X 線 CT による竹組織の観察 R060508Tani.pdf 1. 実験の目的と装置 竹組織は, 種々のサイズの組織が分布しており, 配向もあるので, 高分解能 CT の研究には好都合 な試料である. 種々のサイズの組織の分布があることは,X 線小角散乱の実験からも示唆されてい る. 竹の主たる

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1 X 線 CT による竹組織の観察 R060508Tani.pdf 1. 実験の目的と装置 竹組織は, 種々のサイズの組織が分布しており, 配向もあるので, 高分解能 CT の研究には好都合 な試料である. 種々のサイズの組織の分布があることは,X 線小角散乱の実験からも示唆されてい る. 竹の主たる構成元素は C( 特に竹炭は C のみ ) で, 生体観察のファントムにもなる. 竹を構成する C に対する吸収コントラストを得るには, 使用する X 線光子のエネルギーは, 無機材 料の場合に比べかなり低く 10keV 以下である. これは,CXRO のデーターベースで,C[ 密度 1] の attenuation length[μm] と光子エネルギー [ev] のグラフ (Fig.0) を作り,Attenuation length が 9500μm になる (1mm 厚の竹試料の透過率が 90% になるようにする ) 光子エネルギーを 読めば,10keV 近傍であることがわかる.CT のためには,W ターゲットから出る連続白色 X 線を 用いる. 単色光より白色光を用いる方が複雑 微細な分布組織の CT には有利と考えられる. これまでの竹組織の観察研究は,SEM で行われた結果が知られているが, 竹の節部隔壁はあまり研 究されておらず, 節部の膜状表面や気孔の構造は竹の研究者から興味をもたれている Attenuation length ev 装置 : Tohken-SkyScan2011 東研 X 線検査株式会社, 青山登代美氏の協力を得て実施した. この装置は, 光源サイズが 0.3μ mと微小であるのが特徴 [ この装置光源は,0.15μ mの仕様値で, 現時点の最高 ] である. 従って, 高分解能の観察ができる. また, 微小光源のため, コヒーレントな光源に近づき, 白色光であるにもかかわらず位相コントラストも観察が期待できる. 光源 ( 白色光 ): サイズ =0.3μm(W ターゲット上 ), 励起電力 =40kV 200μA 検出 : CCD カメラ ( 蛍光体 - イメージインテンシファイア付き ): 物理 Pixel Size=9.74μm 取り込みイメージ : (pixel) 12(bit), tif 形式画像 実験条件 : Source-Object Source-Camera Magnification ImagePixelSize θ Exposure Low mm mm μm 0.8deg 50sec High 9.070mm mm μm 1.0deg 30sec High High 3.890mm mm μm 0.8deg 40sec *ImagePixelSize とは, 取り込み画像の PixelSize(= 物理 PixelSize/Magnification)

2 1280(12.467mm),1024(9.974mm) を見込む角度 (Cone-beam Angle) の計算 : Horiz.(deg),Vert.(deg) = 5deg,4deg 1 ( / 1 2 tan 2 / ),2 tan (9.97 / 2 / ) 2. 実験方法 (1) 全回転角 180deg 以上をカバーする投影像の測定を行う : 回転角ステップ θ=0.8deg の場合,232 枚の投影像の測定で, =184.8deg をカバーする. (2) 回転軸を z とすると, 各 z- セクションごとに, 断面の再構成を行う : コーンビーム再構成法 (Feldkamp 方式 ), 位相コントラスト増幅技術を考慮した再構成ソフトウ エア NRecon,ver1.4.2(3) を使用した. (3) 各 z- セクションの断面図を積層し 3 D 像を得る. 3. 解析 投影像や再構成した断面像を, グレイスケール像に変換し, その画像中の注目部位 ( ) を 8bit のビットマップ形式で切り出し,2 次元 FFT を計算する.FFT 結果は, 振幅 ( 利得 ) と位相 で表現される複素数 iθ Ae の ( ) 配列であるので, ゲインのみをビットマップに表示した. こ れは, 一般にはパワースペクトル像と呼ばれるものであるが, 振幅の 2 乗は, 実験で観測される X 線回折強度像でもあり, 構造の自己相関関数 [Patterson 関数 ] と等価である. 従って, パワース ペクトル像から, 相関距離 [ 組織の大きさ ] がわかる. 1/ = µ m 例えば,1pixel が 3.35μm の場合,512pixel 領域で, ( ) 3 1 が fourier 像のサンプ 3 ル間隔で,fourier 像が中心値から 46pixel 位置にピークを持つとしたら, 1/ ( ) = 37µ m の相関距離と見積もることができる. 3. 孟宗竹. 節部隔壁の観察 3.1. 低倍率観察 (1) 節部隔璧投影像 Fig.1 節部隔壁の透過像 ( )pixel (boo3450nm0231.tif)

