上海光源硬X射線相干衍射成像實(shí)驗(yàn)方法初探*

周光照 胡哲2)3) 楊樹敏 廖可梁 周平 劉科 滑文強(qiáng)? 王玉柱? 邊風(fēng)剛 王劼

1) (中國科學(xué)院上海高等研究院, 張江實(shí)驗(yàn)室上海光源, 上海 201204)

2) (中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所, 上海 201800)

3) (中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

4) (中國科學(xué)院高能物理研究所, 北京同步輻射裝置, 北京 100049)

相干X射線衍射成像方法是一種先進(jìn)的成像技術(shù), 分辨率可達(dá)納米量級.國際上大多數(shù)的同步輻射裝置和自由電子激光裝置都建立了該成像方法, 并有將其作為主要成像技術(shù)的趨勢.上海光源作為目前國內(nèi)唯一的一臺第三代同步輻射光源, 尚未建立基于硬X射線的相干衍射成像實(shí)驗(yàn)平臺.隨著一批以波蕩器為光源的光束線站投入使用, 使得該方法的建立成為了可能.本文基于上海光源BL19U2生物小角散射線站, 通過有效的光路設(shè)計(jì), 搭建了相干衍射實(shí)驗(yàn)平臺, 在12 keV和13.5 keV能量點(diǎn)均獲得了硬X射線相干光束, 并基于小孔衍射測量了入射光束的空間相干長度.該平臺支持常規(guī)和掃描相干衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ? 對小孔衍射圖樣及波帶片掃描衍射圖樣實(shí)現(xiàn)了正確的相位重建, 證明了該平臺初步具備開展硬X射線相干衍射成像實(shí)驗(yàn)的能力.硬X射線相干衍射成像實(shí)驗(yàn)平臺為國內(nèi)首次建立, 將為國內(nèi)該實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展和應(yīng)用提供有效的軟硬件支持.

1 引 言

相比可見光, X射線具有波長短、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn), 是進(jìn)行無損、高分辨成像的理想光源.同步輻射光源作為一種大科學(xué)裝置, 提供高亮度、高相干性的X射線, 為物理、化學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的眾多科學(xué)問題量身定制了多種實(shí)驗(yàn)方法, 有力推動了科學(xué)的快速發(fā)展[1].

同步輻射光源的發(fā)展歷程, 始終追求更小的發(fā)射度和更高的相干性.無論是成熟穩(wěn)定的第三代光源, 還是建設(shè)之中的衍射極限環(huán)[2]和自由電子激光[3,4]都在盡可能地降低同步輻射的發(fā)射度, 提高光源亮度, 從而提高相干通量[5].伴隨著同步輻射光束相干度的提升, 一些基于X射線相干特性的實(shí)驗(yàn)方法逐步開展并發(fā)展壯大起來, 如相干X射線衍射成像和X射線光子關(guān)聯(lián)光譜等.

相干X射線衍射成像(coherent X?ray diffrac?tion imaging, CXDI or CDI)是在X射線晶體學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展的一種成像技術(shù), 它擺脫了對X射線聚焦元件的依賴, 也稱為無透鏡成像技術(shù)[6], 其成像分辨率僅與X射線的波長和衍射角有關(guān), 理論上能達(dá)到原子尺度的分辨率[7,8].1999 年 Miao 等[9]首次成功實(shí)現(xiàn) CDI 成像, 用實(shí)驗(yàn)證明了非晶樣品衍射圖樣可以進(jìn)行相位重建.經(jīng)過二十余年的不斷發(fā)展, CDI己經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)[10]、生命科學(xué)[11,12]、物理學(xué)[13]及集成電路[14]等學(xué)科的研究中,并由最初的平面波CDI發(fā)展出布拉格CDI、掃描CDI (ptychography)、菲涅耳CDI和掠入射CDI等[15,16].

X射線光子關(guān)聯(lián)光譜(X?ray photon correla?tion spectroscopy, XPCS)也稱動態(tài)光散射(dyna?mic light scattering), 是指通過測量相干衍射光強(qiáng)度起伏(散斑)的時間自相關(guān)函數(shù), 進(jìn)而獲取樣品內(nèi)部無序分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律, 時間尺度覆蓋微秒到千秒, 空間尺度為微米到納米之間[17,18], 是研究凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等領(lǐng)域樣品動力學(xué)特性的常備手段[19].

