X線回折コンピュータ断層撮影

X線回折コンピュータ断層撮影は、 X線回折とコンピュータ断層撮影データ取得手法を組み合わせた実験技術です。X線回折（XRD）コンピュータ断層撮影（CT）は、1987年にHardingら^{[ 1 ]}によって、実験室用回折計と単色X線ペンシルビームを用いて初めて導入されました。シンクロトロン施設でのこの技術の最初の実装は、 1998年にKleukerら^{[ 2 ]}によって行われました。

X線回折コンピュータ断層撮影は、XRDデータの処理方法に応じて2つの主要なカテゴリに分類できます。具体的には、XRDデータは粉末回折データまたは単結晶回折データとして処理でき、これはサンプルの特性に依存します。サンプルに小さくランダムに配向した結晶が含まれている場合、2Dエリア検出器を使用すると、滑らかな粉末回折「リング」が生成されます。サンプルに大きな結晶が含まれている場合、「スポット状」の2D回折パターンが生成されます。後者は、レターボックス、コーン、平行X線ビームを使用して実行することもでき、サンプル中に存在する結晶子または「グレイン」のマップと、応力やひずみなどの特性に対応する2Dまたは3D画像が得られます。^{[ 3 ]}このアプローチには、 3DXRD ^{[ 4 ]}、X線回折コントラスト断層撮影（DCT）^{[ 5 ]}、高エネルギーX線回折顕微鏡（HEDM）^{[ 6 ]}など、いくつかのバリエーションがあります。

X線回折コンピュータ断層撮影法（XRD-CTと略されることが多い）は、通常、ハーディングら^{[ 1 ]}によって発明された技術を指し、取得データが粉末回折データであると仮定している。このため、粉末回折コンピュータ断層撮影法^{[ 7 ]}や回折散乱コンピュータ断層撮影法（DSCT）^{[ 8 ]}とも呼ばれるが、どちらも同じ方法を指している。

XRD-CTは、単色ペンシルビーム走査方式を採用し、透過ジオメトリで回折信号を捕捉して、回折投影データセットを生成します。この構成では、サンプルはビームの方向に垂直な軸に沿って移動します。サンプルは、単色で細かくコリメートまたは集束された「ペンシル」X線ビームで照射されます。次に、2Dエリア検出器が散乱X線を記録し、最適な計数統計と速度を実現します。通常、並進走査のサイズはサンプルの直径を超え、評価されるすべての角度でサンプルを完全にカバーします。並進ステップのサイズは、一般的にX線ビームの水平方向のサイズに合わせられます。ペンシルビーム走査断層撮影法の理想的なシナリオでは、測定された角度は並進ステップ数にπ/2を乗じた値と一致し、ナイキスト標本化定理に従います。ただし、実際には、再構成画像の品質を大幅に損なうことなく、この数を並進ステップ数に等しくすることができます。通常の角度範囲は0からπです。

ほとんどの研究では、データ再構成の主流のアプローチは、Bleuet ら^{[ 9 ]}によって導入された「逆解析」であり、各シノグラムを独立して処理して新しい CT 画像を生成します。多くの場合、フィルタ逆投影再構成アルゴリズム^{[ 10 ]}が XRD-CT 画像の再構成に使用されます。結果として得られる画像は、各ピクセル、より正確にはボクセルが局所的な回折パターンに相当します。再構成されたデータは、各画像が X 線散乱角に対応する 2 次元正方形画像のスタックとして見ることもできます。

XRD-CTは以下の仮定に基づいています。

• サンプルは小さく、取得した回折データには有意な視差アーティファクトはありません。この仮定が有効でない場合、再構成されたパターンには、不正確なピーク位置、ピーク形状、さらには人工的なピーク分裂など、広範囲のアーティファクトが含まれます。
• 取得したXRDデータは粉末回折に似ており、斑点状のデータは含まれていません。
• 試料はX線を強く吸収しないため、取得データに顕著な自己吸収の問題は生じない。
• XRD-CTスキャン中、試料の化学組成は大きく変化しない。

実際には、これらの仮定の1つ以上が妥当ではなく、データにアーティファクトが生じる。これらのアーティファクトを除去、あるいは大幅に除去するための戦略は以下のとおりである。

• XRD-CT 画像を再構成するためにフィルタ逆投影再構成アルゴリズムを使用する代わりに、「直接最小二乗再構成」（DLSR）と呼ばれる別の再構成アプローチを使用して、実験セットアップのジオメトリを考慮し、視差アーティファクトのない再構成画像を生成するピークフィッティングと断層再構成を同時に実行することができます。 ^{[ 11 ]} 0 から π の代わりに 0 から 2π の XRD-CT スキャンを実行すると、ピークの位置は正確ですが、ピークの形状は正確ではない再構成パターンが得られます。
• XRD-CTスキャン中に取得されたスポット状の2D XRDデータは、再構成されたXRD-CTデータにストリークまたはラインのアーティファクトを引き起こします。生の2D回折パターンの方位角積分中にフィルターを適用することにより、これらのアーティファクトを除去または抑制することが可能です^{[ 12 ]。}
• 同一試料のX線吸収コントラストCTスキャンを用いることで、自己吸収によるアーチファクトを補正することができる。
• XRD-CTスキャン中にサンプルの固体化学が変化する場合、インターレース法^{[ 13 ] [ 14 ]}などの方法の時間分解能を向上させることができる他のデータ取得アプローチを採用することができます。

局所回折パターンの解析は、基本的な単一ピーク逐次バッチフィッティングから、「Rietveld -CT」として知られる包括的なワンステップ全プロファイル解析まで多岐にわたります（Wragg et al., 2015 ^{[ 15 ]}）。後者の方法は、すべての局所モデルでグローバルパラメータを共有するため、一般的な逐次法よりも効率的です。これらのパラメータの例には、精緻化プロセスの安定性を高めるゼロ誤差と装置による広がりなどがあります。詳しく説明すると、再構成された画像の各ボクセルは、対応する局所回折パターンに合うように調整された局所モデル（多相スケールファクター、格子定数、結晶子サイズなど）で構成されています。これは、全体的なパラメータのみが局所モデル間で一貫していることを意味します。ただし、Rietveld-CTの適用は、60 × 60ボクセルの小さな画像に限定されており、より大きな画像の実現可能性は、使用可能なコンピュータメモリに依存しています。しかし、多くの場合、局所回折パターンの完全なプロファイル解析は、 LeBail、Pawley、Rietveldなどの従来のXRDデータ解析方法を使用して、ピクセルごとまたはラインごとに実行されます。これらの方法はすべて、再構築された回折パターンに基づくフィッティングを使用します。計算コストが高いもう1つのアプローチは、断層撮影データの再構成とピークフィッティングを1ステップで実行するDLSRです。^{[ 11 ]}選択された分析方法に関係なく、最終的な出力は、局所的な物理化学情報が詰まった画像で構成されます。各物理化学画像は、局所モデルに存在する精緻化されたパラメータに対応しており、これには、スケールファクター、格子パラメータ、結晶子サイズに対応するマップが含まれる場合があります。

• X線回折
• コンピュータ断層撮影
• 粉末回折
• 3DXRD
• シンクロトロン