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論文

Cryogenic sample environments shared at the MLF, J-PARC

河村 聖子; 高橋 竜太*; 石角 元志*; 山内 康弘*; 中村 雅俊*; 大内 啓一*; 吉良 弘*; 神原 理*; 青山 和弘*; 坂口 佳史*; et al.

Journal of Neutron Research, 21(1-2), p.17 - 22, 2019/05

MLF試料環境チーム低温・マグネットグループは、J-PARC MLFにおいて、利用者の実験のための冷凍機やマグネットの運用を行っている。これまでトップローディング型$$^4$$He冷凍機、ボトムローディング型$$^3$$He冷凍機、希釈冷凍機インサート、超伝導マグネットを導入してきた。これらの機器の使用頻度は、ビーム出力、課題数の増加に伴い、ここ2年間で急激に高くなってきている。この状況に対応するために運用経験を加味しながら、これらの機器の性能向上作業を進めている。例えば、$$^3$$He冷凍機の制御ソフトには、自動の初期冷却および再凝縮のプログラムが備わっていたが、新たに、$$^3$$He potにヒーターを焚くことなくsorbの温度制御のみで$$^3$$He potを温調するプログラムも作成した。また2017年は、超伝導マグネット用に、揺動型ラジアルコリメーター付きのOVCテールを製作した。このラジアルコリメーターの導入によりデータの質は劇的に向上し、中性子非弾性散乱実験でも超伝導マグネットが使用できるようになった。

論文

Recent progress in the chopper spectrometer 4SEASONS at J-PARC

梶本 亮一; 中村 充孝; 稲村 泰弘; 蒲沢 和也*; 池内 和彦*; 飯田 一樹*; 石角 元志*; 中島 健次; 河村 聖子; 中谷 健; et al.

JAEA-Conf 2015-002, p.319 - 329, 2016/02

4SEASONS ($textit{SIKI}$) is one of the three chopper spectrometers operating in MLF at J-PARC, and covers thermal neutron region ($$10^0$$ - $$10^2$$ meV) with relaxed resolution and high flux. The repetition rate multiplication by the Fermi chopper on this short length (18 m between the source and the sample) spectrometer enables wide-band multiple-incident-energy (multi-$$E_mathrm{i}$$) measurements, which proved to be useful in observing hierarchical structures in excitations over a large energy scale. On the other hand, the upgrading work of the spectrometer has been continued since the first inelastic scattering experiment in 2009. For examples, we took several measures to suppress background, installed new detectors recently, and are developing a new Fermi chopper now. In the presentation, we show examples of scientific outputs from the spectrometer which benefit from the multi-$$E_mathrm{i}$$ measurements, and recent or planned upgrades of the instrument.

論文

Correlative imaging of live biological cells with a soft X-ray microscope and a fluorescence microscope

加道 雅孝; 岸本 牧; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 刀祢 重信*; 篠原 邦夫*

AIP Conference Proceedings 1696, p.020019_1 - 020019_4, 2016/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:80.58

軟X線顕微鏡は生きている細胞の細胞内小器官を観察するための非常に強力なツールであり、これまで細胞の内部構造を観察するための多くの研究開発が行われてきた。しかし、細胞内構造は非常に複雑で、軟X線顕微鏡で取得した細胞の軟X線顕微鏡像において細胞内小器官を特定することは困難であった。我々は、同一細胞を軟X線顕微鏡と蛍光顕微鏡により同時に観察するハイブリッドイメージング法を提案した。細胞にあらかじめ蛍光標識を施すことにより蛍光顕微鏡により細胞内小器官の位置を正確に特定することができ、蛍光顕微鏡によって得られた細胞内小器官の位置情報を用いて軟X線顕微鏡で取得した細胞の軟X線顕微鏡像において細胞内構造を正確に特定可能となる。軟X線顕微鏡は蛍光顕微鏡よりはるかに高い空間分解能を持つため、正確に特定された細胞内小器官の詳細な構造の解析が可能である。ハイブリッドイメージング法により生きている細胞の観察を行った。その結果、生きている細胞内のミトコンドリアの詳細な構造が確認できた。

