新型透镜实现x射线显微镜分辨率的新纪录

德国加速器中心的科学家们已经研究开发出了一种新的镜头，提高了在纳米范围的X射线显微镜图像记录的分辨率。采用新材料，来自德国加速器中心自由电子激光科学部门的Sasa Bajt领导的研究小组已经完善了专门的X射线光学设计，并且实现一个焦点尺寸与直径小于十纳米的新型显微镜镜头。一纳米是一毫米的百万分之一，比大多数病毒粒子还要小。研究人员在《Light: Science and Applications》杂志上发表了他们的研究成果。他们成功地用他们的镜头拍摄了海洋浮游生物的样本。 +'[/eW  
2=VFUR 8  
u!FF{~5cs  
现代粒子加速器能够提供超高亮度和高质量的X射线束。短波长和X射线穿透性是复杂材料实现微观研究的理想选择。然而，充分利用这些特性需要高效率和近乎完美的光学在X射线制度。尽管进行了广泛的努力，在过程中比预想的更为困难，实现X射线显微镜，用以解决特征尺寸小于十纳米的分辨率仍然是一个很大的挑战。 8/"C0I (G  
PJ<9T3Fa  
由于其独特的性质，X射线不能像可见光那样容易聚焦。一种方法是使用专门的X射线光学的多层劳厄透镜（MLLS）。这些镜头由两种不同材料的交替层纳米厚度。它们是用溅射沉积工艺制备的。与传统的光学不同，多层劳厄透镜不折射光的入射的X射线衍射，这是其工作的一种方式，集中在一个很小的点波束。要做到这一点，材料的层厚必须精确控制。层必须逐渐改变厚度和方向在整个镜头。焦点大小是与在多层劳厄透镜结构中层厚度最小的相关的。 yQN^F+.  
wxF\enDY  
为了满足精度要求，Bajt的团队结合了一种新型材料制作方式，并详细了解这个制造过程，其特往往随层数厚度而变化。新镜片由10000层交替的新材料组合组成，碳化钨和碳化硅。正确的材料对的选择是成功的关键，Bajt强调。它不排除其他物质组合，但这种组合绝对是我们现在所知道的最好的。” T#&X7!4  
Bf3 QB]9  
为了使X射线束在垂直和水平方向聚焦，它必须穿过两个垂直取向的透镜。通过使用这个设置，研究人员在布鲁克海文国立实验室的国家同步加速器光源II中心的X射线探针实验站，研究人员测量了一个长为8.4纳米，宽度为6.8纳米的焦点，焦点的大小决定了x射线显微镜的分辨率。测量结果是新镜头的分辨率是典型的最先进镜头的五倍左右。 nIfp0U*  
n8z++T&  
zu,Yu
q  
“我们生产了世界上最小的X射线聚焦的高效率镜头，”Bajt说。“由于其穿透性，X射线通常会直接穿过镜头材料。这样的光线显然不利于焦点，因此长期的目标是产生透镜结构，以增强与X射线的相互作用，使高比例的焦点进入焦点。这种新镜片的效率在80%以上。这种高效率是层状结构组成的透镜和像X-射线衍射，并利用了一个可控制的方式实现了人工晶体类似的材料。” Ir Y\Q)  
]i>,oxBWe  
这里我们所实现的高效率证明了纳米结构的生产控制水平的高水准的必要性。这种精度允许实现一个大范围的放大倍率的镜头，测试表明新型投影成像效果。利用德国加速器中心的X-射线源 PETRA III科学家们实现了海藻的高分辨率的全息图，这后在那个单细胞的放射虫属于海洋浮游生物，并且是已知矿物硫酸锶形式骨架的生物体。 }LoMS<O-[  
Qs<L$"L1  
Bajt的团队也使用了新的镜头对海洋浮游硅藻的生物矿化的贝壳进行了成像。这些单细胞生物有复杂的外壳，是高度复杂的稳定的，但也轻量的结构。它们由纳米二氧化硅组成，在电子显微镜下的二维分析中观察到。最有可能是因为这种结构，二氧化硅的强度是非常高的，是建筑钢材的十倍以上，虽然它是在低温和高压力条件下生产的。 TRE D_6  
Z4sS;k]}  
“我们希望新的X射线光学将很快实现这些纳米结构的三维图像。这将使我们很快建立模型，并且能够理解这些外壳的高机械性能，这会帮助我们开发新的、环保的、高性能的材料，”来自艾尔弗雷德韦格纳研究所和亥姆霍兹极地和海洋研究中心（AWI）的Christian Hamm说，他提供了该研究中的样品，并且还是这项研究的合作者。 -'^:+FU  
kR8,E6Up  
这种新透镜可以广泛应用于包括纳米分辨率成像和光谱学在内的各种应用中。这些多层劳厄透镜开辟新的和令人兴奋的X射线科学的新领域。他们可以设计不同的能量，并且还可以与相干源结合，如实现X射线自由电子激光器，Bajt说。这个伟大的成就没有精彩的团队在X射线光学理论，专业加工，材料科学，数据处理和仪器仪表等领域的合作是无法实现的。因为我们现在知道如何优化透镜的设计，这为我们的工作铺平了道路，最终实现X射线显微镜纳米分辨率的目标。” 3sl6$NKo  
[|\#cVWs  
原文链接：https://phys.org/news/2017-12-lenses-enable-x-ray-microscopy-resolution.html（实验帮译）