Ny teknik producerar färgröntgenbilder snabbt och effektivt

En ny teknik producerar röntgenbilder i färg snabbt och effektivt med hjälp av en specialstrukturerad enhet som kallas Fresnel zone plate (FZP). Tekniken kan ha tillämpningar inom nuklearmedicin och radiologi, samt i oförstörande industriella tester och materialanalyser.

Röntgenstrålar används ofta för att bestämma den kemiska sammansättningen av material tack vare det karakteristiska "fingeravtrycket" av fluorescens som olika ämnen avger när de utsätts för röntgenljus. För närvarande kräver dock denna bildbehandlingsteknik fokusering av röntgenstrålar och avsökning av hela provet. Med tanke på svårigheten att fokusera en röntgenstråle ner till små ytor, särskilt med typiska laboratorieröntgenkällor, är detta en utmanande uppgift som gör bilder tidskrävande och dyra att producera.

Enkel exponering och inget behov av fokusering och scanning

Den nya metoden, utvecklad av Jakob Soltau och kollegor på Institutet för röntgenfysik vid Högskolan i Göttingen, Tyskland, gör att en bild från ett stort provområde kan erhållas med bara en enda exponering, samtidigt som behovet av fokusering och skanning elimineras. Deras tillvägagångssätt använder en röntgenfärgkamera och en guldpläterad FZP placerad mellan objektet som avbildas och detektorn. FZP har en struktur av ogenomskinliga och genomskinliga zoner som ofta används för att fokusera röntgenstrålar, men i detta experiment var forskarna intresserade av något annat: skuggan som FZP kastar på detektorn när provet belyses.

Genom att mäta intensitetsmönstret som når detektorn efter att ha passerat genom FZP, fick forskarna information om fördelningen av atomer i provet som fluorescerar vid två olika våglängder. De avkodade sedan denna distribution med hjälp av en datoralgoritm.

"Vi känner till uppsättningen av algoritmer som med fördel kan användas för detta mycket väl från fasåtervinning i koherent röntgenbild," förklarar Soltau. "Vi tillämpar detta på röntgenfluorescensavbildning med hjälp av röntgenfärgkameran i vårt experiment för att skilja mellan de olika energierna hos de detekterade röntgenfotonerna."

Tack vare detta full-field-tillvägagångssätt, säger forskarna att bara en bildinsamling är tillräckligt för att bestämma den kemiska sammansättningen av ett prov. Även om anskaffningstiden för närvarande är i storleksordningen flera timmar, hoppas de kunna minska denna i framtiden.

Potential för avbildning av biologiska vävnader

Teamet säger att den nya tekniken har många potentiella tillämpningar. Dessa inkluderar nuklearmedicin och radiologi; icke-förstörande industriell testning; materialanalys; bestämma sammansättningen av kemikalier i målningar och kulturföremål för att verifiera deras äkthet; analys av jordprover eller växter; och testning av kvaliteten och renheten hos halvledarkomponenter och datorchips. Tekniken skulle i princip också kunna användas för att avbilda inkoherenta strålningskällor såsom oelastisk röntgen (Compton) och neutronspridning eller gammastrålning, vilket skulle vara användbart för nuklearmedicinska tillämpningar.

"Som forskargrupp är vi mycket intresserade av tredimensionell avbildning av biologiska vävnader," berättar Soltau Fysikvärlden. "Kombinerande tomografisk avbildningt.ex. med en detektor som registrerar den sända röntgenstrålen för att erhålla en karta över elektrondensiteten (en teknik som kallas faskontrastutbredningsavbildning) med vår nya helfältsfluorescensavbildningsmetod skulle tillåta oss att avbilda strukturer och (lokala ) kemiska sammansättningar av provet i en skanning.

Röntgenmikroskopi skärps

I denna första demonstration av den nya tekniken, som beskrivs i detalj i Optica, uppnådde Göttingen-teamet en rumslig upplösning på cirka 35 mikron och ett synfält på cirka 1 mm². Medan antalet upplösningselement som avbildas parallellt förblir relativt lågt, kan detta ökas genom att använda en FZP med mindre zonbredder eller genom att öka provområdet som belyses mot större synfält. En annan utmaning blir att minska inhämtningstiderna utan att öka oönskat bakgrundsljud från elastiskt spridd strålning.

Forskarna skulle nu vilja prova sin teknik med synkrotronstrålning, som är mycket mer intensiv än det röntgenljus som finns i de flesta laboratorier. En ytterligare fördel är att synkrotronstrålning består av högenergistrålar av laddade partiklar som genereras med hjälp av elektriska och magnetiska fält, vilket ger den en smal bandbredd som bör möjliggöra högre rumslig upplösning och kortare insamlingstider. Laget har bokat tid på DESYs PETRA III synkrotronstrållinje i juni för detta ändamål.