論文

Imaging of fine structures of cellular organelles in hydrated biological cells by a soft X-ray microscope combined with a fluorescence microscope

加道 雅孝; 岸本 牧; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

Proceedings of SPIE, Vol.8849, p.88490C_1 - 88490C_7, 2013/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:59.67

これまでに、高輝度レーザープラズマ軟X線源と密着型顕微法を組合せたレーザープラズマ軟X線顕微鏡を開発し、生きている細胞の細胞内構造を100nm以下の高い空間分解能でその場観察することに成功している。さらに、同一の細胞を軟X線顕微鏡と蛍光顕微鏡により同時に観察し、直接比較することにより、軟X線顕微鏡によって取得した細胞内構造を正確に特定する手法を提案した。細胞をあらかじめ、マイトトラッカー,ファロイジン, DAPI等の蛍光色素によって蛍光標識を施し、蛍光顕微鏡で観察することにより、ミトコンドリア,アクチンフィラメント,クロマチン等の位置を正確に把握することが可能である。蛍光顕微鏡の空間分解能は数100nm程度に制限されるが、軟X線顕微鏡は100nm以下の高い空間分解能を持つため、蛍光顕微鏡で位置を把握した細胞内小器官の詳細な構造の観察が可能となった。特に、ミトコンドリアの観察では、蛍光顕微鏡では解像しきれなかったミトコンドリアのかたまりが軟X線顕微鏡では十分解像され、個々のミトコンドリアの構造も観察できることがわかった。

報告書

受動的安全性を具備した低減速軽水炉に関する技術開発(受託研究)

岩村 公道; 大久保 努; 秋江 拓志; 久語 輝彦; 与能本 泰介; 呉田 昌俊; 石川 信行; 長家 康展; 新谷 文将; 岡嶋 成晃; et al.

JAERI-Research 2004-008, 383 Pages, 2004/06

JAERI-Research-2004-008.pdf:21.49MB

本報告書は、日本原子力研究所,日本原子力発電,日立製作所,東京工業大学が財団法人エネルギー総合工学研究所からの委託を受けて平成12$$sim$$14年度に実施した革新的実用原子力技術開発提案公募事業「受動的安全性を具備した低減速軽水炉に関する技術開発」の成果をまとめたものである。本提案公募事業では、エネルギーの長期安定供給を確保するとともに、コスト競争力の強化,プルトニウムの有効利用,使用済燃料蓄積量の低減など、原子力発電及び核燃料サイクルが直面する課題の解決、及び安全性・経済性にかかわる技術の一層の向上を図るため、既に実用化している軽水炉技術を最大限に活用し、中性子の減速を抑制して転換比を上げることにより燃料の増殖,高燃焼度・長期サイクル運転,プルトニウムリサイクルが可能となる低減速軽水炉の開発を実施した。 炉心設計,プラントシステム設計とともに、熱流動成立性,炉物理的成立性,燃料の安全性,燃料サイクルの検討を実施し、実用化へ向けた成立性の見通しを得た。

口頭

レーザープラズマ軟X線顕微鏡によるアポトーシス細胞核の観察

加道 雅孝; 岸本 牧; 刀祢 重信*; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

レーザー励起プラズマ軟X線源を光源としたレーザープラズマ軟X線顕微鏡は100nm以下の高い空間分解能と1ns以下の高い時間分解能を持ち、水溶液(培養液)中の生きている細胞をそのままの状態で瞬時に撮像できるという特徴を持つ。われわれはこれまでの研究で、培養中の精巣ライディッヒ細胞の観察を行い、ミトコンドリアや細胞骨格等の細胞内小器官や細胞核内のクロマチン構造の詳細な撮像に成功した。さらに、軟X線顕微鏡で撮像した細胞の内部構造を正確に特定するために、蛍光色素を使い分けることにより特定の細胞内小器官を選択的に可視化できる蛍光顕微鏡との併用法を考案した。今回われわれは、レーザープラズマ軟X線顕微鏡の利用の次の例としてアポトーシス(細胞死発現の一形態)における細胞核の構造変化の観察を行った。レーザープラズマ軟X線顕微鏡は蛍光顕微鏡よりも高い空間分解能で細胞核の構造変化を直接観察できるため、アポトーシスにより細胞核が崩壊するメカニズムを解明するうえで非常に重要な役割を果たすことが期待できる。

