高亮度液態(tài)靶X射線源
Excillum公司位于瑞典首都斯德哥爾摩，是一家致力于研發(fā)、生產(chǎn)超高亮度微焦斑X射線光源的公司。經(jīng)過十余年的研發(fā)與改進，Excillum掌握了先進的液態(tài)金屬射流(MetalJet) X射線光源技術，這項新技術能夠帶來10倍于普通固體陽極X射線光源所發(fā)射的X射線通量（在相同焦斑面積上）。正因為液態(tài)金屬射流能夠承受更高功率電子束的轟擊，因而可以得到更高的X射線通量，傳統(tǒng)微焦斑X射線發(fā)生器中的固體金屬陽極正在被液態(tài)金屬射流所取代！
應用方向：成像、散射/衍射、光譜學/熒光特性
產(chǎn)品特點
極高的微焦斑光源功率 可選的快門 穩(wěn)定的X射線強度和焦斑位置 LaB6長壽命陰極 集成防輻射屏蔽罩 友好的用戶圖形界面 | 可調(diào)的焦斑尺寸和長寬比 可調(diào)的出射角 可選的X射線雙出口 低維護成本 無需外接冷卻水 可遠程操作 |
主要參數(shù)
靶材：鎵（Ga）或銦（In）的合金 陽極類型：液態(tài)金屬射流 最高加速電壓：70 kV或160 kV 最大輸出功率：300 W或1000 W 最大管電流：4.3 mA / 6.25 mA | 最小焦斑直徑：約10 μm 光源強度穩(wěn)定性：<1%（標準偏差） 焦斑位置穩(wěn)定性：<1 μm 焦斑至樣品的最小距離：18 mm 發(fā)散角：13°/30° |
技術介紹
1、 液態(tài)金屬射流(MetalJet) X射線光源比常規(guī)固體金屬陽極光源能得到更高的X射線通量
常規(guī)固體金屬陽極 | 液態(tài)金屬陽極 |
2、功率負載能力
功率負載能力 所有電子轟擊型X射線發(fā)生器的X射線強度都受限于陽極材料的熱量承載能力。在傳統(tǒng)固體陽極技術中，為了避免陽極損壞,其表面的工作溫度必須遠低于靶材的熔點，因此靶材的各種物理性質(zhì)，如熔點、導熱系數(shù)等地限制了電子束功率的范圍。液態(tài)金屬陽極則大為不同，因為那些防止靶材熔化的措施都不須要了，這得益于靶材本身已處于熔化的狀態(tài)以及其不斷自再生的特點。完好如初的液態(tài)靶材以接近100m/s的速度在腔體內(nèi)循環(huán)。由于陽極不斷地自再生，電子束對靶材的損壞將微乎其微。 極高的亮度 某種程度上，微焦斑X射線發(fā)生器的功率承載能力大致與焦斑的直徑而不是面積成正比。因此，光源的亮度反比于焦斑的直徑。通過將極高的功率承載能力以及極小的電子束焦斑相結(jié)合，液態(tài)金屬射流X射線源能夠在微米級的焦斑上實現(xiàn)空前的高亮度。 |
3、液態(tài)金屬的X射線光譜
為了得到不同的X射線發(fā)射譜線，我們使用了不同的金屬合金。對于代的MetalJet光源，其特點在于靶材在室溫附近就已經(jīng)熔化。但為了得到多樣的特征譜線以代替現(xiàn)有的常規(guī)固體陽極，在將來我們還將開發(fā)更多種類的合金材料，即使它們的熔點會更高。 鎵(Ga)合金 目前可選的有富含鎵(Ga)的合金。其Kα發(fā)射譜線能量為9.2keV, 對應波長約為1.35 , 類似于銅靶的Kα波長。 銦(In)合金 同樣可選的還有富含銦（In）的合金。其Kα發(fā)射譜線能量為24.2keV，對應波長約為0.51 ，類似于銀靶的Kα波長 |
4、焦斑質(zhì)量和尺寸
焦斑質(zhì)量 歸功于先進的電磁聚焦、光路校正技術以及高亮度LaB6陰極，高質(zhì)量的電子束焦斑得以實現(xiàn)，將其與連續(xù)再生的光滑液態(tài)靶材表面相結(jié)合，整個光源便能產(chǎn)生超高質(zhì)量的X射線焦斑。 可調(diào)的尺寸 焦斑的尺寸與高寬比均可被自由調(diào)整 |
5、光源的穩(wěn)定性
光源有著相當高的空間穩(wěn)定性。圖為附加在光源上的針孔相機所拍攝的焦點位置分布圖，如其所示焦斑在24小時內(nèi)距中心的標準偏差在0.1μm以下。
應用案例測試數(shù)據(jù)發(fā)表文章用戶單位視頻
瑞典Excillum一直致力于研發(fā)、生產(chǎn)超高亮度微焦斑X射線光源。經(jīng)過十余年的研發(fā)與改進，Excillum掌握了先進的液態(tài)金屬射流(MetalJet) X射線光源技術，這項新技術可以在散射/衍射、X射線光譜學/熒光學、X射線成像等應用領域?qū)崿F(xiàn)多方位應用。
