基于同步辐射的X射线成像技术在静高压研究中的应用*

侯琪玥，敬秋民，张 毅，刘盛刚，毕 延，柳 雷

(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室，四川绵阳 621999)

1 引 言

X射线成像技术伴随着X射线的发现而诞生：在X射线发现之初，伦琴将手掌放在X射线管与荧光板之间，清晰地看到了手掌内部的骨骼结构，这是最早的X射线成像实验，使人们意识到X射线在医学领域有重要的应用前景。随着同步辐射技术的发展，尤其是专用同步辐射装置的出现，高能量、高准直性、高通量和高相干性的X射线光源成为现实。X射线成像技术也从最初的投影成像技术，发展出相衬成像、显微成像、相干衍射成像等多种实验技术[1-4]。物质的各种独特性质与其结构息息相关，物质结构与性质之间的关系是凝聚态物理学、材料科学、结构生物学等学科的研究主线之一。高穿透性、无损伤的X射线成像技术可以在宏观、介观和微观尺度提供物质结构的可视化信息，因此在众多研究领域得到了广泛的应用。

静高压实验研究主要探讨极端高压环境下物质的结构和物性随压力和温度加载的响应。压力对物质的电子结构、声子态密度、化学键、晶体结构，进而对材料的各种物性具有重要的调制作用。研究压力对物质结构和物性的调制作用，可以促进人们对于相关科学问题的认识，如金属绝缘体转变、超导机制等；在高压环境下，可以合成出具有优异力学或电学性能的材料，如超硬材料、热电材料等[5-6]；地球和行星内部是天然的极端高温高压环境，研究相关材料在高压下的结构和物性对人类了解地球的形成、演化和发展具有重要的意义[7-8]。X射线衍射(X-Ray Diffraction，XRD)技术是最主要的材料结构表征技术之一，可以揭示具有长程周期性的晶体材料在原子尺度的结构信息；但是对于某些问题，XRD技术的应用具有一定的局限性，如不具备长程周期性的液体和无定形材料、介观尺度问题等。而X射线成像技术对材料的周期性结构没有要求，且能揭示材料从微观、介观到宏观的跨尺度结构信息，因此在高压研究中得到越来越广泛的应用。

本文较系统地总结近年来X射线成像技术的发展及其在静高压研究中的应用，主要包括液体和无定形材料的密度测量，材料的相变动力学行为及铁合金在地球内部的输运机制研究等，并给出研究展望，以期对今后相关领域的研究工作有所帮助。

2 X射线成像原理

X射线投射到样品后，一部分直接透射过去(即透射光)，另一部分被一些微小结构(如包含物)以偏离入射方向散射出去(即散射光)。这些光会在样品后的空间中进行衍射，根据传播特点可分为几何投影区、菲涅尔衍射区和夫琅禾费衍射区，如图1所示。在距离样品很近的空间内，光几乎为直线传播，因此光屏上显示为几何投影，在该区域内的X射线成像为投影成像，空间分辨率主要取决于探测器的像素尺寸(从1微米到几十微米)，这种成像方法是传统的吸收成像，旋转样品还可以进行三维重建。当光传播到菲涅尔衍射区时，菲涅尔衍射效应开始增强，样品的相位信息转换为光强信息。某些相衬成像技术需要利用特殊的光学元件将相位信息提取出来，目前世界上较为常见的是光栅剪切相衬技术和衍射增强相衬技术。而同轴衍射成像技术只需要采集不同距离下的衍射图像便可提取出相位信息。在此区域若利用菲涅尔波带片对样品进行放大成像，即为X射线透射显微成像(Transmission X-Ray Microscopy，TXM)技术，其空间分辨率主要受物镜的数值孔径限制，一般为30～100 nm。当光传播至夫琅禾费衍射区域时，光屏呈现的是样品的傅里叶变换散射图，可根据散射图反推样品的电子密度，即X射线相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging，CDI)技术。 对于晶体样品，需要采集晶体在某个衍射方向(hkl)下的衍射斑，即Bragg-CDI成像。这种成像技术的分辨率受最大散射角的限制，目前可达到10 nm[9]，是X射线成像方法中分辨率最高的一种(见表1)。

表1 典型的X射线成像技术及其技术特点Table 1 Typical X-ray imaging techniques and their properties

Notes:(1) Information concerning the synchrotron radiation facilities listed here is accessible online;the large volume presses are currently used in the corresponding beam-line;(2) NSLS:National Synchrotron Light Source at the Brookhaven National Laboratory;D-DIA:A hybrid system using a set of large DIA anvils to compress the Kawai cell;ESRF:European Synchrotron Radiation Facility;APS:Advanced Photon Source;SSRF:Shanghai Synchrotron Radiation Facility;SSRL:Stanford Synchrotron Radiation Lightsource; (3) XANES:X-Ray Absorption Near-Edge Spectrum.

