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X射線聚焦技術的案例

X射線聚焦系統
高能光子(X射線)的使用已成為許多醫療和同步加速器應用的共同特點。與可見光譜中的光不同，X射線與大多數物質僅發生微弱的相互作用，這使得聚焦元件的設計比波長譜的其他部分更具挑戰性。下面我們展示了兩種解決此任務的方法，即使用復合透鏡和在掠入射下的橢圓反射鏡。使用建模和設計軟件VirtualLab Fusion對這些系統進行快速物理光學仿真，使我們能夠在焦距和測量光斑尺寸的基礎上研究它們的性能。 用于X射線聚焦的復合折射透鏡 復合折射透鏡由數十或數百個獨立的圓柱透鏡組成，用于一維或二維聚焦X射線場。 用于X射線束的掠入射聚焦鏡 Kirkpatrick-Baez (KB)反射鏡將掠入射的X射線場聚焦成一個納米尺度的光斑。在這個用例中，演示了這種 KB 反射鏡系統的建模和評價。
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Light | 復消色差X射線聚焦
作者：周倩葦 衍射透鏡和折射透鏡在X射線分析和高分辨率X射線顯微系統中廣泛應用。然而這兩種透鏡的高色散特性導致不同波長的X射線焦點位置不同，從而造成成像時的色差問題，成像質量大打折扣。因此，利用衍射或折射透鏡的X射線顯微成像系統通常使用高度單色性的光來避免色差現象，其代價則是大量的X射線被浪費。 在可見光領域，消色差透鏡的使用已有百年之久，通過兩種色散力不同的玻璃并滿足相應的曲率條件的雙透鏡來實現。而在X射線領域，大部分物質對X射線的色散力差異極小，同樣的方法并不適用。 21世紀初，研究者提出一種新型的解決方案，將折射透鏡和衍射透鏡組合在一起，利用兩種類型透鏡色散力的顯著差異達成消色差的條件。然而，囿于制造技術水平的限制，這種解決方案的設計僅限于理論階段。 近年來，微納制造技術快速發展，基于雙光子聚合的3D打印技術日趨成熟，使適用于該系統的高數值孔徑的復合折射透鏡的制造成為可能。 近日，瑞士保羅謝爾研究所的Umut T. Sanli、齊鵬，巴塞爾大學的Griffin Rodgers和德國電子同步加速器研究所（DESY）的Jan Garrevoet等研究人員以 “Apochromatic X-ray focusing（復消色差X射線聚焦）”為題在Light: Science & Applications發表研究論文。
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X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要 掠入射反射光學元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過使用兩個物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來實現的。進入系統的X射線可以通過系統聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統在VirtualLab Fusion中進行了建模和仿真，并計算了焦點位置的電場。 建模任務 分析設計橢圓反射鏡（1） 分析設計橢圓反射鏡（2） 分析設計橢圓反射鏡（3） 焦平面上的能量密度和電場 軟件界面 VirtualLab Fusion操作流程 設置輸入高斯場 - 基本光源模式（教學視頻） 設置組件的位置和方向 - LPD II 位置和方向 （教學視頻） 可編程的橢圓界面 - 如何使用可編程界面和示例 （球面）（應用案例） VirtualLab Fusion技術 文檔信息 拓展閱讀 - 用于x射線成像的單光柵干涉儀
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用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要 掠入射反射光學在x射線束線中得到了廣泛的應用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個維度即可完成聚焦。系統可以將入射的X射線聚焦到納米級的光斑尺寸。該系統在VirtualLab Fusion中構建，并對焦場進行了計算。 建模任務 橢圓鏡的解析設計 橢圓鏡的解析設計 橢圓鏡的解析設計 焦面的電場與能量密度 走進VirtualLab Fusion VirtualLab Fusion中的工作流程 VirtualLab Fusion技術 文件信息 延伸閱讀 -用于X射線成像的單光柵干涉儀
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X射線聚焦技術圖1
VirtualLab：用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要 掠入射反射光學在x射線束線中得到了廣泛的應用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個維度即可完成聚焦。系統可以將入射的X射線聚焦到納米級的光斑尺寸。該系統在VirtualLab Fusion中構建，并對焦場進行了計算。 建模任務 橢圓鏡的解析設計 橢圓鏡的解析設計 橢圓鏡的解析設計 焦面的電場與能量密度 走進VirtualLab Fusion VirtualLab Fusion中的工作流程 VirtualLab Fusion技術 文件信息 延伸閱讀 -用于X射線成像的單光柵干涉儀
