1.简介

X射线荧光显微镜（XFM）具有很高的灵敏度，可以根据入射探针的大小（De Samber等人。, 2010; 琼斯等人。, 2015; 兔子等人。, 2015; Fahrni，2007年). 通过相对于探针扫描样本，XFM可以生成定量的二维元素图，从而提供无法获得的样本结构和功能的见解通过任何其他方式。Maia探测器系统（Siddons等人。, 2014)澳大利亚同步加速器（Paterson）的XFM光束线等人。, 2011)允许对大样本进行快速成像，这主要是由于特定的实验几何形状、大的探测器立体角以及扫描和荧光数据通道的紧密集成（Kirkham等人。, 2010). 高效的X射线荧光检测允许样品快速“飞行”成像，这对于覆盖大样本区域很重要（琼斯等人。, 2015).

使用与XFM相同的扫描几何结构，但从样品的重叠区域收集传输的相干衍射信号，可以迭代恢复超分辨率定量图像。这种方法通常被称为“耳蜗描记术”（Rodenburg等人。, 2007)当样品位于透镜或其他聚焦装置的焦平面内时，该技术称为扫描X射线衍射显微镜（SXDM）（Thibault等人。, 2008). 除了提供样品的定量图像外，还可以重建照明函数（Thibault等人。, 2009)允许同时表征样品和探针。此外，最近已经证明，入射光的部分相干效应（陈等人。, 2012)样品振动或位置误差（Thibault&Menzel，2013; 克拉克等人。, 2014一)可以通过对衍射波场的传播使用模态分解来解释。最近，SXDM也在飞行扫描模式下进行了演示（Clark等人。, 2014b条; 黄等人。, 2015; 佩尔兹等人。, 2014; 邓等人。, 2015一)，使数据采集时间可与快速扫描Maia探测器系统媲美。

由于XFM和SXDM共享相似的实验条件并提供互补的定量信息，因此它们很自然地结合在一个单一的同时测量中（Schropp等人。, 2010; 邓等人。, 2015b条). 结合后，SXDM为元素成像（藤蔓等人。, 2012; 邓等人。, 2015c（c）). 然而，当X射线荧光探测器与入射光束成90°角（邓等人。, 2015c（c）)，通常旋转样品以有效逃逸荧光光子。对于某些样本，这种旋转可能会导致一幅或两幅图像中高方面特征的“模糊”（Schropp等人。, 2010). 当样品在光束的法线入射下收集荧光数据时，可以消除这种影响，例如Maia探测器（Siddons等人。, 2014)以及TwinMic（Giannoncelli）的低能荧光检测方案等人。, 2009). 在本文中，我们报道了在澳大利亚同步加速器的XFM束线上首次同时进行的XFM-SXDM实验，该实验在步进和飞行扫描模式下进行。我们描述了SXDM数据采集与事件模式XFM数据采集的集成，允许无缝数据处理以实现稳健高效的SXDM图像重建，并为在澳大利亚同步加速器上进行常规同步SXDM和XFM数据收集铺平了道路。

2.方法

使用Kirkpatrick–Baez（KB）镜对将入射能量为10 keV的X射线聚焦到大约2.5µm FWHM的点上（见图1一). 100µm针孔可防止多余的镜面散射到达焦平面。真空波动器（IVU）确定垂直震源位置，而水平次级震源孔径（SSA-H）确定焦点上游4.5 m处的水平震源位置。IVU和SSA-H之间的水平聚焦镜将水平源成像到SSA-H，SSA-H上游17 m处的白色光束狭缝设置为1.1 mm×0.2 mm（水平×垂直）。为了在焦点处提供空间相干光束，将SSA-H设置为2.5µm，从IVU接收的全垂直光束约为4×10⁷ 光子⁻¹理想情况下具有四个空间相干模式的样品。使用75µm平方像素的EIGER X 1M探测器收集衍射数据，该探测器位于焦点下游3.67 m处，使用He-filled飞行管减少样品和EIGER探测器之间的空气散射和吸收。使用384元素Maia（C版）探测器（Siddons）同时收集荧光数据等人。, 2014)放置在通常的后向散射几何体中。

