多尺度、多模式和operando成像与杰出的x射线

物质的高渗透能力的x射线使研究接近它的原始状态,揭示结构与功能之间的关系,会计的化学状态和成分和x射线光谱是一种强大的工具为当地的决心原子结构材料而不是以水晶秩序。本文着眼于如何高的x射线在钻石光源,英国国家同步辐射来源,提供扩展功能成像结构在不同长度尺度和探索多种记录模式。流程可以记录由于高强度的辐射和化学信息可以提取签名的组件的x射线吸收成分。它将探索的功能成像和高空间断层,时间分辨率和化学使用这个独特的能量来源。所有的结果取得了在金刚石beamline I13L,由两个独立的分支。一个分支是集中在真实空间摄影和断层扫描,第二个分支在倒易空间探索技术操作。操作x射线能量是典型的6-30keV和微- nano-range的决议。

图1所示。I13L运营分支的概述。

Micro-tomography,内联相衬和软组织成像

同步加速器辐射带来一些独特的属性,其中一个是高度的一致性。它使探索光的波动性质的观察波浪变形和传播是一个敏感的软物质研究的工具。在近场,示例和探测器之间的距离相对较近的边缘和弱吸收结构显著增强。尤其对于生物医学研究组织如肌肉、细胞、软骨、肌腱呈现可见的和更吸收结构,如骨一起提供一个完整的复杂的结构。例如,鼠标膝盖的样本可以研究在现实条件下,见图2。

探索大量

使用同步加速器设施有限beamtime与竞争同行评议程序过程。COVID期间我们实现了一个新系统允许方便地访问和远程操作,显著增加样本的数量可以被测量。改变样品的工业机器人手臂已经安装,目前样品处理量增加到每天300样品,这将进一步增加了钻石的升级计划。
昆虫的进化的解码,其表型和功能是一个巨大的挑战是解决由美国国家历史博物馆的团队合作的钻石。除了记录功能,增强工作流进行数据处理和分析是必需的。
图3。的例子,表面呈现小蕈甲科(多毛菌虫:样本礼貌a他,:伦敦国家历史博物馆)

多尺度和高空间分辨率

在I-13 beamline我们覆盖三个数量级从微米长度尺度纳米范围。这种能力是必要的一个全面的方法调查:结构重复在不同的长度尺度或导致现象的观察宏观与微观原因。典型的应用程序需要一个“时间性”功能时,例如,研究大脑的神经元的结构和连接体材料的裂纹扩展,降解周期现代电池阳极的名字几例。
与x射线光学的外观适合政权,它已成为可能的实现方案和从可见光光学仪器与已知。我们已经建立了一个细致的x射线显微镜实现子- 100纳米的分辨率使用菲涅耳区板块(FZP)和一个特殊的电容器视神经,叫梁成型机。现在Zernike-type显微镜也可能弱吸收样品。
决议之外的局限性与成像探测器和x射线光学实现互惠空间。在远场衍射图样和相干照明下的样本是互惠(涉及通过傅里叶变换),换句话说探测器上的大模式对应于小功能示例。一项新技术,名叫Ptychography,有助于重建相位和振幅可靠,与集中光束穿过样品扫描。Spectro-microscopic数据记录为副产品,添加一个荧光探测器的设置。
空间分辨率最高可以用于解释很多事情。例如,蛾翅膀的惊人的属性。一些物种的杰出能力甚至吸收或发射声波,蝙蝠等保护他们免受捕食者。在我们的研究中我们将声波模拟的机械结构,学习一些大自然的奇迹。

多和化学

检测模式的结合使相关的物理和化学结构的功能材料。作为一个例子,我们说明了综合研究从福岛放射性尘埃粒子。通过结合不同的数据通道的法医研究事故是可能的。玻璃材料的形成与一个快速冷却事件,比如一个打击的容器或建筑,和相关的化学元素这一阶段允许扣除的可能位置爆炸,事故发生后发生的一系列事件。
图4。福岛粒子——综合研究从福岛放射性尘埃粒子(比例尺= 100µm)。结合不同的数据通道帮助法医研究事故。[6]。

微/ Nano-spectroscopy,探测器和连贯性

光谱成像技术是一个重要的工具,学习元素及其化学状态,在钻石的beamlines致力于spectro-microscopic成像,如I14 I18或I08,可以研究一个元素周期表中元素的重要组成部分。
树枝I13 beamlines操作主要是在两种模式:测量样品的吸收或荧光。吸收的情况下,入射x射线光子能量扫描x射线吸收边的一个特定的元素,来确定它(双能)或更详细地研究其化学状态(黄嘌呤)。与相干成像技术,如ptychography或光栅干涉,现在可以确定,相位和振幅。类似的概念在可见光光谱(红外/拉曼)适用于相关相位和振幅,最大化的信息输出。
现代x射线探测器有能力计算单一x射线和区分它们的能量水平的> ~ 100 ev。这元素敏感的检测提供了机会使用宽带辐射没有重复扫描不同的x射线光子的能量。图5给出一个测试实验与能量选择性检测器,在单个探测器扫描识别元素。
图5。Element-sensitive ptychography。测试样本由镍和非盟网格(左),酒吧的宽度是30µm。数据记录与单个扫描使用一个能量选择性检测器和减去相关的边缘周围的通道。

未来是光明的

同步加速器是前进,准备机器升级,让科学的新的可能性。例如,钻石的计划从2027升级到Diamond-II涉及一个新的电子储存环,不仅会增加亮度和相干了70倍,而且提高光束质量和稳定性通过新的x射线光学仪器,先进的样品交付,通过优化样品的开发和操作环境。加速器技术的进步意味着Diamond-II将提供科学界在学术界和产业界的机会利用这些明亮的光束,增加连贯性在一个大钻石的所有beamlines能量范围。光束的相干部分用于将增加数百倍,成像上的通量分支将十倍增强新的发光装置。多尺度成像将收到极大的鼓舞与这个转型升级这将使一个巨大的扩张的英国科学能力和提供新的科学。

确认

I13团队(d . Batey a . Bodey s Marathe s Kachkanov p . Li k . Jakata l . Turpin)承认,包括支持团队(k . Wanelik h . Shorthouse)。
由于团队合作的m . Holderied成像飞蛾。
r . Ziesche (HZB、柏林),p .剪切和m·约翰逊(伦敦大学学院、伦敦)合作在电池和承认分享的初步结果。

引用

1。c·劳,同步辐射新闻30。19 - 25,(2017),10.1080 / 08940886.2017.1364530
2。https://www.diamond.ac.uk/Instruments/Imaging-and-Microscopy/I13.html
3所示。k . a .染色k . Madi s . m . Mirczuk et al .,关节炎和风湿病,68 (4),880 - 891,(2016),10.1002 / art.39508
4所示。k . Madi k . a .污点b . k .海湾,et al .,自然生物医学工程2。(2019),10.1038 / s41551 - 019 - 0477 - 1
5。c·劳s Marathe a . j . Bodey et al .,有光学工程+应用,2021年,10.1117/12.2598470
6。p·g·马丁,m . Louvel s Cipiccia et al .,自然通讯(2019),10。2801年,10.1038 / s41467 - 019 - 10937 - z
7所示。f·布朗,V . .迪特拉帕尼d . Batey et al .,科学报告10 (2020),10.1038 / s41598 - 020 - 63161 - x
8。d . Batey s Cipiccia f . Van典藏,et al .,科学报告9。(2019),10.1038 / s41598 - 019 - 48642 - y