相干X射线衍射成像的数字模拟研究

相位重建是实现X射线相干衍射成像的关键,它利用远场采集的样品傅里叶相干衍射花样、结合过采样理论,再采用迭代算法复原样品的相位信息.文中采用数字模拟的方法,利用小尺寸二维非周期性图形作为物场,研究了过采样比对重构结果的影响,研究发现,迭代次数为1000次时最佳过采样比的范围是3—7之间.利用噪声模拟方法,研究了噪声对相位重建的影响,找到了完成相位重建的噪声限是信噪比不能低于10.分析了重构结果中孪生像以及随机平移的产生原因,并给出了相应的解决办法,结果表明,此方法可有效地提高重构图像的质量.

相干X射线衍射成像技术及在材料学和生物学中的应用

无损获取高分辨率、高衬度微纳米材料结构图像,并能够原位、定量分析是X射线成像技术发展方向之一.最新发展起来的相干X射线衍射成像技术,也称为无透镜成像技术,为实现这一目标提供了可能.本文介绍了相干X射线衍射成像技术的成像原理和发展过程,以及在材料学和生物学中的一些典型应用和最新进展,例如掺杂铋元素在硅晶体中的分布成像,GaN量子点壳层结构的三维高分辨成像,染色大肠杆菌的二维成像,鱼骨的二维成像及矿化机理研究,单个未染色疱疹病毒的二维高衬度成像,未染色酵母菌细胞的三维高分辨成像及原位定量分析.最后对相干X射线衍射成像技术的发展方向做了展望.随着X射线自由电子激光的应用和冷冻技术与相干X射线衍射成像技术的结合,相干X射线衍射成像技术将得到快速的发展和广泛的应用.

上海软X射线自由电子激光单脉冲成像定时的设计与实现

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是我国首台X射线自由电子激光用户装置,目前建有2条波荡器线、2条光束线以及5个实验站.装置可提供2—15 nm波长(80—620 eV)的X射线脉冲,用于高时空分辨的前沿科学研究.利用XFEL高亮度、短脉冲和全相干的特性实现单脉冲相干衍射成像,可以有效地减轻辐射损伤,提高图像的空间分辨率.SXFEL设计重复频率为50 Hz,实现单脉冲成像的关键在于通过定时系统能够精确地控制X射线脉冲到达样品点的时间,以确保只有一个脉冲被选中用于成像.同时,还需要与成像系统的触发进行同步,以确保成像系统在正确的时间采集X射线脉冲与样品作用后的图像.本文介绍了SXFEL单脉冲成像定时的设计与实现.通过单脉冲成像的结果表明该定时方案能满足在50 Hz的SXFEL开展单脉冲成像的需求.

相干X射线衍射成像在生命科学研究中的应用进展

相干X射线衍射成像是一种通过测量衍射信号,利用相位恢复算法来获取样品结构图像的无透镜成像技术。作为X射线晶体学的发展和延伸,该技术无需对样品进行结晶,能够对非晶体材料进行高分辨成像,具有广阔的应用前景。近年来利用相干X射线衍射成像技术已经实现了病毒、细菌、细胞、骨组织等生物样品的二维或三维高分辨、高衬度成像。由于该成像技术能够获得样品的密度信息,因此可以实现样品结构图像的定量分析。随着低温冷冻技术和X射线自由电子激光技术的发展和应用,该成像技术将得到快速的发展。就相干X射线衍射成像方法在生命科学中的应用做一综述。

相干X射线衍射成像三维重建的数字模拟研究

利用相干x射线衍射成像"过采样"采集样品的远场相干衍射图样,结合相位重建迭代算法重建物空间样品信息.三维重建过程中,边界约束条件是相位重建算法中最为关键的部分.本文采用数字模拟的方法,利用灰度值图像作为物空间的样品,研究并实现了边界条件的自动寻找,重建结果显示比以往采用较"松"的边界约束更为精确.利用噪声模拟方法,研究了衍射图样中不同噪声类型的滤除对重建结果的影响.研究发现传统的去噪方法在高噪声情况下不能直接应用于相干x射线衍射成像,并找到了适用于相干x射线衍射成像噪声滤除的有效方法.研究表明,此方法能非常有效地降低噪声对重建结果的影响.利用模拟三维纳米金颗粒作为样品,完成了对纳米金颗粒中电子密度分布的三维重建,在有随机噪声的影响下,也得到了很好的重建结果,并找到了成功实现三维重建的噪声限为信噪比不低于27.