图1 X射线成像的衍射区划分Fig.1 Diffraction zones of the X-ray imaging

3 X射线成像技术在高压研究中的应用

在高压研究中，X射线成像技术在许多方面都发挥着无可替代的作用，如无定形材料的物态方程测量、高压加载下的声速测量、地球物理中熔融铁在岩石中的输运机理研究、晶体材料中的应变分布以及材料相变过程的演化研究等。以下将简要介绍X射线成像技术在相关领域的研究进展。

3.1 物态方程测量

物态方程(Equation of State，EOS)是高压实验研究中最重要的研究内容之一，研究物质体积(密度)对压力和/或温度的响应，是物质性质的最本质描述之一。通常情况下，通过高压(大压机、金刚石对顶砧加载等)、高温(电阻加温、激光双面加温等)加载下的原位XRD实验获得材料的EOS。其中大压机设备庞大，且不易搬运，表1列出了不同类型的大压机在国内外同步辐射光源束线下的使用情况。XRD实验适用于测量晶体材料的EOS，而对于非晶材料(如玻璃、液体和熔融态物质等)，由于难以建立衍射信号与实空间样品体积的简单对应关系，使得利用衍射技术测量非晶材料的EOS具有很大挑战。X射线成像技术则不受样品状态的限制，是测量非晶材料EOS的有效工具。

目前，用X射线成像技术测量EOS有两种方式：密度测量和体积测量。最初的测量是从大压机加载下样品的密度测量开始[10-13]：沿径向扫描样品，得到圆柱形样品对X射线的吸收强度随径向位置的变化，通过拟合得到样品的密度。对于液态样品，主要通过大压机中的圆柱形样品腔(一般为单晶蓝宝石或氮化硼)维持样品的几何形状。一维扫描方法对柱状样品形状的要求严格，如果样品发生形变，那么拟合出的密度参数会有很大的偏差。Chen等人[14]在2014年提出了X射线投影成像方法以拟合密度参数，该方法只要求在X射线的传播方向上保持样品形状，在垂直于光传播方向上的样品变形对测量结果的影响很小(见图2(a))。投影成像方法并非拟合柱状样品的吸收曲线，而是拟合样品内红宝石小球的吸收曲面(图2(b)所示为样品和红宝石球的投影像)，这种二维拟合方法可以减小一维拟合的统计误差。上述拟合方法主要针对大压机的测量。采用金刚石压机加载时，要想通过样品的吸收强度求出其密度参数[15]，需要测量样品厚度，而样品厚度一般通过拟合封垫的一维厚度分布得到；封垫厚度的测量则需要结合XRD和纵向吸收扫描两种技术，并且在计算中不考虑金刚石变形对封垫厚度的影响，此时可采用径向断层扫描成像技术直接测量样品密度。径向断层扫描成像技术多用来测量体积参数，但是如果分辨率不够高，或噪音的差别较大，则很难确定样品边界。2008年，Liu等人[16]直接在重建样品内选择明确的区域(如图2(c)方框所示)进行密度测量。随后，该密度测量方法的理论部分被Xiao等人[17]进行拓展：由于金刚石对顶砧(Diamond Anvil Cell，DAC)下的角度缺失会影响传统的滤波反投影三维重建，参考物重建可以消除上述问题造成的系统误差，如果参考物与样品的EOS曲线趋势相近，还可以进一步消除样品的误差震荡。

图2 X射线投影技术测量密度示意图[14](a)，X射线投影成像图[14](b)，以及金刚石压机加载下的样品(Pt、NaCl和Fe)、红宝石球和传压介质[17](c)Fig.2 (a) Density measurement using X-ray radiography imaging[14];(b) simulated X-ray radiography imaging[14]; (c) the sample (Pt,NaCl,Fe),ruby ball and the pressure medium in the diamond anvil cell[17]

