Ny teknikk produserer røntgenbilder i farger raskt og effektivt

En ny teknikk produserer røntgenbilder i farger raskt og effektivt ved hjelp av en spesialstrukturert enhet kalt en Fresnel zone plate (FZP). Teknikken kan ha anvendelser innen nukleærmedisin og radiologi, samt i ikke-destruktiv industriell testing og materialanalyse.

Røntgenstråler brukes ofte for å bestemme den kjemiske sammensetningen av materialer takket være det karakteristiske "fingeravtrykket" av fluorescens som forskjellige stoffer avgir når de utsettes for røntgenlys. For øyeblikket krever imidlertid denne avbildningsteknikken fokusering av røntgenstrålene og skanning av hele prøven. Gitt vanskeligheten med å fokusere en røntgenstråle ned til små områder, spesielt med typiske laboratorierøntgenkilder, er dette en utfordrende oppgave, som gjør bilder tidkrevende og dyre å produsere.

Enkel eksponering og ikke behov for fokusering og skanning

Den nye metoden, utviklet av Jakob Soltau og kolleger på Institutt for røntgenfysikk ved universitetet i Göttingen, Tyskland, lar et bilde fra et stort prøveområde oppnås med bare en enkelt eksponering, samtidig som behovet for fokusering og skanning elimineres. Tilnærmingen deres bruker et røntgenfargekamera og en gullbelagt FZP plassert mellom objektet som avbildes og detektoren. FZP-er har en struktur av ugjennomsiktige og gjennomsiktige soner som ofte brukes til å fokusere røntgenstråler, men i dette eksperimentet var forskerne interessert i noe annet: skyggen FZP-en kaster på detektoren når prøven er belyst.

Ved å måle intensitetsmønsteret som når detektoren etter å ha passert gjennom FZP, fant forskerne informasjon om fordelingen av atomer i prøven som fluorescerer ved to forskjellige bølgelengder. De dekodet deretter denne distribusjonen ved hjelp av en datamaskinalgoritme.

"Vi kjenner settet med algoritmer som med fordel kan brukes til dette veldig godt fra faseinnhenting i koherent røntgenbilde," forklarer Soltau. "Vi bruker dette på røntgenfluorescensavbildning ved å bruke røntgenfargekameraet i eksperimentet vårt for å skille mellom de forskjellige energiene til de oppdagede røntgenfotonene."

Takket være denne full-field-tilnærmingen, sier forskerne at bare ett bildeopptak er nok til å bestemme den kjemiske sammensetningen av en prøve. Mens anskaffelsestiden for øyeblikket er i størrelsesorden flere timer, håper de å redusere dette i fremtiden.

Potensial for avbildning av biologisk vev

Teamet sier at den nye teknikken har mange potensielle bruksområder. Disse inkluderer nukleærmedisin og radiologi; ikke-destruktiv industriell testing; materialanalyse; bestemme sammensetningen av kjemikalier i malerier og kulturelle gjenstander for å verifisere deres autentisitet; analyse av jordprøver eller planter; og testing av kvaliteten og renheten til halvlederkomponenter og databrikker. I prinsippet kan teknikken også brukes til å avbilde usammenhengende strålingskilder som uelastisk røntgen (Compton) og nøytronspredning eller gammastråling, noe som vil være nyttig for nukleærmedisinske anvendelser.

"Som forskergruppe er vi veldig interessert i tredimensjonal avbildning av biologisk vev," forteller Soltau Fysikkens verden. «Kombinere tomografisk avbildning, for eksempel, med en detektor som registrerer den overførte røntgenstrålen for å få et kart over elektrontettheten (en teknikk kjent som fasekontrastutbredelsesavbildning) med vår nye fullfelts fluorescensavbildningsmetode vil tillate oss å avbilde strukturer og (lokale ) kjemiske sammensetninger av prøven i én skanning.»

Røntgenmikroskopi skjerper seg

I denne første demonstrasjonen av den nye teknikken, som er detaljert i Optica, oppnådde Göttingen-teamet en romlig oppløsning på omtrent 35 mikron og et synsfelt på rundt 1 mm². Mens antallet oppløsningselementer avbildet parallelt forblir relativt lavt, kan dette økes ved å bruke en FZP med mindre sonebredder eller ved å øke prøveområdet som blir opplyst mot større synsfelt. En annen utfordring vil være å redusere innsamlingstiden uten å øke uønsket bakgrunnsstøy fra elastisk spredt stråling.

Forskerne vil nå prøve sin teknikk med synkrotronstråling, som er mye mer intens enn røntgenlyset som er tilgjengelig i de fleste laboratorier. En ytterligere fordel er at synkrotronstråling består av høyenergistråler av ladede partikler generert ved hjelp av elektriske og magnetiske felt, noe som gir den en smal båndbredde som bør tillate høyere romlig oppløsning og kortere innsamlingstid. Laget har bestilt tid på DESYs PETRA III synkrotronstrålelinje juni for dette formålet.