x射線衍射成像技術(shù)最新發(fā)展詳解

1、課程論文題目X射線衍射成像技術(shù)的原理以及最新發(fā)展與應(yīng)用學(xué)院專業(yè)班級學(xué)生學(xué)號摘要隨著科技的發(fā)展，基于傅里葉光學(xué)的X射線衍射技術(shù)發(fā)展越來越先進(jìn)，形成了X射線衍射成像(X-raydiffractionimaging,XDI)和相干X射線衍射成像(coherentX-raydiffractiveimaging,CXDI/CDI)等技術(shù)，它們廣泛應(yīng)用于材料、醫(yī)學(xué)、生物、物理等領(lǐng)域，為人們探索微觀世界的結(jié)構(gòu)提供很好的工具。本文主要論述了X射線衍射的基本原理，并講述了它們在不同應(yīng)用中的最新發(fā)展，包括X射線衍射成像和相干X射線衍射成像的二維、三維成像等技術(shù)，同時簡單的說明了它們在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：X射線

2、衍射；X射線衍射成像；相干X射線衍射成像1前言近幾十年來，X射線衍射成像技術(shù)得到快速發(fā)展，它具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)，大量的用于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析、生物分子探究、醫(yī)學(xué)以及危險品掃描等領(lǐng)域。近一個世紀(jì)以來，科學(xué)家們不斷探索測定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，希望能夠看到物質(zhì)內(nèi)部的原子是如何排列的。而傳統(tǒng)用的最多的方法是X射線晶體衍射分析的方法(XRD)能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)的測定，但它存在一定的局限性，然而在實(shí)際應(yīng)用中，會受到很多的限制，為了更好的研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們做了大量的工作，對X射線衍射技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)升級，取得了一些最新的更成果，例如X射線衍射成像技術(shù)(

3、X-raydiffractionimaging，XDI)、相干X射線衍射成像技術(shù)(coherentX-raydiffractiveimaging，CXDI/CDI、等。近年來，X射線衍射增強(qiáng)成像(XRayDiffractionenhancedimaging，DEI)也發(fā)展迅速。射線相位襯度成像是一種新型的X射線成像技術(shù)，通過記錄射線穿過物體后相位的改變對物體進(jìn)行成像，可以提供比傳統(tǒng)的X射線吸收成像更高的圖像襯度以及空間分辨力。衍射增強(qiáng)成像方法(XDiffractionenhancedimaging,DEI)是X射線相位襯度成像方法之一，利用一塊放置在物體和探測器之間的分析晶體提取物體的吸收、折

4、射以及散射信息并進(jìn)行成像。但是它跟X射線衍射成像方法不同，不是同一種技術(shù)。X射線衍射基本原理2.1傅里葉變換與衍射光是一種波，它具有傳播速度、相位等信息，它可以發(fā)生干涉、衍射等現(xiàn)象。光場可以用數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述。當(dāng)光經(jīng)過晶體時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象。IncidentLiscEiilered2G26electronswavewaves圖2.1光的傳播圖像光衍射的數(shù)學(xué)表達(dá)式：(k)二Jf(r)ei(t-k門dr2.1)2.2)2.3)所有有散射體的空間現(xiàn)在擴(kuò)展f(r)的定義域到整個空間，可得:(k)=Jf(r)eidr全空間=eiJf(r)e-ikrdr全空間從上式可看出衍射就是一個傅里葉變換。而傅里葉逆

5、變換為:r1rrrrf(r)=JF(k)erdk2兀所有K空間上式說明，收集到所有的衍射信息，是能回推出所有晶體信息f(r)的，所以可以通過合適的方法利用該式得到晶體的內(nèi)部信息。X射線衍射運(yùn)動學(xué)理論：該理論把衍射現(xiàn)象作為三維Fraunhofer衍射問題來處理，認(rèn)為晶體的每個體積元的散射與其它體積元的散射無關(guān)，而且散射線通過晶體時不會再被散射。這樣處理可以得出足夠精確的衍射方向，也能得出衍射強(qiáng)度。2.2X射線衍射的基本工作原理將具有一定波長的X射線照射到結(jié)晶性物質(zhì)上時，X射線因在結(jié)晶內(nèi)遇到規(guī)則排列的原子或離子而發(fā)生散射，散射的X射線在某些方向上相位得到加強(qiáng)，從而顯示與結(jié)晶結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)