对于体积测量，最初也是在大压机中实现的。2005年Wang等人[18]在美国先进光源(Advanced Photon Source，APS)的GSECARS实验站上对Drickamer压砧加载下(压力小于8 GPa)硫化铁基质中的Mg2SiO4小球(直径0.8 mm)进行三维重建成像(分辨率为10 μm)，证明了X射线断层扫描的体积测量在大压机中的适用性(见图3)。随着成像技术的发展，2012年Wang等人[19]利用全景DAC和APS 32 ID-C线站上的TXM技术，对4.7、8.1和12.0 GPa压力下的晶体Sn颗粒(粒径约10 μm)进行三维成像(分辨率达到60 nm)，经三维重建和边界分割后，计算出样品的体积V(相对误差为0.5%)，所得的p-V曲线与之前XRD的测量结果非常吻合(见图4)。由此可见，无论是大压机加载还是DAC加载，X射线成像技术均能给出精确的体积测量结果。

图3 Mg2SiO4的p-V曲线[18]Fig.3 p-V curve of Mg2SiO4[18]

图4 晶体Sn的p-V曲线[19]Fig.4 p-V curve of crystalline Sn[19]

上述测量密度和体积的X射线成像方法对于无定形材料及液体物态方程研究的意义重大。无定形材料的原子排列结构非常复杂，其XRD峰宽是晶体的10倍。尽管如此，无定形材料的第一衍射峰位Q1仍可用来描述“单胞”尺度d1(最近邻原子间的平均尺寸)，即d1∝1/Q1。通常认为，在无序各向同性系统中可用V∝(1/Q1)3估算体积[20-21]。但是，最近发现在“无序”的金属玻璃中在短程范围内存在着非常复杂的有序性[22-23]，而Meade等人[24]利用此关系计算玻璃的p-V关系时，发现与理论预测值相差3倍，说明无定形材料的复杂原子结构特点使XRD技术受到限制。

图5 金属玻璃的p-ρ/ρ0.7 GPa曲线[25]Fig.5 p-ρ/ρ0.7 GPa curve of metallic glass[25]

图6 金属玻璃的密度与第一衍射峰位的关系[25]Fig.6 Density vs.the position of the first diffraction peak of the metallic glass[25]

图7 无定形Se的p-V曲线(插图反映了无定形Se在结晶过程中的密度变化)[16]Fig.7 p-V curve of the amorphous Se (Theinsert shows how the density changes during the crystallization of amorphous Se)[16]

2014年Zeng等人[25]采用X射线成像方法探讨了金属玻璃的体积V与第一衍射峰位Q1的关系。他们用压力作为密度增加的参数，通过XRD和显微成像技术获得相应的单胞尺度和体积，进而求出二者之间的幂次关系。为了获得较大范围的密度值，实验中选取了体积模量很小的金属玻璃(体积模量约41 GPa)，加压过程中金属玻璃没有发生结晶化及相变，而且加载过程几乎是弹性压缩，卸载后Q1回到了初始位置。为了准确测量高压下样品的密度，他们利用TXM技术(分辨率为30 nm)测量了高压下样品的体积，同时利用集成于巴黎-爱丁堡压机(Paris-Edinburgh Cell)的声速干涉仪和X射线投影成像方法，在低压区对上述测量结果进行了验证(见图5)。结果表明，由Q1值得到的二者关系并非之前认为的各向同性的3次方关系，而是偏于分形结构的2.5次方关系，如图6所示。2015年Lin等人[26]也采用上述方法对GeO2的高压体积进行了测量。此外，Liu等人[16]根据XRD数据的精修结果，研究了无定形Sn在高压结晶过程中的密度变化，发现Sn会发生约3.6%的密度变化。为了精确地原位测量无定形Se在结晶过程中的密度变化，Liu等人[16]在APS的2-BM线站上对无定形Se进行了高压(压力为10.7 GPa)X射线断层扫描成像，如图7所示，由于成像边界存在模糊现象，在成像中通过上述方法转换为密度测量。

对于高压下液体和熔融态密度测量，早期使用沉降法，但是误差较大，且实验过程复杂。2011年Nishida等人[13]利用装备在日本Spring-8同步辐射BL22XU线站上的DIA型压机(采用圆柱形单晶蓝宝石作为样品容器)，对液态硫化铁进行了高温高压实验，通过对y方向进行一维扫描，得到吸收曲线，进而拟合出样品的密度，其中蓝宝石的吸收系数和密度分别取自Chantler[27]的理论公式和Pavese[28]的EOS曲线。该方法所得密度与XRD所得固体密度在误差范围内相吻合。吸收曲线法的误差来自于光子计数误差、硫化铁吸收系数的不确定性、拟合误差以及多次测量的均方误差，总误差约为2%。2014年Chen等人[14]用氮化硼作为传压介质，通过样品内红宝石球的二维投影，拟合出硫化铁液体的密度，所得结果与固体硫化铁XRD结果的相对误差为1%～2%。这种二维投影方法不局限样品形状，适用于样品的高压变形情况，而且避免了采用单晶蓝宝石作为样品腔时给密度测量带来的额外影响，同时液体密度测量实验设备简单，光子计数误差和拟合误差降低。

