路を分離し、サンプルまでの光路差を変えてサンプルに照射することによって、波長の異なるＸ線がサンプルに照射される時間に差をつける構成とする。そして、サンプルから散乱されたＸ線の光路を変え、Ｘ線カメラによって別々の領域で測定することによって、計測器側には時間分解能が不要となり、ピコ秒オーダーのダイナミクスの計測が可能となる。その結果、単一のＸ線パルスを使って、異なる時間での材料物性の変化を捉えることが可能になる。また、Ｘ線を使うことによって物質の内部の情報のダイナミクス測定が可能になる。

１００、２００、３００、４００Ｘ線撮像装置
１０１第１の光学系
１０２、１０３第２の光学系
１０４第３の光学系
１０５第４の光学系
１ａ～３ａ、１ｂ～３ｂ結晶板（第１の光学系）
１ｃ～３ｃ結晶板（第２の光学系）
１ｄ～３ｄ結晶板（第３の光学系）
１ｅ、２ｅ結晶板（第４の光学系）
１０、２０、３０Ｘ線カメラ
４０大視野検出器

Claims

試料に照射されたＸ線を観測するＸ線撮像装置であって、
複数の波長を含むＸ線の入射方向に配置された複数の結晶板を有した第１の結晶板群と、
前記第１の結晶板群と所定距離隔てて配置され、前記第１の結晶板群を構成するそれぞれの結晶板によって複数の波長に分離されたＸ線が入射される複数の結晶板であって、前記分離されたＸ線のそれぞれを含むＸ線群を前記試料に入射する前記複数の結晶板を有する第２の結晶板群と、を有した第１の光学系、
前記試料に入射された前記Ｘ線群に含まれるそれぞれの波長のＸ線を分離する複数の結晶板であって、分離されたＸ線のそれぞれを異なる位置のＸ線検知器に入射する前記複数の結晶板を有する第３の結晶板群、を有した第２の光学系、
前記第１の結晶板群を透過したＸ線が入射される複数の結晶板であって、前記透過したＸ線に含まれる複数の波長のＸ線のそれぞれを、前記第２の光学系の前記第３の結晶板群を構成するそれぞれの結晶板に入射する前記複数の結晶板を有する第４の結晶板群、を有した第３の光学系、
を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。
請求項１に記載のＸ線撮像装置であって、
各結晶板群を構成するそれぞれの結晶板の一部または全部の位置および角度を調整可能な角度調整機構、
を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。
請求項１に記載のＸ線撮像装置であって、
前記第１の結晶板群に入射する前記複数の波長を含むＸ線の入射方向を調整する複数の結晶板を有した第４の光学系、
を備えることを特徴とするＸ線撮像装置。
試料に照射されたＸ線を観測するＸ線撮像方法であって、
第１の光学系において、
複数の波長を含むＸ線を、当該Ｘ線の入射方向に配置された複数の結晶板を有した第１の結晶板群に照射し、
前記第１の結晶板群と所定距離隔てて配置され、前記第１の結晶板群を構成するそれぞれの結晶板によって前記Ｘ線を複数の波長に分離し、
分離されたＸ線を第２の結晶板群を構成する複数の結晶板のそれぞれに入射し、
入射されたＸ線のそれぞれを含むＸ線群を前記試料に入射し、
第２の光学系において、
第３の結晶板群を構成する複数の結晶板により前記試料に入射された前記Ｘ線群に含まれるそれぞれの波長のＸ線を分離し、
前記複数の結晶板により分離されたＸ線のそれぞれを異なる位置のＸ線検知器に入射し、
第３の光学系において、
第４の結晶板群を構成する複数の結晶板に前記第１の結晶板群を透過したＸ線を入射し、
前記複数の結晶板により、前記透過したＸ線に含まれる複数の波長のＸ線のそれぞれを、前記第２の光学系の前記第３の結晶板群を構成するそれぞれの結晶板に入射する、
ことを特徴とするＸ線撮像方法。
請求項４に記載のＸ線撮像方法であって、
角度調整機構により、各結晶板群を構成するそれぞれの結晶板の一部または全部の位置および角度を調整し、前記Ｘ線群を前記試料に入射する、
ことを特徴とするＸ線撮像方法。
請求項４に記載のＸ線撮像方法であって、
第４の光学系において、
複数の結晶板により、前記第１の結晶板群に入射する前記複数の波長を含むＸ線の入射方向を調整する、
ことを特徴とするＸ線撮像方法。