6、象。圖2.2為晶體衍射圖。衍射X射線滿足布拉格(W.L.Bragg)方程：2dsin0=n九.(n=0，1，2，3.)(2.4)式中：九是X射線的波長；0是衍射角；d是結(jié)晶面間隔；n是整數(shù)。圖2.2晶體衍射圖波長九可用已知的X射線衍射角測定，進(jìn)而求得面間隔，即結(jié)晶內(nèi)原子或離子的規(guī)則排列狀態(tài)。將求出的衍射X射線強(qiáng)度和面間隔與已知的表對照，即可確定試樣結(jié)晶的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，此即定性分析。從衍射X射線強(qiáng)度的比較，可進(jìn)行定量分析。衍射實(shí)驗(yàn)方法中，基本方法有單晶法、多晶法和雙晶法。下面將簡單的介紹這幾種方法。單晶X射線衍射分析的基本方法為勞埃法與周轉(zhuǎn)晶體法。勞埃法以光源發(fā)出連續(xù)X射線照射置于樣品臺上靜止的單晶

7、體樣品，用平板底片記錄產(chǎn)生的衍射線。勞埃法的衍射花樣由若干勞埃斑組成，每一個勞埃斑相應(yīng)于晶面的1n級反射，各勞埃斑的分布構(gòu)成一條晶帶曲線。圖2.3勞埃法結(jié)構(gòu)圖周轉(zhuǎn)晶體法以單色X射線照射轉(zhuǎn)動的單晶樣品，用以樣品轉(zhuǎn)動軸為軸線的圓柱形底片記錄產(chǎn)生的衍射線，在底片上形成分立的衍射斑。這樣的衍射花樣容易準(zhǔn)確測定晶體的衍射方向和衍射強(qiáng)度，適用于未知晶體的結(jié)構(gòu)分析。周轉(zhuǎn)晶體法很容易分析對稱性較低的晶體（如正交、單斜、三斜等晶系晶體）結(jié)構(gòu)，但應(yīng)用較少。多晶X射線衍射方法包括照相法與衍射儀法。照相法以光源發(fā)出的特征X射線照射多晶樣品，并用底片記錄衍射花樣。根據(jù)樣品與底片的相對位置，照相法可以分為德拜法、聚焦法和

8、針孔法，其中德拜法應(yīng)用最為普遍。底片入射圖2.4德拜法原理圖試樣28=028=180德拜法以一束準(zhǔn)直的特征X射線照射到小塊粉末樣品上，用卷成圓柱狀并與樣品同軸安裝的窄條底片記錄衍射信息，獲得的衍射花樣是一些衍射弧，如圖2.5所示。X射線衍射儀以布拉格實(shí)驗(yàn)裝置為原型。衍射儀由X射線發(fā)生器、X射線測角儀、輻射探測器和輻射探測電路4個基本部分組成，如圖2.6所示，是以特征X射線照射多晶體樣品，并以輻射探測器記錄衍射信息的衍射實(shí)驗(yàn)裝置。衍射儀法以其方便、快捷、準(zhǔn)確和可以自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等特點(diǎn)在許多領(lǐng)域中取代了照相法，現(xiàn)在已成為晶體結(jié)構(gòu)分析等工作的主要方法。SamplechangerStillersli

9、tsSollerslhiGoniometer圖2.6X射線衍射儀Specimenholders雙晶衍射儀用一束X射線照射一個參考晶體的表面，使符合布拉格條件的某一波長的X射線在很小角度范圍內(nèi)被反射，這樣便得到接近單色并受到偏振化的窄反射線，再用適當(dāng)?shù)墓怅@作為限制，就得到近乎準(zhǔn)值的X射線束。把此X射線作為第二晶體的入射線，第二晶體和計(jì)數(shù)管在衍射位置附近分別以A0及A(20)角度擺動，就形成通常的雙晶衍射儀。以上為最基礎(chǔ)的X射線衍射成像技術(shù)知識，一切X射線衍射成像都要用到這些基本的知識。X射線衍射成像X射線衍射成像相對來說：X射線衍射與X射線衍射成像有一定的區(qū)別和聯(lián)系。聯(lián)系是最基本的原理是一樣的，