■ 散射/衍射
1. 生物學
南洋理工大學(Nanyang Technical University)、A*STAR、路易斯維爾大學(University of Louis-ville)、羅莎琳德富蘭克林醫(yī)藥科學大學(Rosalind Franklin University of Medicine and Science)和慶熙大學(Kyung Hee University)的研究人員利用配備了MetalJet的SAXS儀器，研究了Bcl- xL蛋白。蛋白質(zhì)在使用溫和的洗滌劑處理后研究了由螺旋α6-α8兩單體之間的三維區(qū)域交換產(chǎn)生的二聚體的形成。
[Ref.] Sci. Rep. 5, 10609 (2015), S. Rajan, M. Choi, Q. T. Nguyen, H. Ye, W. Liu, H. T. Toh, C. B.Kang, N. Kamariah, C. Li, H. Huang, C. White, K. Baek, G. Gru?ber, H. S. Yoon
2. 小分子晶體學
錫（IV）化合物由于其生物活性而成為潛在的催化劑和藥物。為了理解這些化合物，蒙特利爾大學、契克安塔-迪奧普大學和勃艮第大學的研究者們使用金屬射流X射線源(MetalJet)測定了50 μm [Sn(C2O4)Cl3(H2O)].(C4H7N2)晶體的晶體結(jié)構(gòu)。
? 晶粒尺寸: 0.05 x 0.04 x 0.04 mm3 ?R1 = 6.2%
[Ref.] Acta Cryst. 2015. E71, 520–522, M. B. Diop, L. Diop, L. Plasseraud, T. Maris
■ X射線光譜學/熒光學
1.基于金屬射流源的高精度Maia Mapper實驗室級X射線熒光成像系統(tǒng)
Maia探測器陣列初用于同步加速器高分辨率x射線熒光成像。目前，得益于金屬射流x射線源的高亮度、嚴格的發(fā)射調(diào)節(jié)和良好的光譜擬合，這項技術也可以在緊湊的實驗室中使用。
研究人員將一個多壁毛細管透鏡裝配在MetalJet光源上，可以在樣品處提供32 μm的焦點，同時利用長距離平移臺，可以在較大范圍的區(qū)域內(nèi)對樣品進行高分辨率掃描。由于高亮度的液態(tài)金屬射流X射線源和光學系統(tǒng)中的高通量增益，使得曝光時間非常的短。
巖心樣品的例子顯示了該方法同時識別多種元素的潛力，圖中有涉及鈣、鐵、錳、銣、鍶和金。
RGB圖像如圖所示，分別為Ca-Fe-Mn (a)和Rb-Sr-Mn (b)，其中Au-Fe-Ca圖像的插圖突出了區(qū)域內(nèi)的細節(jié)，并帶有罕見的顆粒和光譜。
參考文獻：C.G. Ryan, et al., “Maia Mapper: high definition XRF imaging in the lab”, J. Instrum. (2018).
2. 具有光譜匹配納米顆粒的高空間分辨率X射線熒光層析成像
通過將多層Montel反射鏡對準金屬射流源，可以產(chǎn)生具有低發(fā)散的半單色100微米窄光束。這是在斯德哥爾摩理工學院實施的，目的是利用光束作為激發(fā)物，對小鼠進行X射線熒光成像。作為對比劑，向小鼠注射鉬納米粒子，這些鉬納米粒子被動地針對腫瘤，但也出現(xiàn)在其他器官中。
該裝置在樣品后面有一個探測器，用于測量透射，在側(cè)面有一個探測器，用于測量熒光，以及放置在運動臺上的物體。物體的平移和旋轉(zhuǎn)允許通過逐點采集進行斷層掃描，然后進行迭代重建，以獲得鼠標中納米顆粒的定量三維分布。本實驗具有采集時間短、輻射劑量小、納米粒子劑量小等優(yōu)點，使體內(nèi)實驗成為可能。
同時獲得常規(guī)CT三維重建與x射線熒光信號的疊加。這些圖像顯示了一只離體小鼠及其器官中的納米顆粒濃度。該方法所提供的定量結(jié)果與電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測量結(jié)果吻合較好。
[Ref.] C. Larsson, et al., “High-spatial-resolution x-ray fluorescence tomography with spectrally matched nanoparticles”, Phys. Med. Biol. (2018).