國際上, 知名的第三代光源基本都建設(shè)了小角度X射線相干散射(衍射)實(shí)驗(yàn)(coherent small angle X?ray scattering, CoSAXS)專用線站, 比如美國 NSLS?II的 11?ID, APS 的 8?ID?E 和 34?ID?C, 日本 SPring?8的 29XUL[20], 歐洲 ESRF的 ID 16A、ID10C等, 德國 Petra III的 P10, 瑞士 SLS的X12SA, 英國Diamond 的I13?1[21], 瑞典MAX IV的 CoSAXS, 韓國 PLS?II的 9C, 中國臺灣 TPS的25A等, 如表1所列, 實(shí)驗(yàn)方法涵蓋了常規(guī)平面波CDI, Bragg CDI, 掃描CDI和XPCS.

國內(nèi), 目前上海光源(Shanghai synchrotron radiation facility, SSRF)的08U軟 X射線光束線站基于掃描透射X射線顯微鏡(scanning transmission X?ray microscopy, STXM)實(shí)驗(yàn)平臺(波帶片聚焦)已建立了軟X射線掃描CDI實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絒22], 分辨率達(dá)到了10 nm, 開拓了國內(nèi)CDI方法實(shí)用化的先河.上海光源二期納米探針光束線站實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ桨{米光束相干衍射, 聚焦光斑30 nm, 其能量范圍為5—25 keV, 設(shè)計(jì)通量為1 × 109ph/s @10 keV, 預(yù)計(jì) 2020年出光, 2021年對用戶開放.在不久的將來, 北京高能衍射極限環(huán)光源[2]、上海光源軟X射線用戶裝置和上海硬X射線自由電子激光裝置[3]的建立, 能發(fā)射接近全相干的X射線, 將會建設(shè)更好更專業(yè)的相干衍射成像光束線站, 能更好地滿足高分辨率相干衍射成像實(shí)驗(yàn)的需求.

鑒于目前國內(nèi)尚未有硬X射線相干衍射成像光束線站, 而國內(nèi)確有需求的情況下, 上海光源小角散射組基于現(xiàn)有的生物小角散射線站[23], 通過有效的光路設(shè)計(jì), 在不影響現(xiàn)有光路和生物X射線小角散射光束線站(biological small angle X?ray scattering, BioSAXS)實(shí)驗(yàn)的情況下, 搭建了硬X射線相干衍射成像實(shí)驗(yàn)平臺.該平臺使用小孔(pinhole)獲取微米入射光束, 支持常規(guī)和掃描相干衍射成像實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?該實(shí)驗(yàn)平臺的建立填補(bǔ)了目前國內(nèi)空白, 在未來幾年的二期線站建設(shè)期內(nèi)將為國內(nèi)硬X射線相干衍射成像實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展和應(yīng)用提供有效的平臺支持.

2 BL19U2線站相干衍射成像實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/h2>

根據(jù)部分相干光理論[24], 發(fā)射度越小, 相干性越好, 達(dá)到衍射極限時, 發(fā)射度 ε ≤ λ/4π, 即為空間全相干光, 反之不相干光源的發(fā)射度 ε =∞ , 而大部分情況下的光源發(fā)射度介于兩者之間.同步輻射光源分為彎轉(zhuǎn)磁鐵(bend magnet)、扭擺器(wiggler)和波蕩器(undulator), 其中波蕩器的發(fā)射度是最小的[25], 也是相干性最好的.

上海光源儲存環(huán)電子束參數(shù)為：電子能量為3.5 GeV, 水平發(fā)射度為4.22 nm·rad, 耦合系數(shù)為0.01.BL19U2生物小角散射光束線站的波蕩器安裝在低β直線段, 波蕩器周期長度為20 mm, 總長度為1.6 m[26].基于上海光源加速器物理組給出的波蕩器光源點(diǎn)參數(shù), 并利用Spectra軟件[27]計(jì)算出不同能量(8—15 keV)下光源亮度和光通量如圖1和表2所列, 并利用高斯謝爾模型計(jì)算出了相應(yīng)的相干光通量, 其中K為偏轉(zhuǎn)參數(shù), 是波蕩器的一個無量綱參數(shù), Energy為光子能量, Brilliance為光束亮度.