口頭

レーザープラズマ軟X線顕微鏡によるアポトーシス細胞核の観察, 2

加道 雅孝; 岸本 牧; 刀祢 重信*; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

レーザープラズマ軟X線源を光源とした"レーザープラズマ軟X線顕微鏡"は、100nm以下の高い空間分解能と1ns以下の高い時間分解能を持ち、生きている細胞の内部構造をそのまま観察することが可能である。我々は、開発したレーザープラズマ軟X線顕微鏡をこれまで様々な生命現象、特にプログラムされた細胞死であるアポトーシスの観察に活用してきた。正常な細胞におけるクロマチンは細胞核内に折りたたまれた状態で存在するが、細胞がアポトーシスを起こすと、核周辺へのクロマチンの凝縮が起こり、リング形状、ネックレス形状を経て、最終的に核崩壊にいたることがこれまでの透過型電子顕微鏡と蛍光顕微鏡を用いた研究でわかっている。しかし、それぞれのステージにおける細胞核の構造変化の詳細な機構についてはまだまだ不明な点が多い。我々は、その中でも特にアポトーシスの機構を理解する上で重要なリング形状からネックレス形状への構造変化を詳細に調べた結果について報告を行うとともに、細胞核の崩壊の機構について議論を行う。

口頭

Structural study of cellular organelles with a laser-plasma soft X-ray microscope

加道 雅孝; 岸本 牧; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

高輝度レーザープラズマ軟X線源と密着型軟X線顕微鏡を組み合わせたレーザープラズマ軟X線顕微鏡を開発し、生きている細胞の細胞内小器官の詳細な構造の観察に成功した。レーザープラズマ軟X線源は、非常に高輝度で短パルスという特徴を持つことから、細胞への放射線影響や細胞の運動による解像度の低下を招くことなく生きている細胞の観察を可能とする。また、細胞をX線感光材上に直接培養することにより、培養中の細胞をその場で観察することを可能とした。さらに、軟X線顕微鏡と蛍光顕微鏡を組み合わせたハイブリッド顕微鏡を考案することにより軟X線顕微鏡による細胞内小器官を正確に特定することを実現した。ネズミの精巣ライディッヒ細胞を観察した結果、生きている細胞中の個々のミトコンドリアの撮像に初めて成功し、さらにその詳細な構造の観察に成功した。

口頭

レーザープラズマ軟X線顕微鏡によるアポトーシス細胞核の観察

加道 雅孝; 岸本 牧; 刀祢 重信*; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

レーザープラズマ軟X線は高い輝度と短パルス性を有するため、半導体や医療等の様々な分野で利用が進められている。その中でも、レーザープラズマ軟X線を光源とした軟X線顕微鏡(レーザープラズマ軟X線顕微鏡)は、培養中の生きている細胞の内部の詳細な構造の観察が可能で、生命科学分野の発展への貢献が期待されている。高輝度で単パルスという特徴を持つレーザープラズマ軟X線源とX線感光材上に細胞を直接培養する密着型軟X線顕微鏡を組み合わせたレーザープラズマ軟X線顕微鏡を開発した。レーザープラズマ軟X線顕微鏡は、80nmの高い空間分解能と600psの超高速瞬時撮像という性能により、生きている細胞の細胞内構造を詳細に観察することが可能である。さらに、蛍光顕微鏡と組み合わせたハイブリッド顕微法は、これまで軟X線顕微鏡の課題とされていた細胞内構造の正確な特定を可能とし、生命現象の観察への活用を実現した。アポトーシスを起こした細胞核の観察に利用した結果、アポトーシスによる細胞核の構造変化の詳細を明らかにした。

