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VISÃO GERAL

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Estágios para posicionamento da amostra com seis graus de liberdade.

A linha de luz de microtomografia por raios X (IMX) coleta a radiação síncrotron emitida pelo imã de dipolo D6 de campo magnético de 1,67 T e raio de curvatura de 2,736 m. Esta linha foi projetada para operar com feixe branco ou monocromático. No caso monocromático o monocromador, localizado a 12 m de distância da fonte, possui dois tipos de cristais, são eles: o Si(111) e par de cristais multicamadas de Ru/B4C. Com isto a energia disponível após o monocromador é de 4 keV a 14 keV. No caso de feixe branco, o monocromador é removido do caminho do feixe, proporcionando ao usuário a opção de utilizar um feixe branco cujo espectro de energia abrange desde 5 keV a 20 keV.

Na entrada da linha de luz, o feixe branco é condicionado por fendas, garantindo que o feixe tenha um tamanho e formato adequados. Em seguida, o feixe atravessa uma janela de Berílio (com 125 $ \rm \mu m$ de espessura) resfriada por água na entrada da câmara que abriga o monocromador. Na sequência, ele atravessa uma nova janela de Berílio já na saída da câmara do monocromador e que também separa um pequeno trecho já sem vácuo do alto vácuo da câmara. Em frente a essa segunda janela está montado um obturador que controla o tempo de incidência do feixe na amostra. O feixe passa por um caminho de vácuo, selado por janelas de Kapton (espessura de 25 $ \rm \mu m$) evitando assim a atenuação do feixe. Para melhor controle da energia do feixe branco um sistema de filtros composto por três filtros de 350 $ \rm \mu m$ e um de 200 $ \rm \mu m$ de espessura de Silício (Si) altamente polidos e controlados remotamente pelo usuário da linha. Esses filtros auxiliam na medição de amostras muito densas que absorvem os raios X ou para amostras muito frágeis, pois bloqueiam a passagem do espectro de mais baixa energia. Por fim, mais um último sistema de fendas faz o condicionamento, com alta precisão, do tamanho e formato do feixe antes do contato com a amostra.

Os estágios para posicionamento e rotação da amostra ficam localizados alguns centímetros após o sistema de fendas. Dois estágios de translação, perpendiculares e com precisão de 0,1 $ \rm \mu m$, permitem a movimentação da amostra no plano vertical. Essa movimentação permite um elevado controle no posicionamento da amostra permitindo selecionar a região de interesse da amostra. Um estágio de rotação, com alto grau de reprodutibilidade, composto por mancais aerostáticos permite a rotação da amostra em frente ao feixe. Acima deste estágio encontram-se outros dois estágios translacionais de alta precisão, montados de forma transversa. Eles permitem o alinhamento da amostra no eixo de rotação do estágio rotacional. Por fim, um porta amostras com fixação magnética permite um fácil e seguro encaixe das amostras.

Depois de passar pela amostra, os raios X passam por um vidro de carbono e então incidem sobre um cintilador, o qual transforma a radiação incidente em luz visível. Atrás do cintilador existe um espelho inclinado a 45º que reflete a luz vinda gerado no cintilador para uma objetiva. Desta forma, a imagem pode ser magnificada e focalizada sobre um detector (câmera CCD). A objetiva é montada em um estágio de translação que permite a focalização remota da imagem. Este sistema compõe um microscópio que junto com a câmera estão sobre dois estágios, também de translação, que permitem o ajuste na distância amostra detector até máximo de 300 mm e uma variação na altura em relação a amostra (necessária para a optimização do sistema de detecção).

A linha IMX também possui um sistema automático de troca de amostras, o qual permite ao usuário a criação de uma fila de medições, melhorando a eficiência e automatização da linha. Esse sistema utiliza um robô Mitsubishi RV-2F-D1 (Controlador CR750-D) para realização da troca das amostras. Sensores foram adicionados a bandeja de amostras para dar feedback ao sistema sobre a existência ou não de amostras na posição desejada, evitando problemas no processo de construção da fila e também na movimentação do manipulador.

CONTATO & EQUIPE


Telefone da Instalação: +55 19 3512 1142
E-mail da Instalação: imx@lnls.br

Coordenação: Nathaly Lopes Archilha
Telefone: +55 19 3512 1281
E-mail: nathaly.archilha@lnls.br

 

Clique aqui  para mais informações sobre a equipe desta Instalação.

