MetalJet Excillum--液態(tài)金屬靶X射線源

   Excillum公司位于瑞典都斯德哥爾摩，是家致力于研發(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(jìn)，Excillum掌握了進(jìn)的液態(tài)金屬射流(MetalJet) X射線光源技術(shù)，這項(xiàng)新技術(shù)能夠帶來(lái)10倍于普通固體陽(yáng)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?yàn)橐簯B(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(yáng)正在被液態(tài)金屬射流所取代！

主要應(yīng)用

成像	散射/衍射	光譜學(xué)/熒光性

產(chǎn)品點(diǎn)

主要參數(shù)

操作視頻

技術(shù)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(yáng)光源能得到更高的X射線通量

常規(guī)固體金屬陽(yáng)	液態(tài)金屬陽(yáng)

2、功率負(fù)載能力

功率負(fù)載能力    所有電子轟擊型X射線發(fā)生器的X射線強(qiáng)度都受限于陽(yáng)材料的熱量承載能力。在傳統(tǒng)固體陽(yáng)技術(shù)中，為了避免陽(yáng)損壞,其表面的工作溫度必須遠(yuǎn)低于靶材的熔點(diǎn)，因此靶材的各種物理性質(zhì)，如熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)等限制了電子束功率的范圍。液態(tài)金屬陽(yáng)則大為不同，因?yàn)槟切┓乐拱胁娜刍拇胧┒疾豁氁?，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點(diǎn)。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(yáng)不斷地自再生，電子束對(duì)靶材的損壞將微乎其微。 *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比例。因此，光源的亮度反比于焦斑的直徑。    通過將*的功率承載能力以及小的電子束焦斑相結(jié)合，液態(tài)金屬射流光源能夠在微米的焦斑上實(shí)現(xiàn)*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(duì)于代的MetalJet光源，其點(diǎn)在于靶材在室溫附近就已經(jīng)熔化。但為了得到多樣的征譜線以代替現(xiàn)有的常規(guī)固體陽(yáng)，在將來(lái)我們還將開發(fā)更多種類的合金材料，即使它們的熔點(diǎn)會(huì)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(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為1.35 ?, 類似于銅靶的Kα波長(zhǎng)。 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(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為0.51 ?，類似于銀靶的Kα波長(zhǎng)

4、焦斑質(zhì)量和尺寸

焦斑質(zhì)量    歸功于進(jìn)的電磁聚焦、光路校正技術(shù)以及高亮度LaB6陰，高質(zhì)量的電子束焦斑得以實(shí)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(gè)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(dāng)高的空間穩(wěn)定性。圖為附加在光源上的針孔相機(jī)所拍攝的焦點(diǎn)位置分布圖，如其所示焦斑在24小時(shí)內(nèi)距中心的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.1μm以下。

部分應(yīng)用案例

瑞典Excillum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(jìn)，Excillum掌握了進(jìn)的液態(tài)金屬射流(MetalJet) X射線光源技術(shù)，這項(xiàng)新技術(shù)可以在散射/衍射、X射線光譜學(xué)/熒光學(xué)、X射線成像等應(yīng)用域?qū)崿F(xiàn)多方位應(yīng)用。

■  散射/衍射

1. 生物學(xué)

南洋理工大學(xué)(Nanyang Technical University)、A*STAR、路易斯維爾大學(xué)(University of Louis-ville)、羅莎琳德富蘭克林醫(yī)藥科學(xué)大學(xué)(Rosalind Franklin University of Medicine and Science)和慶熙大學(xué)(Kyung Hee University)的研究人員用配備了SAXS的MetalJet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(xué)

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，蒙爾大學(xué)、契克安塔-迪奧普大學(xué)和勃艮第大學(xué)的研究者們使用金屬射流X射線源(MetalJet)測(cè)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(xué)/熒光學(xué)

1.基于金屬射流源的高精度Maia Mapper實(shí)驗(yàn)室X射線熒光成像系統(tǒng)

Maia探測(cè)器陣列初用于同步加速器高分辨率x射線熒光成像。目前，由于金屬射流x射線源的高亮度、嚴(yán)格的發(fā)射調(diào)節(jié)和良好的光譜擬合，這項(xiàng)技術(shù)也可以在緊湊的實(shí)驗(yàn)室中使用。

MetalJet源配有X射線透鏡的可以給出確定空間分辨率的32?µm焦距，它用長(zhǎng)距離的平移階段，可以  對(duì)樣品進(jìn)行大面積的高分辨率掃描。由于高亮度金屬射流x射線源和光學(xué)中的高通量增益，使曝光時(shí)間保持在較低水平。

