關(guān)于動(dòng)態(tài)顯微CT（Micro-CT），你了解多少？

引言：探索材料科學(xué)的微觀奧秘，離不開先進(jìn)的成像技術(shù)。動(dòng)態(tài)顯微CT（Micro-CT）作為前沿科技，引領(lǐng)著材料成像領(lǐng)域的新變革。TESCAN動(dòng)態(tài)顯微CT產(chǎn)品市場總監(jiān)Arno Merkle博士，為您揭秘動(dòng)態(tài)顯微CT的魅力。

關(guān)于Arno Merkle博士

Arno Merkle，西北大學(xué) （Northwestern University，美國伊利諾伊州埃文斯頓）材料科學(xué)與工程系博士，已經(jīng)在電子顯微鏡和X射線顯微鏡行業(yè)工作10多年，主要擔(dān)任細(xì)分市場和產(chǎn)品營銷的領(lǐng)導(dǎo)角色。TESCAN收購比利時(shí)的Micro CT技術(shù)公司XRE后，他于2018年初加入TESCAN, 現(xiàn)任Micro-CT產(chǎn)品市場總監(jiān)，負(fù)責(zé)TESCAN Micro CT產(chǎn)品線的全球業(yè)務(wù)發(fā)展活動(dòng)。

以下為材料科學(xué)界的知名網(wǎng)站AZoNetwork對TESCAN Micro-CT 產(chǎn)品市場總監(jiān)Arno Merkle博士的專訪內(nèi)容。

Micro-CT是材料成像領(lǐng)域中最令人興奮的表征手段之一，您能介紹一下它的工作原理和原因嗎？

Micro-CT利用X射線照射在進(jìn)行360°勻速旋轉(zhuǎn)的樣品，獲取二維的投影圖像。通過對這些二維圖像進(jìn)行大量的計(jì)算和重構(gòu)，生成樣品的數(shù)字三維結(jié)構(gòu)。Micro-CT和醫(yī)用CT的基本原理是相同的，但是Micro-CT能夠提供更高的分辨率。Micro-CT技術(shù)之所以在材料研究中如此重要，部分原因是其分析方式對樣品是無損的——無需對樣品進(jìn)行加工或切割，人們就能夠三維可視化的分析樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；還有一部分原因是，除了對“靜態(tài)”的樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解之外，該技術(shù)可以對樣品實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”成像——也就是隨時(shí)間變化（可以稱之為“4D”）成像，研究人員可以了解隨時(shí)間的變化樣品內(nèi)部的變化過程。

TESCAN Micro-CT專業(yè)從事動(dòng)態(tài)或4D Micro-CT。什么是動(dòng)態(tài)

在時(shí)間分辨領(lǐng)域，Micro-CT成像技術(shù)一直在發(fā)展，經(jīng)歷了靜態(tài)、延時(shí)成像、“4D”成像等。這些技術(shù)試圖對樣品在一段時(shí)間內(nèi)的變化進(jìn)行成像，無論是間斷的還是連續(xù)的過程，時(shí)間范圍可以是數(shù)秒、數(shù)分鐘、數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天或數(shù)周。

“動(dòng)態(tài)”CT是時(shí)間分辨X射線成像最高級(jí)別的應(yīng)用，要求能夠追蹤樣品的變化，并需要不斷對其進(jìn)行成像。我們可以將“延時(shí)成像”看作是定格動(dòng)畫，圖像有間斷，是不連續(xù)的，而“動(dòng)態(tài)成像”是平滑的運(yùn)動(dòng)圖像。動(dòng)態(tài)CT的優(yōu)勢在于能夠進(jìn)行真實(shí)的、不間斷的原位實(shí)驗(yàn)。

視頻1：延時(shí)成像

視頻2：動(dòng)態(tài)成像

視頻鏈接：https://space.bilibili.com/673479931/channel/seriesdetail?sid=308878

到目前為止，大多數(shù)基于實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的4D研究僅使用間斷的“延時(shí)”方法進(jìn)行，而速度更快、不間斷的動(dòng)態(tài)CT一般需要用到同步加速器才能實(shí)現(xiàn)。

TESCAN致力于為實(shí)驗(yàn)室提供動(dòng)態(tài)CT分析能力，我們開發(fā)了新的硬件和軟件，可以更輕松地促進(jìn)此類與時(shí)間相關(guān)的研究，從而擴(kuò)大了可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的范圍。

我們發(fā)表的論文《Innovations in laboratory‐based dynamic micro‐CT to accelerate in situ research》，DEWANCKELE，J.（2020年），Journal of Microscopy，277:197209.doi:10.1111/jmi.12879），重點(diǎn)介紹了動(dòng)態(tài)CT的方法，感興趣的讀者可以查看。