口頭

J-PARC BL01チョッパー分光器「四季」'13

梶本 亮一; 中村 充孝; 稲村 泰弘; 池内 和彦*; 飯田 一樹*; 石角 元志*; 鈴木 淳市*; 中島 健次; 河村 聖子; 中谷 健; et al.

no journal, , 

四季は現在J-PARC・MLFで稼働中の3台のチョッパー分光器の1つで、3台の中でも特に熱中性子領域において高効率の非弾性散乱測定を可能にすることを目的としている。装置が事実上稼働を開始した2009年6月から4年が経ち、一般課題数も徐々に増加してきている。現在も装置の整備を継続しているが、その結果、測定データのS/N比も向上し、超伝導体,磁性体,誘電体等で様々な成果が得られつつある。さらに装置の性能や利用環境の向上を図り、新たなデータ測定モードの構築やラジアルコリメータ等の試料環境の整備も進めている。本発表では四季で最近の装置整備や実験課題の実施状況、成果例を紹介する。

口頭

Development of a soft X-ray microscope with a intense laser-plasma soft X-ray source produced by a high power pulsed laser

加道 雅孝; 岸本 牧; 石野 雅彦; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 刀祢 重信*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

高出力レーザーによって生成されたレーザープラズマ軟X線源は極めて明るいため、細胞への損傷をふせぐために瞬間露光が必要とされる生きている細胞の撮像を目的とした生物X線顕微鏡に最適である。我々は、ガラスレーザーシステムによって生成された高輝度レーザーパルスを金の薄膜ターゲットに照射することにより高輝度軟X線源を開発した。ターゲットの厚さが400nmの時に最大のX線輝度として1.3$$times$$10$$^{15}$$ photon/srが得られた。このときの試料上におけるX線光量は4.4$$times$$10$$^{5}$$ photons/$$mu$$m$$^{2}$$と見積もられ、この値は約80nmの空間分解能に相当する。高輝度軟X線源を密着型軟X線顕微鏡と組み合わせ、レーザープラズマ軟X線顕微鏡として装置化を行った。細胞内小器官を選択的に標識可能な蛍光色素によりあらかじめ標識を施した生きている細胞をレーザープラズマ軟X線顕微鏡と蛍光顕微鏡で同時に観察を行った。得られた軟X線顕微鏡像と蛍光顕微鏡像を直接比較することにより細胞内小器官の詳細な構造の観察に初めて成功した。

口頭

J-PARC/MLF BL01チョッパー型中性子非弾性散乱装置「四季」

梶本 亮一; 中村 充孝; 稲村 泰弘; 蒲沢 和也*; 池内 和彦*; 飯田 一樹*; 石角 元志*; 鈴木 淳市*; 中島 健次; 河村 聖子; et al.

no journal, , 

四季は現在J-PARC・MLFで稼働中の3台のチョッパー分光器の1つで、3台の中でも特に熱中性子領域において高効率の非弾性散乱測定を可能にすることを目的としている。装置が事実上稼働を開始した2009年6月から4年が経ち、装置整備の進展に合わせて一般課題数も増加してきており、その結果、超伝導体,磁性体,誘電体等で様々な成果が得られつつある。現在もさらに装置の性能や利用環境の向上を図り、測定効率をさらに高める新たなデータ測定モードの構築、試料環境からのバックグラウンドを抑えるラジアルコリメータ、強度の大幅な増大が見込まれるチョッパーの改良等の整備も進めている。本発表では四季で最近の装置整備や実験課題の実施状況、成果例を紹介する。

口頭

5 years of a cold-neutron disk-chopper spectrometer, AMATERAS

中島 健次; 河村 聖子; 菊地 龍弥; 川北 至信; 稲村 泰弘; 梶本 亮一; 中村 充孝; 田中 浩道; 岩橋 孝明; 神原 理; et al.

no journal, , 

AMATERASは、J-PARCセンターの物質・生命科学施設に設置された冷中性子ディスクチョッパー型分光器である。2009年5月に完成し、12月より共用を開始したこの装置では、これまでに70件以上の課題を実施し、多くの成果が論文として発表されている。今回の発表では、AMATERASのこれまでの歩みを最近の成果を交えながら報告する。