图1 同步采集SXDM和XFM数据的实验安排的简化示意图(一). 真空波动器（IVU）和水平次级源孔径（SSA-H）确定垂直和水平源位置。KB镜对用于创建2.5µm焦距，而焦距上游5 cm处的100µm针孔（PH）与穿过Maia探测器的孔径相结合，可消除上游光学元件的寄生散射。EIGER 1M探测器位于焦点下游3.67米处，样品和EIGER探测器之间安装了一个填充He的飞行管（未显示），以减少空气散射。所有距离都是相对于焦点的米数。为简单起见，未显示一些上游光学元件，且该图未按比例显示。步进和飞行扫描轨迹如所示(b条)和(c（c）)分别使用中的点(b条)表示中的采样位置和框(c（c）)表示获取衍射数据的扩展轨迹。

在这项工作中成像的物体在KB反射镜的焦平面上进行扫描，在水平和垂直方向上都有100 nm的编码级。我们使用了西门子星形测试图案，该图案由450 nm的电子束光刻金图案组成。在剥离EBL抗蚀剂之前，通过物理气相沉积形成了连续的60 nm Cr薄膜。在EBL抗蚀剂剥离后，只有沉积在Au区域上的Cr仍然存在，从而形成分层的Au–Cr图案。该图案是在位于硅衬底上的100nm厚的氮化硅膜上制造的。之后，对Si进行背蚀刻，以暴露具有Au–Cr特征的独立氮化硅膜。在10 keV时，由于该材料厚度，预期的相位变化约等于0.73 rad，主要由Au层决定。Cr层用于在低至5.9 keV的能量下快速获取荧光图像。

数据采集采用两种不同的采集模式：“步进扫描”和“飞行扫描”。在步进扫描模式下，将样本转换为光栅扫描，如图1所示(b条)用一个采样间隔水平和垂直方向均等于500nm，软件触发的曝光时间等于每帧22.5ms。每一步额外增加220 ms的稳定时间，以最大限度地减少残余级运动的影响。由于样品快门保持打开状态，Maia探测器每个位置总共采集了约242.5 ms的数据。因此，总XFM成像时间为2.8小时，而SXDM成像时间约为8.7分钟，各自的成像剂量为7.2×10⁵和7.4×10⁴ Gy。在步进扫描模式下，以0.64µm的平均速率采集图像² 秒⁻¹包括沉淀时间。

在飞行扫描模式下，以20µm s的速度在水平方向上连续平移样品⁻¹扫描点描绘出一条蛇形轨迹，如图1所示(c（c）)Maia探测器系统配置为每400 nm样品移动产生硬件像素触发器，这既描绘了荧光图像像素，也触发了EIGER探测器以获取衍射数据。在每次收到触发信号后，EIGER探测器都会获得10 ms的曝光，对应于200 nm的样品移动，在剩余的10 ms/200 nm范围内未收集到衍射数据。数据采集之间的这10毫秒“停滞时间”消除了残余级运动（如振动或速度不一致）重新触发EIGER检测器的可能性，我们将在下文中进行更详细的讨论。总扫描时间约为12分钟。死区时间（SXDM曝光之间）和线端开销导致SXDM成像时间约为4.6分钟。在这种情况下，XFM和ptychography数据集的各自成像剂量为9.3×10⁴和4.6×10⁴ Gy。在飞行扫描模式下，以6.7µm的速率收集数据² 秒⁻¹，比步进扫描快一个数量级。

SXDM要求精确了解所有衍射数据的采样位置，特别是当重建引擎不包括位置时精细化。如果生成了额外的或丢失的相机触发器，并且没有考虑到这些触发器，特别是对于～10的数据集，这将成为一个问题⁵衍射框架。根据触发结构，非理想行为（包括样品台中的残余运动）可能会导致在每个位置生成额外或丢失的相机触发器，具体取决于具体原因。在我们的案例中，末端定位器的设置通常会导致多个摄像头触发。这个问题可以通过精确仔细地控制相机触发或仔细计算采集的帧来解决。在本实验中，我们选择了后一种方法，通过将从EIGER检测器发出的采集进行中（AIP）触发器记录到事件模式数据流中来计算所有采集的帧。使用EIGER探测器系统，每个AIP触发器对应一个衍射帧，即没有数据丢失。所记录的衍射帧总数与所记录的AIP信号数从未发生过冲突，这表明两种探测器系统的性能都很好。对于典型的XFM成像，所有光子事件都与其各自的像素相关联。然而，在这种情况下，我们寻求确定有序衍射框架系列的测量坐标。采集后对AIP事件数据流进行解析，以提取所需的坐标，从而使我们能够处理极不规则的衍射数据，而无需检查各个衍射帧。尽管这一点可能看起来微不足道，但对每个衍射框坐标的充分了解可以从SXDM数据中可靠地自动重建图像，并且是稳健部署此测量的关键。

