Нова техніка швидко та ефективно створює кольорові рентгенівські зображення

Нова техніка дозволяє швидко й ефективно створювати кольорові рентгенівські зображення за допомогою спеціально структурованого пристрою під назвою зональна пластина Френеля (FZP). Цей метод може мати застосування в ядерній медицині та радіології, а також у неруйнівному промисловому тестуванні та аналізі матеріалів.

Рентгенівські промені часто використовуються для визначення хімічного складу матеріалів завдяки характерному «відбитку» флуоресценції, яку різні речовини випромінюють під дією рентгенівського світла. Однак наразі ця техніка візуалізації вимагає фокусування рентгенівських променів і сканування всього зразка. Враховуючи складність фокусування рентгенівського променя на невеликі ділянки, особливо зі звичайними лабораторними джерелами рентгенівського випромінювання, це складне завдання, оскільки отримання зображень займає багато часу та є дорогим.

Одна експозиція та відсутність необхідності фокусування та сканування

Нова методика, розроблена в Якоб Зольтау та колеги по Інститут фізики рентгенівського випромінювання Геттінгенського університету, Німеччина, дозволяє отримати зображення з великої області зразка лише за одну експозицію, при цьому не потребуючи фокусування та сканування. Їхній підхід використовує кольорову рентгенівську камеру та позолочений FZP, розміщений між об’єктом, що знімається, та детектором. FZP мають структуру непрозорих і прозорих зон, які часто використовуються для фокусування рентгенівських променів, але в цьому експерименті дослідників цікавило інше: тінь, яку FZP відкидає на детектор, коли зразок освітлюється.

Вимірюючи схему інтенсивності, яка досягає детектора після проходження через FZP, дослідники зібрали інформацію про розподіл атомів у зразку, які флуоресцують на двох різних довжинах хвиль. Потім вони розшифрували цей розподіл за допомогою комп’ютерного алгоритму.

«Ми дуже добре знаємо набір алгоритмів, які можна використовувати для цього, завдяки фазовому відновленню в когерентному рентгенівському зображенні», — пояснює Солтау. «Ми застосовуємо це до рентгенівської флуоресцентної візуалізації за допомогою кольорової рентгенівської камери в нашому експерименті, щоб розрізняти різні енергії виявлених рентгенівських фотонів».

Завдяки цьому повнопольному підходу дослідники кажуть, що лише одного отримання зображення достатньо, щоб визначити хімічний склад зразка. Хоча наразі час отримання складає кілька годин, вони сподіваються скоротити його в майбутньому.

Потенціал для візуалізації біологічних тканин

Команда каже, що нова техніка має багато потенційних застосувань. До них відносяться ядерна медицина та радіологія; неруйнівний промисловий контроль; аналіз матеріалів; визначення складу хімічних речовин у картинах і культурних артефактах для перевірки їх автентичності; аналіз зразків ґрунту або рослин; а також тестування якості та чистоти напівпровідникових компонентів і комп’ютерних мікросхем. В принципі, цю техніку також можна використовувати для зображення некогерентних джерел випромінювання, таких як непружне рентгенівське випромінювання (Комптон) і розсіювання нейтронів або гамма-випромінювання, що було б корисно для ядерної медицини.

«Як дослідницьку групу ми дуже зацікавлені в тривимірному зображенні біологічних тканин», — розповідає Солтау. Світ фізики. «Комбінування томографічне зображення, наприклад, з детектором, який реєструє пропущений промінь рентгенівського випромінювання, щоб отримати карту електронної густини (техніка, відома як зображення розповсюдження фазового контрасту) з нашим новим підходом повнопольної флуоресцентної візуалізації дозволить нам відображати структури та (локальні ) хімічний склад зразка за одне сканування».

Рентгенівська мікроскопія загострюється

У цій першій демонстрації нової техніки, яка детально описана в Optica, команда з Геттінгена досягла просторової роздільної здатності близько 35 мікрон і поля зору близько 1 мм². Хоча кількість елементів роздільної здатності, зображених паралельно, залишається відносно низькою, її можна збільшити, використовуючи FZP із меншою шириною зони або шляхом збільшення площі зразка, що освітлюється, у напрямку до більших полів зору. Іншим завданням буде скоротити час отримання без збільшення небажаного фонового шуму від пружно розсіяного випромінювання.

Тепер дослідники хотіли б спробувати свою техніку з синхротронним випромінюванням, яке набагато інтенсивніше, ніж рентгенівське світло, доступне в більшості лабораторій. Ще одна перевага полягає в тому, що синхротронне випромінювання складається з високоенергетичних пучків заряджених частинок, які генеруються за допомогою електричних і магнітних полів, що дає йому вузьку смугу пропускання, яка має забезпечити вищу просторову роздільну здатність і коротший час збору даних. Команда забронювала час Синхротронна лінія DESY PETRA III у червні з цією метою.