高亮度液态靶X射线源
Excillum公司位于瑞典首都斯德哥尔摩，是一家致力于研发、生产超高亮度微焦斑X射线光源的公司。经过十余年的研发与改进，Excillum掌握了先进的液态金属射流(MetalJet) X射线光源技术，这项新技术能够带来10倍于普通固体阳极X射线光源所发射的X射线通量（在相同焦斑面积上）。正因为液态金属射流能够承受更高功率电子束的轰击，因而可以得到更高的X射线通量，传统微焦斑X射线发生器中的固体金属阳极正在被液态金属射流所取代！
应用方向：成像、散射/衍射、光谱学/荧光特性
产品特点
极高的微焦斑光源功率 可选的快门 稳定的X射线强度和焦斑位置 LaB6长寿命阴极 集成防辐射屏蔽罩 友好的用户图形界面 | 可调的焦斑尺寸和长宽比 可调的出射角 可选的X射线双出口 低维护成本 无需外接冷却水 可远程操作 |
主要参数
靶材：镓（Ga）或铟（In）的合金 阳极类型：液态金属射流 最高加速电压：70 kV或160 kV 最大输出功率：300 W或1000 W 最大管电流：4.3 mA / 6.25 mA | 最小焦斑直径：约10 μm 光源强度稳定性：<1%（标准偏差） 焦斑位置稳定性：<1 μm 焦斑至样品的最小距离：18 mm 发散角：13°/30° |
技术介绍
1、 液态金属射流(MetalJet) X射线光源比常规固体金属阳极光源能得到更高的X射线通量
常规固体金属阳极 | 液态金属阳极 |
2、功率负载能力
功率负载能力 所有电子轰击型X射线发生器的X射线强度都受限于阳极材料的热量承载能力。在传统固体阳极技术中，为了避免阳极损坏,其表面的工作温度必须远低于靶材的熔点，因此靶材的各种物理性质，如熔点、导热系数等地限制了电子束功率的范围。液态金属阳极则大为不同，因为那些防止靶材熔化的措施都不须要了，这得益于靶材本身已处于熔化的状态以及其不断自再生的特点。完好如初的液态靶材以接近100m/s的速度在腔体内循环。由于阳极不断地自再生，电子束对靶材的损坏将微乎其微。 极高的亮度 某种程度上，微焦斑X射线发生器的功率承载能力大致与焦斑的直径而不是面积成正比。因此，光源的亮度反比于焦斑的直径。通过将极高的功率承载能力以及极小的电子束焦斑相结合，液态金属射流X射线源能够在微米级的焦斑上实现空前的高亮度。 |
3、液态金属的X射线光谱
为了得到不同的X射线发射谱线，我们使用了不同的金属合金。对于代的MetalJet光源，其特点在于靶材在室温附近就已经熔化。但为了得到多样的特征谱线以代替现有的常规固体阳极，在将来我们还将开发更多种类的合金材料，即使它们的熔点会更高。 镓(Ga)合金 目前可选的有富含镓(Ga)的合金。其Kα发射谱线能量为9.2keV, 对应波长约为1.35 , 类似于铜靶的Kα波长。 铟(In)合金 同样可选的还有富含铟（In）的合金。其Kα发射谱线能量为24.2keV，对应波长约为0.51 ，类似于银靶的Kα波长 |
4、焦斑质量和尺寸
焦斑质量 归功于先进的电磁聚焦、光路校正技术以及高亮度LaB6阴极，高质量的电子束焦斑得以实现，将其与连续再生的光滑液态靶材表面相结合，整个光源便能产生超高质量的X射线焦斑。 可调的尺寸 焦斑的尺寸与高宽比均可被自由调整 |
5、光源的稳定性
光源有着相当高的空间稳定性。图为附加在光源上的针孔相机所拍摄的焦点位置分布图，如其所示焦斑在24小时内距中心的标准偏差在0.1μm以下。
瑞典Excillum一直致力于研发、生产超高亮度微焦斑X射线光源。经过十余年的研发与改进，Excillum掌握了先进的液态金属射流(MetalJet) X射线光源技术，这项新技术可以在散射/衍射、X射线光谱学/荧光学、X射线成像等应用领域实现多方位应用。
