20-ID HEXM是APS-Upgrade的兩條“長”光束線之一（下圖3）。使用35-120keV之間的能量，它將能夠在許多可控條件下以高分辨率對材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。研究將揭示材料在形成過程中的微小缺陷，有助于提高從飛機(jī)發(fā)動機(jī)到太陽能電池等部件的耐用性。

HEXM是終極的“放大-縮小”顯微鏡。使用它，科學(xué)家可以研究大到一厘米的材料（代表整體行為），并逐步放大到晶粒尺度乃至原子尺度進(jìn)行研究。這可以在不破壞材料的情況下對幾乎所有材料進(jìn)行分析?；旧?，它將使研究人員能夠在更大的范圍內(nèi)尋找更小的問題。

HEXM光束線的關(guān)鍵特性包括一個600英尺長的超導(dǎo)波動器、高分辨率單色儀、光束聚焦和擴(kuò)展光學(xué)系統(tǒng)以及位于LBB內(nèi)的大型終端站（20-ID-E）。當(dāng)與升級后的高度相干X射線源結(jié)合時，可以通過直接光束和衍射光束成像技術(shù)測量大樣品。這些技術(shù)利用了基于透鏡和無透鏡成像模式。

其中D4探測器系統(tǒng)配備4臺由眾星聯(lián)恒合作伙伴加拿大KAimaging公司生產(chǎn)的非晶Se高分辨X射線探測器-BrillianSe，如下：

BrillianSe將用于收集高能X射線（ >50 keV）的布拉格相干衍射（Bragg coherent diffraction imaging (BCDI)）信號，科學(xué)家們目前使用BCDI來揭示晶體的納米級特性，包括應(yīng)變和晶格缺陷。

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)物理光子源探測器物理小組負(fù)責(zé)人Antonino Miceli博士之前講到：

“對于相干衍射成像（CDI），微米級像素的非晶硒CMOS探測器將專門解決大體積晶體材料中納米級晶格畸變在能量高于50 keV的高分辨率成像。目前可用的像素相對較大的（?55μm像素），基于medipix3芯片光子計(jì)數(shù)、像素化、直接探測技術(shù)無法輕易支持高能布拉格條紋的分辨率，從而使衍射數(shù)據(jù)不適用于小晶體的3D重建?！?/p>

在這兩種情況下，金納米晶體在高相干x射線束下以微小的增量旋轉(zhuǎn)。使用APS目前可用的x射線能量進(jìn)行BCDI實(shí)驗(yàn)，可以得到定義明確的衍射花樣，如圖(a)所示。使用相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置和APS- u后可用的高能x射線，衍射花樣變得像素化，如圖(b)所示。圖來自S. Maddali等人，“高x射線能量下Bragg相干衍射成像的相位檢索”，圖來自 Phys. Rev. A 99, 053838 (2019). ?2019 American Physical Society.

近30年中發(fā)展的相干性X射線衍射成像的技術(shù)，它是針對晶體樣品進(jìn)行成像的擴(kuò)展技術(shù)。實(shí)驗(yàn)需測量三維倒易空間中布拉格峰附近的衍射強(qiáng)度，然后通過相位還原算法成像。用以表征納米結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，應(yīng)變，缺陷和疇結(jié)。

2024年12月來自瑞士、德國、英國、美國和日本的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表了一片名為“X-ray linear dichroic tomography of crystallographic and topological defects” 的文章。

文章介紹了X射線線性-二向色取向?qū)游龀上窦夹g(shù)X-ray linear dichroic orientation tomography (XL-DOT)定量、非侵入式表征技術(shù)，該技術(shù)可在三維空間中，對擴(kuò)展多晶和非晶材料進(jìn)行晶粒內(nèi)和晶粒間表征。

同時還對生產(chǎn)硫酸的關(guān)鍵催化劑-五氧化二釩vanadium pentoxide (V2O5)多晶樣品的詳細(xì)表征。研究人員以73nm空間分辨率，確定了整個多晶樣品的納米尺度成分、微觀結(jié)構(gòu)和晶體取向。還識別和表征了晶粒，以及轉(zhuǎn)角、傾角和孿晶晶界。進(jìn)一步觀察到體積晶體缺陷的存在，促進(jìn)了拓?fù)淙毕莸漠a(chǎn)生和湮滅。

這種成像方法的非侵入式和光譜性質(zhì)，有望助力于功能材料（包括能量、力學(xué)和量子材料）的化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)研究。

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1. https://www.aps.anl.gov/APS-Science-Highlight/2020-04-27/the-aps-upgrade-will-enable-improved-bragg-coherent-diffraction

2. https://www-stg.aps.anl.gov/Feature-Beamlines/High-Energy-X-ray-Microscope

3. http://www.7e2lwy.cn/product/338-cn.html

4. https://www.aps.anl.gov/About/Welcome

5. https://www.nature.com/articles/s41586-024-08233-y