TÉCNICAS EXPERIMENTAIS

As técnicas e configurações experimentais a seguir estão disponíveis nesta linha de luz. Para saber mais sobre as limitações e requerimentos das técnicas, contate o coordenador da linha de luz antes de submeter sua proposta.

TOMOGRAPHY

Tomography is a non-invasive imaging technique that allows to examine slices of a sample without damaging it. While radiography provides an image from a single orientation of the sample, tomography provides many images of the sample from different orientations, resulting in a set of projections or sinograms.  Essentially, each sinogram column corresponds to the X-ray projection at one angle. This data can then be reconstructed by basically solving the inverse Radon transformation.

In our case, filtered back projection is used to reconstruct 3D images from a series of 2D projections. The projection values are smeared back across the 2D projections and integrated across all angles. To reduce blurring effects, the images are filtered in Fourier space before being back projected.

PHASE CONTRAST – PROPAGATION

Similar to tomography, this method involves placing the detector some distance from the sample, so that the radiation refracted from the sample can interfere with the unchanged beam. Given the high degree of coherence available in synchrotron radiation, interference patterns or Fresnel fringes can be observed some distance away from the sample. Using this technique allows us to enhance the contrast observed in absorption images or separate entirely the phase (phase retrieval) and attenuation components. This method is particularly useful when investigating light materials or biological samples or even composites made from similar materials.

PHASE CONTRAST – GRATING BASED

This technique is based on the Talbot effect, which is a Fresnel diffraction effect and leads to repetition of a periodic wavefront after a certain propagation distance, called the Talbot length. By placing a phase grating behind the sample, the interference pattern of the Talbot effect is modified by absorption, refraction and scattering in the sample. This interference pattern can then be analysed using a second absorption grating, which transforms the local fringe position into signal intensity variation on the detector. Along with the conventional transmission image of a sample, it provides both a differential phase contrast and a dark field image of the sample, by stepping the phase grating over a single period. Applications range from medical imaging of soft tissues, to food screening and measuring short range order in mesoscale systems.

LAYOUT & ELEMENTOS ÓTICOS


 

 

ElementoTipoPosição [m]Descrição
FonteDipolo de CurvaturaDipolo de Curvatura D06 saída B (15°), 1.67 T , 391 $ \mu \rm m$ x 97 $ \mu \rm m$
JanelaJanela de Berílio-PF1 125 $ \mu \rm m $ de espessura
MonoMonocromador Duplo de Multicamadas12Camadas de Ru/B4C com resfriamento a água
MonoMonocromador de Duplo Cristais12Cristais de Si(111) com resfriamento a água
JanelaJanela de Berílio-PF1 125 $ \mu \rm m$ de espessura
FiltrosXia Filter22Si(111) 200 $ \mu \rm m$, 350 $ \mu \rm m $

PARÂMETROS

ParâmetroValorCondição
Faixa de Energia [keV]5 - 20Feixe Rosa
Faixa de Energia [keV]5 - 14Feixe Monocromático (Si(111) DCM / Multilayer DMM)
Resolução de Energia [$ \Delta$E/E]$ 1.3\times10^{-4}$Si(111)
Resolução de Energia [$ \Delta$E/E]$ 1.4 \times 10^{-2}$Ru/B4C ML
Tamanho do feixe na amostra [$ \rm mm^2$, FWHM]13 x 10Feixe Rosa
Tamanho do feixe na amostra [$ \rm mm^2$, FWHM]13 x 4Feixo Monocromático (Si(111)/ML a 8keV)
Divergência do feixe na amostra [$ \rm mrad^2$, FWHM]1 x 0.1at 8 keV
Densidade de Fluxo na amostra [ph/s/$ \rm mm^2$]$ 8.61 \times 10^{13}$Feixe Rosa (100mA)
Densidade de Fluxo na amostra [ph/s/$ \rm mm^2$]$ 1.22 \times 10^{10}$ML a 8 keV
Densidade de Fluxo na amostra [ph/s/$ \rm mm^2$]$ 1.84 \times 10^{8}$Si(111) a 8 keV

