上海光源與用戶合作在國際上首次實現非相干X射線衍射成像

2020-11-27 OFweek維科網

　　目前X射線晶體衍射結構分析手段只能對具有周期性結構的晶體實現原子級的三維顯微結構分析，而X射線相干衍射成像可以實現對非周期性結構物體具有原子級空間分辨能力，然而這種方法卻需要全相干X射線照明，存在較大的局限性。X射線強度關聯量子成像技術將可見光波段的強度關聯量子成像技術拓展到X射線波段，利用非相干X射線對非周期性結構物體實現具有原子級空間分辨能力，為解決現有X射線顯微成像技術中的原理性難題，進一步提高其成像解析度提供了一條在成像原理上不同於以往的全新的技術途徑。

　　中科院上海光學精密機械研究所量子光學重點實驗室韓申生課題組與上海光源BL13W1成像線站密切合作，突破傳統X射線成像光學理論框架，利用波長0.1nm的非相干X射線，通過測量光場的二階強度關聯函數，在菲涅爾區獲得了非晶態復振幅樣品的傅立葉變換衍射譜，並且在實空間成功重建了樣品的振幅和相位分布，在國際上首次實驗演示了X射線傅立葉變換關聯成像。相關結果發表在2016年9月7日國際物理學期刊《物理評論快報》上（「Fourier-Transform Ghost Imaging with Hard X Rays」, Phys. Rev. Lett. 117, 113901 (2016)）。隨後該論文被選為PRL Editors』 Suggestion，並且迅速被美國物理學會（APS）的Physics [Physics?9, 103 (2016)]，美國物理聯合會（AIP）的Physics Today，以及英國物理學會（IOP）的Physicsworld.com報導。

　　X射線傅立葉變換強度關聯成像（FGI）是通過測量光場的漲落及其關聯獲取樣品傅立葉變換衍射譜信息，成像樣品無需結晶，其成像解析度僅受限於X射線波長，因此，理論上可實現原子級分辨，且不要求光源的高空間相干性，可以採用自由電子雷射以外的非相干X光源實現細胞組織以及功能材料內部結構納米顯微，具有廣泛的應用前景。同時，也為原則上不可能獲得高亮度相干源的費米子（如中子、電子等）衍射成像提供了全新的技術途徑。 （先進成像及工業應用部 供稿）

