1.简介

X射线眼科成像术（罗登堡等。, 2007)和X射线荧光（XRF）成像技术已经成功地结合在一起，可以同时生成高分辨率的结构图像和2D（藤蔓等。, 2012; 邓等。, 2015, 2017)和3D（邓等。, 2018; 胜利者等。, 2018). 尽管两者都是扫描技术，但扫描要求不同。在X射线光刻术中，样品以重叠方式相对于光束进行扫描，同时记录远场中的衍射图案强度。重叠产生了一个信息丰富的数据集，允许对相位问题通过迭代算法（Marchesini等。, 2016;Enders&Thibault，2016年; Maiden&Rodenburg，2009年; Guizar-Sicairos&Fienup，2008年). 验光扫描中的典型光束重叠范围在60到80%之间（Edo等。, 2013). 样品处的照明尺寸和可达到的分辨率取决于X射线能量和实验几何形状。在相干衍射成像（CDI）中，样品处照明的最大空间范围（模数），D类，受奈奎斯特采样条件的限制。远场采样间距必须足够精细，以解决来自照明光束边缘的干涉条纹。因此，D类由提供

哪里λ是X射线波长，以及Δθ_第页探测器像素间距所对的角度。通过调整扫描步长（Edo等。, 2013; 贝蒂，2014年; da Silva&Menzel，2015年). 然而，当照明度大于方程式（1）规定的照明度时使用时，重建算法需要上采样（Batey等。, 2014)并且在计算上变得更加昂贵。因此，CDI采样条件通常在实验中用于设置心电扫描，在这里介绍的实验中也使用了它。

重建像素大小d日取决于波长λ以及探测器有效面积所对的角度，α,

相反，在XRF成像中，像素大小由扫描步长定义，分辨率取决于样品的光束强度分布的大小，并且该技术不需要光束重叠。世界各地已经在纳米探针光束线上产生了具有纳米级分辨率的XRF图像（Chen等。, 2016; 胜利者等。, 2018; 施泰因曼等。, 2020; 鲁曼切夫等。, 2020). 当结合XRF和X射线透视时，对光束大小与步长比的要求不匹配。Ptychography需要2.5–5:1的比率（基于60–80%的重叠），而XRF需要1:1的比率。当使用大于步长的光束时，XRF分辨率不再受步长限制，而是由光束大小控制。通过光学成像提供的探针知识可用于反褶积荧光图像并提高分辨率（Vine等。, 2012)，减轻了不同的扫描要求。

我们提出了一种新的方法，通过减少扫描步骤和采集的数据，可以进一步改进同步XRF-ptycho扫描参数。该方法基于以下规范：

（i） X射线束谱由两个能量峰组成，E类₁和E类₂，使用E类₁<E类₂，由分隔ΔE类;E类₁用于眼科造影和E类₂激发XRF。

（ii）E类₁和E类₂在样品处具有不同的光束尺寸，D类₁和D类₂分别是。D类₁满足方程（1），同时D类₂等于ptychography扫描步长（20%D类₁80%重叠）。

（iii）能量分辨X射线光子计数探测器（XPCD）的能量分辨率优于ΔE类在远场中记录E类₁拆卸时E类₂.

我们使用Pixirad-1/Pixie-III XPCD（Bellazzini等。, 2015).

2.方法

I13-1波束线专门用于多模式3D眼科成像（Cipiccia等。, 2019; 马丁等。, 2019; 韦伯等。, 2020). X射线源由一个2.8米长、25毫米周期的波荡器组成。微型贝塔配置（Rau，2017)结合215米的大源距采样距离，提供了高水平的相干通量。实验箱中的横向相干长度可以通过调节一组前端狭缝来调节。光束线配备有三重成熟镜（Si、Pt、Ro）、金属滤光盒和Si（111）双晶单色器（DCM）。通过从X射线路径（Batey）上移除DCM，光束线可以在单色或粉色光束模式下运行等。, 2019; 布伦、迪·特拉帕尼、贝蒂等。, 2020).

2.2. 实验装置

我们用粉红色光束进行实验。波荡器间隙设置为13.0 mm，产生10.64 keV的四次谐波(E类₁)和13.35keV的五次谐波(E类₂)（见图1中的光谱)，使用ΔE类=E类₂−E类₁大于Pixirad的能量分辨率[2.3 keV，在11 keV（Di Trapani等。, 2020)]. 所有波动器谐波E类₁和E类₂使用滤镜和镜子组合抑制：1.34毫米热解石墨，0.7 mm铝和硅镜条。E类₂，高于我_三 吸收边缘XRF用于激发测试样品的荧光。

图1 在显示两种能量的实验箱中测量的滤波波荡谱E类1和E类2. TheX射线强度使用电离室用DCM扫描X射线能量时放置在样品前。

实验装置如图2所示，其中E类₁以绿色显示，并且E类₂蓝色。高效（～20%）镀金菲涅尔波带片（FZPs）（Gorelick等。, 2011)使用直径为400µm、最外层宽度为150 nm的E类₂。在I13-1中，由于微型底座的配置，X射线束是散光的（Rau，2017)，为了为实验产生对称光束，我们对XRF进行了离焦操作，样品处的光斑尺寸为D类₂=2µm。放置在FZP焦点位置的10µm针孔E类₂阻止衍射级数>1E类₂同时，针孔定义了照明点D类₁对于E类₁通过只传递其零阶。D类₁=10µm满足等式（1）的采样要求和D类₂=2µm与ptychography扫描步骤匹配，重叠80%D类₁（参见图2中的插图).

