Chcąc zbadać wewnętrzną strukturę próbki o wymiarach osyclujących w skali mikro, bardzo często sięga się po metodę tomografii komputerowej, która wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie i optykę polikapilarną. Nie jest ona jednak zawsze efektywna, nierzadko też może przysporzyć pewnych technicznych trudnośni - aby bowiem uzyskać model trójwymiarowy mikroobiektu, trzeba go obrócić oraz zeskanować jego powierzchnię. Ułatwieniem tego zadania zajęli się badacze z Instytutu Fizyki UJ oraz NCPS SOLARIS - Katarzyna M. Sowa i Paweł Korecki, którzy dzisiaj piszą o swojej nowej niekonwencjonalnej metodzie obrazowania tomograficznego.
Słysząc termin „promieniowanie rentgenowskie”, wielu z nas w pierwszej chwili myśli o zdjęciu rentgenowskim złamanej kończyny lub prześwietlaniu bagaży na lotnisku. Jednak nie zdajemy sobie sprawy z tego, że promieniowanie rentgenowskie jest powszechnie wykorzystywane nie tylko w medycynie, ale także przez naukowców do badania i opisu otaczającego nas świata. Za jego pomocą możliwe jest zarówno określanie składu pierwiastkowego przedmiotów, jak i obrazowanie mikropęknięć w różnych materiałach. Jednym z najpowszechniejszych zastosowań promieniowania rentgenowskiego jest tomografia mikroobiektów, mająca na celu badanie wewnętrznej struktury próbek i tworzenie trójwymiarowych modeli.
Promieniowanie rentgenowskie, nazywane też promieniowaniem X jest falą elekromagnetyczną, tak samo jak otaczające nas światło widzialne, mikrofale czy fale radiowe, jednak o znacznie wyższej częstotliwości, a więc i wyższej energii. W związku z tym, kontrolowanie go wymaga użycia specjalnych elementów optycznych, bardziej zaawansowanych niż zwykłe soczewki dla światła widzialnego. Jednym z rodzajów optyki wykorzystywanej do skupiania (ogniskowania) promieniowania X jest optyka polikapilarna (z greckiego poli [πολύ] – wiele). Polikapilara składa się z setek tysięcy mikrokapilar (bardzo cienkich rurek) ułożonych w heksagonalne struktury przypominające plastry miodu (Rys. 1.), w których promieniowanie X jest odbijane od ścianek w oparciu o zjawisko całkowitego zewnętrznego odbicia. Optyka tego rodzaju potrafi skupić promieniowanie rentgenowskie w jeden punkt o rozmiarach kilka razy mniejszych niż średnica ludzkiego włosa. Wiązka wychodząca z polikapilarnego elementu optycznego ma kształt bardzo wąskiego stożka. Niestety, pole widzenia takich wiązek jest bardzo małe i to właśnie sprawia, że obrazowanie tomograficzne z ich użyciem jest technicznie trudne i mało efektywne – oprócz obrotu próbki, wymagane jest także skanowanie jej powierzchni.
W laboratorium optyki rentgenowskiej optiXlab (Zakład Promieniowania Synchrotronowego, IF UJ) opracowaliśmy nową, niekonwencjonalną geometrię obrazowania tomograficznego z wykorzystaniem wielu bardzo wąskich stożkowych wiązek posiadających wspólne ognisko (są to tzw. wiązki konfokalne) [1]. Wiązki tworzone są przy pomocy sporządzonego przez nas złożonego elementu optycznego (Rys. 2.) bazującego na polikapilarach.
W jaki sposób działa ta metoda obrazowania? W pierwszej kolejności rozbieżne promienie pochodzące ze źródła rentgenowskiego (lampy rentgenowskiej) przechodzą przez pierwszą polikapilarę, która formuje je w wiązkę równoległą. Następnie promieniowanie to trafia w maskę, czyli folię wolframową, w której wykonano około tysiąca mikroskopowych otworków. Otworki przepuszczają tylko część tej równoległej wiązki, przez co uzyskuje się około tysiąca „mikroźródeł” rentgenowskich. Powstałe w ten sposób mikrowiązki skupiane są przez drugą polikapilarę w punkcie (ognisku) i oświetlają tam umieszczony obiekt jednocześnie, pod różnymi kątami.
Zastosowanie takiego układu eliminuje konieczność zmiany pozycji próbki podczas obrazowania i umożliwia uzyskiwanie ostrych obrazów prześwietlanych mikroobiektów w rozdzielczości nie możliwej do uzyskania przy użyciu konwencjonalnych elementów optycznych (około 0.5 µm). Eksperyment pilotażowy został przeprowadzony dla specjalnie przygotowanego fantomu tomograficznego, tj. szklanej kapilary (cienkiej rurki) wypełnionej kulkami szklanymi o średnicy 25 µm. Rysunek 3 (Rys. 3.) przedstawia porównanie pojedynczej projekcji z konwencjonalnego skanu tomograficznego (a) z projekcją wykonaną opracowaną przez nas metodą (b).
--------------------------------------------------------------------------
Metoda obrazowania tomograficznego wykorzystująca bardzo wąskie stożkowe wiązki może być używana na przykład w wysokorozdzielczym obrazowaniu obiektów biologicznych, dla których ważne jest zminimalizowanie otrzymanej dawki promieniowania (poprzez skrócenie czasu pomiaru). W przyszłości nasza metoda będzie wykorzystywana w Centrum SOLARIS na linii POLYX, której uruchomienie jest przewidziane na rok 2022.
Katarzyna M. Sowa
Instytut Fizyki WFAiS UJ
Paweł Korecki
Instytut Fizyki WFAiS UJ, Narodowe Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS
[1] K. M. Sowa, P. Korecki, X-ray tomography with multiple ultranarrow cone beams, Optics Express 28, 23223 (2020)