3.2 地幔中铁的输运

地核的形成机制对于地球历史的鉴定至关重要。以金属地核(主要成分为铁)为核心的地球圈层结构表明，地球中存在着一种机制，可以将铁合金从硅酸盐中分离，并运送至地核。地幔中铁的分离和输运过程是地球物理研究的重要内容。

虽然人们已对硅酸盐颗粒间的熔融铁合金做了大量的实验研究，但是仍未完全理解地核的形成机制。这是因为之前的实验研究是基于二维观测结果，在研究三维熔融连通性时会出现一些误判。同步辐射X射线断层扫描能够克服二维观测的局限性，提供样品的三维信息。 2011年Zhu等人[29]以不同熔体含量(质量分数)的橄榄-玄武岩作为样品，研究了上地幔中熔融物的渗透性质，结果表明：当熔体含量为2%～20%时，熔体在颗粒边缘形成连通的通道，并且高熔体含量(大于10%)样品的熔融物还会大量分布在晶粒的边界面上，而渗透率在此区间没有明显变化，表明孔隙率与熔体的拓扑分布无关，而渗透率依然可以利用熔体含量与渗透率的立方关系[30]进行近似。为了量化熔体网格的连通性，Zhu等人[29]将通道截面缩小到中心点，进行骨骼化算法分析，指出所有样品中的连通网络都是通过熔体的三重结点构成，与之前的经验结果相同；但是由于X射线断层扫描的分辨率为0.7 μm，对于熔体含量很小(2%)的情况，其连通性的参数测量会受到三维重建伪影的影响。

为了获得更高的分辨率和衬度，需采用CDI技术对样品进行成像。为了模拟地球上地幔的条件，Jiang等人[31]将圣卡罗橄榄石和铁按质量比4∶1放入大压机(Multi Anvil)内，在压力为6 GPa、温度为1 800 ℃的条件下经过1 h合成出样品；在Spring-8同步辐射RIKEN光束线(BL29XUL)中，对合成的样品等斜率(旋转角为-69.4°～69.4°)地采集27幅图像进行重建，所得电子密度形貌如图8(a)所示。可见，3个不规则的颗粒互相连接(2.44 μm×2.31 μm×0.78 μm)，颗粒的形状、表面形貌和体积均与高温高压处理过程相关。根据质量m与电子个数Ne的关系m=2.05Ne，可以确定样品的平均质量密度约为3.58 g/cm3，与此前的研究结果相吻合。为了研究富铁相的二维分布，在上海同步辐射光源上进行TXM成像，在铁吸收边前、后得到了铁的差图像，将此结果与CDI重建的切片(16.3 nm厚，见图8(b))进行比对，由CDI密度三维(3D)重建得到了富铁相、FeS相和橄榄石相的质量密度区间，发现这些不同相的密度并非是预想的突变，而是连续变化；二维密度分布图显示，富铁相和FeS相主要分布于颗粒的边缘，另外还形成了一个铁矿坑；三维形貌图显示，熔融铁不仅形成孤立的球体(与之前的结果一致)，还会形成不规则的三维形状，从而更有利于铁的输运。当然这些熔融铁的形成与局部的温度和压力、几何结构以及三维渗透机制有关。

图8 橄榄石-Fe-S样品的相干衍射成像结果[31]Fig.8 Results of coherent diffraction imaging of olivine-Fe-S sample[31]

根据液态铁在固体和各向同性基质中的渗透理论，当固-液界面能与固-固界面能的比值(二面角)变小时，熔融铁从球状变为凹面三棱镜状，从而有利于铁的输运，其中二面角可通过凹面三棱镜之间的夹角进行测量。为了研究地核中铁的输运机制与高压的关系，2013年Shi等人[32]将92%(质量分数)的顽辉石与8%的铁-镍合金混合，在常温下加载至不同的压力(25、39、52和64 GPa)，然后利用双面激光加热至合金熔化而岩石仍为固态的最高温度(由XRD表征状态，分别为2 300、2 800、3 100和3 300 K)。由于固相具有各向异性，因此采用具有纳米尺度的X射线透射显微断层扫描技术研究下地幔中熔融铁的输运与压力的关系，其三维成像如图9所示。从图9可以看出，铁由开始时孤立的Pocket(25和39 GPa)发展到形成连通网络(52和64 GPa)，岩石间隙的熔融铁也从球形(25和39 GPa)转变为枝叉形(52和64 GPa)，对其二面角进行测量，得到最可几二面角比值。当压力较低时，二面角较大；随着压力的增加，二面角开始变小：表明压力可使岩石中熔融铁的渗透能力增强。分析64 GPa压力下合成样品的渗透性质，发现熔融铁不仅分布在晶粒的边缘，还扩散到晶粒的边界面上。根据骨骼化算法，在该压力点下，熔体主要通过三重和四重结点进行连通，与渗透分析结果一致，表明当压力高于50 GPa时，固-液界面能降低到某临界值以下，或者两相结构发生变化，使岩石中的熔融铁通过渗透进行连通。