根據(jù)高斯謝爾模型[28], 計(jì)算得出BL19U2的X射線光源點(diǎn)以及KB鏡處的部分相干特性, 如表3所列.由表3可以看出得益于垂直方向較小的發(fā)射度, 其相干度明顯優(yōu)于水平方向.考慮單色器、鏡子反射率和鈹窗透過率等光路衰減因素, 并根據(jù)BL19U2正常運(yùn)行時實(shí)測樣品處的光通量3.15 × 1012ph/s@12 keV@240 mA, 可以估算出實(shí)驗(yàn)站樣品處的可用相干光通量約為3.52 ×108ph/s@12 keV@240 mA.

圖1 儲存環(huán)流強(qiáng)為300 mA時, 不同波蕩器K值下, 計(jì)算得到不同奇次諧波的(a)能量和(b)亮度分布Fig.1.Calculated (a) energy and (b) brilliance for odd harmonics as a function of the undulator K?value (a target ring current of 300 mA is used).

表2 儲存環(huán)流強(qiáng)為300 mA時, 波蕩器不同參數(shù)下輻射出的能量、亮度、通量和相干通量Table 2.Photon energy and highest brilliance/flux/coherent flux with corresponding undulator parameters (a target ring current of 300 mA is used).

表3 上海光源BL19U2光源點(diǎn)(12 keV時)及傳播時的光束相干特性Table 3.Beam parameters of BL19U2 (@12 keV) at the source and KB mirrors.

圖2 相干衍射實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ紷BL19U2光束線站布局圖 (a)側(cè)視圖, 垂直方向; (b)上視圖, 水平方向Fig.2.Beamline layout of the coherent scattering experimental modes on BL19U2：(a) Side view, vertical direction; (b) top view,horizontal direction.

上海光源BL19U2生物小角散射光束線站布局如圖2所示, 波蕩器輻射出的光束經(jīng)過液氮冷卻Si (111)雙晶單色器(double crystal mono?chromator, DCM@23.6 m)后, 獲得了能量分辨率為 2.2 × 10—4的單色光, 能量范圍為 7—15 keV;水平偏轉(zhuǎn)鏡(horizontal deflection mirror, HDM@28.5 m)提供6.4 mrad的光束水平偏轉(zhuǎn)角, 為Canted線站(BL19 U1和BL19U2)爭取更大的物理空間; 水平聚焦鏡(horizontal focusing mirror,HFM@31.2 m)和垂直聚焦鏡(vertical focusing mirror, VFM@34 m)分別將X射線聚焦到探測器表面上, 以獲取最高的小角散射Q分辨率(Q =2π/λ·sin(2θ), 其中 2θ為散射角, λ 為 X 射線波長);一組白光狹縫和四組單色光狹縫用于限制光束及降低刀口散射和光路雜散; 2—7 m長的真空管道小角散射相機(jī)系統(tǒng)用于降低空氣散射背景.

若要在BL19U2實(shí)現(xiàn)相干衍射成像實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?必須保證在不影響常規(guī)生物小角散射實(shí)驗(yàn)用戶的前提下進(jìn)行, 因此需要對現(xiàn)有的束線光路進(jìn)行有限的針對性調(diào)整和優(yōu)化.常規(guī)相干衍射成像實(shí)驗(yàn)光路需要提供相干光和足夠的過采樣比[6?8], 因此, 基于BL19U2現(xiàn)有光路布局, 參考國際類似相干衍射成像實(shí)驗(yàn)的光路設(shè)計(jì)[29], 通過降低HFM和VFM壓彎半徑, 將聚焦鏡的像點(diǎn)從56 m探測器面處提前至49 m處(圖2).根據(jù)文獻(xiàn)[30]計(jì)算和測量了能量為12 keV時, 光束聚焦?fàn)顟B(tài)下, 距離光源點(diǎn)49 m處的水平和垂直方向相干長度為3.44 μm ×4.76 μm.此處相干衍射成像光路設(shè)計(jì)如圖2所示,使用聚焦鏡下游的狹縫限制水平和垂直方向上的光束發(fā)散度, 并采用直徑3—5 μm的pinhole取出接近全相干的光束, 樣品緊貼pinhole放置; 樣品到探測器距離為6.7 m, 采用真空管道降低空氣吸收和雜散, 管道前使用Capton膜封窗.為便于理解, 簡化后的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖3(a)所示, X射線經(jīng)過pinhole入射到實(shí)驗(yàn)樣品上, 樣品在垂直光路的x, y方向進(jìn)行掃描, 透射的X射線經(jīng)過一定距離的自由傳播, 最終由探測器接收每一步掃描點(diǎn)的衍射圖樣.圖3(b)為實(shí)驗(yàn)棚屋內(nèi)現(xiàn)場設(shè)備的照片.實(shí)驗(yàn)中使用的探測器為日本濱松公司的Flash4.0(像素大小 6.5 μm, 像素?cái)?shù) 2048 × 2048, 動態(tài)范圍16 bit), pinhole尺寸為4 μm時的過采樣比為25@13.5 keV, 經(jīng)過估算樣品處物空間理論分辨率為49 nm.探測器前使用直徑200—1000 μm的圓珠作為beamstop擋住直通光束, 防止過曝導(dǎo)致的探測器損傷, 并提高散射圖像信噪比.樣品臺采用六軸電動滑臺設(shè)計(jì), 可滿足CT實(shí)驗(yàn)需求, 支持常規(guī)CDI和掃描CDI兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?為提高實(shí)驗(yàn)精度,樣品臺采用德國普愛公司的納米位移平臺, 重復(fù)定位精度為50 nm; 掃描電動滑臺與探測器之間為硬件觸發(fā)模式, 支持飛掃(fly scan)數(shù)據(jù)采集模式[31].