10、X射線衍射是最基本的技術(shù)，而X射線衍射成像是在這技術(shù)上發(fā)展而成的。主要的區(qū)別是：XRD=X-raydiffraction：是用一維檢測器(one-dimensionaldetector)檢測。XDI=X-raydiffractionimaging：是用二維檢測器(two-dimensionaldetector)檢測得到的影像。通過檢測器得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計(jì)算，利用計(jì)算機(jī)處理可得到圖像。X射線衍射成像應(yīng)用現(xiàn)在X射線衍射成像已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測、生物分子結(jié)構(gòu)檢測等領(lǐng)域。同時X-射線衍射成像(XDI)在安全檢查有一些應(yīng)用，包括檢測毒品和多種炸藥：有機(jī)（塑料）炸藥，液體，自制爆炸物（熱濕交換器

11、）和特殊核材料（SNMS）。它主要是利用X射線衍射（XDI）原理，對物質(zhì)進(jìn)行分析與對比，同時利用電腦斷層掃描等技術(shù)對物品實(shí)現(xiàn)成像?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第三代：第零代，經(jīng)典X射線儀。第一代，單點(diǎn)斷層X射線衍射成像，如圖3.1；第二代，線平行X射線衍射成像，如圖3.2；第三代，面平行x射線衍射成像，如圖3.3。erasterscanmovementtransmissiondetectorsensitivevoxelrradiationsource1聲|primarycollimatorJscatterdetector圖3.1第一代X射線衍射成像原理圖rdetectorarrav圖3.2第二代X射線衍射成

12、像原理圖P2P1局scattercollimatorobjectLtransmissiondetectorrowradiationJsourceprimarycollimatorscatterdetectorarray圖3.3第三代X射線衍射成像原理圖而第四代，體平行X射線衍射成像，迄今面臨難以逾越的障礙：這是不可能設(shè)計(jì)一個檢測方案，可以單獨(dú)低角度相干散射的一次X光線入射到同一檢測器上。圖3.4第四代X射線衍射成像原理想象圖相干X射線衍射成像傳統(tǒng)的X射線晶體衍射成像方法(XRD)能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的高分辨三維測定，但是需要的樣品是晶體.然而在實(shí)際應(yīng)用中，有許多材料不能得到足夠好的結(jié)晶體，甚至根本無法

13、結(jié)晶，因此對于這些非周期性樣品來說，不能通過傳統(tǒng)的XRD的方法來測定它們的結(jié)構(gòu)。相干衍射成像(CDI)方法是近年來發(fā)展起來的一種新穎的無透鏡顯微成像技術(shù)，在材料、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的二維和三維成像中具有重要的應(yīng)用。4.1相干X射線衍射成像基本原理當(dāng)一束相干或者部分相干的X射線穿透樣品時，其波前受到調(diào)制在不同厚度或者折射率突變的地方發(fā)生傳播方向的改變，透過樣品后X射線在遠(yuǎn)場區(qū)域遵循夫瑯和費(fèi)衍射原理，像面上探測到的衍射花樣的強(qiáng)度連續(xù)分布，結(jié)合過采樣理論采集衍射場分布，然后將采樣得到的連續(xù)強(qiáng)度分布代入相位重建算法，重建丟失的相位信息就可以獲得樣品的重構(gòu)圖像。過采樣得到的相位重建算法圖4.1相干X射線衍