图9 熔融铁的三维空间分布和二面角统计分布[32]Fig.9 Three-dimensional spatial distribution of molten Fe and the statistical distribution of the dihedral angle[32]

3.3 相变演化及动力学过程

尽管XRD技术可用于研究原子排列变化所导致的结构相变，但相变核的分布和相变过程的可视化却需要X射线成像技术完成。应用X射线成像技术可以得到密度、元素、价态等物理参数的分布，进而实时观测相变的演化过程。

2004年，Katayama等人[33]在日本Spring-8同步辐射装置的BL14B1线站上，利用X射线投影成像技术研究了磷在高温高压(六面顶压机SMAP180)下的相变，通过X射线投影成像图定性地观察到样品的相变过程(见图10)：在0.77 GPa、765 ℃条件下，样品从初始的红磷转变为如图10(a)所示的黑磷；在0.80 GPa、1 000 ℃条件下黑色区域变淡，由XRD峰可知此变化是黑磷相变为低密度流体态(Low Density Fluid Phase，LDFP)；继续加压至0.86 GPa、温度为995 ℃时，出现了一个球形的高密度区，此区域的衍射谱与LDFP明显不同，表明新相出现；直至1.01 GPa时，此新相充满整个样品腔，XRD谱指出高密度液体相(High Density Liquid Phase，HDLP)的相变完成，从中可推测出0.86 GPa下的高密度球为HDLP相，结合HDLP相出现的影像可知，两相的物理密度不同，界面张力的差别很大，一般条件下非极化分子液体的界面张力小于金属液体，与之前电导率的理论和实验结果相吻合[34-35]。

图10 高温高压下磷的X射线投影成像图[33]Fig.10 X-ray radiography imaging of P under high pressure and at high temperature[33]

对于某些材料，X射线成像技术还可以实现相变过程的五维(x,y,z,E,p)观测，其中x、y、z为三维坐标，E为能量，p为压力。BiNiO3材料在3～5 GPa时会由低压相(Low Pressure Phase，LPP)变为高压相(High Pressure Phase，HPP)，同时伴随着Ni元素电荷的转移[36]。利用这一特点，2014年Liu等人[37]采用最近发展的X射线近边吸收谱(X-Ray Absorption Near-Edge Spectrum，XANES)成像方法[38](TXM与XANES技术结合)，将BiNiO3相变过程中的两相分布随压力的变化呈现出来，图11(a)显示了3.89、4.17和4.55 GPa下HPP和LPP的三维分布图。从图11(a)中明显看出，初始时由于压力的不均匀造成HPP相分布不均匀，随着压力的增加，HPP相从几个孤立的点出发，逐渐扩展并最后发展成连续的相体。另外，为深入研究相变过程中相边界的结构，从某个二维切片(见图11(b))入手，根据Canny边缘探测算法，计算出3个压力点下的相边界(见图11(c))，以分析相变时相边界的演化情况。图11(c)中，边界突出部分的相变速度低，凹下部分的相变速度高，最终达到类似球形的状态，如同熔融铁的渗透过程。正是这些不规则的相边界驱动着样品由LPP相变为高压下相对稳定的HPP。通过五维探测可以实现相变过程中不同相的体积和边界形状的测量，洞察相变过程的潜在机制。

图11 不同压力下LPP(红色)和HPP(绿色)的BiNiO3粒子的三维分布(a)二维切片(b) 和二维相界(c)[38]Fig.11 Three-dimensional spatial distributions (a),slices (b),and phase boundaries (c) of LPP (red) and HPP (green) of BiNiO3 particles under different pressures[38]

