Монохроматическая компьютерная томография с использованием лаборатории

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 363 (2023) Цитировать эту статью

952 Доступа

1 Цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье мы демонстрируем жизнеспособность высокомонохроматической томографии с поглощением рентгеновских лучей в полном поле вблизи краевой структуры с использованием лабораторного рентгеновского абсорбционного спектрометра типа Иоганна, использующего обычный источник рентгеновской трубки. В этом доказательстве концепции, используя фантом, внедренный в элементарные Se, Na\(_2\)SeO\(_3\) и Na\(_2\)SeO\(_4\), мы показываем, что три- Размерные распределения Se в различных степенях окисления можно нанести на карту и отличить от фантомной матрицы и друг от друга с помощью томографии с контрастом по краям поглощения. Представленный метод позволяет проводить объемный анализ химического состава в образцах мм-масштаба с использованием источников рентгеновского излучения низкой яркости и представляет собой новый аналитический инструмент для материаловедения и исследований во многих областях, включая биологию и химию.

Компьютерная томография (КТ) — широко используемый неразрушающий метод исследования трехмерной структуры материи. Клинические КТ-инструменты и большая часть лабораторных установок основаны на полихроматическом широкополосном луче, создаваемом обычными рентгеновскими трубками. Хотя это создает достаточно высокий поток фотонов для целей визуализации, полихроматичность луча имеет свои недостатки, такие как артефакты, повышающие жесткость луча, и нечувствительность к химическому составу отображаемого объекта. Некоторый химический контраст может быть достигнут с помощью двухэнергетической визуализации, но эту информацию можно использовать для разделения элементов в лучшем случае на две или три группы в зависимости от их атомного номера1. Отсутствие элементной чувствительности является существенным недостатком с точки зрения исследования материалов, поскольку свойства материала зависят не только от его элементного состава и распределения, но также от химического состава элементов.

Эти ограничения можно преодолеть с помощью высокомонохроматических и перестраиваемых рентгеновских лучей, например, получаемых с помощью синхротронных и рентгеновских лазерных источников света на свободных электронах. Одним из таких подходов является визуализация с вычитанием K-края, которая использовалась, например, для картирования вентиляции дыхательных путей в легких во время приступа астмы с использованием визуализации поглощения K-края ксенонового газа2,3.

Регулируя энергию фотонов рентгеновского луча с разрешением \(\lesssim\) 1 эВ, можно даже разделить рентгеновские сигналы различных химических веществ, что, в свою очередь, можно использовать для картирования распределения веществ в образце. . Этот метод, известный как рентгеновская абсорбционная ближнекраевая спектроскопия (XANES), предлагает неразрушающий инструмент для анализа химического состава данного элемента, особенно его степени окисления и локальной координации атомов4. Он показал успех в использовании в качестве контрастного метода томографии в многочисленных приложениях исследования материалов, таких как исследование нано- и мезомасштабных химических составов и фазовых переходов в материалах аккумуляторов5,6,7, деградации и инактивации каталитических материалов8,9 и гетерогенности кристаллы дефектно-инженерного металлоорганического каркаса10. Также было продемонстрировано, что аналогичная идея может быть применена к неупругому рассеянию рентгеновских лучей (рентгеновская комбинационная спектроскопия) для получения томографических данных о химическом состоянии элементов с низким Z, например, для пространственного различения \(sp^2\) и \(sp^3\) связи в углеродных материалах11.

Вышеупомянутые методы требуют очень яркого источника рентгеновского света с перестраиваемой энергией, такого как источник синхротронного света, что ограничивает их применимость в лабораторном масштабе. Однако из-за высокого спроса и нехватки времени луча в крупномасштабных синхротронных источниках света и рентгеновских лазерах на свободных электронах в последние годы лабораторная рентгеновская спектрометрия пережила ренессанс. Несмотря на то, что выход фотонов на несколько порядков ниже, приборы лабораторного масштаба оказались жизнеспособной альтернативой крупномасштабным установкам во многих приложениях12,13,14,15,16,17,18.