[논문 리뷰] Microtomography on the ANATOMIX beamline at Synchrotron SOLEIL

T. Weitkamp, M. Scheel외 17명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 08.

Advanced X-ray Imaging Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 5에서 50 keV의 광자 에너지를 갖는 하드 X선 전장 미세단층촬영 및 나노단층촬영을 전담하는 소일(Synchrotron SOLEIL)의 ANATOMIX 비트라인을 제시한다. 이 비트라인은 투과 및 상쇄 간섭 기반 기법을 통해 20 nm에서 20 µm의 고해상도 영상 촬영을 가능하게 하며, 가변 빔 광학 및 고성능 검출기 덕분에 최대 40 mm 너비의 큰 샘플을 지원한다. 응용 분야는 재료 과학, 생의학 및 현장 내 연구에 이르기까지 다양하다.

ABSTRACT

The ANATOMIX beamline at Synchrotron SOLEIL, operational since 2018, is dedicated to hard X-ray full-field tomography techniques. Operating in a range of photon energies from approximately 5 to 50 keV, it offers both parallel-beam projection microtomography, in absorption and phase contrast, and nanotomography using a zone-plate transmission X-ray microscope. With these methods, the beamline covers a range of spatial resolution from 20 nm to 20 $μ$m, expressed in terms of useful pixel size. The variable beam size of up to 40 mm allows users to image large objects. Here we describe the microtomography instrumentation of the beamline.

연구 동기 및 목표

• 다양한 재료 및 생물학적 샘플의 고해상도 3차원 영상 촬영을 위한 SOLEIL에 전용 하드 X선 미세단층촬영 비트라인 개발.
• 흡수 및 상쇄 간섭 영상 모드를 제공하여 흡수율이 낮거나 연성 재료의 시각화를 향상.
• 가변 빔 집중 및 최대 37 m의 연장된 파고들기 거리 덕분에 최대 40 mm 너비의 큰 샘플 지원.
• 고속 회전 스테이지 및 고속 검출기를 사용한 현장 내 및 시간 해상도 연구 지원.
• 다양한 척도에서 효율적이고 고정밀 3차원 영상 촬영을 위한 고급 검출기 광학 및 재구성 파이프라인 통합.

제안 방법

• 고광도 X선를 공급하기 위해 진공 내부에 위치한 냉각된 크라이오닉스 작동 방식의 장거리 언듈레이터 소스(U18)를 사용.
• 에너지 선택을 위해 이중 결정 Si-111 단색화기(DCM) 및 향후 도입 예정인 이중 다층 구조 단색화기를 사용 (7–50 keV 범위).
• 샘플에서의 빔 크기 및 조도 밀도 제어를 위해 수평으로 집중되는 베릴리움 거울 및 굴절 렌즈 적용.
• 다양한 공간 해상도를 확보하기 위해 다수의 검출기 광학(0.48×에서 20× 확대) 및 고속 카메라(최대 2277 fps) 사용.
• 빠른 단층촬영을 위해 Flyscan 아키텍처를 통해 동기화되는 온더플라이 회전 스테이지(RT500S 및 RT150S) 적용.
• 빠른 고품질 3차원 부피 재구성의 위해 현지 5노드 클러스터에서 Paganin 필터 및 PyHST2 재구성 소프트웨어 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드 X선 미세단층촬영이 최소 20 nm의 고공간 해상도를 확보하면서도 넓은 시야를 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 미세단층촬영에서 소프트 텍스처 및 낮은 흡수율 물질의 대비를 향상시키기 위해 최적의 상쇄 간섭 영상 구성은 무엇인가?
• RQ3 비트라인 설계가 표준 및 초고속 단층촬영(초당 최대 20회 스캔)을 동시에 지원하여 동적 과정 연구에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ4 다양한 샘플 크기에서 필터링된 백색 빔 및 단색 빔을 사용한 전장 단층촬영의 성능 한계는 무엇인가?
• RQ5 미세 및 나노단층촬영 스테이션의 통합이 단일 실험 세션 내에서 상관 영상 촬영을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• ANATOMIX 비트라인은 나노단층촬영에서 최소 20 nm의 효과적 픽셀 크기, 미세단층촬영에서 130 nm의 효과적 픽셀 크기를 달성하여 다 척도 영상 촬영이 가능하다.
• 6.5 µm 픽셀 크기의 상쇄 간섭 기반 미세단층촬영은 37 mm 길이의 벽거북이 머리에서 근육 조직을 단 7분 내로 성공적으로 시각화했다.
• 0.3 mm 지름의 샘플에서 아랍산드라 탈리아나 씨앗의 단백질 저장 소포를 325 nm 픽셀 크기의 미세단층촬영 스캔으로 해상도를 확보했다.
• RT150S 고속 회전 스테이지 및 고속 pco.dimax HS4 카메라를 사용해 최대 초당 20회의 단층촬영 스캔을 지원한다.
• 5노드 컴퓨팅 클러스터에서 PyHST2 소프트웨어를 사용해 약 3분 내로 2048³ 볼륨 픽셀의 단층촬영 부피를 재구성했다.
• 동일한 샘플을 단일 세션 내에서 상관 미세·나노단층촬영 실험을 수행함으로써 비트라인의 연계 미세·나노단층촬영 능력을 입증했다.