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X射线相干衍射成像(Coherent X-ray diffractive imaging-CXDI)是近些年来快速发展的一种无透镜显微方法:当一束相干X光照射到样品上,样品结构对光波的波前调制,通过对探测到的光学信号并进行运算处理,就可以得到样品的结构信息。扫描透射X射线显微(Scanning transmission x-ray microscopy-STXM)是近年在第三代同步辐射光源上发展起来的另一种新型X射线显微术。与传统的显微术相比,STXM同时具有谱学分辨和空间显微的功能。
通过将CXDI技术与STXM技术相结合可以发展新型的显微成像技术,称之为扫描X射线相干衍射成像(SXDM)(Scanning x-ray diffractive microscopy)。该方法的显著优点在于可以进行大尺寸样品结构的高分辨率显微成像,未来可能实现对复杂材料和生物样品实现超高空间分辨的三维元素空间成像。该技术出现至今仅不过两年时间,发展还有待完善。目前,针对SXDM的相关研究仅出现在硬X射线波段,针对软X射线的SXDM技术确少有报道。软X射线覆盖水窗波段和大多数元素的吸收边,利用水窗可以实现湿样品的成像,对于生命科学研究具有重要价值。通过对上海光源STXM实验平台进行分析研究,对于拓展SXDM实验技术具有重要的研究价值。
本论文对发展软X射线SXDM的基本理论和实验方法进行了探讨;并将软X射线SXDM算法与上海光源软X射线谱学显微实验站的实验条件相结合进行了详细的讨论。在基本的物理理论方面,讨论了软X射线波段光与物质的相互作用,包括软X射线的吸收,弹性散射,非弹性散射,荧光效应等;通过对这些因素的讨论确定了发展软X射线相干衍射成像的可行性和优势。
对上海光源STXM实验平台进行了改进,分析了上海光源软X射线谱学显微实验站的时间相干性和空间相干性。结合实验装置,说明发展相干X射线衍射成像的采样原理和离散傅里叶变换条件。在发展高分辨软X射线相干衍射成像方面,从瑞利-索墨菲公式出发分析软X射线微聚焦情况下实现相干高分辨相干衍射的光学理论;并结合理论改进算法,从而拓展了实现X射线SXDM技术的基本条件。同时,文中还结合实验中挡光板对信噪比的贡献,分析了采用不同大小的挡光板对重建的影响。
文章中最后结合具体实验条件进行了软X射线SXDM的数值模拟。模拟部分考虑了CCD采集的噪声因素,样品微位移的误差及抖动,以及入射光斑偏差等因素对重建效果的影响;并对特定样品图像进行模拟重建。模拟结果显示,上海光源通过改进现有实验站装置发展软X射线SXDM成像技术可以有效提高样品的空间分辨能力。