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用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要 掠入射反射光學在x射線束線中得到了廣泛的應用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個維度即可完成聚焦。系統可以將入射的X射線聚焦到納米級的光斑尺寸。該系統在VirtualLab Fusion中構建，并對焦場進行了計算。 建模任務 橢圓鏡的解析設計 橢圓鏡的解析設計 橢圓鏡的解析設計 焦面的電場與能量密度 走進VirtualLab Fusion VirtualLab Fusion中的工作流程 VirtualLab Fusion技術 文件信息 延伸閱讀 - 用于X射線成像的單光柵干涉儀
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VirtualLab Fusion應用：X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要 掠入射反射光學元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過使用兩個物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來實現的。進入系統的X射線可以通過系統聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統在VirtualLab Fusion中進行了建模和仿真，并計算了焦點位置的電場。 建模任務 系統參數來源于A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319. 分析設計橢圓反射鏡（1） 分析設計橢圓反射鏡（2） 分析設計橢圓反射鏡（3） 焦平面上的能量密度和電場 軟件界面
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用于X射線束的掠入射聚焦鏡
摘要 掠入射反射光學在x射線束線中得到了廣泛的應用，特別是在Kirkpatrick-Baez橢圓鏡系統中 [A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319]。使用兩個物理上分離的橢圓鏡聚焦光束的兩個維度即可完成聚焦。系統可以將入射的X射線聚焦到納米級的光斑尺寸。該系統在VirtualLab Fusion中構建，并對焦場進行了計算。 建模任務 橢圓鏡的解析設計 橢圓鏡的解析設計 橢圓鏡的解析設計 焦面的電場與能量密度 走進VirtualLab Fusion VirtualLab Fusion中的工作流程 VirtualLab Fusion技術 文件信息 延伸閱讀 - 用于X射線成像的單光柵干涉儀
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VirtualLab Fusion應用：用于X射線聚焦的復合折射透鏡
摘要 單透鏡對x射線的折射通常很小，但復合透鏡（由數十個或數百個排列成線性陣列的獨立柱面透鏡組成）可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過透鏡的數量來控制，即使用的透鏡越多，焦距越短。根據Snigirev等人的論文。[應用光學，1998，37（4）：653-662]，本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過復合折射透鏡進行一維和二維X射線聚焦。 建模任務 系統構建塊-組件 摘要-組件。。。 模擬結果 1D模擬：5柱面透鏡 1D模擬：10柱面透鏡 1D模擬：50柱面透鏡 2D模擬：5柱面透鏡
VirtualLab Fusion應用：用于X射線聚焦的復合折射透鏡
單透鏡對x射線的折射通常很小，但復合透鏡（由數十個或數百個排列成線性陣列的獨立柱面透鏡組成）可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過透鏡的數量來控制，即使用的透鏡越多，焦距越短。根據Snigirev等人的論文。[應用光學，1998，37（4）：653-662]，本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過復合折射透鏡進行一維和二維X射線聚焦。 建模任務
VirtualLab Fusion應用：X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要 掠入射反射光學元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過使用兩個物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來實現的。進入系統的X射線可以通過系統聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統在VirtualLab Fusion中進行了建模和仿真，并計算了焦點位置的電場。 建模任務 系統參數來源于A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319. 分析設計橢圓反射鏡（1） 分析設計橢圓反射鏡（2） 分析設計橢圓反射鏡（3） 焦平面上的能量密度和電場 軟件界面