■ 散射/衍射
1. 生物学
南洋理工大学(Nanyang Technical University)、A*STAR、路易斯维尔大学(University of Louis-ville)、罗莎琳德富兰克林医药科学大学(Rosalind Franklin University of Medicine and Science)和庆熙大学(Kyung Hee University)的研究人员利用配备了MetalJet的SAXS仪器，研究了Bcl- xL蛋白。蛋白质在使用温和的洗涤剂处理后研究了由螺旋α6-α8两单体之间的三维区域交换产生的二聚体的形成。
[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. 小分子晶体学
锡（IV）化合物由于其生物活性而成为潜在的催化剂和药物。为了理解这些化合物，蒙特利尔大学、契克安塔-迪奥普大学和勃艮第大学的研究者们使用金属射流X射线源(MetalJet)测定了50 μm [Sn(C2O4)Cl3(H2O)].(C4H7N2)晶体的晶体结构。
? 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射线光谱学/荧光学
1.基于金属射流源的高精度Maia Mapper实验室级X射线荧光成像系统
Maia探测器阵列初用于同步加速器高分辨率x射线荧光成像。目前，得益于金属射流x射线源的高亮度、严格的发射调节和良好的光谱拟合，这项技术也可以在紧凑的实验室中使用。
研究人员将一个多壁毛细管透镜装配在MetalJet光源上，可以在样品处提供32 μm的焦点，同时利用长距离平移台，可以在较大范围的区域内对样品进行高分辨率扫描。由于高亮度的液态金属射流X射线源和光学系统中的高通量增益，使得曝光时间非常的短。
岩心样品的例子显示了该方法同时识别多种元素的潜力，图中有涉及钙、铁、锰、铷、锶和金。
RGB图像如图所示，分别为Ca-Fe-Mn (a)和Rb-Sr-Mn (b)，其中Au-Fe-Ca图像的插图突出了区域内的细节，并带有罕见的颗粒和光谱。
参考文献：C.G. Ryan, et al., “Maia Mapper: high definition XRF imaging in the lab”, J. Instrum. (2018).
2. 具有光谱匹配纳米颗粒的高空间分辨率X射线荧光层析成像
通过将多层Montel反射镜对准金属射流源，可以产生具有低发散的半单色100微米窄光束。这是在斯德哥尔摩理工学院实施的，目的是利用光束作为激发物，对小鼠进行X射线荧光成像。作为对比剂，向小鼠注射钼纳米粒子，这些钼纳米粒子被动地针对肿瘤，但也出现在其他器官中。
该装置在样品后面有一个探测器，用于测量透射，在侧面有一个探测器，用于测量荧光，以及放置在运动台上的物体。物体的平移和旋转允许通过逐点采集进行断层扫描，然后进行迭代重建，以获得鼠标中纳米颗粒的定量三维分布。本实验具有采集时间短、辐射剂量小、纳米粒子剂量小等优点，使体内实验成为可能。
同时获得常规CT三维重建与x射线荧光信号的叠加。这些图像显示了一只离体小鼠及其器官中的纳米颗粒浓度。该方法所提供的定量结果与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测量结果吻合较好。
[Ref.] C. Larsson, et al., “High-spatial-resolution x-ray fluorescence tomography with spectrally matched nanoparticles”, Phys. Med. Biol. (2018).
