上海光源硬X射线相干衍射成像实验方法初探

相干X射线衍射成像方法是一种先进的成像技术,分辨率可达纳米量级.国际上大多数的同步辐射装置和自由电子激光装置都建立了该成像方法,并有将其作为主要成像技术的趋势.上海光源作为目前国内唯一的一台第三代同步辐射光源,尚未建立基于硬X射线的相干衍射成像实验平台.随着一批以波荡器为光源的光束线站投入使用,使得该方法的建立成为了可能.本文基于上海光源BL19U2生物小角散射线站,通过有效的光路设计,搭建了相干衍射实验平台,在12 keV和13.5 keV能量点均获得了硬X射线相干光束,并基于小孔衍射测量了入射光束的空间相干长度.该平台支持常规和扫描相干衍射实验模式,对小孔衍射图样及波带片扫描衍射图样实现了正确的相位重建,证明了该平台初步具备开展硬X射线相干衍射成像实验的能力.硬X射线相干衍射成像实验平台为国内首次建立,将为国内该实验方法的发展和应用提供有效的软硬件支持.     

上海光源X射线成像及其应用研究进展

作为具有国际先进水平的第三代同步辐射光源,上海光源的X射线亮度比普通X光管高12~16个量级,基于它的X射线成像具有高空间分辨、高衬度分辨和快时间分辨的特点,同步辐射X射线可对样品实现原位、无损、高分辨、三维和动态成像,而且可以实现相位衬度成像,从而将X射线成像的应用领域拓展到软组织、聚合物等低Z材料。自2009年正式向用户开放以来,上海光源已在生物医学、材料科学、古生物学、土壤学等领域取得了一大批重要研究成果。为更好地支持用户,上海光源X射线成像组在定量成像、CT成像、快速CT重构等成像方法学领域开展了较为全面、系统的研究,大幅提高了实验效率和对不同样品的适应性。本文简要介绍了上海光源X射线成像方法学发展及相关应用研究进展。     

利用X射线相衬显微研究野山参的特征结构

利用X射线的空间相干特性,可实现低Z介质内部结构的高衬度成像.人参主要由碳、氢、氧、氮等轻元素组成,原则上可以利用相衬成像来实现其特征结构的无损成像.由于具有更高的相干通量,利用第三代同步辐射光源成像可获得更高的时间和空间分辨,可用于研究更高分辨的人参特征显微结构.本文利用新建成的上海光源,较为系统地研究了野山参的显微特征结构.作为比较,给出了相应的园参特征结构,并与野山参进行了比对、分析.发现了一种未曾报道过的结构,这很可能是一个新的人参特征结构.研究结果表明,X射线相衬显微有望成为野山参鉴定的一种新的手段. 关键词： X射线相衬显微 同步辐射 显微鉴定 人参特征结构     

第四代光源

 第四代光源（X射线激光）是继第三代同步辐射光源以后,人们正在探索之中的新一代光源,它在亮度、相干性和时间结构上都大大优于第三代同步辐射光源。从目前发展的趋势来看,新一代的短脉冲、高亮度、可调的相干X射线光源将是基于自放大自发辐射原理的高增益自由电子激光（SASE FEL）。综述了第四代光源的由来、它和SASE的关系, 它的优异特性、发展现状以及应用前景。     

上海同步辐射装置波荡器光源空间相干性的研究

利用高斯-谢尔光源模型理论与交叉谱密度函数在自由空间传输的规律, 研究了上海同步辐射装置波荡器光源(BL15U)的空间相干性; 讨论了预聚焦镜、单色器对光束空间相干性的影响;实验测量了单色光狭缝S2处光束的横向相干长度(Z方向). 理论计算表明, S2处光束的横向相干长度为66.5 μm,但实验测量结果为27 μm. 理论与实验相差较大的原因是由于S2上游光学元件预聚焦镜或单色器周期性高频振动导致了光束空间相干性的退化.实验结果表明,上海同步辐射装置波荡器光源已有较强的空间相干性, 可以满足微米尺度的硬X射线相干性实验.     

