透射电镜中低通傅里叶滤波技术在辐照损伤分析中的应用研究

针对He离子辐照铁中纳米空腔缺陷表征难题，美国研究团队开发了一种基于低通傅里叶滤波的TEM图像处理技术。该方法通过隔离低频强度波动，显著提升了非晶缺陷的可视化效果，实现了空腔尺寸/分布的精准量化，为核材料辐照损伤研究提供了简便可靠的表征工具。

　　

在核反应堆结构材料、空间装备等关键领域，金属材料在辐照环境下产生的纳米级缺陷直接影响其服役性能。其中，He离子辐照导致的空腔缺陷（cavities）因其非晶特性（non-crystallographic），难以通过传统透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM）衍射对比成像技术准确表征。现有依赖离焦成像（defocused imaging）的方法虽能通过菲涅尔条纹（Fresnel fringing）识别空腔边缘，但测量结果对离焦条件极为敏感，严重制约了辐照损伤的定量分析。这一技术瓶颈阻碍了新型抗辐照材料的研发进程。

针对这一挑战，美国研究团队在《Micron》发表的研究提出创新解决方案。研究人员开发了基于低空间频率带通傅里叶滤波（low-frequency band pass Fourier filtering）的TEM图像处理技术，通过对铁基材料中He离子辐照空腔的成像分析，实现了无需特殊设备、仅依赖常规TEM和图像处理软件的缺陷可视化方法。该方法通过选择性保留与空腔尺寸匹配的空间频率信息（spatial frequencies），有效消除了晶格条纹（lattice fringing）和高频噪声的干扰，使纳米空腔的尺寸分布、密度等参数得以精准量化。

关键技术方法包括：铁样品经真空感应熔炼（vacuum induction melting）和热机械处理制备后，通过He离子辐照引入空腔缺陷；采用常规明场TEM成像获取原始显微图像；通过快速傅里叶变换（FFT）转换至倒易空间后，设计特定低频带通滤波器提取目标空间频率成分；最终经逆傅里叶变换重构出仅含空腔缺陷特征的增强图像。所有分析均可通过通用图像处理软件完成。

【Methods】部分详述了样品制备流程：铁锭经1950°F热锻和1400°F退火后，通过电火花加工（electrical discharge machining）制得60-90 μm薄片，最终采用5%高氯酸甲醇溶液电解抛光获得TEM样品。这种标准化制备确保了实验结果的可靠性。

【Results and discussion】章节展示的关键发现包括：在晶界附近的高分辨TEM图像中，空腔导致的强度波动（约纳米尺度）与BCC铁晶格条纹（埃尺度）在倒易空间呈现明显分离；通过设计0.2-2 nm^-1
空间频率的带通滤波器，成功消除了晶格衍射对比度，使空腔衬度信噪比提升3倍以上；相较于传统离焦成像，该方法对成像条件不敏感，空腔尺寸测量误差从±15%降至±5%。

【Conclusions】部分强调：该技术突破了非晶缺陷的成像限制，通过物理特征导向的频率筛选策略，使空腔定量分析不再依赖专家经验。研究团队特别指出，该方法可推广至任何具有特征空间频率的体积型缺陷分析，包括辐照产生的气泡、析出相等，为材料辐照损伤研究建立了普适性表征框架。

这项研究的科学价值体现在三个方面：首先，将生物大分子单颗粒分析中发展的低频傅里叶滤波理念创造性移植至金属缺陷研究，拓展了TEM技术的应用边界；其次，解决了抗辐照材料研发中空腔缺陷定量表征的关键技术难题；最后，建立的标准化流程使得不同实验室结果具有直接可比性。美国能源部（DE-SC0020314）和海军研究办公室（N00014-20-1-2788）的资助支持凸显了该研究在核能及国防领域的战略意义。