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X射線聚焦技術圖2
VirtualLab Fusion應用：X射線掠入射聚焦反射鏡
摘要 掠入射反射光學元件在X射線光路中廣泛使用，特別是Kirkpatrick-Baez（KB）橢圓反射鏡系統。（A. Verhoeven, et al., Journal of Synchrotron Radiation 27.5 (2020): 1307-1319）聚焦是通過使用兩個物理分離的橢圓反射鏡聚焦二維光束來實現的。進入系統的X射線可以通過系統聚焦到納米尺度大小的光斑。該系統在VirtualLab Fusion中進行了建模和仿真，并計算了焦點位置的電場。
VirtualLab Fusion應用：用于X射線聚焦的復合折射透鏡
摘要 單透鏡對x射線的折射通常很小，但復合透鏡（由數十個或數百個排列成線性陣列的獨立柱面透鏡組成）可以逐漸聚焦一維或二維x射線。焦距可以通過透鏡的數量來控制，即使用的透鏡越多，焦距越短。根據Snigirev等人的論文。[應用光學，1998，37（4）：653-662]，本用例演示了在VirtualLab Fusion中通過復合折射透鏡進行一維和二維X射線聚焦。 建模任務 系統構建塊-組件 摘要-組件。。。 模擬結果 1D模擬：5柱面透鏡 1D模擬：10柱面透鏡 1D模擬：50柱面透鏡 2D模擬：5柱面透鏡
研究電子束金屬3D打印：集成X射線、熱成像、可見光等成像技術
該光子源使用粒子加速器產生超亮、高能X射線，以便用于嚴苛的科學研究。 威斯康辛大學的系統結合了同步x射線成像和衍射——一種利用材料散射x射線的方式來重建形狀的過程。高能同步輻射x射線使研究人員能夠在打印系統工作時，以前所未有的細節觀察材料隱藏的內部是如何工作的。熱成像相機可以讓他們研究工藝過程中監控溫度的變化，而可見光相機可以讓他們研究零件表面結構的變化。 “這項技術非常令人著迷，”該小組的機械工程研究生Luis Izet Escano說。“只需在我們的機器上運行一次，我們就能同時看到打印過程的多個關鍵點。” △2019年，他們的Al-10Si-Mg激光粉末床熔合過程的高x射線圖像。激光功率設定為520 W，掃描速度為0.6 m/s。在30,173 Hz下記錄x射線圖像，有效曝光時間為100 ps。在圖像中，定量測量了熔體池和汽壓形態、凝固速率、熔體流動速度和粒子濺射速度。還揭示了不同缺陷的產生機制。圖片來IZET ESCANO 該團隊克服了在研究電子束粉末床融合過程遇到的幾個關鍵技術難題。例如，保持了過程所需的高真空，減輕了測量中真空泵的振動，制造特殊的觀察口，使同步加速器的x射線能夠有效地穿透。 他們宣稱，該技術不僅是世界上第一個可以多方面觀察電子束粉末床熔融打印過程的“窗口”，而且未來具有更為廣闊的用途。 “系統的開發和集成一直是一個巨大的挑戰，因為它需要多個工程領域的專業知識，”Escano說。“現在，我們機器的靈活性使我們能夠非常快速地進行實驗和收集數據——這將加速我們對這種3D打印技術的基本理解和研究。”
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薩斯喀徹溫大學：基于X射線傳播成像技術的生物打印水凝膠支架的無創3D原位和體內表征
此外，由于當前成像技術的局限性，生物打印水凝膠支架的評估仍然具有挑戰性，但對于支架設計，制造和縱向研究仍然至關重要。 最近， 薩斯喀徹溫大學 Ning Zhu 博士 / Xiongbiao Chen 教授 團隊 介紹了 團隊 對水凝膠支架的生物打印的研究以及基于 同步加速器傳播的計算機斷層掃描成像（SR-PBI-CT）的新型無創成像方法的發展，以研究水凝膠支架及其結構的特性原位和體內對環境刺激的反應。 通過嚴格的印刷工藝規程成功地對具有 不同結構模式的水凝膠支架進行了生物印刷，然后在生理環境中通過 SR-PBI-CT進行了成像。受到可控壓縮載荷的影響，對支架的結構響應進行了可視化，并根據由壓縮載荷引起的結構變形進行了表征。隨后將水凝膠支架植入大鼠體內，作為SR-PBI-CT成像的神經導管，獲得的圖像說明了其高相襯度，并經過了進一步處理以進行3D結構重建和定量表征。 結果表明， 支架的設計和印刷條件在印刷的支架結構和機械性能中起著重要作用。更重要的是， 團隊 從SR-PBI-CT獲得的圖像使我們能夠以高成像分辨率可視化水凝膠3D結構的細節。 它證明 了該成像技術在多種生理環境中植入前后植入 3D水凝膠結構的非侵入性原位表征的獨特能力。因此，已建立的成像平臺可以用作組織工程中水凝膠支架的設計和縱向研究的可靠，高精度工具。 相關論文以題為 Noninvasive Three-Dimensional In Situ and In Vivo Characterization of Bioprinted Hydrogel Scaffolds Using the X-ray Propagation-Based Imaging Technique 發表在《 ACS Appl. Mater.
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