研究人员发现克服X射线显微镜限制的关键

图1. 设计的扩散器作为X射线成像镜头。 a，全场透射X射线显微镜的示意图。样品的衰减（振幅）图被测量。图像分辨率(dx)受限于区板最外侧的区域宽度(D)。使用设计的扩散器来代替区板。图像分辨率比扩散器的孔尺寸更细（dx<D）。资料来源：韩国科学与技术研究院（KAIST）。

X射线显微镜具有穿透大多数物质的优势，因此可以通过胸部X射线或CT扫描非侵入性地观察内部器官和骨骼。最近，正在积极开展提高X射线成像技术分辨率的研究，以便在纳米尺度上精确观察半导体和电池的内部结构。

由KAIST物理系的YongKeun Park教授和浦项加速器实验室的Jun Lim博士领导的一个联合研究小组已经成功开发出一种核心技术，可以克服现有X射线显微镜的分辨率限制。

这项由KyeoReh Lee博士作为第一作者参与的研究于4月6日发表在《Light： 科学与应用》。它的题目是 "利用伪随机性的直接高分辨率X射线成像"。

X射线纳米显微镜没有折射镜。在X射线显微镜中，使用一个称为同心区板的圆形光栅来代替透镜。使用区板获得的图像的分辨率是由构成区板的纳米结构的质量决定的。在制造和维护这些纳米结构方面存在一些困难，这为X射线显微镜的分辨率水平设置了限制。

图2. 左图是实验中使用的X射线扩散器的表面电子显微镜（SEM）图像。中间的面板显示了X射线扩散器的设计，在面板中间有一个插图，显示了SEM图像的相应部分。右图显示了从X射线扩散器获得的实验性随机X射线衍射图案，也被称为斑点图案。资料来源：韩国科学与技术研究院（KAIST）。
该研究小组开发了一种新的X射线纳米显微镜技术来克服这一问题。研究小组提出的X射线透镜的形式是在薄钨膜上打了许多孔，通过衍射入射的X射线产生随机衍射图案。研究小组从数学上发现，矛盾的是，样品的高分辨率信息完全包含在这些随机衍射图案中，并且实际上成功地提取了这些信息，对样品的内部状态进行了成像。

2016年，KyeoReh Lee博士和YongKeun Park教授首次提出并实现了利用随机衍射的数学特性在可见光波段的成像方法。本研究利用以前的研究结果，解决了X射线成像领域的难题。

构建的样品图像的分辨率与所使用的随机透镜上蚀刻的图案的大小没有直接关系。基于这一想法，研究小组通过使用直径为300纳米的圆形图案制作的随机透镜，成功获得了分辨率为14纳米（大约是冠状病毒的1/7）的图像。

图3. 从拟议的基于随机性的X射线成像（底部）和相应的表面电子显微镜（SEM）图像（顶部）中拍摄的图像。资料来源：韩国科学与技术研究院（KAIST）。

该研究小组开发的成像技术是一项关键的基础技术，可以提高X射线纳米显微镜的分辨率，而这一技术一直被现有区板的生产限制所阻碍。

第一作者和共同通讯作者之一，KAIST物理系的KyeoReh Lee博士说："在这项研究中，分辨率被限制在14纳米，但如果使用下一代X射线光源和高性能X射线探测器，分辨率将超过传统的X射线纳米成像，并接近电子显微镜的分辨率。"

"与电子显微镜不同，X射线可以在不损害样品的情况下观察内部结构，因此它将能够为非侵入性的纳米结构观察过程提出一个新的标准，如半导体的质量检查。"

共同通讯作者，浦项加速器实验室的Jun Lim博士说："在同样的背景下，所开发的图像技术有望大大提高第四代多用途辐射加速器的性能，该加速器将在忠清北道的奥昌市建立。"

更多信息

KyeoReh Lee et al, Direct high-resolution X-ray imaging exploiting pseudorandomness, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01124-3