新系統(tǒng)的哪些功能保證了可以進(jìn)行這些動(dòng)態(tài)或延時(shí)研究？

為了優(yōu)化“動(dòng)態(tài)”CT的工作流程，需要大量的開發(fā)工作，包括硬件、軟件，還有應(yīng)用程序工作流程，并需要將它們?nèi)跒橐惑w。在硬件方面，優(yōu)先考慮提升數(shù)據(jù)通量，為此就需要開發(fā)高功率X射線源和高效的檢測器。此外，必須實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、不停頓的360°連續(xù)掃描功能——我們開發(fā)了兩種方案，一種是集成電源、數(shù)據(jù)接口的專用旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)；另一種是獨(dú)特的DynaTOM，我們開發(fā)了類似于龍門架結(jié)構(gòu)的成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)樣品固定不動(dòng)，X-射線源和檢測器圍繞樣品旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)可以讓研究人員不必再擔(dān)心電纜、流體管線或傳感器的在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)纏結(jié)或?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性過高，專心原位實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而通常這些問題是傳統(tǒng)原位實(shí)驗(yàn)的主要障礙。

視頻3：原位觀察啤酒泡沫

視頻鏈接：https://space.bilibili.com/673479931/channel/seriesdetail?sid=308878

硬件部分僅僅是實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)”CT的一部分，我們還在軟件和應(yīng)用程序工作流程方面的開發(fā)進(jìn)行了多種嘗試，主要集中在對掃描系統(tǒng)的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)能夠連續(xù)采集、重建，并讓用戶可以更便捷、更直觀地完成可視化處理。而且，為了能夠應(yīng)對最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，在各方面我們都保留了高度的靈活性。我們在動(dòng)態(tài)影像應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域擁有多年豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可以為我們的客戶提供世界一流的培訓(xùn)和咨詢團(tuán)隊(duì)。

針對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，這是否意味著不得不犧牲空間分辨率？

在速度、信噪比和分辨率方面始終存在取舍——每個(gè)測量或成像系統(tǒng)都是如此。在專注于優(yōu)化動(dòng)態(tài)CT的能力的同時(shí)，我們在這些需求之間取得了很好的平衡。市場上有一些CT具有更高的空間分辨率，但是它們是用于滿足不同的需求的，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)CT所需的高速、高保真度的采集。我們認(rèn)為所有這些CT之間彼此是高度互補(bǔ)的，就像SEM、FIB-SEM和TEM在電子顯微鏡領(lǐng)域中相互補(bǔ)充一樣。

在材料科學(xué)中動(dòng)態(tài)顯微CT有許多很好的潛在應(yīng)用，您能舉一些例子嗎？

原位實(shí)驗(yàn)的類型確實(shí)是無窮無盡的，在過去的幾年中，我們在材料科學(xué)的許多應(yīng)用中都看到了動(dòng)態(tài)CT的應(yīng)用需求。例如，結(jié)構(gòu)材料（例如金屬、3D打印的零件或復(fù)合材料）的機(jī)械性能研究領(lǐng)域就是一個(gè)明顯的例子，我們需要通過成像和分析研究載荷下的故障與裂紋、空隙，以及其它缺陷的相關(guān)性。在這里，我們需要樣品在壓縮、彎曲或拉伸狀態(tài)下成像，并嘗試將變形事件與力-位移測量值相關(guān)聯(lián)。在破壞或變形的時(shí)候，我們會(huì)使用Micro-CT或其它技術(shù)（例如SEM或等離子體FIB-SEM）對感興趣位置進(jìn)行深入研究，這樣能夠更精細(xì)地觀測微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的變化。

其它應(yīng)用領(lǐng)域：包括研究多孔和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的變形，例如泡沫金屬或聚合物；食品科學(xué)中例如面包在烘烤中的空隙變化或啤酒泡沫的塌陷；包括消費(fèi)品在內(nèi)的各種材料中的水合、過濾或吸收過程；電池的腐蝕和充電循環(huán)代表了另外兩個(gè)非常普遍的應(yīng)用，盡管時(shí)間跨度會(huì)稍長。最近，我們致力于研究液體中的顆粒懸浮液并探索相關(guān)的流動(dòng)行為。

最重要的是，我們的動(dòng)態(tài)CT有能力適應(yīng)各種感興趣的時(shí)間范圍，從最快的時(shí)間分辨率小于10秒的快速反應(yīng)過程，一直到間斷的、延時(shí)的緩慢移動(dòng)的過程——其實(shí)驗(yàn)時(shí)間可能需要持續(xù)幾周或幾個(gè)月。

如對動(dòng)態(tài)顯微CT技術(shù)感興趣，或者想要了解更多關(guān)于TESCAN Micro-CT產(chǎn)品的信息，可訪問TESCAN的官方網(wǎng)站：https://info.tescan.com/micro-ct