实验室光源的微束X射线荧光成像系统研制及应用研究

微束X射线荧光成像(μ-XRFI)是无损获取样品内部元素微区分布信息的重要方法,主要应用于微米量级区域内的元素分辨成像。同步辐射是μ-XRFI的理想光源,由于其装置庞大、造价高昂,用户机时紧张,并不适宜于常规应用。基于实验室X射线光管、多毛细管聚焦镜、高精度样品台及硅漂移探测器,研制了一套具有元素分辨的μ-XRFI系统,性能测试结果表明该系统可以测量分析元素含量为0.001%量级的溶液样品和优于20μm的空间分辨能力。基于该μ-XRFI系统开展了应用研究,获得了小鼠脑、芯片及古代陶瓷样品中的多种主要元素及微量元素的空间分布,结果表明该系统可满足μ-XRFI的需求,可为生物医学、电子元件检测、瓷器色彩成分鉴定等领域研究提供帮助。     

强度关联三维衍射层析的实验研究

提出了一种基于强度关联成像的新型三维衍射层析技术.利用强度关联成像技术(鬼成像)可实现无透镜傅里叶变换的特点,并结合衍射层析技术和二步相位恢复算法,使用波长为650 nm的赝热光实现了强度关联三维衍射层析.详细描述了强度关联三维衍射层析的基本原理以及具体实验结果,为在第三代同步辐射光源实现非相干X光衍射成像积累了经验.     

KB镜成像模拟以及与菲涅耳波带板成像的比较

采用坐标变换方法自编光线追迹程序模拟了Kirkpatrick-Baez镜在X射线波段的掠入射成像,获得了视场、分辨率等结果.比较了给定参量条件下Kirkpatrick-Baez镜与菲涅耳波带板两种高分辨X射线成像的特性,给出两者各自适用范围.Kirkpatrick-Baez镜成像有比较高的系统效率,在视场中心的空间分辨能力可达0.71μm,但偏离视场中心±200μm,空间分辨能力显著下降至6μm,适用于较小视场的成像.菲涅耳波带板成像不仅在视场中心可以实现0.39μm的空间分辨能力,偏离视场中心达±13 mm,空间分辨能力也几乎不变,可实现大视场高分辨成像.     

软X射线直线单色仪光场分布实验研究

合肥国家同步辐射光源软X射线直线单色仪配备三种不同参数的波带片和针孔光阑,通过调节波带片和针孔光阑间的距离可输出1.97—5.44nm波段的软X射线.利用高分辨正性光刻胶,记录了CZP₃₂和30μm针孔光阑组合下的准确聚焦和大离焦量时的软X射线衍射图,即直线单色仪输出的光场分布.获得了有关爱里斑及空间相干半径等实验数据,所得结果与理论计算相一致. 关键词：     

基于同步辐射X射线相衬显微CT技术的竹木复合材料胶合界面特征研究

第三代同步辐射光源X射线相位衬度显微CT能获得样品内部结构的边缘增强图像,实现对低Z材料成像。利用上海同步辐射光源X射线相衬显微成像技术,实现了竹木复合材料中EPI和MUF胶合界面和胶黏剂渗透特征的无损探测,并基于这些特征分析了几种不同加工工艺对胶黏剂在木材和竹材中渗透的影响。该技术为人造板工艺解剖学研究提供了一种重要无损检测手段。     

Change in the spatial coherence function at Bragg reflection of an X-ray beam

The influence of coherent properties of an X-ray source (X-ray tube, synchrotron radiation source, free-electron X-ray laser) on the spatial field distribution and the spatial coherence function of this field has been theoretically considered for Bragg reflection from a single crystal.     

Phase-contrast imaging of nanostructures by soft x rays from a femtosecond-laser plasma

The possibility of phase-contrast imaging of nanostructures has been analyzed with the use of a femtosecond-laser plasma as a spatially coherent soft x-ray source and a LiF crystal as an x-ray detector having both the submicron spatial resolution in a wide field of view and a high contrast. It is demonstrated that the spatial coherence length of radiation in the wavelength range 1–13 nm at a distance of 30 cm from the femtosecond-laser plasma source is ?1.5 μm. The achieved spatial coherence of the source is sufficient to obtain high-quality phase-contrast x-ray images of foils with various chemical compositions and a thickness of ?100 nm.     

级联式平面抛物面型X射线组合折射透镜的设计与制作

X射线组合折射透镜(CRL)已逐步成为同步辐射光源下X射线聚焦光学器件的标准配件之一,它具有结构紧凑、易调节校准、适用光子能量范围大等优点.本文设计了一种级联式平面抛物面型CRL,它将N1个具有较大抛物面几何孔径(R0)的折射单元I与N2个具有较小抛物面顶点曲率半径(R)的折射单元II级联,以解决常规CRL设计过程中焦斑尺寸与透过率的矛盾.采用PMMA材料,利用LIGA技术制作了一组级联式平面抛物面型CRL,其中折射单元I的主要结构参数为N1=15,R1=200μm,2R01=564μm;折射单元II的主要结构参数为N2=20,R2=50μm,2R02=140μm.在上海光源同步辐射线束上,所制作的级联式平面抛物面型CRL实现了对初始光斑尺寸为200μm×100μm的入射X射线的一维聚焦,测试得到的焦距为1.052 m,横向焦斑尺寸为24.9μm@8 keV,透过率为2.19%.     

