Mikroskopia rentgenowska z użyciem optyki polikapilarnej
Optyka polikapilarna jest stosowana do mikroobrazowania rentgenowskiego jako alternatywne rozwiązanie dla standardowych soczewek rentgenowskich. Polikapilary składają się z setek tysięcy mikro kapilar ułożonych w heksagonalne struktury. Odpowiednia krzywizna optyki polikapilarnej pozwala na efektywne ogniskowanie promieniowania rentgenowskiego na zasadzie całkowitego zewnętrznego odbicia. Optyka polikapilarna jest stosowana w wielu eksperymentach dotyczących fluorescencji rentgenowskiej, dyfrakcji, spektroskopii, a przede wszystkim mikroskopii rentgenowskiej.
W konwencjonalnych eksperymentach mikroskopowych rozdzielczość przestrzenna obrazowania jest zdefiniowana jako rozmiar ogniska i jest rzędu 10-100 µm). W naszej pracowni opracowujemy nowe metody obrazowania wykorzystujące optykę polikapilarna, w których rozdzielczość przestrzenna obrazowania nie zależy od ogniska polikapilary.
Przykładowe metody mikroskopowe opracowane w pracowni optiXlab:
- Mikroskopia rentgenowska wspomagana defektami
Optyka polikapilarna posiada typowe wady optyki, takie jak np. brakujące lub zdeformowane pojedyncze kapilary, które zmniejszają transmisję elementu optycznego i zniekształcają obraz. Jednak defekty struktury polikapilar mogą być również bezpośrednio wykorzystane do uzyskania zwielokrotnionych obrazów obiektu umieszczonego w ognisku optyki polikapilarnej.
P. Korecki, K. M. Sowa, B. R Jany, F. Krok,
Defect-Assisted Hard X-ray Microscopy with Capillary Optics,
Physical Review Letters 116, 233902, 2016
doi: 10.1103/PhysRevLett.116.233902
Rozdzielczość rzędu 1 µm
- Rentgenowski mikroskop plenoptyczny
Kamera plenoptyczna, oprócz intensywności światła, rejestruje również kierunek, z którego światło padło na fotosensor, czyli rejestruje pełną informację o padającym świetle. Do tej pory kamery plenoptyczne były z powodzeniem wykorzystywane w zakresie światła widzialnego. Z powodu zbyt małych apertur rentgenowskich elementów optycznych, ten rodzaj obrazowania nie był do tej pory możliwy w zakresie promieniowania X.
W naszym laboratorium, tworząc dedykowany element optyczny, skonstruowaliśmy pierwszy na świecie mikroskop plenoptyczny dla promieni rentgenowskich. Dla obiektów pseudo płaskich, na detektorze widocznych jest do około tysiąca projekcji obiektu lub fragmentów obiektu, które następnie odpowiednio zrekonstruowane pozwalają na otrzymanie wysokorozdzielczego obrazu nawet z ekspozycji o średnio dwóch fotonach na piksel. Natomiast dla obiektów trójwymiarowych, korzystając z penetrującej natury promieniowania rentgenowskiego, jesteśmy w stanie obrazować próbki głębokościowo. Warto zauważyć, że wszystkie rekonstrukcje są obliczane na podstawie tylko jednej ekspozycji próbki.
K. M. Sowa, M.P. Kujda, P. Korecki,
Plenoptic X-ray microscopy,
Applied Physics Letters 116, 014103, 2020
doi: 10.1063/1.5131494
Rozdzielczość rzędu 0.5 µm
-
Tomografia stożkowa w geometrii wielowiązkowej
Szklane mikrokapilary skutecznie ograniczają promieniowanie rentgenowskie do submikrometrowych punktów (ognisk), które można następnie wykorzystywać do obrazowania. Wiązki promieni rentgenowskich wychodzące z takich elementów optycznych formowane są w ultra wąskie wiązki stożkowe, których rozmiary ograniczone sa przez kąt krytyczny na całkowite zewnętrzne odbicie. Szerokość kątowa takich stożków to zwykle kilka miliradianów, co zapewnia zwykle bardzo małe pole widzenia.
W pracowni optiXlab wykorzystujemy niekonwencjonalną geometrię tomograficzną realizowaną przy pomocy wielu konfokalnych ultrawąskich wiązek stożkowych. Geometria umożliwia obrazowanie objętościowe przy jednoczesnym zwiększeniu efektywnego stożka promieniowania do ponad 10o, bez zmniejszania rozdzielczości obrazowania. Proponowane przez nas skany tomograficzne moga być wykonywane bez obcięć pola widzenia lub ograniczeń zakresu kątowego i nie wymagają translacji próbek, co jest nieodłączną cechą innych technik rentgenowskich.
K. M. Sowa, P. Korecki,
X-ray tomography with multiple ultranarrow cone beams,
Optics Express 28, 23223, 2020
doi: 10.1364/OE.394262
Rozdzielczość rzędu 0.5 µm
Rentgenowskie obrazowanie lokalnej struktury atomowej
XFH (X-ray Fluorescence Holography) - rentgenowska holografia fluorescencyjna jest stosunkowo młodą metodą obrazowania struktury krystalicznej [1], która pozwala na trójwymiarowe obrazowanie lokalnej struktury atomowej z rozdzielczością poniżej jednego Ångströma. W standardowym eksperymencie kryształ oświetlany jest wiązką promieniowania X i obracany względem padającej wiązki w kącie bryłowym.
Z punktu widzenia XFH głównym procesem, który zachodzi jest interferencja fali padającej (wiązka referencyjna) z falami sferycznie rozproszonymi (fale obiektowe) na atomach kryształu (zwanymi emiterami). Interferencja ta zmienia natężenia pola elektromagnetycznego w miejscach atomów absorbujących, co powoduje, że współczynniki absorpcji posiadają pewną niewielką modulację. Modulacja ta, ze względu na analogiczny matematyczny opis, jak w przypadku holografii Gabora, nazywana jest hologramem [1,2]. Próbkowanie odbywa się poprzez pomiar promieniowania wtórnego - w przypadku XFH są to fotony fluorescencji. Z hologramów można otrzymać trójwymiarowe obrazy położeń atomów w otoczeniu emiterów wykorzystując proste operacje transformaty Fouriera.
Na przykład:
D.T. Dul, P. Korecki
Wavelet analysis of white beam X-ray fluorescence holograms: determination of lattice sites and imaging of local atomic structure,
New Journal of Physics, 14, 113044 (2012),
doi: 10.1088/1367-2630/14/11/113044
[1] K. Hayashi, P. Korecki., Journal of the Physical Society of Japan 87, 061003 (2018).
[2] D. Gabor, Nature 161, No. 4098, 777-778 (1948).