[論文レビュー] Sub-micrometer resolution neutron tomography

B. Heacock, Dusan Sarenac+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

Nuclear Physics and Applications参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、中性子回折測定と位相再構成、トモグラフィー再構成を組み合わせることで、~300 nmの空間分解能（サブミクロン級）を達成する中性子トモグラフィー技術を提示する。シリコン位相グレーティングからの角度依存回折スペクトルを二重水晶回折計で測定することで、位置感度検出器の分解能制限を回避し、周期的ナノ構造の高分解能で非破壊的なイメージングを可能にする。

ABSTRACT

We demonstrate a neutron tomography technique with sub-micrometer spatial resolution. Our method consists of measuring neutron diffraction spectra using a double crystal diffractometer as a function of sample rotation and then using a phase retrieval algorithm followed by tomographic reconstruction to generate a density map of the sample. In this first demonstration, silicon phase-gratings are used as samples, the periodic structure of which allows the shape of the gratings to be imaged without the need of position sensitive detectors. Topological features found in the reconstructions also appear in scanning electron micrographs. The reconstructions have a resolution of about 300 nm, which is over an order of magnitude smaller than the resolution of radiographic, phase contrast, differential phase contrast, and dark field neutron tomography methods. Further optimization of the underlying phase recovery and tomographic reconstruction algorithm is also considered.

研究の動機と目的

• 中性子位置感度検出器の空間分解能限界（~20 µm）を超えてサブミクロン分解能のイメージングを実現する。
• 直接的な強度測定ではなく、フーリエ空間における回折データを活用する中性子トモグラフィー法を開発する。
• 中性子回折スペクトルからの位相再構成を用いて、シリコン位相グレーティングなどの周期的ナノ構造の高分解能イメージングを実証する。
• 従来の手法（例：SEM）で特徴づけにくい、非破壊的かつ大面積のナノ構造イメージングを可能にする。
• 将来的な3Dトモグラフィーおよび磁性構造や電池電極材料などの複雑な材料への応用の基盤を確立する。

提案手法

• サンプルを複数の角度に回転させながら、二重水晶回折計を用いて中性子回折スペクトルを測定する。
• 測定されたフーリエ空間における回折データから、実空間における位相分布を回復するための位相再構成アルゴリズムを適用する。
• 回復された位相データに対してトモグラフィー再構成を実行し、試料の2次元密度マップを生成する。
• シリコン位相グレーティングの周期的構造を活用し、グレーティングの均一性により中性子コherenec長（~35 µm）内での回折パターンが一貫することを保証することで、位相再構成を簡素化する。
• 位相再構成のデコンボリューションステップでガウスフィルタを採用し、測定スペクトルのノイズ特性に応じてフィルタ幅を最適化する。
• 再構成された位相画像のラドン変換をアルゴリズム最適化の入力として用い、デジタルフォントのFFTパワースペクトルを用いて再構成忠実度を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位置感度検出器を用いず、回折データを活用することで、中性子トモグラフィーがサブミクロン分解能を達成できるか。
• RQ2 中性子回折スペクトルからの位相再構成が、シリコン位相グレーティングのようなナノ構造の真の形状および周期性をどの程度正確に再構成できるか。
• RQ3 本手法の分解能は、レントゲン法、位相コントラスト法、またはダークフィールドトモグラフィーなどの従来の中性子イメージング手法と比較してどのように異なるか。
• RQ4 位相再構成およびトモグラフィー再構成パイプラインを最適化することで、画像忠実度を向上させ、アーチファクトを低減できるか。
• RQ5 本手法は、3DイメージングやSANS、偏光中性子散乱などの他の散乱技術への応用にどのように拡張可能か。

主な発見

• 本手法は約300 nmの空間分解能を達成しており、従来の中性子イメージング手法よりも10倍以上優れた分解能である。
• シリコン位相グレーティングの再構成位相マップは、走査型電子顕微鏡像で観察されるトポロジカルな特徴とよく一致しており、再構成の正確性が裏付けられた。
• 本手法は非破壊的であり、SEMが試料を切断を要するのとは異なり、周期的ナノ構造の大面積イメージングが可能である。
• 分解能の制限要因は検出器の分解能ではなく、中性子コherenec長（~35 µm）に起因しており、より高いコherenecを有するビームや位置感度検出器を用いることでさらなる改善が期待できる。
• 中性子回折スペクトルからの位相再構成により、~100 nmの周期性を持つ構造のイメージングが可能であり、SEMとの比較で裏付けられた。
• サンプルを複数の軸で回転させることや、SANSからの本質的に2次元の回折データを用いることで、3Dトモグラフィーへの応用が可能であり、磁性構造や生物学的構造への応用が見込まれる。