衍射增强成像的若干基础问题研究 Ⅰ衍射增强成像的衬度与X射线能量的关系

为了探讨X射线衍射增强成像的衬度与X射线能量的关系,利用北京同步辐射光源4W1A光束线引出的硬X射线对大块正常和癌变的乳腺组织进行成像研究。在摇摆曲线顶部位置获得的图像(峰位图像)和表观吸收图像的衬度随X射线能量的变化关系是相似的,说明峰位图像和表观吸收图像包含的主要衬度相似,即吸收衬度,而折射图像的衬度随X射线能量的增大总体上呈现下降趋势。综合来看,对于乳腺类的软组织来说,DEI成像在低能量端有很好的衬度,反映了衍射增强成像更适合于主要由轻元素组成的物体的成像。

基于X射线衍射增强成像的冠脉微循环障碍三维可视化及双参宁心胶囊作用研究

目的探索冠脉微血管三维可视化方法,观察双参宁心胶囊对大鼠冠状动脉微循环障碍(coronary microvascular dysfunction,CMD)冠脉微血管三维形态是否有改善。方法雄性健康SD大鼠随机分为三组:假手术组、模型组和双参宁心胶囊组,每组6只。双参宁心胶囊(90 mg/kg)组动物连续7 d灌胃给药剂量为1 mL/100 g,假手术和模型组灌胃等体积生理盐水,7 d后建立CMD模型,术后24 h处死取材。进行冠脉血管铸型及图像采集;开展心脏组织X射线衍射增强成像,将获得断层图像进行三维重建,观察冠脉微血管分布情况。结果使用自凝牙托材料可以快捷的制作大鼠冠脉血管铸型标本,可分辨的最小血管直径约为40μm;X射线衍射增强图像三维重建后得到冠脉微血管网的三维模型,最小可分辨直径10μm血管。血管铸型和X射线衍射增强成像均在一定程度上反应大鼠CMD时冠脉微血管空间分布改变,且可以观察到双参宁心胶囊干预对动物模型的冠脉微血管明显改善。结论X射线衍射增强成像方法能够在一定程度上构建出冠脉微血管网的三维可视化模型,可以观察到CMD大鼠冠脉微血管异常情况以及双参宁心胶囊具有增加冠脉微血管密度的作用。

X光发散度对多切片扫描相干衍射成像质量的影响

扫描相干衍射成像(Ptychography)技术目前已得到大范围的应用,获得了巨大成功。基于Ptychography的三维成像技术也得到了快速发展,在生物和材料领域的研究中得到了成功应用。常规的Ptychography三维成像技术仍是基于多角度投影的计算机断层成像技术,具有成像效率低、辐照剂量大的缺点。最近出现的多切片三维Ptychography成像方法,为高效低剂量的三维成像技术开辟了新的道路。为了进一步改善多切片方法的重建效率和图像质量,本文在优化迭代算法中驰豫系数的基础上,通过模拟计算系统地研究了入射X射线的发散度对多切片方法重建效果的影响。结果表明:入射X射线的发散度越高(数值孔径越高),多切片方法图像迭代重建的收敛越快,图像的重建质量也更好;而选择较小的入射X光发散度则不利于三维成像的高质量重建。该结论对于相关成像实验中聚焦光学的选择和设置具有重要的指导意义,如选择聚焦尺寸更小的波带片或较低的入射X射线能量,将更有希望获得好的多切片成像质量。

同步辐射衍射增强成像的肝纤维化成像研究

本文根据硬X射线衍射增强成像(Diffraction enhanced imaging,DEI)原理,对由人血白蛋白诱导的大鼠肝纤维化模型进行了成像研究。实验在北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility,BSRF)4W1A光束线形貌站完成。结果表明:正常及不同程度肝纤维化模型在DEI图像上差异显著,图像感兴趣区的光强分布及纹理测度也显示出这种差异。DEI成像为肝纤维化的诊断提供了一种潜在的影像学途径。