14、射成像原理圖而相位重建主要依靠傅里葉變換。在物空間，假定物函數(shù)為f(x,y)，其傅里葉變換為:4.1)F(u,v)=|F(u,v)|expL(u,v)=fff(x,y)exp匸2兀i(ux+uy)dxdygg機(jī)u,v)是傅里葉頻譜的相位分布函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，只有衍射場的強(qiáng)度可以被探測到，即|F(u,v)|2,而相位信息機(jī)u,v)丟失了，這就是所謂的相位問題。4.2相干X射線衍射三維成像三維相干X射線衍射成像是最新的技術(shù)，其結(jié)構(gòu)主要包括針孔、光鑭、旋轉(zhuǎn)樣品臺、CCD探測器，如圖4.2所示。通過旋轉(zhuǎn)樣品，獲得樣品在一系列不同角度下的衍射圖樣。對衍射圖樣進(jìn)行二維圖像重建，然后采用斷層掃描重建算法實(shí)現(xiàn)二

15、維重建圖像的三維重建。二相位恢復(fù)針孔光嬲圖4.2相干X射線衍射三維成像原理圖二維重建匡像三維亜4.3相干X射線衍射成像的相關(guān)應(yīng)用與新進(jìn)展作為X射線晶體學(xué)的發(fā)展和延伸，該技術(shù)無需對樣品進(jìn)行結(jié)晶，能夠?qū)Ψ蔷w材料進(jìn)行高分辨成像，具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來利用相干X射線衍射成像技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了病毒、細(xì)菌、細(xì)胞、骨組織等生物樣品的二維或三維高分辨、高襯度成像。2003年，利用平面波相干X射線衍射成像首次實(shí)現(xiàn)了生物樣品大腸桿菌的成像。而后，2009年，Nishino等利用平面波相干X射線衍射成像實(shí)現(xiàn)了染色體的三維成像。隨著CDI成像技術(shù)的發(fā)展，將其他分析方法同CDI成像方法相結(jié)合成為該技術(shù)發(fā)展的一個熱點(diǎn)。

16、原位定量成像在材料研究中占有非常重要的地位,能夠?qū)⒉牧系奈⒔Y(jié)構(gòu)，如形貌元素分布等與材料的性能一一對應(yīng)起來，從而更加真實(shí)地反映材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。2008年將光譜學(xué)方法同CDI成像相結(jié)合,首次在納米尺度實(shí)現(xiàn)了對摻雜在硅單晶中秘元素的分布成像和定量分析。結(jié)論本文主要是分析了X射線衍射成像技術(shù)的理論基礎(chǔ)以及一些發(fā)展應(yīng)用情況。自從X射線發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們根據(jù)X射線的一些特點(diǎn)發(fā)展了X射線衍射技術(shù)，而其具有無損、快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的用途，特別是用于材料、化學(xué)、醫(yī)藥、檢測等方面。同時，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)展出了相干X射線衍射成像技術(shù)，檢測成像技術(shù)也由一維到二維再到三維發(fā)展。隨著X射線衍射成像

17、技術(shù)的發(fā)展，也將會推動材料、醫(yī)學(xué)等方面的大大進(jìn)步，推動科學(xué)進(jìn)步，造福人類。參考文獻(xiàn)呂乃光傅里葉光學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.3JosephW.Goodman,秦克誠.傅里葉光學(xué)導(dǎo)論M,北京：電子工業(yè)出版社,2011.5G.Harding.X-raydiffractionimagingAmulti-generationalperspectiveJ.AppliedRadiationandIsotopes,2009,67：287-295MohamedH.Abdelkader,ShymaM.Alkhateeb,DavidA.Bradley,SilviaPani.Developmentandc

18、haracterizationofalaboratorybasedX-raydiffractionimagingsystemformaterialandtissuecharacterizationJ.AppliedRadiationandIsotopes,2012,70：1325-1330范家東,江懷東.相干X射線衍射成像技術(shù)及在材料學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用J.物理學(xué)報(bào),2012,61(21)：218702周光照,王玉丹,任玉琦,陳燦,葉琳琳,肖體喬.相干X射線衍射成像三維重建的數(shù)字模擬研究J.物理學(xué)報(bào),2012,61(1):018701S.Milita,Y.LeTiec,E.Pernot,L.DiCioccio,J.Hartwig,J.Baruchel,M.Servidori,F.Letertre.X-raydiffractionimaginginvestigationofsiliconcarbideoninsulatorstructuresJ.AppliedPhysicsA,2002,75：621-627