Argonne開發(fā)了一種新方法，可以更清晰地看到復(fù)雜材料在難以接近的環(huán)境中的物理特性。有了合適的工具，科學(xué)家們就能擁有超人般的x射線視覺，揭示隱藏在物體內(nèi)部的隱藏特征——但這非常復(fù)雜。

先進(jìn)光子源(APS)是美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(DOE)科學(xué)用戶設(shè)施的一個(gè)辦公室，它使科學(xué)家們能夠接觸到具有高穿透性的x射線，這種x射線可以在原子水平上照亮其他結(jié)構(gòu)深處包含的材料。APS的下一個(gè)階段，APS升級(jí)，將今天的APS改造成世界領(lǐng)先、存儲(chǔ)環(huán)為基礎(chǔ)的高能x射線光源。

為科學(xué)家提供一個(gè)更強(qiáng)大的工具，用于研究和改進(jìn)幾乎影響我們生活方方面面的材料和化學(xué)過程。特別是，升級(jí)使使用高能x射線的無透鏡成像方法能夠克服光學(xué)上的限制，獲得不透明樣品內(nèi)部的最高空間分辨率。這就像試圖通過觀察石頭產(chǎn)生的漣漪來確定扔進(jìn)池塘石頭的形狀和大小，除了在三維空間，如果像素大小足夠小…可以獲得導(dǎo)致散射的物三維圖像。然而，使用高能x射線進(jìn)行深度穿透也有潛在的問題——深度穿透x射線可能會(huì)受到現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)的限制。本質(zhì)上，隨著x射線能量越來越高，探測(cè)器上的信號(hào)會(huì)越來越壓縮。

研究為更有穿透力的x射線所付出的代價(jià)，是記錄數(shù)據(jù)的保真度下降。在一項(xiàng)新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種克服這些限制的新方法。Argonne x射線物理學(xué)家Stefan Vogt說：這些限制就像使用低分辨率的電腦顯示器來查看高分辨率的數(shù)碼照片一樣，無法看到原始圖像的逼真度。該研究的作者之一瑪達(dá)利說，整體效果使圖像看起來像素化了。由于目標(biāo)到探測(cè)器的距離相對(duì)固定，提高像素化x射線散射圖像的分辨率(本質(zhì)上是銳化)需要計(jì)算算法來創(chuàng)建細(xì)分“虛擬像素”來重新分配像素化圖像。

然后，研究人員可以使用一個(gè)稱為相位檢索的過程，基于散射的x射線波前重建樣本的真實(shí)空間信息。這就像試圖通過觀察石頭產(chǎn)生的漣漪來確定扔進(jìn)池塘的石頭的形狀和大小，除了在三維空間，如果像素足夠小，可以看到波浪的起伏，就可以通過計(jì)算處理這些圖像，得到造成散射的物體的三維圖像。通過以這種方式使用信號(hào)處理，科學(xué)家能夠有效地通過計(jì)算糾正圖像，否則就需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)上不可能解決的透鏡系統(tǒng)?？茖W(xué)家們可以利用這項(xiàng)技術(shù)獲得關(guān)于材料界面的更好信息，從而更好地理解并最終控制新材料的行為。

博科園｜研究/來自：阿貢國家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《物理評(píng)論A》

DOI: 10.1103/PhysRevA.99.053838

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普