介绍

相干X射线衍射成像的使用正在快速增长，促进了生物学和纳米科学领域的大量发现，同时也促进了对高亮度X射线源的需求。本文介绍了普林斯顿仪器PI-LCX和PIXIS-XO相机在此类研究中的作用。

相干X射线衍射成像

在相干的X射线衍射成像中，使用科学级的CCD照相机来检测在非结晶样品上照射粉红色x射线束产生的连续衍射图（见图1）。

图1.在相干X射线衍射成像实验期间获得的未加工的远场衍射图

数据由洛杉矶加利福尼亚大学的Jianwei Miao博士提供

加州大学洛杉矶分校物理与天文学系和加利福尼亚纳米系统研究所的副教授Jianwei Wei博士解释说，与使用物理透镜的显微镜技术不同，相干X射线衍射成像是一种无透镜的方法，完全依赖于使用高亮度x射线源（例如，第三代同步加速器）和高级计算。

 0.1至0.2秒的曝光时间是收集低分辨率强度数据的典型值;高分辨率强度数据需要数十或数百帧的积累，每次曝光时间高达几分钟，以确保宽动态范围。然后应用算法从所获取的定量数据集中重建2D或3D图像。通过过采样实现直接相位恢复。

 后期处理时间有所不同。一天可能足以创建相对基本的2D图像，而更详细的图像可能需要3天。可能需要多达10天才能生成具有广泛3D信息的高分辨率图像。

应用程序特定要求

1999年，苗博士成为世界上第一个在实验演示中采用相干X射线成像非晶标本的研究人员。在过去十年中，他使用相干的X射线衍射成像来进行涉及有机和无机样品（见图2）。

图2.用于日本SPring-8的相干X射线衍射成像的实验装置，目前是世界上最强大的x射线源

照片由加州大学洛杉矶分校的Jianwei Miao博士提供

苗博士自1996年以来一直依靠普林斯顿仪器公司先进的X射线成像仪器，在其工作中利用多台PI-LCX和PI-SX（现称为PIXIS-XO）摄像机。相干X射线衍射成像的关键检测技术标准包括宽动态范围，高灵敏度，高量子效率以及包括许多像素的阵列。快速读数也很重要，因为这些实验中样品通常以高达120脉冲/秒（120Hz）的速率通过X射线束探测。

样本本身的特征决定了使用的x射线能量.2-9一个研究领域，其中证明相干x射线衍射成像是非常有价值的纳米科学，特别是纳米材料和纳米结构的研究（见图3 ）。

使用相干x射线衍射成像创建的GaN颗粒的高分辨率3D图像

图片由加州大学洛杉矶分校的Jianwei Miao博士提供

当成像纳米颗粒时，通常采用5keV至7keV范围内的硬X射线实现高分辨率。 Miao博士利用具有1340×1300阵列的LN2冷却PI-LCX来检测纳米颗粒的衍射图案，这是由于相机在该能量范围内具有出色的灵敏度。

使用相干X射线衍射成像的另一个流行的研究领域是生物学，特别是细胞和病毒的3D成像。生物标本与纳米颗粒相比较弱，因此经常使用500eV至1keV范围内的软X射线。苗博士利用热电或LN2冷却的PI-SX相机（现在称为PIXIS-XO相机），用于成像生物样品，由于感兴趣的能量范围的极好的灵敏度。

PI-LCX

普林斯顿仪器公司的高灵敏度，百万像素PI-LCX摄像机（见图4）具有特殊的前置照明CCD和高电阻硅，可直接成像低通量X射线（<3keV至> 20keV）。可选的铍窗设计减少了低能量背景，而ConFlat的可旋转法兰设计提供了UHV硬金属密封接口，使研究人员能够将低于700 eV的x射线能量进行成像。

普林斯顿仪器PI-LCX摄像机经过优化，适用于中等x射线的直接成像

相机的软件可编程，高容量或高灵敏度放大器允许PI-LCX提供高达16位动态范围的x射线光子计数功能。热电冷却选件提供免维护操作，而LN2冷却选件可确保极低的暗电流长时间曝光。

PIXIS-XO

普林斯顿仪器公司的高灵敏度，百万像素PIXIS-XO摄像机（以前称为PI-SX摄像机）配备了特殊的背光照明缺少抗反射涂层的CCD，从而能够直接成像低能x射线（<30 eV）。可旋转的ConFlat法兰设计提供UHV硬金属密封件和对准CCD的能力。

 像PI-LCX一样，PIXIS-XO（参见图5）通过软件可编程，大容量或高灵敏度放大器为研究人员提供高达16位动态范围的x射线光子计数功能。 也像PI-LCX一样是一种热电冷却选件，可免维护运行，而LN2冷却选件可确保极低的暗电流长时间曝光。

参考文献

1. J. Miao, P. Charalambous, J. Kirz, and D. Sayre, “Extending the methodology of X-ray crystallography to allow imaging of micrometre-sized non-crystalline specimens”, Nature 400, 342-344 (1999).

2. J. Miao, T. Ishikawa, B. Johnson, E. H. Anderson, B. Lai, and K. O. Hodgson, Phys. Rev. Lett. 89, 088303 (2002).

3. J. Miao, K. O. Hodgson, T. Ishikawa, C. A. Larabell, M. A. LeGros, and Y. Nishino, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 110 (2003).

4. D. Shapiro, P. Thibault, T. Beetz, V. Elser, M. Howells, C. Jacobsen, J. Kirz, E. Lima, H. Miao, A. M. Neiman, and D. Sayre, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 15343-15346 (2005).

5. M. A. Pfeifer, G. J. Williams, I. A. Vartanyants, R. Harder, and I. K. Robinson, Nature 442, 63 (2006). 

6. H. M. Quiney, A. G. Peele, Z. Cai, D. Paterson, and K. A. Nugent, Nature Physics 2, 101 (2006).

7. H. N. Chapman et al., Nature Physics 2, 839 (2006).

8. P. Thibault, M. Dierolf, A. Menzel, O. Bunk, C. David, and F. Pfeiffer, Science 321, 379-382 (2008).

9. J. Miao, T. Ishikawa, T. Earnest, and Qun Shen, Annu. Rev. Phys. Chem. 59, 387-409 (2008).

文章来源Princeton Instruments