衍射帧围绕光束轴裁剪为128×128像素，并使用ePIE算法进行重建（Maiden&Rodenburg，2009)重建的SXDM像素大小等于47.4 nm。在多模式澳大利亚科学成像与可视化环境（MASSIVE）（Gossinski）上，使用两个GPU（NVIDIA M2070）在集群的单个节点上重建整个衍射帧集（步进扫描和飞行扫描分别为23184帧和27377帧）等人。, 2014)使用数据分离和重组方案（Nashed等人。, 2014); 用十个正交探针模式进行500次迭代，初始化为高斯型，半高宽为2.5µm。从第十次迭代开始，每次迭代都更新第一个探测模式，所有其他模式从第二十次迭代开始更新，完全重建所需时间不到3小时。用半径为4000像素的滚球背景减法校正持续相位梯度斐济（辛德林等人。, 2012). 使用动态分析方法分析荧光数据GeoPIXE公司（Ryan和Jamieson，1993年).

3.结果

图2显示了步进模式和扫描模式下同步SXDM-XFM成像的结果和3.图2显示测试对象的SXDM重建相位(一)以及铬的荧光图(b条)和Au(c（c）)用于步进扫描。从这一比较中，SXDM提供的增加的分辨率立即显现出来：在荧光图中，0.5µm条仅在其外缘（接近1µm）处被解析，而SXDM图像清楚地显示了整个100 nm条（图2d日和3d日). 图2(d日)–2(（f）)显示图2所示区域的放大视图(一).图3显示了飞行扫描数据采集的相应结果，再次强调了通过SXDM显著提高的分辨率。在这种情况下，无需固定时间的快速数据采集导致采集的荧光光子少得多（少于总成像时间的10%），从而导致质量较差的元素图。图2之间的比较(一)和3(一)显示了两种数据采集模式下SXDM结果之间的良好一致性，尽管在飞行扫描模式下使用的SXDM成像时间不到50%。

图2 SXDM公司(一)Cr的XFM映射(b条)和Au(c（c）)步进扫描模式下的测试图案，缩放区域(d日)–(（f）)从盒子里取出(一). SXDM图像中增加的分辨率非常清晰，清晰地分辨出荧光图像中看不到的精细特征。制造过程未能去除部分图案化铬膜的铬荧光增强区域可见于(e（电子）)，以虚线圆圈突出显示。中的比例尺(一)等于10µm。

图3 SXDM公司(一)Cr的XFM映射(b条)和Au(c（c）)在飞行扫描模式下测试图案的(d日)–(（f）)从盒子里取出(一). 我们再次看到SXDM图像的分辨率增加；然而，由于总扫描时间快了一个数量级，检测到的荧光光子较少，导致荧光图谱较差。中的比例尺(一)等于10µm。

SXDM数据采集模式的进一步比较如图4所示在这里，我们看到这两个步骤之间的一致性非常好(一)然后飞(b条)扫描，两种模式与测试图案的扫描电子显微镜（SEM）图像相比都很好(c（c）). 两种SXDM数据采集模式都可以解析100 nm条（红色箭头）的内端，在SEM图像中，100 nm条隐藏在制造后残留的Cr层后面[图2中的白色虚线圆圈(e（电子）)图4中的红色虚线圆圈(c（c）)]，遮住了最里面的酒吧。我们注意到这层铬在眼科重建中不可见。预期相位变化为0.04 rad，超出了本次测量的灵敏度极限；然而，它很容易在图2中的荧光图像中看到(e（电子）)和3(e（电子）)强调了两种成像方式的互补性。

