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2023-04-26 16:58 |
基于HBT方法的新型X射線成像技術(shù)
漢伯里布朗和特維斯（HBT）干涉測(cè)量是一種通用技術(shù)，廣泛應(yīng)用于天文學(xué)、量子光學(xué)和粒子物理學(xué)等各個(gè)物理領(lǐng)域。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚�(gè)探測(cè)器上光子到達(dá)時(shí)間的相關(guān)性作為光子空間分離的函數(shù)，HBT干涉測(cè)量法能夠確定光源的尺寸和空間分布。最近，提出了一種基于HBT方法的新型X射線成像技術(shù)，通過(guò)誘導(dǎo)這些元素在X射線波長(zhǎng)下發(fā)出熒光，對(duì)晶體或分子中重元素的空間排列進(jìn)行成像。德國(guó)電子同步加速器（DESY）的Fabian Trost及其同事，包括一些最先提出該方案的人，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)，成功地證明了探測(cè)器上熒光光子的時(shí)間相關(guān)性可以用于對(duì)銅膜上發(fā)射器的結(jié)構(gòu)成像。這一成就標(biāo)志著將HBT干涉測(cè)量擴(kuò)展到高分辨率x射線成像的一個(gè)重要里程碑，有可能在不需要結(jié)晶的情況下對(duì)分離的生物分子的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行成像。 V8w!yc
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HBT效應(yīng)是一種雙光子干涉現(xiàn)象，當(dāng)從源內(nèi)不同點(diǎn)發(fā)射的兩個(gè)無(wú)法區(qū)分的光子到達(dá)兩個(gè)不同的檢測(cè)器時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。當(dāng)兩個(gè)光子之間的時(shí)間間隔在光源的相干時(shí)間內(nèi)時(shí)，就滿足不可區(qū)分性條件。干涉效應(yīng)，無(wú)論是建設(shè)性的還是破壞性的，都可以使用二階相關(guān)函數(shù)或g^(2)來(lái)量化，它描述了同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)光子的概率作為它們空間分離的函數(shù)。如果到達(dá)時(shí)間長(zhǎng)于相干時(shí)間，這將導(dǎo)致g^(2)中干涉條紋的對(duì)比度降低。 )54;YK
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將HBT技術(shù)擴(kuò)展到X射線領(lǐng)域一直是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)閄射線激發(fā)的概率很低，X射線熒光的相干時(shí)間很短，尤其是對(duì)于重元素。這里相干時(shí)間是由熒光態(tài)的壽命給出的。例如，在K殼層中具有空位的銅原子的電子態(tài)的壽命小于1fs。如果兩個(gè)銅原子在該區(qū)間內(nèi)被激發(fā)，那么它們的發(fā)射將是相干的或不可區(qū)分的。在這方面，X射線自由電子激光器（XFEL）的發(fā)展有助于產(chǎn)生飛秒甚至更短持續(xù)時(shí)間的高強(qiáng)度X射線脈沖。這些脈沖可以高概率激發(fā)重元素的K殼層電子，并增加通過(guò)X射線熒光產(chǎn)生無(wú)法區(qū)分的光子對(duì)的機(jī)會(huì)。 ?+)O4? #
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Trost及其同事利用此類脈沖來(lái)測(cè)量從銅膜發(fā)射的熒光光子的強(qiáng)度相關(guān)性。在德國(guó)的歐洲XFEL設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，研究人員使用相位光柵衍射入射的X射線脈沖，并將其聚焦到微米級(jí)銅箔上的兩個(gè)點(diǎn)上。入射的X射線光子具有9keV的能量，足以電離薄膜上被照亮的銅原子的K殼層電子。這種電離過(guò)程產(chǎn)生了一種短暫的激發(fā)態(tài)，主要通過(guò)熒光發(fā)射衰減，研究人員使用在XFEL設(shè)施專門(mén)開(kāi)發(fā)的檢測(cè)器對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量。該檢測(cè)器具有一百萬(wàn)個(gè)像素，每個(gè)像素都能夠進(jìn)行單光子檢測(cè)，因此可以測(cè)量像素對(duì)之間的10 ^12個(gè)相關(guān)性。 JyY-@GF
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為了使用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)X射線成像，該團(tuán)隊(duì)需要解決幾個(gè)挑戰(zhàn)。一個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)驗(yàn)中使用的探測(cè)器無(wú)法解析光子的能量，這意味著它不能排除除所需輻射之外的其他輻射源的貢獻(xiàn)鉀α排放。這種非選擇性會(huì)導(dǎo)致低信噪比。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Trost 和他的同事使用鎳過(guò)濾器來(lái)阻擋彈性散射的輻射和銅鉀β輻射。 47b=>D8
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另一個(gè)挑戰(zhàn)是X射線脈沖的持續(xù)時(shí)間比光子的相干壽命長(zhǎng)10倍鉀α發(fā)射，它降低了干涉條紋的對(duì)比度。為了提高信號(hào)質(zhì)量，研究人員在大約5小時(shí)內(nèi)記錄了5800萬(wàn)張二維熒光圖像，這得益于探測(cè)器的高讀出率和XFEL脈沖的高重復(fù)率。為確保樣品不被脈沖損壞，旋轉(zhuǎn)銅箔，使每個(gè)脈沖照亮一個(gè)新區(qū)域。盡管組合的熒光圖像是各向同性的并且不包含結(jié)構(gòu)信息，但構(gòu)建的g^(2)顯示干涉條紋達(dá)到三階峰，與之前僅測(cè)量g^(2)中的零階峰的研究相比，這是一個(gè)改進(jìn)。通過(guò)使用迭代算法，研究人員成功重建了銅膜上兩個(gè)激發(fā)點(diǎn)的大�。�300nm）和間距（860nm）。 C~IsYdln
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鑒于空間分辨率的顯著提高，該技術(shù)最終可以在原子尺度上對(duì)生物分子和催化劑進(jìn)行單粒子成像，并在具有足夠時(shí)間分辨率的情況下表征它們的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。XFEL技術(shù)的不斷進(jìn)步也可能意味著熒光激發(fā)的光子饑餓過(guò)程可以通過(guò)亞飛秒脈沖實(shí)現(xiàn)。例如，使用高強(qiáng)度的亞飛秒X射線脈沖，可以將時(shí)間熒光曲線調(diào)整為比熒光狀態(tài)的壽命更短。為了利用 HBT 干涉測(cè)量法在具有元素特異性的化學(xué)成像方面的強(qiáng)大功能，非常需要開(kāi)發(fā)使用多個(gè)探測(cè)器或具有能量辨別能力的探測(cè)器的多色成像。這方面的進(jìn)一步發(fā)展有可能徹底改變重要催化功能的表征及其天然環(huán)境中的相關(guān)結(jié)構(gòu)變化，例如金屬蛋白中的含金屬簇。這種表征將為這些催化劑的結(jié)構(gòu)和活性提供前所未有的洞察力，這對(duì)于可再生能源的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。
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