3. 基于液态金属射流源的共聚焦微x射线荧光光谱
一个带有聚焦光学的装置同时用于用于激励和检测，并且在共焦排列中，允许三维光谱成像，因为荧光和光学的综合效益变得非常低，这类实验传统上是在同步加速器上进行的。当在传统的固体阳极源上进行时，典型样品的扫描时间往往是几天甚几周。
德国柏林工业大学的研究人员正在研究共焦微X射线荧光光谱。该装置基于配备X射线聚焦透镜光学器件的金属射流源。将9.25和10.27 kev下的镓发射线聚焦到31μm的焦点上，该焦点用于激发样品中的X射线荧光。荧光由第二个聚焦透镜收集并用分光计检测。实例表明，该器件为一系列元件提供了高空间分辨率和高对比度灵敏度。
虚拟的一片小米种子的共聚焦x射线荧光图像。颜色显示元素的浓度。立体像素大小33x37x37 μm3
[参考] L. Bauer, et al., “Confocal micro-X-ray fluorescence spectroscopy with a liquid metal jet source”, J. Anal. At. Spectrom. (2018)
■ X射线成像
1. 高分辨率斑马鱼肌肉X射线同轴相衬成像(PBI)断层扫描
利用MetalJet液态靶X射线源，对一条未染色的斑马鱼进行PBI断层扫描。实验结果表明对于吸收衬度很低不好观察的样品，用MetalJet可获得相对高对比度的结果，同时分辨率为亚微米。该方法为软组织研究和小动物模型的亚细胞分辨率下的无创全身成像铺平了道路，从而有助于深入了解肌肉疾病和评估干预措施。
W. V?gberg, et al., “X-ray phase-contrast tomography for high-spatial-resolution zebrafish muscle imaging“, Sci. Rep. 5. 16625 (2015).
2. 基于液态靶X射线源的光栅相衬成像
KTH和ETH/PSI的科学家联合研究证明了在GBI中使用金属靶X射线源的优势，与传统的微焦斑光源相比，其显著提高了光通量和图像可见度。此外，在鼠身上的断层扫描显示了其生物医学应用的初步探索。
基于MetalJet的GBI层析成像中相位对比度(A)和衰减对比度(b)切片的比较。该样本是在液体石蜡浴中扫描的大鼠大脑。
Reproduced from T. Thüring, et al., X-ray grating interferometry with a liquid-metal-jet source, Appl. Phys. Lett. (2013) with the permission of AIP Publishing.
3. 基于高分辨率传播的小动物肺部活体动态计算机断层成像系统
通过在250W和15μm光斑尺寸下操作metaljet D2+，已经证明相衬层析成像可用于活体小鼠的动态成像。在澳大利亚进行的研究工作中，时间分辨计算机断层扫描被用来成像小鼠肺部的通气情况。平板探测器只需18 ms的曝光时间就可获得投影，从而在32 s内进行完整的断层扫描。这些非常短的曝光时间和受控的呼吸，使得直径小于55-60微米的小气道能够动态成像。这种高质量的肺部动态成像能够确定肺部功能，甚在区域层面上。此外，高质量的动态CT在医学上还有许多其他的应用。
活体小鼠的时间分辨计算机断层扫描（A）特写区域（B）显示了解剖特征。该方法显示了0小时机械通气（c）-（e）和2小时（f）-（h）后肺部空气体积的差异
[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).
4. X射线显微术
使用X射线光学是获得极限分辨率的成熟方法。这种成像技术是自多年来在同步加速器上进行的，因为它们可以提供高亮度的单色光束。近几十年来，以实验室光源为基础的光学X射线显微镜已经上市，X射线光学限制了光谱的带宽，因此需要高亮度和相对单色的X射线源。传统的实验室X射线显微镜通常使用大功率旋转阳极源。这种装置的缺点是高通量损失，因为光学器件的接受角将严格限制哪些辐射可以变得有用。一种金属射流X射线源提供了一个尖锐的，高强度的Kα线，从一个小焦点发射镓，使相当大比例的通量在光学装置中有用。这种更高的亮度使广泛的应用也可能在紧凑型光源上。
高分辨率光学x射线显微镜原理图
利用基于液态金属射流MetalJet D2源的X射线显微镜，可以分辨出西门子星状测试图内部的周期性线状，线状和间隔为150 nm。以菲涅耳波带片为物镜拍摄。
[Ref.]C. Fella, et al., “Hybrid setup for micro- and nano-computed tomography in the hard X-ray range”, Rev. Sci. Instrum. (2017);
发表文章
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 de?nition 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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加州大学圣迭戈分校、巴塞尔大学、隆德大学、橡树岭国家实验室ORNL、Diamond Light Source（UK）、亚利桑那大学、华盛顿大学、日本国立材料研究所（NIMS）......