图4 传输函数重构相位的放大图(一)步骤和(b条)飞扫，与扫描电镜进行比较(c（c）)从图2中的盒子中取出的样本(d日)。我们可以清楚地看到100纳米棒的内端（箭头）。中的圆圈(c（c）)突出显示了制造后留下的60 nm铬层；然而，SXDM图像清楚地解析了下面的Au。

图案两条线的剖面图[图4所示位置(一)]图5显示了步进扫描（实心）和飞扫描（虚线）(一)剖面图证实了图4所示结果之间的定性相似性步进扫描显示与0.73 rad的预期相位变化稍有一致。为了评估空间分辨率，对线轮廓进行导数，并使用高斯拟合计算每个斜率的半最大全宽（FWHM）。为了确定分辨率，我们对线中四个斜率的半高宽进行了平均，得到了步进扫描和飞行扫描分辨率分别为102 nm和110 nm的实验估计值（图5b条)可能受到100 nm编码器分辨率的限制。步进扫描和飞扫描分辨率之间的差异可能是由于步进扫描的SXDM成像时间增加，从而收集到更多的光子（更高的成像剂量），但也可能是由于在飞扫描模式下通过样本的假设传输中的偏差，在步进扫描模式下消除了长时间的稳定。通常，功率谱密度的测量值用于分辨率量化。然而，在这种情况下，我们发现功率谱没有显示超过信号的噪声水平，因此无法通过这些方法获得分辨率评估。预计这是从线剖面获得的分辨率[图5(一)和5(b条)]只对应于两个实际空间分辨率元素。

图5 线路纵断面(一)比较图4中线条所示位置的步进扫描和飞扫（每种情况下为实线和虚线）(一)。两个配置文件一致。四个步骤的线轮廓导数和高斯滤波半高宽如所示(b条). 我们分别从102 nm和110 nm处的四个半高宽的平均值获得了步进扫描和飞行扫描的分辨率估计值。

重建的探针功能如图6所示，前三种模式，以及图6所示的总探头强度(一)–6(b条)以及图6(c（c）)–6(d日)用于步骤（图2)和飞行（图3)分别扫描。阶梯扫描和飞行扫描的总探针强度之间的比较[图6(b条)和6(d日)]显示了飞行扫描中探针加宽的效果（邓等人。, 2015一)，尽管在这种情况下，影响很小，因为每次曝光的渡越为200 nm（小于探头宽度的10%）。探针模式之间的相对功率分布相对均匀，如图5所示(e（电子）)，在第十探测模式下具有显著功率。将这种行为与文献中报道的行为进行比较和对比是很重要的。在本例中，我们没有探讨采样密度的影响，Pelz等人。(2014)报告称，这可能会导致与此处观察到的类似的功率分布。然而，佩尔兹等人。(2014)还报告说，稀疏采样密度对飞行扫描图像质量有不利影响，而步进扫描图像质量仍然很高。比较Pelz探针模式中的功率分布等人。(2014)与佩尔兹相比，我们发现等人。(2014)我们的方法在步进模式和飞行扫描模式下都是类似的（图5e（电子）)具有同样高的图像质量（图2和3)从每个扫描模式获得。这表明稀疏采样不太可能是本例中功率分布均匀的原因。此外，静态条纹可见度分析表明，空间相干长度与探头直径相当，因此不太可能导致探头功率分布均匀；实际上，在理想情况下总共存在四个空间相干探测模式。对扫描期间发送到样品的光束强度的分析表明，在扫描过程中，强度变化小于0.05%，因此不太可能导致所观察到的探针模式的功率分布。

图6 前三种探头模式和台阶的总探头强度(一)–(b条)然后飞起来(c（c）)–(d日)分别扫描。相位和幅度编码为色调和亮度如中的色轮所示(e（电子）). 中的比例尺(c（c）)-3等于1µm。与步进扫描相比，飞行扫描中的探头按预期在每次曝光过程中穿过的距离变宽（邓等人。, 2015一). 探针功率在所有十种模式中的分布如所示(e（电子）)用于步进（实线）和飞线（虚线）扫描。