INSTRUMENTAÇÃO

InstrumentoTipoModeloEspecificaçõesFabricante
DetectorÁreaPCO.20007.4 $ \mu \rm m$ pixel, 2048 x 2048 pixel, 14-bit CCD câmeraPCO
MicroscópioÓpticoBaixa dose (Feixe Mono)Microscópio monocromático (objetivas de 2x, 10x)Optique Peter
MicroscópioÓpticoAlta dose (Feixe Rosa)Microscópio para feixe rosa (objetivas de 2x, 5x, 10x)Optique Peter
CintiladorAlto FluxoLuAg:Ce$ \phi\, 10\rm{mm}, 50 \mu \rm m$, $ \phi\, 15\rm{mm}, 5 \mu \rm m$Crytur

CONTROLE E AQUISIÇÃO DE DADOS

A IMX utiliza uma placa de temporização PXI-6602 da National Instruments anexada ao um chassis PXI-1045 para monitorar contadores digitais e controlar os devices da linha durante o processo de escaneamento.

Um estágio de rotação UPR-160 da PiMicos é responsável pela rotação da amostra ao longo da rotação. Os pontos de escaneamento são calculados diretamente no Hydra SMC (controlador do estágio) utilizando como base os valores salvos em PV’s (oriundas de uma EPICS IOC do estágio). O controlador envia um feedback através de uma interface I/O quando o estágio atinge um dos pontos calculados, possibilitando uma sincronização via hardware entre os motores e os equipamentos de escaneamento. Uma interface feita em LabView e rodando em um computador com Windows controla a camêra pco.2000, atualmente o detector utilizado na IMX. A interface para usuário foi desenvolvida utilizando a biblioteca CS-Studio e está instalada em uma máquina com sistema operacional Linux Red Hat. O CS-Studio mantém em exibição os valores de diversas PVs e possui programado dentro dele diversos botões que acionam scripts feitos em Python, dando ao usuário total autonomia e facilidade no controle da linha.

Data visualization and analysis

A IMX usa o Avizo para visualização e análise científica dos dados 3D obtidos nas medições. Ele é um software que oferece diversas ferramentas para processamento, exploração e análises para imagens 3D. Mais informações disponíveis em: http://www.avizo3d.com/

DOCUMENTAÇÃO

 

MANUAL DA LINHA DE LUZ

Clique aqui para fazer o Download do Manual da Linha de Luz.

OUTROS MANUAIS

A IMX usa o Avizo para visualização e análise científica dos dados 3D obtidos nas medições. Ele é um software que oferece diversas ferramentas para processamento, exploração e análises para imagens 3D. Clique aqui para fazer o Download do Manual.

Outro programa que a IMX utiliza é o Fiji, uma distribuição do ImageJ que inclui muitos plugins úteis desenvolvidos pela comunidade. Especificamente utiliza-se o Trainable Weka Segmentation, que utiliza aprendizagem de máquinas para automatizar a segmentação das imagens. Clique aqui para fazer o Download do Manual.

Também é utilizado o Annotat3D, um software desenvolvido pelo Grupo de Computação Científica do CNPEM. Ele utiliza machine learning com uma técnica de superpixels/supervoxels para uma segmentação mais eficiente. Também utiliza o Deep Learning, para aprendizado supervisionado, com o objetivo de segmentar de uma série de imagens semelhantes. Clique aqui para fazer o Download do Manual.

COMO CITAR ESTA INSTALAÇÃO

Usuários devem declarar a utilização das instalações do LNLS em qualquer artigo, tese ou outro material publicado que utilize dados obtidos na realização de sua proposta.

Texto de apoio para declaração/agradecimento:

This research used resources of the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS), an open national facility operated by the Brazilian Centre for Research in Energy and Materials (CNPEM) for the Brazilian Ministry for Science, Technology, Innovations and Communications (MCTIC). The _ _ _ beamline staff is acknowledged for the assistance during the experiments.

Ou:

Esta pesquisa utilizou recursos do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), uma instalação nacional aberta do Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (MCTIC) operada pelo Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Agradecemos a equipe da Linha de Luz _ _ _ pela assistência durante os experimentos.

PUBLICAÇÕES

Abaixo está disponível a lista de artigos científicos produzidos com dados obtidos nas instalações desta Linha de Luz e publicados em periódicos indexados pela base de dados Web of Science.

Atenção Usuários: Dada a importância dos resultados científicos anteriores para a processo geral de avaliação das propostas, recomenda-se que os Usuários verifiquem e atualizem suas publicações tanto no portal SAU Online quanto na base de dados da Biblioteca do CNPEM. As atualizações da base de dados da biblioteca devem ser feitas enviando a informação bibliográfica completa para a Biblioteca (biblioteca@cnpem.br). As publicações são incluídas após checagem pela equipe da biblioteca e pela coordenação das linhas de luz. 