巖心樣品的例子顯示了該方法同時(shí)識(shí)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(xì)節(jié)，并帶有罕見的顆粒和光譜。

[Ref.] C.G. Ryan, et al., “Maia Mapper: high de?nition 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(duì)準(zhǔn)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。這是在斯德哥爾摩皇jia理工學(xué)院實(shí)施的，目的是用光束作為激發(fā)物，對(duì)小鼠進(jìn)行X射線熒光成像。作為對(duì)比劑，向小鼠注射鉬納米粒子，這些鉬納米粒子被動(dòng)地針對(duì)腫瘤，但也出現(xiàn)在其他器官中。

該裝置在樣品后面有個(gè)探測(cè)器，用于測(cè)量透射，在側(cè)面有個(gè)探測(cè)器，用于測(cè)量熒光，以及放置在運(yùn)動(dòng)臺(tái)上的物體。物體的平移和旋轉(zhuǎn)允許通過逐點(diǎn)采集進(jìn)行斷層掃描，然后進(jìn)行迭代重建，以獲得鼠標(biāo)中納米顆粒的定量三維分布。本實(shí)驗(yàn)具有采集時(shí)間短、輻射劑量小、納米粒子劑量小等點(diǎn)，使體內(nèi)實(shí)驗(yàn)成為可能。

同時(shí)獲得常規(guī)CT三維重建與x射線熒光信號(hào)的疊加。這些圖像顯示了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(cè)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

個(gè)帶有聚焦光學(xué)的裝置同時(shí)用于用于激勵(lì)和檢測(cè)，并且在共焦排列中，允許三維光譜成像，因?yàn)闊晒夂凸鈱W(xué)的綜合效益變得非常低，這類實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)上是在同步加速器上進(jìn)行的。當(dāng)在傳統(tǒng)的固體陽(yáng)源上進(jìn)行時(shí)，典型樣品的掃描時(shí)間往往是幾天甚至幾周。

德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)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(xué)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(diǎn)上，該焦點(diǎn)用于激發(fā)樣品中的X射線熒光。熒光由第二個(gè)聚焦透鏡收集并用分光計(jì)檢測(cè)。實(shí)例表明，該器件為系列元件提供了高空間分辨率和高對(duì)比度靈敏度。

虛擬的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. 基于高分辨率傳播的小動(dòng)物肺部活體動(dòng)態(tài)計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)成像。在澳大亞進(jìn)行的研究工作中，時(shí)間分辨計(jì)算機(jī)斷層掃描被用來(lái)成像小鼠肺部的通氣情況。平板探測(cè)器只需18 ms的曝光時(shí)間就可獲得投影，從而在32 s內(nèi)進(jìn)行完整的斷層掃描。這些非常短的曝光時(shí)間和受控的呼吸，使得直徑小于55-60微米的小氣道能夠動(dòng)態(tài)成像。這種高質(zhì)量的肺部動(dòng)態(tài)成像能夠確定肺部功能，甚至在區(qū)域?qū)用嫔?。此外，高質(zhì)量的動(dòng)態(tài)CT在醫(yī)學(xué)上還有許多其他的應(yīng)用。

活體小鼠的時(shí)間分辨計(jì)算機(jī)斷層掃描（A）寫區(qū)域（B）顯示了解剖征。該方法顯示了0小時(shí)機(jī)械通氣（c）-（e）和2小時(shí)（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).

2. X射線顯微術(shù)

使用X射線光學(xué)是獲得限分辨率的成熟方法。這種成像技術(shù)是自多年來(lái)在同步加速器上進(jìn)行的，因?yàn)樗鼈兛梢蕴峁└吡炼鹊膯紊馐?。近幾十年?lái)，以實(shí)驗(yàn)室光源為基礎(chǔ)的光學(xué)X射線顯微鏡已經(jīng)上市，X射線光學(xué)限制了光譜的帶寬，因此需要高亮度和相對(duì)單色的X射線源。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室X射線顯微鏡通常使用大功率旋轉(zhuǎn)陽(yáng)源。這種裝置的缺點(diǎn)是高通量損失，因?yàn)楣鈱W(xué)器件的接受角將嚴(yán)格限制哪些輻射可以變得有用。種金屬射流X射線源提供了個(gè)尖銳的，高強(qiáng)度的Kα線，從個(gè)小焦點(diǎn)發(fā)射鎵，使相當(dāng)大比例的通量在光學(xué)裝置中有用。這種更高的亮度使廣泛的應(yīng)用也可能在緊湊型光源上。

高分辨率光學(xué)x射線顯微鏡原理圖

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(cè)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 definition 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)

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