口頭

Single flash imaging of live hydrated biological cells by a contact soft X-ray microscope coupled with an intense laser-plasma soft X-ray source

加道 雅孝; 岸本 牧; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

密着型軟X線顕微鏡と高輝度レーザープラズマ軟X線源を組み合わせ、生きている細胞の瞬時撮像を実現した。高強度レーザーにより生成したレーザープラズマ軟X線源は非常に高輝度で短パルスという特徴を持ち、生きている細胞を瞬時に撮像することにより放射線による細胞への損傷を抑制することが可能である。我々は、蛍光顕微鏡を併用することにより軟X線顕微鏡によって撮像した細胞内器官を正確に特定する手法の開発にも成功した。この手法により、X線感光材上に直接培養した細胞を軟X線顕微鏡と蛍光顕微鏡により同時に撮像でき、取得した細胞の軟X線像と蛍光像を直接比較することによりミトコンドリアやアクチンフィラメント、クロマチンなどの細胞内器官を明確に特定可能である。軟X線顕微鏡は蛍光顕微鏡に比べて高い解像度を有する一方、撮像した細胞内構造の特定が困難であるという問題があったが、この手法の開発により、これまで不可能であった生きている細胞内の正確に特定された細胞内器官の構造をより詳細に観察可能となった。

口頭

試料周辺の水の層の厚さの制御による密着型軟X線顕微鏡の高コントラスト化

加道 雅孝; 岸本 牧; 刀祢 重信*; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

水の窓波長域の軟X線を光源とした軟X線顕微鏡は水溶液中の生きている細胞を高い空間分解能で観察できる画期的な技術として開発が進められている。しかし、細胞周辺の水の層の厚さが10$$mu$$mを超えると水による軟X線の吸収が無視できなくなるとともに、水の層の厚さが不均一な状況では高品質な軟X線像の取得ができないという問題が生じた。我々は、細胞の保持に使用する窒化シリコン窓の内側に高さ5$$mu$$mのスペーサーと適切な溝パターンを構築することにより、PMMAフォトレジストと窒化シリコン窓の間に厚さ5$$mu$$mのスペースを確保するとともに、余分な水分を外部に排出することにより試料周辺の水の層の厚さを正確に制御することに成功した。その結果、非常に高解像度な細胞の軟X線像の取得に成功した。

口頭

Recent status of a cold neutron disk chopper spectrometer AMATERAS

中島 健次; 河村 聖子; 菊地 龍弥; 川北 至信; 稲村 泰弘; 梶本 亮一; 中村 充孝; 曽山 和彦; 原田 正英; 及川 健一; et al.

no journal, , 

AMATERAS is a cold-neutron multi disk-chopper spectrometer at Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) in J-PARC. By using a pulse shaping chopper and owing to the high peak intensity from a coupled moderator source at MLF, AMATERAS is designed to realize high intensity and fine and flexible energy resolution measurements in quasielastic and inelastic neutron scattering experiments from cold to thermal neutron energy region. In parallel to the user program which has been started from 2009, machine study and commissioning work to improve spectrometer performance have been continuously done. Recently, we have finished refurbishment of the beam transport section. Also, there is progress in background reduction work, development of data analysis method and preparation in sample environments. In this presentation, we will present the current status of AMATERAS including ideas of future upgrade plans.

口頭

レーザー生成プラズマ軟X線源の高輝度化と軟X線顕微鏡による生きている細胞の観察

加道 雅孝; 岸本 牧; 江島 丈雄*; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

軟X線顕微鏡による細胞の観察では放射線による損傷を抑制するために試料の凍結が必要で、生きている細胞をそのまま観察することはできなかった。レーザー生成プラズマ軟X線源は高輝度で短パルスという特徴を持つため、放射線による損傷が生じる前に細胞の軟X線像を取得することが可能である。一方、軟X線顕微鏡の空間分解能は細胞に照射されるX線光量に強く依存するため、細胞の内部構造を観察するためには軟X線源の高輝度化が重要な課題となる。我々は、大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの保有する出力120Jの大型レーザーを用いることにより軟X線源の大幅な高輝度化を実現した。X線感光材上に培養した含水細胞の観察を行った結果、空間分解能の向上により細胞周辺にこれまで同様の実験では確認されなかった極微細な繊毛らしき構造の観察に成功した。