3. 基于液態(tài)金屬射流源的共聚焦微x射線熒光光譜
一個帶有聚焦光學的裝置同時用于用于激勵和檢測，并且在共焦排列中，允許三維光譜成像，因為熒光和光學的綜合效益變得非常低，這類實驗傳統(tǒng)上是在同步加速器上進行的。當在傳統(tǒng)的固體陽極源上進行時，典型樣品的掃描時間往往是幾天甚幾周。
德國柏林工業(yè)大學的研究人員正在研究共焦微X射線熒光光譜。該裝置基于配備X射線聚焦透鏡光學器件的金屬射流源。將9.25和10.27 kev下的鎵發(fā)射線聚焦到31μm的焦點上，該焦點用于激發(fā)樣品中的X射線熒光。熒光由第二個聚焦透鏡收集并用分光計檢測。實例表明，該器件為一系列元件提供了高空間分辨率和高對比度靈敏度。
虛擬的一片小米種子的共聚焦x射線熒光圖像。顏色顯示元素的濃度。立體像素大小33x37x37 μm3
[參考] L. Bauer, et al., “Confocal micro-X-ray fluorescence spectroscopy with a liquid metal jet source”, J. Anal. At. Spectrom. (2018)
■ X射線成像
1. 高分辨率斑馬魚肌肉X射線同軸相襯成像(PBI)斷層掃描
利用MetalJet液態(tài)靶X射線源，對一條未染色的斑馬魚進行PBI斷層掃描。實驗結(jié)果表明對于吸收襯度很低不好觀察的樣品，用MetalJet可獲得相對高對比度的結(jié)果，同時分辨率為亞微米。該方法為軟組織研究和小動物模型的亞細胞分辨率下的無創(chuàng)全身成像鋪平了道路，從而有助于深入了解肌肉疾病和評估干預措施。
W. V?gberg, et al., “X-ray phase-contrast tomography for high-spatial-resolution zebrafish muscle imaging“, Sci. Rep. 5. 16625 (2015).
2. 基于液態(tài)靶X射線源的光柵相襯成像
KTH和ETH/PSI的科學家聯(lián)合研究證明了在GBI中使用金屬靶X射線源的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的微焦斑光源相比，其顯著提高了光通量和圖像可見度。此外，在鼠身上的斷層掃描顯示了其生物醫(yī)學應用的初步探索。
基于MetalJet的GBI層析成像中相位對比度(A)和衰減對比度(b)切片的比較。該樣本是在液體石蠟浴中掃描的大鼠大腦。
Reproduced from T. Thüring, et al., X-ray grating interferometry with a liquid-metal-jet source, Appl. Phys. Lett. (2013) with the permission of AIP Publishing.
3. 基于高分辨率傳播的小動物肺部活體動態(tài)計算機斷層成像系統(tǒng)
通過在250W和15μm光斑尺寸下操作metaljet D2+，已經(jīng)證明相襯層析成像可用于活體小鼠的動態(tài)成像。在澳大利亞進行的研究工作中，時間分辨計算機斷層掃描被用來成像小鼠肺部的通氣情況。平板探測器只需18 ms的曝光時間就可獲得投影，從而在32 s內(nèi)進行完整的斷層掃描。這些非常短的曝光時間和受控的呼吸，使得直徑小于55-60微米的小氣道能夠動態(tài)成像。這種高質(zhì)量的肺部動態(tài)成像能夠確定肺部功能，甚在區(qū)域?qū)用嫔?。此外，高質(zhì)量的動態(tài)CT在醫(yī)學上還有許多其他的應用。
活體小鼠的時間分辨計算機斷層掃描（A）特寫區(qū)域（B）顯示了解剖特征。該方法顯示了0小時機械通氣（c）-（e）和2小時（f）-（h）后肺部空氣體積的差異
[Ref.] Image reprinted from M. Preissner et al., “High resolution propagation-based imaging system for in vivo dynamic computed tomography of lungs in small animals”, Phys. Med. Biol. (2018).
