Японская команда реализовала фемтосекундный мягкий рентгеновский гиперспектральный микроскоп с синхронным получением пространственной и энергетической информации за один импульс

Японское агентство науки и технологий, Институт физико-химических исследований (RIKEN) и Токийский университет 21 августа объявили, что исследовательская группа, в состав которой вошли доцент Ёко Такэо и доцент Такаси Кимура из Института физики твёрдого тела Токийского университета, доцент Сатору Эгава из Исследовательского центра передовых наук и технологий Токийского университета, а также руководитель группы Центра SPring-8 RIKEN Макина Яхаси, успешно разработала и реализовала фемтосекундный мягкий рентгеновский гиперспектральный микроскоп. Результаты были опубликованы 20 августа в американском научном журнале Optica.

Данная технология использует одиночный импульс мягкого рентгеновского излучения рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) и позволяет одновременно регистрировать спектры мягкого рентгеновского излучения, прошедшего через различные участки образца, обеспечивая синхронное получение пространственной и энергетической информации за одну съёмку. Исследовательская группа отмечает, что этот метод преодолевает ограничения традиционных измерений, в которых трудно одновременно достичь высокого пространственного и энергетического разрешения, и предоставляет новый инструмент наблюдения для анализа быстрых и неоднородно изменяющихся образцов.

В конструкции системы исследовательская группа объединила ахроматический микроскоп на основе зеркал Вольтера с вновь изготовленной многоапертурной дифракционной решёткой. Зеркала Вольтера позволяют увеличивать изображение мягкого рентгеновского излучения в широком диапазоне энергий, а многоапертурная дифракционная решётка, интегрирующая 417 микродисперсионных элементов, разделяет увеличенное двумерное изображение на множество пространственных каналов и синхронно регистрирует спектральную информацию каждого канала на двумерном детекторе. Благодаря такой структуре исследователи могут накладывать информацию о поглощении в различных положениях и при различных энергиях на микроскопическое изображение для анализа пространственных различий состава и химического состояния внутри образца.

Для проверки данной технологии исследовательская группа провела эксперименты на линии мягкого рентгеновского излучения BL1 установки рентгеновского лазера на свободных электронах SACLA в научном парке Харима префектуры Хёго. Результаты показали, что система способна визуализировать спектральные флуктуации и пространственную неоднородность пучка XFEL между различными импульсами. Исследователи также использовали плёнку нитрида кремния в качестве образца и с помощью одиночного импульса с длительностью менее 100 фемтосекунд зафиксировали изменения спектра пропускания, вызванные наличием или отсутствием образца вблизи края поглощения кремния.

Исследовательская группа считает, что данный результат может служить базовой технологией для высокоскоростной мягкой рентгеновской спектральной визуализации без сканирования и в будущем может найти применение для локального анализа материалов и устройств, изучения каталитических реакций и процессов деградации, визуализации химического состояния биологических образцов, а также для диагностики пучка в экспериментах на XFEL. Дальнейшие исследования будут направлены на повышение пропускной способности источника излучения, характеристик детекторов и спектральных элементов, а также на дальнейшее развитие возможностей фемтосекундной пространственно-временной визуализации.