动量加速方法提高层叠衍射成像的质量

X射线层叠衍射成像技术(Ptychography)所采用的图像重建迭代算法是一种传统的梯度下降算法。该算法从一组猜测函数开始,实验中探测到的正确信息被不断代入循环迭代中来修正猜测函数,最终达到收敛。这种算法存在一个问题就是容易出现收敛停滞的现象,也就是所谓的陷入局域最小值。造成这种现象出现的原因是局域最小值附近的梯度极小导致梯度下降的幅度极小。为了解决这一问题,最近"动量"这一概念被引入Ptychography算法中,产生了动量加速层叠衍射迭代引擎(momentum Ptychographical Iterative Engine,mPIE)算法。加入"动量"相当于给迭代重建过程赋予了"惯性"性质,当前梯度下降的幅度不仅由当前梯度决定,还会受到之前变化的幅度影响。所以即便是在梯度极小的局域最小值附近,目标函数仍然可以跳出停滞,继续变小。为了验证"动量"的引入对图像重建的提升效果,详细比较了动量mPIE算法和传统的拓展层叠衍射迭代引擎(extending Ptychographical Iterative Engine,e PIE)算法对同一套扫描相干衍射成像实验数据的重建图像质量。重建结果表明:相对于传统重建算法,动量加速算法可以获得更好的图像重建质量。

利用混合态分解算法提高重叠关联成像的质量

X射线重叠关联成像技术所采用的常规相位恢复迭代算法均把入射光视为完全相干的单色光(即单态入射光),把样品视为稳定平衡的(即单态样品),把实验过程中成像系统内所有光学元器件的响应视为固定不变的。然而在实际实验中,上述三个条件很难得到同时保证。在非理想的实验条件下,任何单态条件发生变化或者出现多重态混合,其造成的退相干效应均会使衍射图样变得模糊,严重降低利用单态相位恢复迭代算法获得的重建图像质量。为了消除各种来源的混合态效应的负面影响,本文利用多模式拓展重叠关联迭代引擎算法(Mm-e PIE)和子像素上采样拓展重叠关联迭代引擎算法(Us-e PIE)这两种不同的混合态分解算法对实验数据进行处理。重建结果表明,不同来源的混合态效应(退相干效应)的分解结果在重建探针函数和重建样品函数中均得到了体现,两种混合态分解算法均能够显著改善重建图像的质量。其中多模式算法Mm-e PIE在消除入射探针的非相干效应方面更胜一筹。

基于X射线相干衍射成像方法的微纳米梁变形场测量

微纳米结构在外加荷载下的变形场测量对于描述和预测微纳米结构力学性能、建立相关模型和理论具有重要意义。目前仍然缺少原位实时测量微纳结构变形场的实验方法,这对微纳米结构的力学性能研究形成了一定的制约。本文结合大规模MD(molecular dynamics,分子动力学)模拟和X射线CDI(coherent diffraction imaging,相干衍射成像)模拟,对通过X射线CDI方法准确测量微纳米结构变形场的可行性进行了验证。首先,通过MD模拟给出纳米梁结构在准静态加载和动态加载后的原子结构模型,然后使用X射线CDI模拟基于实验几何和探测器参数给出原子结构模型的二维X射线相干衍射信号。对得到的相干衍射信号进行二维图像重建,提取出位移场,并与从原子构型提取的位移场进行对比,从而实现对该方法准确性的验证。结果表明,通过X射线CDI获得微纳米结构变形场方法的是可行的,且具有较高的精度。该方法为通过变形场进一步提取微纳米结构纳米尺度的表面特性,如表面杨氏模量和残余表面应力提供了可行方案。

钛钒基合金在吸放氢状态下的局域结构

在北京同步辐射装置上开展了对作为储氢材料的Ti-V-Cr固溶体的硬X射线衍射增强成像和X射线吸收谱学（XAS）研究，发现了Ti-V-Cr固溶体吸氢前后颗粒尺寸和形状的变化，以及吸放氢前后，合金结构从体心立方到面心立方的过渡，对材料机理研究有意义。

金属激光增材制造微观结构和缺陷原位实时监测

在过去10年中,金属激光增材制造行业快速发展.但是,制品的精度、可重复性、可靠性仍相当有限.本文围绕金属激光增材制造中的微观结构和缺陷展开,聚焦于相关原位实时监测的研究进展.相比事后剖析的传统表征技术,同步辐射X射线高速成像与衍射等原位实时监测技术可以对微观结构和缺陷的形成与演化过程进行直接观测,正在推动研究思路从试错模式向关键机理模式的根本转变.展望未来10年,多元技术融合和多维信息转录以及衍生的大数据分析与高精度仿真,将连接起微观的机理理解与宏观的性能调控,推动金属激光增材制造行业行稳致远.