Metoden bruker en såkalt reflekterende sonesplate, RZP (reflection zone plate), som samtidig reflekterer, fokuserer og skiller myke røntgenstråler. Forskerne opplyser at systemet også kan hente inn et komplett spektroskopisk datasett på rundt 220 sekunder.

Én optisk komponent gjør flere jobber

Forsøkene ble gjennomført av tyske, sveitsiske og japanske forskere ved strålelinjen P04 ved PETRA III-synkrotronen ved DESY-senteret i Hamburg.

Vanlig røntgenavbildning viser formen og plasseringen til detaljer i en prøve. Spektroskopi kan samtidig gi informasjon om kjemisk sammensetning, elektronisk struktur og molekylære bindinger. Når de to metodene kombineres, kreves det vanligvis flere optiske komponenter som må justeres nøye. I det nye systemet utføres funksjonene av én kompakt RZP.

For å kontrollere bildekvaliteten analyserte forskerne først standardiserte testmønstre med Siemens-stjerner – stjerneformede mål som brukes til å måle bildeskarphet – og bokstavene «RIXS».

Skanner en linje i stedet for enkeltpunkter

I stedet for å skanne ett lite punkt om gangen, belyste forskerne prøven med en smal røntgenlinje. Prøven ble deretter flyttet i små trinn på tvers av strålen, omtrent som i en dokumentskanner. En datamaskin satte sammen de separate bildestripene til et komplett todimensjonalt bilde.

Metoden kunne skille detaljer på rundt 14–24 mikrometer (μm). Det er flere ganger mindre enn bredden på et menneskehår. Fordi hele linjen ble skannet samtidig, i stedet for enkeltpunkter, ble sirkulære objekter avbildet omtrent 27 ganger raskere, samtidig som bildekvaliteten var sammenlignbar.

Forskerne skriver at resultatet er viktig fordi denne typen avbildning tidligere ble ansett som upraktisk på grunn av Abbes sinusvilkår. Dette optiske prinsippet kan under bestemte forhold føre til bildeforvrengning.

Problemet ble løst ved å bruke RZP-en i paraaksial modus. Da fanger den bare opp røntgenstråler som beveger seg innenfor et smalt vinkelområde. Det reduserte optiske forvrengninger og gjorde det mulig å lage skarpe bilder av større objekter.

«RZP-ens sterke dispersjon gjør det mulig å måle flere spektroskopiske egenskaper samtidig. Det er viktig at både elastiske og uelastiske signaler kan registreres i den samme optiske konfigurasjonen», sa Dr. Christoph Braig.

Testet kjemisk analyse med acetonitril

Etter testen med bildemønstre byttet forskerne ut prøven med en tynn stråle av acetonitril i etanol for å demonstrere kjemisk analyse. I stedet for å belyse prøven med én røntgenenergi brukte de en stråle med mange energier samtidig – en såkalt røntgenregnbue.

RZP-en målte samtidig energien i de innkommende og utgående røntgenstrålene. Dermed kunne forskerne lage et komplett todimensjonalt kart over resonant uelastisk røntgenspredning, kjent som RIXS, uten å endre det eksperimentelle oppsettet.

De utgående røntgenstrålene ble registrert i området fra 388,6 til 401,8 elektronvolt (eV). Målingene skilte mellom elastiske, uelastiske og vibrasjonelle egenskaper ved nitrogenets K-kant. Hele datasettet ble samlet inn på rundt 220 sekunder, noe som var betydelig raskere enn med standardmetoder.

«Eksperimentene våre viser at RZP kan gi både romlig og spektroskopisk informasjon ved hjelp av et kompakt optisk oppsett. Det kan gjøre kompliserte målinger med myke røntgenstråler mer effektive og enklere å gjennomføre», sa Jens Rehanek.

Zhong Yin fra Laboratory of Synchrotron Radiation Instrumentation Science ved Tohoku-universitetet, som var studiens sisteforfatter og korresponderende forfatter, peker på at kombinasjonen av refleksjon, fokusering, avbildning og spektral dispersjon i ett optisk element gir en kompakt og effektiv vei til myk røntgenspektromikroskopi. Etter hans vurdering kan dette åpne nye muligheter for å undersøke materialer på atomnivå.

Resultatene er publisert i tidsskriftet Optics Express.