 


 IMX 

 Depannemaecker, D. ; Santos, L. E. C.; Almeida, A. C. G. de ; Ferreira, G. B. S. ; Baraldi, G. L.; Miqueles, E. X.; Carvalho, M. de; Costa, G. S. R.; Marques, M. J. G.; Scorza, C. A. ; Rinkel, J.. Gold Nanoparticles for X-ray Microtomography of Neurons, ACS Chemical Neuroscience, v. 10, n. 8, p. 3404-3408, 2019. DOI: 10.1021/acschemneuro.9b00290


 IMX 

 Calasans-Maia, M. D.; Barboza Jr., C. A. B; Souza, C. A. S. de; Alves, A. T. N. N.; Uzeda, M. J. ; Martinez-Zelaya, V. R. ; Leão, M. H. R. ; Santana, R. B. de ; Granjeiro, J. M.; Rossi, A. M.. Microspheres of alginate encapsulated minocycline-loaded nanocrystalline carbonated hydroxyapatite: therapeutic potential and effects on bone regeneration, International Journal of Nanomedicine, v. 14, p. 4559-4571, 2019. DOI: 10.2147/IJN.S201631


 IMX 

 Sena, G.; Nogueira, L. P.; Braz, D. ; Colaço, M. V.; Almeida, A. P. de; Azambuja, P.; Gonzalez, M. S.. Improving image quality of Rhodnius prolixus head using different types of staining methods and synchrotron radiation phase contrast microtomography, Radiation Physics and Chemistry, v. 155, p. 26-30, 2019. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2018.06.039


 IMX 

 Ferreira, T. R.; Pires, L. F. ; Wildenschild, D. ; Brinatti, A. M. ; Borges, J. A. R. ; Auler, A. C. ; Reis, A. M. H. dos. Lime application effects on soil aggregate properties: Use of the mean weight diameter and synchrotron-based X-ray mu CT techniques, Geoderma, v. 338, p. 585-596, 2019. DOI: 10.1016/j.geoderma.2018.10.035


 IMX   XRD2 

 Brandão, J. ; Dugato, D. A. ; Seeger, R. L. ; Denardin, J. C.; Mori, T. J. A.; Cezar, J. C.. Observation of magnetic skyrmions in unpatterned symmetric multilayers at room temperature and zero magnetic field, Scientific Reports, v. 9, p. 4144, 2019. DOI: 10.1038/s41598-019-40705-4


 IMX   XRF 

 Martinez-Zelaya, V. R. ; Zarranz, L. ; Herrera, E. Z. ; Alves, A. T. ; Uzeda, M. J. ; Mavropoulos, E.; Rossi, A. L.; Mello, A.; Granjeiro, J. M.; Calasans-Maia, M. D.; Rossi, A. M.. In vitro and in vivo evaluations of nanocrystalline Zn-doped carbonated hydroxyapatite/alginate microspheres: zinc and calcium bioavailability and bone regeneration, International Journal of Nanomedicine, v. 14, p. 3471-3490, 2019. DOI: 10.2147/IJN.S197157


MAIS PUBLICAÇÕES

FOTOS


IMX - Trabalhando na Segmentação de Imagens / IMX - Working on Images Segmentation



Português:
Usuários fazendo a segmentação das imagens obtidas.

English:
Users doing images segmentation.

IMX - Monocromador / IMX - Monochromator



Português:
Monocromador da linha IMX.

English:
Monochromator of IMX Beamline.

IMX - Sistema Automático/ IMX - Automatic System



Português:
Sistema automático para troca de amostras.

English:
Automatic sample exchange system.

IMX - Cabana Experimental/ IMX - Experimental Hutch



Português:
Cabana experimental.

English:
Experimental hutch.

IMX - Posicionamento de Amostras / IMX - Sample Stage



Português:
Estágios para posicionamento da amostra com seis graus de liberdade

English:
Sample stage with six degrees of freedom.

IMX - Amostra e Janela do Detector/ IMX - Sample and Detector Window



Português:
Amostra e janela do detector

English:
Sample and detector window.

IMX - Estação de Controle / IMX - Control Station



Português:
Estação de controle da linha.

English:
Beam line control station.

IMX - Vista Panorâmica / IMX - Panoramic View



Português:
Vista panorâmica da linha IMX.

English:
Panoramic view of IMX Beamline.