口頭

生きている細胞の内部構造を直接観察できる軟X線顕微鏡の開発

加道 雅孝; 岸本 牧; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

高強度レーザーによって発生した高輝度短パルス軟X線源とX線感光材上に直接培養した細胞に軟X線を照射する密着型顕微法を組み合わせたレーザープラズマ軟X線顕微鏡を開発し、生きている細胞の内部構造を直接観察することに成功した。さらに蛍光顕微鏡を併用し、軟X線顕微鏡と蛍光顕微鏡により同一の細胞の同時観察を実現するハイブリッド顕微法を発案することにより細胞内器官の正確な位置の特定と高空間分解観察を両立した。その結果、様々な細胞内器官の詳細な構造の観察が可能となった。開発したレーザープラズマ軟X線顕微鏡によりこれまでにマウスの精巣ライディッヒ細胞の内部構造の観察やアポトーシスの誘発により構造変化を起こしたHeLa S3細胞核の詳細な構造の観察を実現した。マウスの免疫細胞の観察では免疫機能発現の瞬間の重要な構造変化を観察することに成功するなど、従来の顕微鏡では限界のあった生きている細胞を軟X線顕微鏡で観察することにより、幾つかの重要な知見を得ることに成功した。

口頭

軟X線顕微鏡による細胞内部構造のその場観察

加道 雅孝; 岸本 牧; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 刀祢 重信*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

酸素と炭素のK吸収端で挟まれた波長領域(2.3nm$$sim$$4.4nm)は"水の窓"波長と呼ばれ、細胞の主要構成要素である炭素による吸収が大きいが、水にはほとんど吸収されないという特徴を持つ。水の窓波長の軟X線を照明光として用いた顕微鏡(軟X線顕微鏡)は生きている細胞を無染色でそのまま観察可能であるという特徴を持ち、さらに可視光に比べて波長がはるかに短いため、細胞内部構造の詳細な観察が可能である。さらに、高輝度で短パルスという特徴を持つレーザープラズマ軟X線源を光源に用いたレーザープラズマ軟X線顕微鏡は、放射線による細胞への影響や細胞内構造の揺らぎによる空間分解能の低下を抑え、生きている細胞のその場観察が可能である。我々は、波長1053nm、出力20J、パルス幅600psの高出力ガラスレーザーを金の薄膜ターゲットに集光し、水の窓波長軟X線を発生した。細胞をPMMAフォトレジスト上に直接培養することにより、レーザープラズマ軟X線顕微鏡による生きている細胞のその場観察を実現した。

口頭

Intense laser-plasma soft-X-ray sources and application for biological X-ray microscopy

加道 雅孝; 岸本 牧; 江島 丈雄*; 保 智己*; 安田 恵子*; 青山 雅人*; 刀祢 重信*; 篠原 邦夫*

no journal, , 

軟X線顕微鏡の空間分解能は細胞に照射されるX線光量に強く依存するため、高い空間分解能を実現するためにはより高輝度な軟X線源が必要となる。これまで原子力機構関西研の保有する出力20Jの高強度レーザーを利用したレーザープラズマ軟X線顕微鏡の開発を行い、生きている細胞内のミトコンドリア等の詳細な構造の観察に成功した。さらなる高空間分解能の実現を目指し、大阪大学レーザーエネルギー学研究センターの保有する出力120Jの大型レーザーを用いて実験を行った。レーザー波長の短波長化によるX線への変換効率の向上も考慮すると10倍以上のX線光量の増大が期待できる。X線感光材上に培養した含水細胞の観察を行った結果、空間分解能の向上により細胞周辺にこれまで同様の実験では確認されなかった極微細な繊毛らしき構造の観察に成功した。

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