[論文レビュー] Microtomography on the ANATOMIX beamline at Synchrotron SOLEIL

T. Weitkamp, M. Scheel+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2020

Advanced X-ray Imaging Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、5〜50 keVの光子エネルギーを有するハードX線フルフィールドマイクロトモグラフィーおよびナノトモグラフィーに特化した、SOLEILにおけるANATOMIXビームラインを提示する。20 nmから20 µmの高解像度イメージングを、吸収および位相コントラスト技術を用いて実現可能であり、可変ビーム光学および高度な検出器を用いて最大40 mm幅の大きな試料を対象としている。材料科学、ライフサイエンス、およびイン・サイト研究に応用可能である。

ABSTRACT

The ANATOMIX beamline at Synchrotron SOLEIL, operational since 2018, is dedicated to hard X-ray full-field tomography techniques. Operating in a range of photon energies from approximately 5 to 50 keV, it offers both parallel-beam projection microtomography, in absorption and phase contrast, and nanotomography using a zone-plate transmission X-ray microscope. With these methods, the beamline covers a range of spatial resolution from 20 nm to 20 $μ$m, expressed in terms of useful pixel size. The variable beam size of up to 40 mm allows users to image large objects. Here we describe the microtomography instrumentation of the beamline.

研究の動機と目的

• 多様な材料および生物学的サンプルの高解像度3次元イメージングを実現する、SOLEILにおける専用ハードX線マイクロトモグラフィー・ビームラインの開発。
• 低吸収性またはソフトマテリアルの可視化を向上させるために、吸収および位相コントラストイメージングモードの両方を提供。
• 可変ビームフォーカスおよび最大37 mの延長プロパゲーション距離を用いて、最大40 mm幅の大きな試料をサポート。
• 高速回転ステージおよび高速検出器を用いて、イン・サイトおよび時間分解能の高い研究を可能に。
• 効率的で高精度な3次元イメージングを複数スケールにわたって実現するため、高度な検出器光学および再構成パイプラインの統合。

提案手法

• 高輝度X線を供給するため、真空中に設置され、冷却された状態で稼働する長いウンドゥレータ（U18）を用いる。
• エネルギー選択のため、Si-111二重晶体モノクロメーター（DCM）と、将来の二重マルチレイヤー・モノクロメーターを採用し、7–50 keVの範囲でエネルギーを調整。
• ビームサイズおよびフラックス密度を制御するため、水平方向に焦点を合わせるケイ素基板のベリリウムミラーおよび屈折レンズを用いる。
• 複数の検出器光学系（0.48×から20×の拡大率）および高速カメラ（最大2277 fps）を用いて、可変空間解像度を実現。
• リアルタイム走行ステージ（RT500SおよびRT150S）をFlyscanアーキテクチャを介して同期化し、高速トモグラフィーを実現。
• PaganinフィルタおよびPyHST2再構成ソフトウェアを、ローカルの5ノードクラスタで実行し、高速かつ高品質な3次元ボリューム再構成を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードX線マイクロトモグラフィーは、最小20 nmの空間解像度を達成しながら、広視野能力を維持するにはどうすればよいか？
• RQ2 マイクロトモグラフィーにおける位相コントラストイメージングの最適な設定は何か。特に、軟部組織や低吸収コントラストを向上させるために。
• RQ3 ビームライン設計は、動的プロセスの観察に適した標準的および超高速トモグラフィー（最大1秒間に20回のスキャン）をどのようにサポートできるか？
• RQ4 異なる試料サイズにおいて、フィルタードホワイトビームおよびモノクロマチックビームを用いたフルフィールドトモグラフィーの性能限界は何か？
• RQ5 マイクロおよびナノトモグラフィーステーションの統合により、1回の実験セッション内で相関イメージングをどのように実現できるか？

主な発見

• ANATOMIXビームラインは、ナノトモグラフィーで20 nmの最小有効ピクセルサイズ、マイクロトモグラフィーで130 nmを達成し、マルチスケールイメージングを可能にした。
• 6.5 µmピクセルサイズの位相コントラストマイクロトモグラフィーにより、37 mmの長さの壁のトカゲの頭部における筋肉組織が7分間で明確に可視化された。
• 0.3 mm径の試料におけるアラビドキシス・タリアナの種子を325 nmピクセルサイズでマイクロトモグラフィーでスキャンし、タンパク質貯蔵バキュールが解像された。
• RT150S高速回転ステージおよび高速pco.dimax HS4カメラを用いて、最大1秒間に20回のトモグラフィー走査を実現。
• 5ノードコンピューティングクラスタ上でPyHST2を用いて、約3分で2048³ボクセルのトモグラフィックボリュームを再構成。
• 同じ試料を1回の実験セッション内でマイクロおよびナノトモグラフィーを併用した相関イメージングが実現され、ビームラインの連携能力が実証された。