圖3 (a)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖; (b)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.3.(a) Schematic diagram of experimental equipment; (b) on?site picture.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

基于BL19U2光束線站的硬X射線相干衍射成像平臺使用小孔(pinhole)為實(shí)驗(yàn)提供了微米尺寸的相干入射光束, 其針孔衍射圖如圖4所示, 可以看出衍射環(huán)分布具有良好的對比度, 證明了入射光束擁有很好的相干性.

3.1 空間相干性測量

實(shí)驗(yàn)中針孔位于樣品前34 mm, 用于獲取入射到樣品上的相干光束.通過調(diào)整上游KB鏡的壓彎半徑, 將光束聚焦平面即束腰調(diào)節(jié)到針孔平面,為針孔提供準(zhǔn)平面波入射.根據(jù)衍射強(qiáng)度分布擬合出針孔尺寸為水平方向 (3.35 ± 0.01) μm和垂直方向 (2.87 ± 0.01) μm.根據(jù)部分相干光理論, 在小孔尺寸一定的情況下, 調(diào)節(jié)入射光束發(fā)散度可以改變小孔處的空間相干長度; 由范西特?澤尼克定理[24]和卷積定理[30]可知,

圖4 (a), (b)不同入射光束相干度下的針孔衍射圖樣; (c)水平和(d)垂直方向上的衍射強(qiáng)度分布(圖(a), (b)中白色虛線位置);強(qiáng)度分布均為對數(shù)顯示Fig.4.(a), (b) Measured diffraction patterns of pinhole with incident beam of reduced coherence; diffracted intensity distribution in the horizontal (c) and vertical (d) direction along the dotted line profile in panel (a) and (b), and the intensity distribution are shown in log scale.

(1)式中Imeasured為探測得到的衍射強(qiáng)度分布,Icoherent為全相干入射光束所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度分布,G為入射光復(fù)相干度的傅里葉變換, ? 表示卷積,r為探測平面的位置矢量, σFμ為復(fù)相干函數(shù)傅里葉變換的均方根值, λ為波長, z為小孔到探測器的距離, cl為橫向相干長度.

橢圓小孔衍射的曲線方程為一階貝塞爾函數(shù),根據(jù)(1)式, 通過分別在水平和垂直方向進(jìn)行擬合得到圖4(a)和圖4(b)對應(yīng)到小孔處的相干長度：水平方向分別為 (3.16 ± 0.01) μm 和 (2.10 ±0.01) μm, 垂直方向分別為 (3.01 ± 0.01) μm 和(2.22 ± 0.01) μm.

3.2 針孔衍射

圖5 針孔樣品的(a)相干衍射圖, (b) 結(jié)構(gòu)重建圖, (c)掃描電鏡圖Fig.5.Coherent diffraction pattern (a), reconstruction (b)and SEM image (c) of pinhole.

