[论文解读] Sub-micrometer resolution neutron tomography

B. Heacock, Dusan Sarenac+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2018

Nuclear Physics and Applications参考文献 34被引用 5

一句话总结

本文提出一种中子层析成像技术，通过结合中子衍射测量、相位恢复与层析重建，实现了亚微米级空间分辨率（约300 nm）。利用双晶衍射仪从硅相位光栅获取角度依赖的衍射光谱，该方法绕过了位置敏感探测器的分辨率限制，实现了对周期性纳米结构的高分辨率、非破坏性成像。

ABSTRACT

We demonstrate a neutron tomography technique with sub-micrometer spatial resolution. Our method consists of measuring neutron diffraction spectra using a double crystal diffractometer as a function of sample rotation and then using a phase retrieval algorithm followed by tomographic reconstruction to generate a density map of the sample. In this first demonstration, silicon phase-gratings are used as samples, the periodic structure of which allows the shape of the gratings to be imaged without the need of position sensitive detectors. Topological features found in the reconstructions also appear in scanning electron micrographs. The reconstructions have a resolution of about 300 nm, which is over an order of magnitude smaller than the resolution of radiographic, phase contrast, differential phase contrast, and dark field neutron tomography methods. Further optimization of the underlying phase recovery and tomographic reconstruction algorithm is also considered.

研究动机与目标

• 克服中子位置敏感探测器的空间分辨率限制（~20 µm），以实现亚微米级成像。
• 开发一种利用傅里叶空间衍射数据而非直接强度测量的中子层析成像方法。
• 通过中子衍射光谱的相位恢复，实现对周期性纳米结构（如硅相位光栅）的高分辨率成像。
• 实现对难以用传统技术（如SEM）表征的纳米结构的非破坏性、大区域成像。
• 为未来三维层析成像及在磁性结构、电池电极等复杂材料中的应用奠定基础。

提出的方法

• 使用双晶衍射仪在样品绕多个角度旋转时测量中子衍射光谱。
• 应用相位恢复算法，从测量的傅里叶空间衍射数据中恢复实空间相位分布。
• 对恢复的相位数据进行层析重建，生成样品的二维密度图。
• 利用硅相位光栅的周期性结构简化相位恢复，因其均匀性可确保在中子相干长度（~35 µm）范围内衍射图案一致。
• 在相位恢复的去卷积步骤中使用高斯滤波器，滤波宽度根据测量光谱中的噪声特性进行调节。
• 将重建相位图像的Radon变换作为算法优化的输入，利用数字模型的FFT功率谱验证重建保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 中子层析成像能否通过利用衍射数据而非位置敏感探测器实现亚微米级分辨率？
• RQ2 从中子衍射光谱中进行相位恢复在多大程度上能重建出如硅相位光栅等纳米结构的真实形状与周期性？
• RQ3 与传统的中子成像技术（如放射照相、相位对比或暗场层析成像）相比，该方法的分辨率如何？
• RQ4 相位恢复与层析重建流程是否可优化以提高图像保真度并减少伪影？
• RQ5 该方法在三维成像及其它散射技术（如SANS或极化中子散射）中的潜在扩展性如何？

主要发现

• 该方法实现了约300 nm的空间分辨率，比传统中子成像技术高出一个数量级以上。
• 硅相位光栅的重建相位图显示出与扫描电子显微镜图像中观察到的拓扑特征高度一致，验证了重建的准确性。
• 该技术是非破坏性的，能够对大区域的周期性纳米结构进行成像，与需要样品劈裂的SEM形成对比。
• 分辨率并非受限于探测器分辨率，而是受限于中子相干长度（~35 µm），表明未来通过使用更高相干性的束流或位置敏感探测器可进一步提升性能。
• 从中子衍射数据中进行相位恢复可实现对周期性约100 nm的特征成像，经与SEM对比得到验证。
• 通过在多个轴上旋转样品或利用SANS的固有二维衍射数据，该方法可扩展至三维层析成像，适用于磁性结构与生物结构等应用。