这种消除过程使我们得出结论，此处观察到的模式内的功率逐渐降低可能是由于残余的舞台运动。在样品中添加固定振动模式表明，第一模式下的功率降低了约50%，而在高阶探针模式下增加了相对功率（克拉克等人。, 2014一). 然而，与克拉克描述的固定振动不同等人。(2014一)在我们的例子中，我们的运动具有更大的可变性，仅限于100纳米以内。我们认为这是样本运动的可变性，表现为成像系统的消相干（Thibault&Menzel，2013)，在本例中，这使得探测模式之间的功率分布更广。可以预期，重建质量应通过包括额外的探测模式而提高；然而，使用50种探头模式对重建图像进行的线轮廓分析显示，分辨率或对比度都没有明显改善（参见支持信息图S1)，这表明我们相对未知的运动核是我们重建质量的限制因素。我们预计，随着样品的运动内核通过改进的阶段控制变得更加准确，这种运动将不再限制我们的重建质量，并且添加更多的探测模式将用更少的探测模式来全面描述系统，从而改善我们的结果。

4.讨论和结论

我们已经演示了同步X射线荧光以及在澳大利亚同步加速器的XFM光束线上以步进和飞行扫描模式扫描X射线衍射显微镜。步进扫描和快速扫描的结果非常一致，快速扫描的开销减少，在数据收集方面带来了显著的效率提高，但分辨率损失很小。将AIP信号合并到事件模式数据流中，可以稳健地自动组织SXDM数据，从而有效地分析大型数据集。通过这种SXDM数据采集和组织方法，我们预计将以“自由运行”模式采集衍射数据，在这种模式下，不会向相机发送触发器，而是允许以最佳速率采集，AIP信号记录在事件模式数据流中。这种操作模式将使荧光和衍射数据采集时间相互解耦，每个采集时间都以各自检测器和分析方法的最佳速率进行采集。此外，这种操作放宽了“完美”舞台运动的要求，不完美的舞台运动可能有益，提供了破坏笛卡尔扫描网格均匀性所需的衍射数据位置的可变性，从而避免了“光栅网格病理学”（Thibault等人。, 2009). 虽然本演示使用了EIGER X 1M探测器，但未来的测量将使用PIXIRAD-1探测器（Bellazzini等人。, 2013)512×476 55µm六边形像素。

由于这两幅图像是用共同的实验参数同时采集的，因此可以在两种技术（藤蔓等人。, 2012; 邓等人。, 2015b条). 我们预计，这一领域的未来工作将带来更多重大改进，例如将从SXDM直接获得的复杂传输函数合并到每XFM像素的预期荧光产额的计算中，从而减少了对先验的了解样品成分。

Maia探测器的几何形状允许将大型物体放置在与光束垂直的入射位置，消除了当一些样品与光束成一定角度安装时观察到的高角度特征的模糊（Schropp等人。, 2010). 事实证明，这种安排对XFM测量中的大型物体有利（琼斯等人。, 2015)以及，当通过事件模式数据采集与高效的飞行扫描和稳健的衍射数据组织相结合时，允许在不影响任何数据采集模式的情况下对大样本进行成像。使用这种几何学结合快速的数据收集为研究整个小动物打开了大门，例如秀丽线虫或者对许多样本进行群体研究，而不是对通常通过眼科成像的单个样本进行研究。此外，我们预计将对时间分辨率为几分钟的材料试样进行动态研究。

计划升级到垂直和水平平台上的20纳米编码器将减少实际空间定位误差。预计此次升级不仅可以提高分辨率，而且需要更少的探测模式来全面描述系统。为了提高空间相干性，并确保EIGER探测器在其极限范围内，以比典型操作小一个数量级的二次源尺寸收集了当前结果动态范围。增加事件通量在不使探测器饱和的情况下，我们计划在样品上实现半透明光束阻挡（威尔克等人。, 2013)并将这些条件下降低的相干度的影响纳入重建算法中（Chen等人。, 2012; Thibault&Menzel，2013年). 或者，衍射限制存储环将提供增加的入射相干通量而不需要部分相干算法（de Jonge等人。, 2014). 通过这些变化，我们将在飞扫模式下获得荧光图像的更高统计值，并允许以与使用Maia探测器的最先进飞扫荧光数据采集兼容的速率采集高分辨率SXDM数据，使这两种互补的技术能够同时应用，而不会对任何一种技术造成损害。