Сотрудники БФУ им. И. Канта провели тестирование нового метода рентгеновской фазово-контрастной визуализации

3 Августа 2018
С 18 по 24 июня сотрудники лаборатории «Рентгеновской оптики и физического материаловедения» БФУ им. И. Канта провели в Европейском Центре Синхротронного Излучения (ESRF, Гренобль, Франция) тестирование нового рентгеновского метода визуализации. Этот метод исследований позволяет получать изображения слабо поглощающих объектов, например, практически полностью прозрачных для рентгеновского излучения биологических тканей. Работа проводилась в рамках поддержанного ESRF проекта «Рентгеновская фазово-контрастная визуализация с использованием рентгеновского интерферометра на основе кремниевых преломляющих линз» (MI-1333 «X-ray phase-contrast imaging technique using an X-ray interferometer based on Si refractive lenses»). Заявка лаборатории прошла серьезный международный конкурсный отбор, что подтверждает ее актуальность и востребованность в научном сообществе.

Как и видимый свет, рентгеновское излучение имеет электромагнитную природу, однако при этом обладает уникальными свойствами, проявление которых наблюдается при взаимодействии с веществом. Благодаря малой длине волны (порядка размера атома), рентгеновские лучи способны пройти сквозь объекты, полностью непрозрачные для видимого света, формируя детальное представление об особенностях их внутреннего строения.

Увидеть мельчайшие детали изучаемых структур можно из-за частичного поглощения в них рентгеновских лучей и регистрации их степени ослабления. При этом современные методы рентгеновской микроскопии, основанные на элементах фокусирующей оптики, позволяют получать изображения таких объектов с высоким пространственным разрешением (десятки нанометров), которые в сотни раз превышают возможности традиционной оптической микроскопии.

С другой стороны, высокая проникающая способность рентгеновского излучения существенно затрудняет исследование, так называемых, слабо-поглощающих объектов (например, биологических тканей и структур), что делает их практически «невидимыми» для рентгеновских лучей. По этой причине во всем мире на современных источниках синхротронного излучения решается задача развития методов, основанных не на амплитудном контрасте за счёт поглощения, а на фазовом контрасте, возникающем в результате интерференции когерентных лучей прошедших сквозь образец. Идея таких методов заключается в использовании специальных оптических устройств – рентгеновских интерферометров*, способных уловить мельчайшие искажения фазы электромагнитной волны прошедшей через изучаемый объект.

Как отмечают физики БФУ им. И. Канта, для решения задачи изображения слабо-поглощающих объектов применяются уже известные зеркальные интерферометры, а также интерферометры решеточного типа. Такие устройства формируют устойчивую интерференционную картину, чувствительную к слабым искажениям волнового фронта. Однако они имеют существенные конструкционные недостатки, ограничивающие возможность их использования в жестком диапазоне рентгеновского излучения (20–100 кэВ). Кроме того, данные интерферометры не позволяют получить пространственное разрешение лучше 1микрона.
Рентгеновская интерферометрия на основе составных преломляющих планарных фокусирующих линз является новым разделом рентгеновской оптики, развитие которой только начинается. Она стала возможной благодаря, так называемым, многолинзовым интерферометрам, разработанными учеными БФУ им. И. Канта совместно с Институтом проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов Российской академии наук» (ИПТМ РАН, Черноголовка) в рамках реализации постановления Правительства РФ №220 (Мегагрант).

ddsd.png

Изображение кремниевых рентгеновских интерферометров на основе преломляющих линз, полученное при помощи электронного микроскопа.


“Новые интерферометры способны формировать периодическую цепочку вторичных источников излучения с малым периодом и большой угловой расходимостью. Перекрываясь на некотором расстоянии, сформированные пучки создают устойчивую интерференционную картину, имеющую высокую чувствительность к фазовым искажениям волнового фронта, что позволяет достичь предельного нанометрового пространственного разрешения при исследовании слабо-поглощающих объектов”, - рассказали в лаборатории «Рентгеновской оптики и физического материаловедения» БФУ им. И. Канта.

