超精密小型集光ミラーを用いた集光ミラー光学系の模式図

ー研究者からのひとことー
　長さ2mmの小型で高精度のX線ミラーは世の中に存在しませんでした。このミラーの実現により軟X線を20 nmサイズにまで集光でき、さらに、X線顕微鏡に応用し、小さな神経細胞を観察することに成功しました。今後、さらにミラーの精度を向上させ集光サイズを小さくし、より高い性能のX線顕微鏡の開発に取り組みます。（三村秀和教授）

図1：開発した軟X線顕微鏡の装置の写真

図2：光子エネルギー2 keVでの超精密小型ミラーによる集光プロファイル

図3：多色集光点を用いた軟X線蛍光分析手法で明らかになった、化学固定済み神経細胞の厚み分布と元素濃度分布

（注1）集光サイズ
虫眼鏡を使い、太陽の光を黒い紙に集める場合、黒い紙に映る集光点は、中心ほど明るく、端に行くほど暗くなります。ある程度明るく見える範囲の幅を測れば、これを集光点の大きさ（集光サイズ）として定義できます。前述の図2のように、縦軸に光の強度、横軸に位置を表した際、光の強度が最大値の半分となるまでの位置範囲（半値幅）を集光サイズとして定義しています。

（注2）軟X線領域
波長という光の特徴を用いると、X線は波長が4 nmから0.001 nmの光と定義できます。可視光の波長は800 nmから400 nm程度であり、X線は200倍以上短い波長を持つと言えます。このX線の中でも、波長が4 nmから0.6 nm程度の範囲を軟X線領域と呼んでいます。
　軟X線は、適度な透過力を持ちつつ、軽元素や比較的軽い金属の検出に適しています。そのため、こうした元素が豊富な細胞試料の計測に効果を発揮し、近年注目されています。

（注3）走査型顕微鏡

虫眼鏡を用いて太陽の光を黒い紙に集めると、集光点で紙を燃やすことができます。黒い紙を動かすと、集光点で紙をなぞることが可能です。このように、光を空間的・エネルギー的に微小点に集め、試料を動かしながら物理的・化学現象を発生・観察する装置を、走査型顕微鏡と呼びます。

（注4）理想的な集光素子
ここでは、①集光サイズを小さくできること、②入射X線の利用効率が高いこと、③X線の光子エネルギー（波長）に応じて集光点位置が変化しないこと（色収差がないこと）、の3つの指標に照らし合わせ、これら全てを満たす集光素子を理想的と表現しています。

（注5）斜入射配置
X線集光ミラーは図1で示すように、X線の進む向きに対して集光ミラーの表面がすれすれとなるような置き方が必要です。つまり、反射面を寝かせた状態で配置します。透過力が高いX線は、可視光よりはるかに反射しません。しかし、このような斜入射配置にすれば、X線をほとんど反射（全反射）させられます。

（注6）急峻な形をした集光ミラー
X線を1点に集めるために、X線集光ミラーの断面は楕円形状をしています。楕円の焦点は、光源点と集光点に一致するように設計され、光源点から出た光は幾何学的に集光点に集まります。この楕円に円をフィッティングした際の円の半径を以て、集光ミラーの急峻さを定義することができます。従来のX線集光ミラーはこの半径がおよそ10 m以上でした。今回採用した超小型集光ミラーはその半径が160 mmです。バスを振り回して描ける円弧程度の曲面が、バスケットボール大の曲面となることで、作製の難易度は格段に上がります。

（注7）回折限界集光
光は波の性質を持っており、波長という特徴を持っています。波が一点に集められた際、厳密にはその点は無限小ではありません。点は僅かに広がり、その広がり幅は、点から見た波の広がり角および波長に依存します。この波が広がる現象を回折と呼び、回折による広がり幅を回折限界と言います。波の性質を持つ光も回折を起こします。そのため、集光サイズは回折限界が下限値であり、この集光サイズを達成するような集光を回折限界集光と呼びます。 　X線集光ミラーの表面が滑らかであれば、X線を回折限界集光できます。しかし、現実には原子スケール以上の凹凸が表面に存在するため、集光サイズは回折限界ではなく、作製限界で決まってしまいます。従来の軟X線用の集光ミラーは要求精度に対して作製精度が悪く、一部の軟X線域でかろうじて回折限界集光を実現するに留まっていました。

（注8）大型放射光施設SPring-8
兵庫県播磨科学公園都市にある周長約1.4 kmの巨大装置で、強力なX線を発生できます。明るいX線を特定の向きに対して発生させることができ、図1のような配置を採用するX線分析手法に適しています。この強力なX線を利用し、例えば、小惑星イトカワの微粒子が分析されています。

（注9）蛍光発光
原子には電子が複数含まれています。X線はこの電子と相互作用し、時に原子の束縛から電子を弾き出すことが可能です。弾き出された電子の穴は原子中の別の電子が埋めようとし、この際に元素に特有の光が放出されます。これを蛍光と呼びます。蛍光の波長を解析することで、元素種を特定することができます。

（注10）化学固定した神経細胞
本研究では、ラットの胎児由来の初代海馬細胞（神経細胞）を観察しました。ホルムアルデヒドと呼ばれる薬品を使用し、柔らかい細胞骨格を化学的に固定・乾燥させています。乾燥すると細胞中の液体は失われますが、細胞骨格は残ります。今回観察した結果では、この細胞骨格に埋め込まれた元素が観察されています。

（注11）ラボベースのX線光源
病院にあるようなX線光源は、部屋（研究室）に収まるという意味でラボベースのX線光源と呼ばれます。