Физики БФУ им.И.Канта провели исследования в области фазово-контрастной микроскопии с использованием специального оптического устройства

28-30 ноября сотрудниками МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок Мегасайенс» БФУ им. И. Канта были проведены исследования в области высокоразрешающей рентгеновской фазово-контрастной микроскопии с использованием параболических аксиконов. Поданный лабораторией проект по развитию нового метода рентгеновской фазово-контрастной микроскопии «X-ray phase contrast microscopy technique using a parabolic refractive axicon lens» (MI-1350) прошел международный конкурсный отбор, и был поддержан Европейским Центром Синхротронного Излучения (ESRF, Grenoble, France). Следует отметить, что эта заявка была одной из последних, принятых перед закрытием синхротронного центра на 2-х летнюю модернизацию, что подтверждает актуальность и востребованность рентгеновских когерентных методов визуализации на новейших рентгеновских источниках.

Сегодня рентгеновская микроскопия на основе составных преломляющих линз является одним из наиболее информативных рентгеновских методов исследования. Метод используется для неразрушающей визуализации особенностей внутренней структуры объектов, и позволяет получить их увеличенные изображения с высоким пространственным разрешением (до нескольких десятков нанометров). Основной вклад в формирование контраста получаемых изображений обусловлен поглощением, что создает некоторые ограничения для наблюдения, например биологических образцов, а также объектов состоящих из легких материалов имеющих небольшую плотность. Такие образцы почти полностью прозрачны для жесткого рентгеновского излучения, и являются практически невидимыми.

Разработка методов, позволяющих увидеть мельчайшие детали таких объектов или структур является основным направлением развития современной рентгеновской визуализации. Сотрудники университета предложили и протестировали способ фазово-контрастной рентгеновской микроскопии, позволяющий существенно расширить возможности традиционного метода. Основная идея нового подхода заключается в применении специального оптического устройства – рентгеновского аксикона, способного градиентно изменять фазу рентгеновских волн прошедших через исследуемый образец. В этом случае формирование контраста изображений обусловлено не только поглощением рентгеновского излучения, но и дополнительным механизмом, основанным на эффекте интерференции рентгеновских волн, преобразованных аксиконом.

Предложенный способ фазово-контрастной микроскопии с использованием параболических аксиконов был продемонстрирован на станции ID13 Европейского Центра Синхротронного Излучения (ESRF). В результате проведенных экспериментов получены изображения различных микроструктур методом традиционной рентгеновской микроскопии, а также с применением нового фазово-контрастного подхода. Как отмечают сотрудники университета, при использовании аксиконов, контраст изображений большинства исследуемых образцов был значительно усилен, достигая в некоторых случаях шестикратного увеличения. Стоит отметить, что экспериментальная станция ID13 (ESRF), на которой проводились эксперименты, была выбрана неслучайно. Ее длина составляет около ста метров, что обеспечивает высокую пространственную когерентность излучения, необходимую для полноценного тестирования фазово-контрастных методов исследования.

Заявка на тестирование нового метода рентгеновской фазово-контрастной микроскопии была поддержана Европейским Центром Синхротронного Излучения (ESRF) и Министерством образования и науки Российской Федерации (договор № 14.Y26.31.0002).
 

Анатолий Снигирев, директор МНИЦ, БФУ им. И. Канта:

«У нашей лаборатории есть серьезный научный задел в области когерентной рентгеновской оптики, включающей в себя не только создание новых видов оптики и устройств на их основе, но и развитие уникальных методов диагностики материалов. Например, ранее нами был предложен оптический элемент – рентгеновский преломляющий параболический аксикон, оптические свойства которого за короткое время нашли применение в методе рентгеновской фазово-контрастной микроскопии, разработанном с учетом предельных оптических характеристик современных источников рентгеновского излучения. Сегодня, развитие новых интерференционных методов особенно актуально, ввиду активного строительства когерентных источников синхротронного излучения, открывающих дополнительные возможности рентгеновской микроскопии, например для наблюдения сверхбыстрых процессов, протекающих в различных материалах, включая биологические объекты, на микро- и нано-уровне. Стоит отметить, что синхротронные источники четвертого поколения совсем скоро появятся в России».

Дмитрий Зверев, младший научный сотрудник МНИЦ БФУ им. И. Канта:

«Развитие рентгеновских фазово-контрастных методов является важной частью для улучшения изображений малоконтрастных объектов. Мы стремимся достичь предельных оптических характеристик наших устройств для полноценного их использования в когерентных высокоинтенсивных пучках новых рентгеновских источников. Я уверен, что предложенные методы исследования будут востребованы, так как они открывают новые возможности в материаловедении и в активно развивающихся биомедицинских приложениях. Полученные результаты послужат основой для серьезной публикации, которая закрепит наш приоритет в этом направлении».

Александр Баранников, магистрант БФУ им. И. Канта:

«На примере данного проекта было интересно изучать новые возможности применения когерентной рентгеновской оптики - параболического аксикона. Также следует отметить, что эксперименты такого уровня позволяют улучшить исследовательские навыки и накопить уникальный опыт, что, несомненно, является крайне ценным для меня как магистру и будущему высококвалифицированному ученому».

Артем Хегай, магистрант БФУ им. И. Канта:

«Благодаря сотрудничеству между ESRF и Балтийским Федеральным Университетом им. И. Канта, мне выпал уникальный шанс побывать и поработать в Европейском центре синхротронных исследований. Это был мой первый опыт участия в исследованиях, проводимых на синхротроне в Гренобле. Ранее мне доводилось работать на Курчатовском синхротроне и на лабораторном рентгеновском оборудовании, но меня поразили масштабы, с которыми может проводиться научная работа на ESRF. Не каждому магистру удается поучаствовать в экспериментах такого уровня, и я благодарен лаборатории и университету за предоставленную возможность. Для меня это шанс заняться интересной научной задачей в рамках моего обучения в магистратуре и получить уникальный опыт, который пригодится для участия в проектах уровня «Мегасайенс».

Ссылка на оригинал статьи