Development and trends in synchrotron studies of ancient and historical materials

Synchrotron photon-based methods are increasingly being used for the physico-chemical study of ancient and historical materials (archaeology, palaeontology, conservation sciences, palaeo-environments). In particular, parameters such as the high photon flux, the small source size and the low divergence attained at the synchrotron make it a very efficient source for a range of advanced spectroscopy and imaging techniques, adapted to the heterogeneity and great complexity of the materials under study. The continuous tunability of the source — its very extended energy distribution over wide energy domains (meV to keV) with a high intensity — is an essential parameter for techniques based on a very fine tuning of the probing energy to reach high chemical sensitivity such as XANES, EXAFS, STXM, UV/VIS spectrometry, etc. The small source size attained (a few micrometres) at least in the vertical plane leads to spatial coherence of the photon beams, giving rise in turn to a series of imaging methods already crucial to the field. This review of the existing literature shows that microfocused hard X-ray spectroscopy (absorption, fluorescence, diffraction), full-field X-ray tomography and infrared spectroscopy are the leading synchrotron techniques in the field, and presents illustrative examples of the study of ancient and historical materials for the various methods. Fast developing analytical modalities in scanning spectroscopy (STXM, macro-XRF scanning) and novel analytical strategies regarding optics, detectors and other instrumental developments are expected to provide major contributions in the years to come. Other energy domains are increasingly being used or considered such as far-infrared and ultraviolet/visible for spectroscopy and imaging. We discuss the main instrumental developments and perspectives, and their impact for the science being made on ancient materials using synchrotron techniques.     

同步辐射X光束空间相干性的物理分析

从量子力学的不确定原理出发，推导出光源相干性和光束相干性的关系，并应用所得的结论南步辐射Ｘ光束的空间相干性进行物理分析，讨论了Ｘ光相干我学实验对Ｘ光束的一些要求。     

同步辐射的相干模式

在分析了光源相干相体积的基础上，重点研讨了第三代同步辐射中波荡器（ｕｎｄｕｌａｔｏｒ）辐射的相干模式，能谱亮度，相干光子通量等，这对提高光束线相干能量的传输效率和软Ｘ光相干学束线的设计具有重要意义。     

Direct measurement of transverse coherence length of hard X rays from interference fringes

We propose a simple interferometric technique for hard x-ray spatial coherence characterization, recording a Fresnel interference pattern produced by a round fiber or a slit. We have derived analytical formulas that give a direct relation between a visibility of interference fringes and either the source size or the transverse coherence length. The technique is well suited to third-generation synchrotron radiation sources and was experimentally applied to determine the spatial coherence length and the source size at the European Synchrotron Radiation Facility.     

同步辐射X射线荧光光谱国内外研究进展

同步辐射光源是带电粒子在加速器储存环中以接近光速的速度运动时,沿轨道切线方向发射出的辐射,同步辐射X射线荧光分析(SR-XRF)是以同步辐射X射线作为激发光源的X荧光光谱分析技术.同步辐射X射线荧光分析包括了用于微区及微量元素分析的同步辐射XRF、用于表面及薄膜分析的同步辐射全反射X射线荧光(SR-TXRF)以及用于三...     

Measurement of hard X-ray coherence in the presence of a rotating random-phase-screen diffuser

A suitably large coherence area is important in coherent X-ray optics, when using techniques such as interferometry or phase contrast imaging (PCI). The work done by Suzuki using a prism interferometer to measure X-ray coherence at 12.4 keV [1] is here extended to consider the use of a diffuser at the bio-medical imaging energy of 25 keV. In order to achieve a broader, more even X-ray field and eliminate speckle, a spinning piece of paper may be used as a rotating random-phase screen to diffuse the hard X-ray beam, but this will concomitantly decrease the magnitude of the complex degree of second-order coherence. We also study the effect of source size and source-to-sample distance on coherence, where imaging area and required flux must be considered. Coherence measurements at the 20XU beamline at the SPring-8 synchrotron are compared to results from wave-optical computer modelling. These show that while the diffuser will decrease the magnitude of the complex degree of coherence, further free-space propagation will lessen this effect. In the design of an experiment, the collimating slit size and use of a diffuser must therefore be balanced with distance from the source, in order to maximise coherence while maintaining the desired field of view and exposure time.