对于玻璃相变，目前还没有基本理论可以描述。2014年Li等人[39]采用颗粒状粒子混合液体模型研究了玻璃或胶体内的动力学作用机制：通过机械振荡粒子，利用X射线快速断层扫描技术，获得了不同时间(震荡次数)下粒子的分布，进而得到聚合配位数和局部结构等信息；根据聚合配位数随着时间变化的曲线，推测出成键是推动聚合的主要动力；同时，根据模型结构趋于稳定时局部区域存在着大量的五次对称结构，确定出玻璃相变的动态结构作用机理应为多面体短程有序[40]，并非晶格有序[41]。利用X射线成像技术研究基于玻璃相变的粒子模型，也是目前非晶动力学研究的一大热点。

3.4 其他应用

X射线成像技术还可以用于黏度[42-44]、声速[45]、应力-应变分布[46-47]的测量。除了以上介绍的X射线成像技术之外，还有很多有潜力的成像技术能在高压领域中运用，如X射线光子相关谱、超快X射线相干衍射等。X射线光子相关谱是通过不同时刻相干衍射图的互相关，研究材料内磁畴(约1 μm)随时间的变化[48]，因此也可以利用不同压力下相干衍射图的互相关，研究磁畴随压力的变化。超快X射线相干衍射是通过调节泵浦激光和相干X光的时间差，得到样品泵浦后不同时刻的三维相位以及三维声子的剪切振动[49]，如果加入高压维度，便可获得压力与声子剪切振动的关系。

4 总结与展望

X射线成像技术与高压的结合离不开高压加载技术和三维图像重建方法的不断突破。三维成像需要多角度下样品的投影信息：对于大压机，其固定环需采用铝合金或其他透光材质[18]；对于传统的金刚石压机，其透光方向十分有限，因此先后出现了全景压机[50-51]、十字型压机[25]，甚至一字型压机[52]。全景压机有3个窗口，每个窗口沿赤道方向和经度方向的开口角分别为105°和68°，可达到153 GPa的压力[50]。十字型压机的外形类似于十字架，有4个窗口，X光被螺丝阻挡的部分只有30°[25]，但是目前所能达到的最高压力有限。尽管如此，仍然存在投影死角区，针对这一问题，人们提出了多种三维图像重建方法。2008年Liu等人[16]采用小角度间隔的等角扫描，重建出样品后，计算得到平均密度；2012年Wang等人[19]提出利用代数迭代方法逐渐逼近真实的三维分布；采用应用于电子断层重建和相干衍射有限角度扫描重建的等斜率断层扫描(Equally Sloped Tomography)方法[53]，可将投影数量减小60%～70%[54]，对于高压X射线成像技术的应用具有重要意义。此外，为了能在更高的压力下应用X射线成像技术，通过设计大压机中的压砧角度、尖端大小、固定环尺寸，以及金刚石压机中的封垫组合，以期达到更高的压力[18]。

X射线成像技术在高压下的进一步应用仍有待于其技术本身的发展，例如：提高成像的空间分辨率和衬度分辨率，从而更精准地呈现样品的三维结构分布，进而获得相关的物理参数。X射线成像技术与其他技术相结合可以获得更丰富的信息，也是X射线成像技术应用的发展趋势，比如：将X射线吸收与扫描方式相结合，可进行密度测量；在多晶X射线劳埃衍射实验中运用针孔扫描技术，可测量变形晶体中的应变分布；将TXM与XANES技术相结合，可得到不同价态的三维分布。

[1] THURING T,ABIS M,WANG Z,et al.X-ray phase-contrast imaging at 100 keV on a conventional source [J].Sci Rep,2014,1(1):1-4.

[2] WILKINS W S,GUREYEV T E,GAO D,et al.Phase-contrast imaging using polychromatic hard X-rays [J].Nature,1996,384(28):335-338.

[3] WANG Y,YUN W,JACOBSEN C.Achromatic Fresnel optics for wideband extreme-ultraviolet and X-ray imaging [J].Nature,2003,424(6944):50-53.

[4] MIAO J,CHARALAMBOUS P,KIRZ J,et al.Extending the methodology of X-ray crystallography to allow imaging of micrometre-sized non-crystalline specimens [J].Nature,1999,400(6742):342-344.

[5] TIAN Y,XU B,YU D,et al.Ultrahard nanotwinned cubic boron nitride [J].Nature,2013,493(7432):385-388.

[6] OVSYANNIKOV S,SHCHENNIKOV V.Pressure-tuned colossal improvement of thermoelectric efficiency of PbTe [J].Appl Phys Lett,2007,90(12):122103.

[7] MURAKAMI M,HIROSE K,KAWAMURA K,et al.Post-perovskite phase transition in MgSiO3[J].Science,2004,304(5672):855-858.

[8] ZHANG L,MENG Y,YANG W,et al.Disproportionation of (Mg,Fe)SiO3perovskite in Earth’s deep lower mantle [J].Science,2014,344(6186):877-882.