AS 8 2018.jpg


Анатолий Снигирев, руководитель лаборатории рентгеновской оптики и физического материаловедения:

 «Работа по рентгеновским интерферометрам является важной частью сотрудничества с Институтом проблем технологии микроэлектроники РАН по созданию качественно новой рентгеновской оптики на основе совершенных кристаллов кремния для синхротронов нового поколения и лазерах на свободных электронах. Мы стремимся достичь предельных оптических характеристик наших устройств для полноценного их использования в когерентных высоко-интенсивных пучках новых рентгеновских источников».

Научной группой лаборатории рентгеновской оптики была продемонстрирована возможность использования многолинзовых интерферометров для исследования непоглощающих образцов. В результате проведенных экспериментов были получены интерферограммы различных микро- и нано-объектов, демонстрирующие уникальную возможность их визуализации с высоким фазовым и пространственным разрешением. Стоит отметить, что экспериментальная станция ID13 (ESRF), на которой проводились эксперименты, была выбрана неслучайно. Ее длина составляет около ста метров, что обеспечивает высокую пространственную когерентность излучения, давая возможность протестировать интерферометры на пределе их оптических характеристик.

Без заголовка.png

Сотрудники лаборатории Рентгеновской оптики и физического материаловедения во время проведения экспериментов на станции ID13, ESRF, Grenoble.


Петр Ершов, младший научный сотрудник лаборатории рентгеновской оптики и физического материаловедения:

 «При прохождении через вещество рентгеновская волна не только поглощается, но и изменяет свою фазу. Этим можно воспользоваться для подчеркивания мельчайших деталей объекта, например, как это реализовано в методе фазово-контрастной рентгеновской микроскопии. Однако получение фазово-контрастных изображений при помощи многолинзовых интерферометров дает возможность существенно повысить чувствительность к изменению фазы волны».

Полученные результаты также позволяют рассматривать многолинзовые интерферометры в качестве чувствительного инструмента для диагностики современных источников синхротронного излучения, а также лазеров на свободных электронах. Сегодня это особенно актуально ввиду активного строительства источников рентгеновского излучения для наблюдения сверхбыстрых процессов, протекающих в биологических объектах и твердом теле на микро- и нано-уровне, в том числе и при экстремальных условиях. Один из таких источников - синхротронный источник четвертого поколения должен совсем скоро появиться в России.

Дмитрий Зверев, младший научный сотрудник лаборатории рентгеновской оптики и физического материаловедения, аспирант:

 «Изучение рентгеновских интерферометров является частью моей диссертационной работы. Исследуемые нами интерферометры позволяют численно измерить фазовый сдвиг волнового фронта, проходящего через изучаемый объект, что крайне необходимо в задачах метрологии и микроанализа. Я уверен, что предложенные методы исследования будут востребованы, так как они открывают новые возможности в материаловедении и в активно развивающихся биомедицинских приложениях. Результаты полученные нами, я уверен, лягут в основу серьезной публикации, которая закрепит наш приоритет в этом направлении».
 Тестирование нового метода рентгеновской фазово-контрастной визуализации было поддержано Европейским Центром Синхротронного Излучения (ESRF), Министерством образования и науки Российской Федерации (договор № 14.Y26.31.0002) и частично за счет средств субсидии, выделенной на реализацию Программы повышения конкурентоспособности в БФУ им. И. Канта/


Справка

Рентгеновский интерферометр - устройство, позволяющее сначала разделить падающее излучение на отдельные когерентные пучки, а затем совместить их для формирования устойчивой интерференционной картины, которая обладает высокой чувствительностью к изменению оптического пути разделенных пучков.

Без заголовка.png


ВКонтакт Facebook Twitter Mail.Ru

  Возврат к списку