Evaluation of sample size dependence on minimum detectable refraction angle in X-ray diffraction-enhanced imaging

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  • X線屈折コントラスト法における屈折角分解能のサイズ依存性評価

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本研究では、X 線屈折コントラスト法（DEI 法）における、屈折角分解能のサイズ依存性を評価した。そのために作製した標準試料（ファントム）は、スクロースもしくはグリセリン水溶液中に沈めた 2 × 10 × 30 mm3 のアクリル板で、長端に沿って回転させる。アクリルと水溶液の間の相対屈折率は、水溶液の濃度を変化させることで調整することが可能である。アクリル板のエッジでは屈折が生じ、その屈折角は板の回転角度により変化する。また、板のエッジ部分を X 線透過方向から見た、見かけ上のサイズも、回転角度とともに変化する。つまり、水溶液の濃度と板の回転角度を変化させることで、見かけ上の物体のサイズと X 線の屈折角の両方を調整することが可能である。このことを利用して、得られた板のエッジ部分の像のコントラストが観察可能な最小のサイズと屈折角を得た。本研究では、KEK-PF における垂直ウィグラービームライン（BL-14B）で DEI 法用の光学系を使用した際の、屈折角分解能のサイズ依存性を評価した。使用した X 線のエネルギーは 31keV である。また、今回の実験で使用した DEI 法装置では、0.1 mm よりも大きな物体を観察するためには、X 線の屈折角は 0.01 µrad 以上必要であることが分かった。一方、それよりも小さい物体を観察するためには、より大きい屈折角が必要であることも分かった。さらに、異なる水溶液を使用して得た分解能曲線の結果には再現性が見られた。

We evaluated the sample size dependence on minimum detectable refraction angle in X-ray diffraction-enhanced imaging (DEI). The sample consisted of an acrylic plate measuring 2 × 10 × 30 mm3 with rotation axis parallel to the long edge soaked in an aqueous solution of sucrose or glycerin. The relative refractive index between the acrylic sample and aqueous solution changed with concentration of the solution. The refraction angle occurring at the edge of the acrylic plate was controlled by the rotation angle of the sample. The apparent size of the edge seen from the X-ray transmission direction varied with rotation angle. Therefore, changing the concentration of the aqueous solution and the rotation angle of the plate affected both the apparent size of the sample edge and the X-ray refraction angle. Utilizing these phenomena, the minimum detectable size of the sample edge and refraction angle were determined from the observable weakest contrast of the edge image. In the present study, the minimum sample size vs. the minimum detectable refraction angle curve for 31 keV X-ray was determined using a DEI system constructed in a vertical wiggler beamline (the BL-14B beamline) at the Japanese KEK-PF synchrotron facility. In the DEI apparatus used in this experiment, a refraction angle > 0.01 µrad was necessary for detection of specimens > 0.1 mm. On the other hand, to observe specimens < 0.1 mm, a larger refraction angle was necessary. The sample size vs. detectable refraction angle curves were similarly obtained when different aqueous solutions were used.

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