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[プレスリリース]
X線自由電子レーザーを用いたコヒーレントX線回折イメージング実験データをその場で迅速に処理するソフトウェアの実用化
-SACLAの効率的な利用を目指して-

研究
2014/03/06  慶應義塾大学
独立行政法人理化学研究所

本研究成果のポイント
・SACLAでのコヒーレントX線回折イメージングデータの高速処理
・良好な回折パターンを選別し、その場で電子密度図を回復

慶應義塾大学(塾長 清家篤)、独立行政法人理化学研究所(理事長 野依良治)は共同で、X線自由電子レーザーを用いた非結晶粒子のコヒーレントX線回折イメージング実験データを高効率で解析するソフトウェアを独自に考案・開発し、その実用化に成功しました。

2012年3月、超強力なX線を供給するX線自由電子レーザー(X-ray Free Electron Laser:XFEL)施設SACLAの共用が開始され、様々な基礎・応用科学分野での利用が始まりました。SACLA が解明すべき重要な課題の一つとして、生命科学や材料科学分野において発見あるいは創生されてきたものの中で結晶化が極めて困難な粒子や分子、すなわち非結晶粒子・分子をターゲットとした構造解析が挙げられています。XFELを用いた非結晶粒子・分子の構造解析にはコヒーレントX線回折イメージング法(Coherent X-ray Diffraction Imaging)が有効です。これまでに、慶應義塾大学を中心とした研究グループは、低温試料固定照射装置“壽壱号“(ことぶきいちごう)を設計・製作し、2013年3月までに、高効率な非結晶粒子のCXDI実験を実現しました。

壽壱号とSACLA の検出器グループが開発したマルチポートCCD(MPCCD)検出器二台を用いることで、数日間のビームタイム中に数万枚の回折パターンが得ることが可能になりました。一方で、このような膨大な枚数の回折パターンは、もはや人の手を介して処理できるものではありません。そのため、研究グループは、XFEL-CXDIでの実験装置の配置や特性を理解しながら、得られた回折パターンを高速かつ自動で処理することが可能な『四天王』を開発しました。『四天王』は、検出器の持つノイズを各回折パターンから引き去って十分な強度を持つものを抽出する『多聞天』、特徴的な形状を持つ試料の回折パターンから理論式を用いて検出器の幾何学的パラメーターを決定し、さらに、回折パターンの中心対称性を利用して、ショットごとに微小に搖動するビームの位置を精密化する『持国天』、二台の検出器のパターンを一つに統合する『広目天』、そして、統合パターンから電子密度像回復を行う『増長天』—のサブプログラム四つで構成されています。

このソフトウェアの整備により、ラスタースキャン測定終了後直ちに、像回復までの処理を自動で行えるようになりました。高計算コストのルーチンが並列化されているので、SACLAに設置されたスーパーコンピュータ上では回折パターン1000枚/15分で位相回復までの処理が可能です。また、本ソフトウェアはGraphical User Interfaceによって運用され、処理結果や位相回復画像へのアクセスが容易であることから、様々な試料のXFEL-CXDI実験で利用されています。例えば、短時間に膨大な回折パターンが収集可能なSACLAでのCXDI実験の特徴を活かし、サブミクロンサイズの粒子個々の内部組織を30-10nmの分解能で可視化しながら、粒子サイズ分布も明らかにするという複合的な構造解析が可能になります。本ソフトウェアは、既にそのような実験での大量データ処理に利用され、XFELを用いたナノ科学の発展に貢献しています。

本研究成果は、慶應義塾大学大学院理工学研究科基礎理工学専攻物理学専修・修士課程2年の関口優希君(理化学研究所放射光科学総合研究センター・ビームライン基盤研究部研修生)、同大学物理学科苙口友隆助教(同客員研究員)、中迫雅由教授(同客員主管研究員)らによるものです。研究は、慶應義塾大学と理化学研究所による「世界を先導する知性の創造」を目指した包括的な連携の下で、XFEL重点戦略課題、新学術領域研究と挑戦的萌芽研究の支援を受けて実施されました。研究成果の詳細は、科学誌『Journal of Synchrotron Radiation』のオンライン版に近日中に公開されます。

なお、この研究を推進した関口優希君には、日本放射光学会から、第26回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウムでの発表『クライオ試料固定照射装置を用いて得られるXFEL-CXDIデータ処理ソフトウェアの開発』に対してJSR13学生発表賞が(2013年2月4日)、さらに、第27回同年会・シンポジウムでの発表『SACLA-CXDI 実験データ処理ソフトウェア「四天王」の現状と将来』に対してJSR14学生発表賞が(2014年2月4日)贈られました。

プレスリリース全文は、以下をご覧ください。

プレスリリース(PDF)

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