图2 双光束荧光成像方法的设置，不按比例。这两种能量E类1（绿色）和E类2（蓝色）在样品处具有不同的光束尺寸，D类1和D类2分别是。远场XPCD探测器记录E类1，而中央光束挡块阻挡直射光束。插图：双光束扫描法中光束重叠的示意图，其中XRF的探针尺寸（蓝色）与ptychography扫描的步长（绿色）相匹配。

安装在六轴样品台上的金色Siemens星形测试样品以2µm步长在38×38光栅网格中以0.9 Hz的频率进行扫描。激发的荧光E类₂使用与样品平面成微小角度放置的单元素硅漂移涡流检测器进行收集，以最大限度地减少自吸收。在样品和Pixirad探测器之间放置一根10米长的充氦管，以减少衍射光束的空气散射。在探测器前面放置一个直径700µm、厚度100µm的金色中央光束挡块，以阻挡直射光束。Pixirad的两个阈值分别设置为9 keV和10 keV，以选择E类₁在远场。thr（星期三）₂设置如下E类₁尽量减少来自E类₂由于XPCD的有限能量分辨率，以峰值效率损失为代价E类₁.

使用DCM扫描8.5至13.5keV之间的X射线束能量，测量探测器在应用阈值下的有效能量带宽。探测器的带宽测量为2.3 keV FWHM，如图3所示，与文献一致（迪·特拉帕尼等。, 2020).

图3 实测探测器有效带宽：FWHM 2.3 keV。积分计数由样品上游测得的光束强度和带电离室的光学元件归一化。

3.结果

用双光束法进行的扫描结果如图4所示像素大小为2µm的38×38像素荧光图像[图4(一)]使用内部脚本，根据Vortex获得的频谱生成。荧光图像的空间分辨率为4µm，如图4的线轮廓所示(d日). 通过PtyREX包（Batey，2014). 输出物体相位和照明模量如图4所示(b条)和4(c（c）)：重建像素大小为77 nm，分辨率为248 nm，使用傅里叶环相关估计，如图4所示(电子).

图4 Ptycho-荧光结果：(一)通过双光束设置获得的西门子恒星的荧光图像。(b条–c（c）)利用能量滤波数据对西门子恒星的相位图像和探针模量进行了光学重建。重建像素大小：77纳米。(d日)显示分辨率为4µm的荧光图像的线条轮廓，受到最小光束尺寸的限制D类2=2µm。(电子)傅里叶环相关分析用于显示0.31像素分辨率的ptychography重建−1，对应于248nm。

结果表明，双光束法成功地在样品处产生了不同的探针尺寸：对于XRF，D类₂=2µm允许4µm的分辨率，而对于ptychography，照明尺寸通过重建算法从探测器过滤的粉色光束数据中检索D类₁=10µm。

4.讨论

我们在这里提出了一种同步X射线透视成像和X射线荧光成像的新方法，该方法通过在样品处使用具有不同能量和照明尺寸的双能量光束来缓解两种技术的扫描要求差异。一旦选择了XRF的分辨率（即最小的光束尺寸），可以将第二束设置为五倍大，以便在减少数据点数量和采集时间的同时执行ptycho-XRF。

我们通过产生双光束和使用能量鉴别检测器分离远场能量，对该方法进行了实验验证。标准的单光束设置预计需要多达25倍的采集，从而减少可能的开销来源，从而减少扫描时间和数据，以执行XRF和ptychography的组合，以拍摄相同的视野。

使用FZP和针孔组合生成双光束：在此设置中，在样品之前不能使用光束挡块，否则会阻塞E类₁因此E类₂达到样品时，会模糊XRF分辨率。然而，实验中使用的FZP针对第一衍射级进行了优化，与第一衍射级相比，零级的强度可以忽略不计（Gorelick等。, 2011).

实验使用粉红色光束进行，用于眼科成像的四次谐波带宽为160 eV（图1)，对应于150 nm的最大可实现分辨率（Spence等。2004年). 在报告的实验中，ptychography成像的空间分辨率被测量为248nm，因此不受带宽的限制。分辨率的限制因素是光子统计：使用针孔来定义ptychography照明不允许充分利用可用的相干光通量。为了平衡低光子统计，我们将曝光时间设置为1.1 s，并且由于采集率低（0.9 Hz），因此执行了步进扫描，而不是飞行扫描。然而，该方法本身与扫描类型、步长或飞行无关。由于样品前没有光束挡板，因此需要在探测器前设置光束挡板，以防止直射光束损坏传感器。探测器处的光束停止消除了心电数据集的低频空间频率，该数据集在重构物相中在西门子恒星的较大辐条周围产生光晕，如图4所示(b条).

对于第一次原理验证，FZP和针孔配置是首选配置，因为它易于资源和实现。XRF的设置不对焦；这一选择是由I13-1仪器的特定特性（像散光束）决定的，但该方法可以应用于对焦配置。

该系统可以通过将FZP和针孔结构替换为2×1/2离轴FZP系统来改进，以在样品处生成两种能量（Döring）的不同探针尺寸等。, 2019). 1/2 FZP和1/2 FZP配置将允许在样品前而不是在检测器处使用光束挡块，从而解决缺少低频空间频率的问题。此外，1/2 FZP和1/2 FZP配置将允许更好地利用相干通量通过将横向相干长度与光学孔径匹配。越高通量将允许更短的曝光，适用于更快的飞行扫描采集，实现更高的分辨率，并最终在定义ptychography光束尺寸方面提供额外的灵活性，以适应聚焦XRF扫描，特别是与纳米探针光束线相关的扫描。