八面玲珑的X光探针：X射线显微成像术之全场显微成像

图1 全场透射X射线显微成像光路.光源(A)；多毛细管透镜(B)；带针孔的样品(C)；波带片(D)；探测器(E) ^[1]

如上图1，在实验室全场透射X射线显微成像系统中，我们通常使用高亮实验室光源（液态金属流或者转靶光源）替代造价昂贵且不易或者的同步辐射光源，单、多毛细管可以作为X射线聚光器使用，它能够有效收集点源的X射线，并将它们聚焦到样品平面，如上图1所示。后端再搭配高效率菲涅尔波带片与高分辨率相机，可以在实验室条件下达到亚微米级别的空间分辨率^[1]。

在这里我们不得不提到，一位让全场透射X射线显微成像技术走向实验室的关键人物- 云文兵博士。 作为实验室X射线系统供应商Sigray（现为应用材料所有）和X射线显微镜公司Xradia（现为蔡司所有）的创始人，他在上世纪六七十年代内蒙古的一个农牧小村庄里长大。在1986年，云博士在纽约州立大学石溪分校物理系完成了学习，并获得了相干x射线衍射成像的博士学位。毕业后他先加入阿贡国家实验室，随后进入劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源。云博士在2000年成立Xradia，致力于为半导体制造商开发实验室X射线显微镜。2013年夏天，卡尔蔡司收购了Xradia。2026年美国Applied material收了Sigray^[2]。

图2 云文兵：X射线成像的先驱，Sigray和Xradia的创始人。(Sigray)

多毛细管X光透镜作为聚光器的核心优势在于：其独特的由数十万根独立毛细管构成的微通道阵列结构能够实现类科勒式均匀照明，避免光源结构投影到样品上；支持多角度照明，可通过调节光束截止器来轻松实现明场与暗场双模式成像；对光源空间相干性要求低、易于与常规实验室X射线源配合使用。其主要劣势表现在：多毛细管与后端波带片的数值孔径难以完美匹配，导致部分光线无法参与成像而造成损失；无法遵循透镜方程将光源能量极致压缩，样品平面的峰值辐射密度低于精密设计的单毛细管系统；多次反射导致的光束相干性破坏，使其在支持高级定量相位成像方面存在局限^[3-4]。

如上图1，2015年来自德国科布伦茨应用技术大学、柏林工业大学和马克斯·玻恩研究所的研究团队成功搭建了具备明场和暗场成像能力的实验室8keV全场透射X射线显微镜，使用30W低功率铜靶微焦点光源（50μm），以多毛细管X光透镜作为聚光器，菲涅尔波带片作为成像物镜，直接探测CCD相机（像素20μm×20μm）作为成像探测器。如下图3展示了系统分辨率的测量结果，通过测试128扇区西门子星的X射线明场图像（260倍放大，77 nm/像素，曝光380分钟），测量特定区域强度从10%到90%的变化距离，结果显示边缘扩展为210nm，即系统空间分辨率达210nm。虽然所用波带片理论分辨率为61nm，但实测210nm表明当前分辨率主要受限于探测器像素和系统匹配，而非物镜本身[2]。对于系统改进方面作者提到，如果使用微焦转靶高亮X射线源，预计暗场成像的曝光时间将缩短至10分钟甚至更短。 结合高亮光源，并使用空间分辨更高的透镜耦合X射线相机，能将分辨率提升至61nm左右^[3]。

图3.在260倍放大倍率下拍摄西门子星的亮场图像，曝光时间380分钟(a)；通过边缘锐度评价成像分辨率，空间分辨率大约210 nm(b).

如下图4，2016年来自德国尤利乌斯-马克西米利安-维尔茨堡大学和弗劳恩霍夫X射线技术开发中心的研究团队使用液态金属流高亮X射线光源、众星联恒合作伙伴美国XOS制造的多毛细管X光透镜作为聚光器，波带片和透镜耦合高分辨CMOS相机搭建了一套9.25 KeV的全场X射线显微镜。

图4 实验室研制的 X 射线显微镜的单个部件示意图（从左至右）：A）液态金属X射线源，B）锌箔，C）聚光器，D）针孔，E）样品，F）菲涅尔波带片，G）真空管，H）探测器

为了测试系统的性能，研究人员测试了众星联恒合作伙伴德国Mciroworks公司使用LIGA技术制作的2.4微米周期，15微米金高的光栅，和通过聚焦离子束在1.5微米金箔上自制的1-3微米线对。并通过光栅边缘拟合，得到了如下图5的边扩展函数和MTF曲线。该系统在 10% 对比度下，分辨率可达 1400 lp/mm（对应空间波长 714 nm）。

图5 沿光栅边缘做曲线 (a)。红线为误差函数拟合曲线。对应的调制传递函数 MTF 曲线 (b)：在 10% 对比度下，分辨率可达 1400 lp/mm（对应空间波长 714 nm）。