[9] CHAPMAN H N,BARTY A,MARCHESINI S,et al.High-resolutionabinitiothree-dimensional X-ray diffraction microscopy [J].J Opt Soc Am A,2006,23(5):1179-1200.

[10] KATAYAMA Y.Density measurements of non-crystalline materials under high pressure and high temperature [J].High Pressure Res,1996,14(4/5/6):383-391.

[11] KATAYAMA Y,TSUJI K,CHEN J Q,et al.Density of liquid tellurium under high pressure [J].J Non-Cryst Solids,1993,156/157/158:698-690.

[12] SANLOUP C,GUYOT F,GILLET P,et al.Density measurements of liquid Fe-S alloys at high-pressure [J].Geophys Res Lett,2000,27(6):811-814.

[13] NISHIDA K,OHTANI E,URAKAWA S,et al.Density measurement of liquid FeS at high pressures using synchrotron X-ray absorption [J].Am Mineral,2011,96(5/6):864-868.

[14] CHEN J,YU T,HUANG S,et al.Compressibility of liquid FeS measured using X-ray radiograph imaging [J].Phys Earth Planet Inter,2014,228:294-299.

[15] HONG X,SHEN G,PRAKAPENKA V B,et al.Density measurements of noncrystalline materials at high pressure with diamond anvil cell [J].Rev Sci Instrum,2007,78(10):103905.

[16] LIU H,WANG L,XIAO X,et al.Anomalous high-pressure behavior of amorphous selenium from synchrotron X-ray diffraction and microtomography [J].Proc Natl Acad Sci,2008,105(36):13229-13234.

[17] XIAO X,LIU H,WANG L,et al.Density measurement of samples under high pressure using synchrotron microtomography and diamond anvil cell techniques [J].J Synchrotron Rad,2010,17(3):360-366.

[18] WANG Y,UCHIDA T,WESTFERRO F,et al.High-pressure X-ray tomography microscope:synchrotron computed microtomography at high pressure and temperature [J].Rev Sci Instrum,2005,76(7):073709.

[19] WANG J,YANG W,WANG S,et al.High pressure nano-tomography using an iterative method [J].J Appl Phys,2012,111(11):112626.

[20] YAVARI A R,MOULEC A L,INOUE A,et al.Excess free volume in metallic glasses measured by X-ray diffraction [J].Acta Mater,2005,53(6):1611-1619.

[21] CADIEN A,HU Q Y,MENG Y Q,et al.First-order liquid-liquid phase transition in cerium [J].Phys Rev Lett,2013,110(12):105503.

[22] MIRACLE D B.A structural model for metallic glasses [J].Nat Mater,2004,3(10):697-702.

[23] CHENG Y Q,MA E,SHENG H W.Atomic level structure in multicomponent bulk metallic glass [J].Phys Rev Lett,2009,102(24):245501.

[24] MEADE C,HEMLEY R J,MAO H K.High-pressure X-ray diffraction of SiO2glass [J].Phys Rev lett,1992,69(9):1387-1390.

[25] ZENG Q,KONO Y,LIN Y,et al.Universal fractional noncubic power law for density of metallic glasses [J].Phys Rev Lett,2014,112(18):185502.

[26] LIN Y,ZENG Q,YANG W,et al.Pressure-induced densification in GeO2glass:a transmission X-ray microscopy study [J].Appl Phys Lett,2013,103(26):261909.

[27] CHANTLER C T.Theoretical form factor,attenuation,and scattering tabulation forZ=1-92 fromE=1-10 eV toE=0.4-1.0 MeV [J].J Phys Chem Ref Data,1995,24(1):71-643.

[28] PAVESE A.Pressure-volume-temperature equations of state:a comparative study based on numerical simulations [J].Phys Chem Miner,2002,29(1):43-51.

[29] ZHU W,GAETANI G A,FUSSEIS F,et al.Microtomography of partially molten rocks:three-dimensional melt distribution in mantle peridotite [J].Science,2011,332(6025):88-91.

[30] WARK D A,WATSON E B.Grain-scale permeabilities of texturally equilibrated,monomineralic rocks [J].Earth Planet Sci Lett,1998,164(3/4):591-605.

[31] JIANG H,XU R,CHEN C,et al.Three-dimensional coherent X-ray diffraction imaging of molten iron in mantle olivine at nanoscale resolution [J].Phys Rev Lett,2013,110(20):205501.

[32] SHI C Y,ZHANG L,YANG W,et al.Formation of an interconnected network of iron melt at Earth’s lower mantle conditions [J].Nat Geosci,2013,6(11):971-975.