　　圖1  X射線傅立葉變換強度關聯成像（FGI）實驗方案

　　圖2  實驗樣品傅立葉變換衍射譜及實空間分布重構結果

　　（上圖：振幅分布，下圖：相位分布）
 

相關焦點

  • 基於真正單像素探測器的非相干X光「鬼」成像首次實現
    X光透射成像/CT作為非侵入式的診斷方式，是目前醫學領域最重要的臨床檢測手段。但由於電離效應X射線對於蛋白質、細胞等會造成相當程度的輻射損傷，每年X射線的醫學診斷就會導致相當數量的癌症和白血病患者，因此如何降低診斷所需的劑量至關重要。
  • 其次,量子成像可以實現非相干光源的相干成像
    除了基於糾纏光子對的符合計數成像和基於熱光場的強度關聯成像之外，另一個與量子成像密不可分的概念是單像素成像，又稱計算關聯成像。計算關聯成像中光源可由雷射照射空間光調製器產生強度漲落光場，這一過程由計算機控制，因此閒置光一路的光強、相位等理論測量值已知，實驗中無需包含空間探測器的閒置光一路，只需一個無空間分辨能力的桶探測器即可成像。將桶探測器收集到的光強信號和空間光調製器的理論數據進行符合關聯運算，即可得到最終的像。
  • 陳黎明教授聯合中科院專家首次實現超分辨的X射線鬼成像
    X光透射成像/CT作為非侵入式的診斷方式，是目前醫學領域最重要的臨床檢測手段，也在此次新冠肺炎的疫情抗擊中扮演了非常重要的角色。但由於電離效應X射線對於蛋白質、細胞等會造成相當程度的輻射損傷，據國際放射學會研究報告，每年X射線的醫學診斷就會導致相當數量的癌症和白血病患者，因此如何降低診斷所需的劑量至關重要。
  • 上海光機所X光波段關聯成像技術研究取得突破
    BL13W1生物醫學成像及應用光束線站合作，利用波長0.1nm的非相干X光，通過測量光場的二階強度關聯函數，在菲涅爾區獲得了非晶態復振幅樣品的傅立葉變換衍射譜，在國際上首次實驗演示了X光傅立葉變換關聯成像
  • 首次:X射線自由電子雷射設備獲得分子分裂的光電子衍射成像
    實驗結果為高重複頻率的X射線自由電子雷射進行時間解析度的泵浦探測光電子衍射影像指明了道路。在氧分子爆炸的時候，X射線雷射的X射線自由電子會碰撞氧分子的兩個原子的外層電子並開始裂變。在裂變的過程中，X射線雷射從兩個氧原子正在帶電（離子狀態）的其中一個原子的內殼層釋放出另外一個電子。電子具有粒子和波的特性，且波經由氧離子散射。
  • 國內首個X射線高壓衍射實驗室解決方案驗證實驗成功完成
    在中國科學院物理研究所、同步輻射光源高壓科學線站及x射線光學領域的多位專家指導下，北京眾星聯恆科技有限公司通過多方交流合作，逐步解決了高壓衍射實驗中的技術難點，取得了很好的初步實驗數據。項目專家和用戶對實驗結果表示高度認可，接下來即將全面實施基於金剛石對頂砧（dac）的x射線高壓衍射實驗室驗證實驗。
  • 《國際科學技術前沿報告2019》X射線自由電子雷射國際發展態勢分析
    XFEL的出現使得泵浦-探針實驗、X射線相干散射成像實驗、X射線衍射成像實驗成為可能，也使得化學、物理、材料、生物學研究從拍攝分子照片的時代跨越到了錄製分子電影的時代，將帶來相關科學和技術領域的一系列重大變革。X射線自由電子雷射的建設和應用對我國基礎科學、前沿技術和工業領域的發展具有戰略性重要意義。
  • [大國重器-中科院重大科技基礎設施]上海光源及其線站工程
    10 年來,上海光源已發展成為我國用戶最多的大科學裝置,運行線站累計為用戶提供實驗機時超過 35 萬小時,執行通過專家評審的研究課題 12 619 份,用戶遍布全國 537 家單位(其中高校 274 家、研究所 166 家、醫院 36 家、公司 61 家),2 557 個研究組利用上海光源開展了科學研究,實驗人員達 53 675 人次,共計 25 279 人;產生了一批有國際影響力的重大科研成果,發表
  • 大連相干光源首次出光
    9月24日，由國家自然科學基金委資助的基於可調極紫外相干光源的綜合實驗裝置的主體——大連相干光源的安裝工程全部完成。
  • 可重構的編碼非相干光片陣列實現並行螢光體成像
    通過編碼調製單元，對每片光片加載特定的調製頻率，實現對照明光編碼，二維圖像傳感器獲取的螢光圖像序列包含樣品的三維信息，對螢光數據解碼即可實現三維螢光成像。所研製的顯微鏡具有無掃描以及非相干光照明等特點，在器官三維結構、發育生物學、植物生理等需要低損傷的領域具有廣泛的應用前景。
