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為什麼直線加速器相干光源技術(LCLS)這麼厲害?快到可以拍下活細菌的 X 光照片?

2017年09月14日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 29 ℃ 次

【miaoyu的回答(29票)】:

XFEL-CDI這個研究方向正是我的博士研究課題,活體細胞這篇文章是美國LCLS與德國DESY的研究者他們合作完成的。於2015年年初發表在Nature Communications上面。要實現活體細胞/細菌成像,必須同時使用XFEL與CDI技術,XFEL的飛秒脈衝的優勢在這裡就顯現出來了。

上面說的LCLS其實都不準確,LCLS是美國SLAC下面X射線自由電子激光裝置的名字,就像日本的SACLA自由電子激光裝置,上海的SXFEL軟X射線自由電子激光裝置一樣。XFEL(X-ray free electron lasers)中文標準翻譯是X射線自由電子激光,是一種X射線,具有超高亮度、全相干、飛秒脈衝等特點。

XFEL是直線加速器中的電子束加速至接近光速,成為相對論電子,在波蕩器作用下產生正弦運動路徑,在運動軌跡切線方向產生同步輻射光,同步輻射光與電子束運動週期相同,於是得到相干疊加的光場,這種相對論電子束的能量被轉換為相干輻射的激光輸出,是一種「自放大自激發」(self-amplified spontaneous emission, SASE)方式,不同於傳統的激光中束縛電子的能級躍遷。產生的x射線具有超高亮度,全相干,飛秒脈衝等特性。理論上可用來進行原子級分辨率的成像,時間分辨研究(time-resolved),pump-probe研究等。

XFEL的產生機理如下圖:

圖 1 XFEL的產生機理示意圖

可參看文獻 Tetsuya Ishikawa, et al. Nat Photonics, 6 540 (2012) ;

P. Emma , R. Akre, et al. Nat Photonics, 4 641 (2010).

圖 2 XFEL相比於X射線發射管,一代同步(如兼用的北京正負電子對撞機),二代同步(合肥同步輻射國家實驗室),三代同步(如上海光源)的亮度對比

正因為XFEL這種全相干、高亮度、飛秒脈衝的特性,使得X射線能在活體細胞/細菌死亡前就能獲取衍射成像的信號。簡單的說,就是活體細胞的死亡是需要時間的,獲得信號所需的時間遠小於細胞死亡的時間。這種原理的說法便是「diffraction before destruction」.

除了採用XFEL作為光源外,實驗中採用的相干衍射成像方法(Coherent X-ray Diffraction Imaging,CDI或CXDI)必不可少。因為XFEL超高亮度的原因,X射線脈衝擊打在任何樣品上,都會使其最終離子化,樣品被損傷破壞了。因此,同步輻射上使用的CT技術,STXM等技術無法實現,只能使用無透鏡成像的相干衍射成像技術。相干衍射成像技術是在相干光照射下,遠場處獲得樣品的衍射圖樣,滿足過度取樣率條件下,採用相位恢復迭代算法重建出定量、高分辨、高襯度的時空間圖像。 CDI技術這一設想由D. Sayre於1980年提出,直到1999年世界上首次 CDI實驗才在美國NSLS 實現。具體的可以參照UCLA 的Jianwei Miao教授或者德國DESY Henry Chapman、英國UCL的Ian Robinson等大牛的研究文章。國內目前做的最好的便是山大的江懷東教授課題組,其他課題組也有在這方面摸索的,但目前都處於起步階段。

【馮聯華的回答(3票)】:

來自「Newton-科學世界」的微博的動圖(如上所示),基本清楚的解釋了該問題。來自「Newton-科學世界」的微博的動圖(如上所示),基本清楚的解釋了該問題。

1、生成X射線圖像需要用大量的X光子掃瞄目標物,其中部分X光子會被目標物吸收,物質對X光子的吸收水平因其密度和數量不同而異,通過分析穿過目標物的剩餘X光子的分佈(即X射線投影圖),可以得到目標物內部的結構情況。

2、常規X射線發射設備產生的X光線是左圖的形式:很多X光子分佈在較長的一段時間維度內,X光子的分佈密度較為鬆散,因此在短時間內不足以形成清晰的X射線投影圖,同時由於X光子的高能量會在短時間內殺死細菌,所以常規X射線發射設備無法拍攝活體細菌透視圖。

3、LCLS(直線加速器相干光源,動圖中右圖所示)可以將大量的X光子壓縮在非常短的一段時間維度內(即超短脈衝),因此可以在細菌被X射線殺死之前形成清晰的X射線投影圖,從而也就拍到了活體細菌透視圖。

上述動圖的微博網址:

weibo.com/1526829773/C4

標籤:-光學


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