与此同时作者提到后续工作的重点是将聚光镜改造并优化为单毛细管结构，以进一步提升光通量、保留更多成像亮度。在实现更优异的照明调控后，可通过加装相位板引入泽尼克相衬成像技术^[5]。

众所周知，X 射线光管光源上搭建全场透射 X 射线显微镜（TXM） 时，一方面会因菲尼尔色差导致图像模糊；另一方面，实验室光源固有光通量偏低，造成曝光时间过长。所以在保证较好的成像质量下，在之前的装置中都会在光源后加Zn等滤光片以获得准单能光。近期来自瑞士保罗谢勒研究所和中国科技技术大学的研究团队就将经过同步辐射性能验证的消色差菲尼尔波带片（新突破！复合折射透镜和菲涅尔波带片定制组合实现宽能量范围X射线复消色差聚焦）——引入到了实验室系统，旨在在保证分辨率的前提下，提高分析速度，并拓展分析维度^【4】。

图6 实验室消色差全场透射x射线显微镜示意图。系统关键部件之间的距离为：x射线源到样品的距离为400mm，样品到消色差透镜的距离为112mm，透镜到检测器的距离为3650mm。(b) 钨微焦点 X 射线管在管电压 50 kV、管电流 200 μA下的实测 X 射线能谱。(c) 单毛细管光学系统与消色差透镜结构示意图（参数：a=200 mm，b=0.42 mm，β=1 mrad，发散角θdiv=13.46 mrad，L1=9.5 mm，LC=10 mm，L2=280.5 mm）。(d) MÖNCH 像素探测器原理示意图，展示基于电荷共享的插值定位原理：入射 X 射线光子在像素 I内被吸收；电荷云扩散至 I–IV 四个像素，形成 2×2 像素簇 并被收集；随后通过插值算法，将入射光子的位置标定到虚拟亚像素级别。

如上图6所示，研究人员使用特制的单毛细管X光透镜、消色差X射线透镜及MÖNCH混合硅像素探测器（像素节距25微米）搭建了第一个实验消色差全场显微系统。在现有光学配置下，该全场透射 X 射线显微（TXM）系统在约 10 keV X 射线能量下，空间分辨率可达480 nm。与此同时作者提到后续工作的重点是：后续研究工作将聚焦于进一步提升单毛细管光学器件与消色差透镜的加工制备精度，以此提高全场透射 X 射线显微（TXM）系统的光利用效率并降低像差。此外，提升 MÖNCH 探测器的帧率、缩短成像采集时间也十分关键，可通过升级数据采集服务器实现。同时，搭建恒温防护腔体有望进一步抑制长时间曝光过程中的振动与热漂移影响。

此系统以便捷可及的实验条件，实现了结构表征与元素表征（探测器能量分辨能力）的一体化，为材料科学、环境科学及生物学领域的研究提供了新的研究途径与发展机遇^[6]。

图7 采用消色差透镜拍摄的众星联恒合作伙伴XRnanotech测试卡原始图像。该测试标板包含六组线条结构，线宽范围为 400 nm～800 nm。(b) 以 5μm 分块插值后的图像，即将原始像素进一步划分为 5×5 亚像素。

众星联恒作为一家专业的极紫外、X射线核心部件及解决方案提供商，我们提供在全场显微X射线成像中各种核心部件，如：高亮X射线源、聚光器、菲尼尔波带片、X射线CCD相机、高分辨透镜耦合相机和光子计数、像素化X射线探测器等。目前我们已储备一定规模的EUV与X射线相关设备与核心部件库存，具备快速交付能力，以更好的服务我们的用户。同时我们创建了设施完善的X射线开放实验室，配备了多套先进的X射线光源系统、光学元件以及探测器，可支持包括X射线成像、相衬成像、衍射分析、荧光检测以及X射线源性能表征在内的多样化的测试、预研和论证工作。

我们是一群对于极紫外、X射线技术充满热情的团队，如果你有任何疑问想要和我们交流、探讨，不要犹豫请直接联系我们。

1. Baumbach S, Kanngießer B, Malzer W, et al. Setup of an 8 keV laboratory transmission x-ray microscope. Journal of Physics: Conference Series. 2014, 499(1): 012005.

2. https://analyticalscience.wiley.com/content/news-do/wenbing-yun-life-inspired#media-2

3. Baumbach S, Kanngießer B, Malzer W, et al. A laboratory 8 keV transmission full-field x-ray microscope with a polycapillary as condenser for bright and dark field imaging. Review of Scientific Instruments, 2015, 86(8).

4. Korecki P, Sowa K M, Jany B R, et al. Defect-assisted hard-x-ray microscopy with capillary optics. Physical Review Letters, 2016, 116(23): 233902.

5. https://pubs.aip.org/aip/acp/article/1696/1/020025/814106/Laboratory-source-based-full-field-x-ray

6. Qu, Di, et al. "Achromatic laboratory full-field transmission X-ray microscope." Photonics Research 14.2 (2026): 392-400.