  • 上海市長今天講到的軟X射線、活細胞成像平臺,是什麼科研利器?
    海沙爾 攝 張江實驗室位於浦東張江科學城，毗鄰上海科技大學，在研究方向、科研條件、人才團隊方面可高度融合、有效互補，還可與復旦大學、上海交通大學、中科院上海藥物研究所等一流高校院所開展緊密合作。張江綜合性國家科學中心的大科學設施群，是張江實驗室發展的基石。
  • 上海光源點亮大科學夢想之「光」
    上海同步輻射光源（以下簡稱上海光源）產生寬波段的同步輻射光，每天供給全世界的前沿科學研究團隊使用。2004年12月開工建設，2009年5月6日對用戶開放，這一科學地標的崛起，使得中國以同類裝置最少的投資和最快的建設速度，加入到世界第三代同步輻射光源裝置的第一方陣。
  • 光學「鑷子」與X射線結合,可分析液體中的晶體!
    利用相干x射線衍射技術，科學家可以高精度地測量納米晶材料的表面形貌和應變。然而，進行這樣的測量需要精確控制微小晶體相對於入射x射線的位置和角度。傳統上，這意味著將晶體粘在表面上，從而使晶體變形，而改變其結構，並可能影響反應活性。阿貢傑出研究員琳達楊(Linda Young)表示：用光學鑷子，可以捕捉到溶液中單個粒子的原始狀態，並觀察它的結構演變。
  • 當LIGA技術與光柵法X射線 相襯成像相遇
    這允許實現精確複製的微聚合物結構。 X射線相位襯度成像和傳統的X射線吸收成像相比，X射線相位襯度成像能夠為輕元素樣品提供高得多的襯度，特別適合用於對軟組織和輕元素構成的樣品進行成像。目前，主要的5類相襯成像方式中，大部分對光源的相干性要求極高，只能在同步輻射光源或者藉助微焦點X射線源實現。而光柵法相襯成像，經過十多年的發展，已經成為在實驗室實施相襯成像實驗的主流技術路線。
  • 同步輻射X射線光源在高壓科學研究中的應用
    這一方法採用所有能量的 X 射線對晶體內相同原子平面的衍射,通過能量分析,得到精確的晶面間距. 結合紅寶石高壓規的使用,大量材料的狀態方程可以相當精確地測出. 一個著名的例子是氫和氘的狀態方程的獲得.利用 X射線測定狀態方程的基本原理是使用X射線相干的彈性散射造成的衍射現象,這種衍射反映了晶體樣品內晶面間距離的信息.
  • 西安光機所光學成像研究取得進展
    疊層成像術（Ptychography）是一種無透鏡的相干衍射成像技術，擁有大視場、高分辨和定量相位的優勢。通過記錄多幅交疊的衍射圖像，利用交疊區域的數據冗餘和先進的相位恢復算法，能恢復出物體的透射率函數分布、分解相干態以及校準系統誤差。
  • 科學家利用超級計算技術實現更高解析度X射線成像
    科學家們正在通過一種計算技術來為下一代光源提高亮度和解析度做準備，該計算技術可以更快，更精確地重建圖像。X射線成像也是如此，儘管規模要小得多。位於美國能源部阿貢國家實驗室的美國能源部(DOE)用戶設施等高級光子源(APS)等光源，在使用高解析度X射線分析十億倍的X射線分析材料的小樣本方面表現出色。在您的牙醫辦公室生產的那些。
  • 【大國重器】中科院重大科技基礎設施——X 射線自由電子雷射
    項目的科學目標是探索兩級外種子自由電子雷射級聯模式，以確定硬X射線自由電子雷射裝置發展的技術路線，解決並掌握關鍵技術，進行人才與技術儲備，為我國建設硬 X 射線自由電子雷射裝置作預先研究。項目的工程目標是建成由射頻電子直線加速器驅動的軟 X 射線自由電子雷射裝置，為升級為用戶裝置提供基礎。
  • 曾被預估有300位用戶,如今24684位的數據使其成為我國用戶最多的大...
    在運行四年多後，上海光源又「自我找茬」先後組織了三次國際評審，對加速器、束線站以及正在建設的項目進行了評估，專家們高度肯定了上海光源的運行性能、用戶開放及實驗成果。　　為實現用戶管理信息化，2012年，國內大科學裝置類首個信息化網站「上海光源用戶課題管理系統」上線運行，涵蓋了用戶註冊、安全培訓、課題申請執行等全流程。
  • EUV和X射線波段的三維陣列成像研究獲進展
    中國科學院上海光學精密機械研究所高功率雷射物理聯合實驗室張軍勇課題組首次將古希臘梯子映射到納米結構中，以解析的數學形式完整描述了三維陣列焦點成像的方法