Ny røntgenoptik øger billeddannelsesegenskaberne ved NSLS-II

Forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory har udviklet en ny tilgang til 3D-røntgenbilleder, der kan visualisere omfangsrige materialer i detaljer-en umulig opgave med konventionelle billeddannelsesmetoder. Den nye teknik kunne hjælpe forskere med at låse op om de strukturelle oplysninger om utallige materialer, fra batterier til biologiske systemer.

Forskerne udviklede deres tilgang ved Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-en DOE Office of Science User Facility, hvor forskere bruger ultralette røntgenstråler til at afsløre detaljer på nanoskalaen. Holdet er placeret på NSLS-II's Hard X-ray Nanoprobe (HXN) beamline, en eksperimentel station, der bruger avancerede linser til at tilbyde verdensledende opløsning, helt ned til 10 nanometer-cirka en ti-tusindedel af et menneskehårs diameter.

HXN producerer bemærkelsesværdigt højopløselige billeder, der kan give forskere et omfattende overblik over forskellige materialegenskaber i 2-D og 3-D. Strålelinjen har også en unik kombination af in situ- og operando-muligheder-metoder til at studere materialer under virkelige driftsforhold. Imidlertid, forskere, der bruger røntgenmikroskoper, er blevet begrænset af størrelsen og tykkelsen af ​​de materialer, de kan studere.

"Røntgenbilledfællesskabet står stadig over for store udfordringer med fuldt ud at udnytte potentialet i strålelinjer som HXN, især til opnåelse af detaljer i høj opløsning fra tykke prøver, "sagde Yong Chu, blystråleforsker ved HXN. "At opnå kvalitet, billeder i høj opløsning kan blive udfordrende, når et materiale er tykt-det vil sige tykkere end røntgenoptikkens fokusdybde. "

Nu, forskere på HXN har udviklet en effektiv tilgang til at studere tykke prøver uden at ofre den fremragende opløsning, HXN giver. De beskriver deres tilgang i et papir publiceret i tidsskriftet Optica .

"Det ultimative mål med vores forskning er at bryde den tekniske barriere, der pålægges prøvetykkelse og udvikle en ny måde at udføre 3D-billeddannelse på-en metode, der involverer matematisk skæring gennem prøven, "sagde Xiaojing Huang, en videnskabsmand ved HXN og en medforfatter af papiret.

Den konventionelle metode til opnåelse af et 3D-billede involverer indsamling og kombination af en serie 2-D-billeder. For at få disse 2-D-billeder, forskerne roterer typisk prøven 180 grader; imidlertid, store prøver kan ikke let rotere inden for det begrænsede rum af typiske røntgenmikroskoper. Denne begrænsning, ud over udfordringen med billeddannelse af tykke prøver, gør det næsten umuligt at rekonstruere et 3D-billede med høj opløsning.

"I stedet for at samle en række 2-D fremskrivninger ved at rotere prøven, vi 'skærer' simpelthen det tykke materiale i en række tynde lag, "sagde hovedforfatter Hande Öztürk." Denne opskæringsproces udføres matematisk uden fysisk at ændre prøven. "

Deres teknik drager fordel af HXN's særlige optik, kaldet Multilayer Laue -linser (MLL'er), som er konstrueret til at fokusere røntgenstråler til et lille punkt. Disse linser skaber gunstige betingelser for at studere tyndere skiver af tykke materialer, samtidig med at måletiden reduceres.

"HXNs unikke MLL'er har en høj fokuseringseffektivitet, så vi kan bruge meget mindre tid på at indsamle det signal, vi har brug for, "sagde Hanfei Yan, en videnskabsmand ved HXN og en medforfatter af papiret.

Ved at kombinere MLL-optikken og multi-slice-metoden, HXN -forskerne var i stand til at visualisere to lag nanopartikler adskilt af kun 10 mikron - cirka en tiendedel af et menneskeligt hårs diameter - og med en opløsning 100 gange mindre. Derudover metoden reducerede betydeligt den tid, der kræves for at opnå et enkelt billede.

"Denne udvikling giver en spændende mulighed for at udføre 3D-billeddannelse på prøver, der er meget vanskelige at forestille sig med konventionelle metoder-f.eks. et batteri med en kompliceret elektrokemisk celle, "sagde Chu. Han tilføjede, at denne tilgang kunne være meget nyttig til en lang række fremtidige forskningsapplikationer.