4. X射線顯微術
使用X射線光學是獲得極限分辨率的成熟方法。這種成像技術是自多年來在同步加速器上進行的，因為它們可以提供高亮度的單色光束。近幾十年來，以實驗室光源為基礎的光學X射線顯微鏡已經(jīng)上市，X射線光學限制了光譜的帶寬，因此需要高亮度和相對單色的X射線源。傳統(tǒng)的實驗室X射線顯微鏡通常使用大功率旋轉(zhuǎn)陽極源。這種裝置的缺點是高通量損失，因為光學器件的接受角將嚴格限制哪些輻射可以變得有用。一種金屬射流X射線源提供了一個尖銳的，高強度的Kα線，從一個小焦點發(fā)射鎵，使相當大比例的通量在光學裝置中有用。這種更高的亮度使廣泛的應用也可能在緊湊型光源上。
高分辨率光學x射線顯微鏡原理圖
利用基于液態(tài)金屬射流MetalJet D2源的X射線顯微鏡，可以分辨出西門子星狀測試圖內(nèi)部的周期性線狀，線狀和間隔為150 nm。以菲涅耳波帶片為物鏡拍攝。
[Ref.]C. Fella, et al., “Hybrid setup for micro- and nano-computed tomography in the hard X-ray range”, Rev. Sci. Instrum. (2017);
發(fā)表文章
High-Throughput Alloy Development Using Advanced Characterization Techniques During Directed Energy Deposition Additive Manufacturing, Adv. Eng. Mater. 2023, 25, 2300030
A Hydrogen Bonded Supramolecular Framework Birefringent Crystal, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62 ?In-Vitro Visualization of Thrombus Growth in Artificial Lungs Using Real-Time X-Ray Imaging: A Feasibility Study, Cardiovasc Eng Tech 13, 318–330 (2022)
Predicting the structural basis of targeted protein degradation by integrating molecular dynamics simulations with structural mass spectrometry, Nature Communications (2022) 13:5884
Exploration of the nonideal behavior observed in engineered, multilayer MgO/Ag/MgO photocathodes, J. Vac. Sci. Technol. A 39, 063202 (2021)
Image reprinted from M. Preissner et al., “High resolution propagation-based imaging system for in vivo dynamic computed tomography of lungs in small animals”, Phys. Med. Biol. (2018).
C.G. Ryan, et al., “Maia Mapper: high de?nition XRF imaging in the lab”, J. Instrum. (2018).
C. Larsson, et al., “High-spatial-resolution x-ray fluorescence tomography with spectrally matched nanoparticles”, Phys. Med. Biol. (2018).
L. Bauer, et al., “Confocal micro-X-ray fluorescence spectroscopy with a liquid metal jet source”, J. Anal. At. Spectrom. (2018).
A. Regoutz, et al., “A novel laboratory-based hard X-ray photoelectron spectroscopy system”, Rev. Sci. Instrum. (2018).
M. T?pperwien, et al., Three-dimensional mouse brain cytoarchitecture revealed by laboratory-based x-ray phasecontrast tomography, Sci. Rep. (2017).
C. Fella, et al., “Hybrid setup for micro- and nano-computed tomography in the hard X-ray range”, Rev. Sci. Instrum. (2017)
Fella, et al., “Hybrid setup for micro- and nano-computed tomography in the hard X-ray range”, Rev. Sci. Instrum. (2017)
M. Krenkel, et al., “Propagation-based phase-contrast tomography for high-resolution lung imaging with laboratory source“, AIP Adv. (2016).
W. V?gberg, et al., “X-ray phase-contrast tomography for high-spatial-resolution zebrafish muscle imaging“, Sci. Rep. 5. 16625 (2015).
T. H. Zhou, et al., “Speckle-based x-ray phase-contrast imaging with a laboratory source and the scanning technique“, Opt. Lett. (2015).
I. Zanette, et al., “X-ray microtomography using correlation of near-field speckles for material characterization“, PNAS (2015).
Reproduced from T. Thüring, et al., X-ray grating interferometry with a liquid-metal-jet source, Appl. Phys. Lett. (2013)
國內(nèi)部分用戶單位
東南大學、國科大杭州高等研究院、首都師范大學、復旦大學、中科院上海有機化學研究所、南京大學、西北大學、華南理工大學、中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所、香港大學、中山大學，上?？萍即髮W......
國外部分用戶單位
加州大學圣迭戈分校、巴塞爾大學、隆德大學、橡樹嶺國家實驗室ORNL、Diamond Light Source（UK）、亞利桑那大學、華盛頓大學、日本國立材料研究所（NIMS）......