3 Fig.2b (右 2aのFFT像 パワー スペクトル Amplitude Fig.2a (左 切り出した領域 μm/pixel 左上角に40pixel角の 白い正方形をスケールとして図示 pixel Fig.3 パワー スペクトルのライン プロファイル Horizontal と Vrtical 中心を通る 15pixel 幅の帯 Horizontal と Vertical で それぞれ帯幅の分を投影し得たラインプロファイル BlueMark Horizontal プロファイル RedMark Vertical プロファイル 46pixelに明瞭なピーク Verticalの方がHorizontalより ピーク位置が内側にある つまり Vertical の方が Horizontalより セルの平均組織がわずかに大きい 3 4

4 2 節部隔壁 CT 像 130μm Fig.4a CT 再構成による節部隔壁断面 Fig.4b 4a のパワースペクトル 60 Fig.5 パワー スペクトルのライン プ ロファイル BlueMark Horiz RedMark Vert Amplitude どちらも明瞭な相関距離を示さない 1 2 pixel 3 4

5 ( 結論 ) 隔壁下側表面には,130μm 程度厚みの緻密な層が見られる. 隔壁の内部には,130μmΦ 程度のトンネルが, 多少絡み合いながら走っている. X 線吸収の大きなセル ( 白い輝点に見える ) が散在している. 特に隔壁の両側表面近くに分布している. これは, シリカ SiO2 ではないかと想像される. 組織のサイズは,30~40μm 程度が基本で, これよりも緻密な組織 ( 隔壁下部の表面層, トンネルの周囲 ),130μm 程度の大きい孔 ( トンネル ) などがある. このため, パワー スペクトル像は, 明瞭なピークを持たない.

6 3. 高分解能観察 (1)0.62μm_pixel サイズ透過像 Fig.6 ( } 透過像.0.62μm/pixel 屈折コントラストが重畳されていることがわかる. 微分波形のようにエッジが強調される. Fig.7a( 左 ) 切り出した ( ) 領域. 0.62μm/pixel Fig.7b( 右 )7a のパワー スペクトル Fig.8 パワー スペクトルのライン プロファイル BlueMark: Horiz 13pixel と 42pixel にピークが見える. これらは,24.4μm,7.6μm のサイズに 相当する.Vertical との差は見られない. Amplitude pixel 3 4

7 (2)CT 画像再構成 27μm Fig.9 CT 再構成 (3)0.27μm_pixel サイズ透過像 Fig.10 透過像 ( )pixel.0.27μm/pixel Fig.10 から切り出した ( )pixel の領域 Fig.11a は, μm に相当する. これに 2 次 元 FFT を行いパワー スペクトル像を得る Fig.11b. パワー スペクトルのラインプロファイルを Fig.12 に示す. Horizontal ラインプロファイルで,22pixel にショルダー (Vertical ラインプロファイルでの位置は 若干大きい ) があり, これは 6.3μm のサイズに相当する. この由来は,CT では明瞭ではない地の不 均一ノイズか微細組織によるものであろう.

8 1 Amplitude 1 2 pixel 3 4 Fig11a Fig.11b Figg12 Fig.13 再構成 CT 像

9 4. 竹炭の観察 実験条件 : Source-Object Source-Camera Magnification ImagePixelSize θ Exposure Low 28.49mm mm μm 0.5deg 40sec High 7.77mm mm μm 0.8deg 40sec 4.1. 低倍率観察

10 Fig.a 切り出し領域( )pixel Fig.b パワー スペクトル ラインプロファイル BlueMark Horiz 25,38,52,70pixel RedMark Vert 25,34,48,60pixel Amplitude Fig Fig. 再構成 CT 像 1 2 pixel 3 4

11 4 2 高倍率観察 Fig. 透過像 pixel 0.53μm/pixel Fig.a 切り取り領域( ) Fig.b パワー スペクトル ,23,31,85pixel RedMark: Vert. 25picel 120 Amplitude Fig. ライン プロファイル BlueMark: Horiz pixel 3 4

12 Fig. 再構成 CT 像

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