在沒有樣品的情況下, 獲取了小孔的衍射圖樣(圖5(a)), 采用HIO和ER算法[7]重建出的針孔結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示.與掃描電子顯微鏡圖5(c)相比, 針孔尺寸基本一致, 其橢圓偏差可能源于：具有較大的深寬比(厚度75 μm)的pinhole在安裝后孔徑方向與光路方向存在偏差.

圖6 (a)探測器采集到的第441張衍射圖; 根據(jù)衍射圖重建波帶片樣品結(jié)構(gòu)的(b)振幅和(c)相位信息; (d)波帶片樣品相應(yīng)結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖片; 根據(jù)衍射圖重建的入射光束的(e)振幅和(f)相位信息Fig.6.(a) The 441st diffraction pattern collected by the detector; recovered (b) amplitude and (c) phase information of the sample structure of the Fresnel zone plate according to the diffraction patterns; (d) electron microscope image of the corresponding struc?tures of the wave band specimens; reconstructed (e) amplitude and (f) phase information of the incident beam simultaneously ac?cording to the diffraction pattern.

3.3 波帶片掃描相干衍射

進(jìn)一步地, 以波帶片作為樣品, 開展了掃描相干衍射(ptychography)實(shí)驗(yàn)研究, 波帶片置于針孔后34 mm處.實(shí)驗(yàn)中掃描步長為500 nm, 步數(shù)為21 × 21, 單幅圖曝光時間0.5 s, 采集到的第441張相干衍射圖如圖6(a)所示, 具有良好的條紋對比度.基于ePIE算法[32]對波帶片的衍射圖進(jìn)行了相位重建, 如圖6(b)和圖6(c)所示, 相位重建收斂良好, 結(jié)構(gòu)清晰.波帶片材料為金質(zhì), 厚度約為300 nm, 參照波帶片樣品相應(yīng)位置的電子顯微鏡圖如圖6(d)所示, 紅色尺度條為6.444 μm.可知, 樣品重建的結(jié)構(gòu)匹配良好, 證明了該重建結(jié)果的正確性.經(jīng)過估算, 波帶片重建圖像的分辨率約為90 nm/pixel, 波帶片從中心向外前3個環(huán)為實(shí)線環(huán), 第4個環(huán)開始為虛線環(huán), 由于虛線點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離約為128 nm, 達(dá)到了該掃描相干衍射成像系統(tǒng)的分辨率極限, 同時波帶片也具有一定的深寬比, 實(shí)驗(yàn)中安裝好以后, 波帶片平面的垂直軸與X光的光軸有一定角度, 故虛線環(huán)中的納米點(diǎn)在重建圖像中無法分辨出來.基于ePIE算法同時重建的入射光束的振幅和相位重建如圖6(e)和圖6(f)所示, 振幅分布接近高斯分布, 并非邊界清晰的圓孔, 這是因?yàn)閜inhole與樣品平面之間還有34 mm的光束傳播距離所致.

4 結(jié) 論

針對目前國內(nèi)沒有硬X射線相干衍射成像實(shí)驗(yàn)平臺的問題, 基于現(xiàn)有的上海光源BL19U2生物小角散射線站搭建了相干衍射成像實(shí)驗(yàn)平臺.基于pinhole獲取了微米級尺寸的硬X射線相干光束, 分析并計(jì)算了光束的相干特性; 進(jìn)一步進(jìn)行了pinhole常規(guī)相干衍射和波帶片樣品的掃描相干衍射(ptychography)成像實(shí)驗(yàn), 并對實(shí)驗(yàn)采集到的相干衍射圖樣完成了正確的相位重建, 證明了該平臺已經(jīng)初步具備硬X射線相干衍射成像的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰? 目前二維ptychography成像分辨率約為90 nm/pixel.下一步工作將結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層(CT)技術(shù), 開展三維掃描相干衍射成像實(shí)驗(yàn), 獲得樣品內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)信息, 使該方法完全實(shí)用化, 充分體現(xiàn)硬X射線相干衍射成像的優(yōu)勢, 將來可為國內(nèi)硬X射線相干衍射成像實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展及應(yīng)用研究提供有力支持.

感謝上海光源BL19U2生物小角散射光束線站和BL08U2軟X射線干涉光刻線站的機(jī)時支持; 感謝美國Argonne National Laboratory的 Deng Jun?Jing博士和Jiang Zhang博士的有益探討.