[33] KATAYAMA Y,INAMURA Y,MIZUTANI T,et al.Macroscopic separation of dense fluid phase and liquid phase of phosphorus [J].Science,2004,306(5697):848-851.

[34] SENDA Y,SHIMOJO F,HOSHINO K.The metal-nonmetal transition of liquid phosphorus byabinitiomolecular-dynamics simulations [J].J Phys Condens Matter,2002,14(14):3715-3723.

[35] HOHL D,JONES R O.Polymerization in liquid phosphorus:simulation of a phase transition [J].Phys Rev B,1994,50(23):17047.

[36] AZUMA M,CHEN W,SEKI H,et al.Colossal negative thermal expansion in BiNiO3induced by intermetallic charge transfer [J].Nat Commun,2011,2(6):347-351.

[37] LIU Y,WANG J,AZUMA M,et al.Five-dimensional visualization of phase transition in BiNiO3under high pressure [J].Appl Phys Lett,2014,104(4):043108.

[38] MEIRER F,CABANA J,LIU Y,et al.Three-dimensional imaging of chemical phase transformations at the nanoscale with full-field transmission X-ray microscopy [J].J Synchrotron Rad,2011,18(5):773-781.

[39] LI J,CAO Y,XIA C,et al.Similarity of wet granular packing to gels [J].Nat Commun,2014,5(9):1-7.

[40] ZACCARELLI E,LU P J,CIULLA F,et al.Gelation as arrested phase separation in short-ranged attractive colloid-polymer mixtures [J].J Phys Condens Matter,2008,20(49):494242.

[41] ROYALL C P,WILLIAMS S R,OHTSUKA T,et al.Direct observation of a local structural mechanism for dynamic arrest [J].Nat Mater,2008,7(7):556-561.

[42] URAKAWA S,TERASAKI H,FUNAKOSHI K,et al.Radiographic study on the viscosity of the Fe-FeS melts at the pressure of 5 to 7 GPa [J].Am Mineral,2001,86(4):578-582.

[43] KONO Y,PARK C,KENNEY-BENSON C,et al.Toward comprehensive studies of liquids at high pressures and high temperatures:combined structure,elastic wave velocity,and viscosity measurements in the Paris-Edinburgh cell [J].Phys Earth Planet Inter,2014,228:269-280.

[44] FUNAKOSHI K,NOZAWA A.Development of a method for measuring the density of liquid sulfur at high pressures using the falling-sphere technique [J].Rev Sci Instrum,2012,83(10):103908.

[45] LI B,KUNG J,LIEBERMANN R C.Modern techniques in measuring elasticity of Earth materials at high pressure and high temperature using ultrasonic interferometry in conjunction with synchrotron X-radiation in multi-anvil apparatus [J].Phys Earth Planet Inter,2004,143/144:559-574.

[46] LARSON B C,YANG W,ICE G E,et al.Three-dimensional X-ray structural microscopy with submicrometre resolution [J].Nature,2002,415(6874):887-890.

[47] YANG W,HUANG X,HARDER R,et al.Coherent diffraction imaging of nanoscale strain evolution in a single crystal under high pressure [J].Nat Commun,2009,8(4):291-298.

[48] SHPYRKO O G,ISAACS E D,LOGAN J M,et al.Direct measurement of antiferromagnetic domain fluctuations [J].Nature,2007,447(3):68-71.

[49] TRIGO M,FUCHS M,CHEN J,et al.Fourier-transform inelastic X-ray scattering from time- and momentum-dependent phonon-phonon correlations [J].Nat Phys,2013,9(12):790-794.

[50] XU J A,MAO H K,HEMLEY R J,et al.The moissanite anvil cell:a new tool for high-pressure research [J].J Phys Condens Matter,2002,14(44):11543-11548.

[51] MAO H K,XU J,STRUZHKIN V V,et al.Phonon density of states of iron up to 153 gigapascals [J].Science,2001,292(5518):914-916.

[52] URAKAWA S,TERASAKI H P,FUNAKOSHI K,et al.Development of high pressure apparatus for X-ray microtomography at Spring-8 [J].J Phys Conf Ser,2010,215(1):012026.

[53] MIAO J,FORSTER F,LEVI O.Equally sloped tomography with oversampling reconstruction [J].Phys Rev B,2005,72(5):052103.

[54] FAHIMIAN B,MAO Y,CLOETENS P,et al.Low-dose X-ray phase-contrast and absorption CT using equally sloped tomography [J].Phys Med Biol,2010,55(18):5383-5400.