X射线光栅相位成像的理论和方法

通过对X射线光栅相位衬度成像实验装置的理论分析,提出了光栅位移曲线的表达式,推导出了X射线光栅相位衬度成像方程.根据该成像方程,提出了基于光栅成像相位提取方法.这些理论结果将简化光栅相位衬度成像实验步骤,提高信息获取效率,并为X射线光栅相位衬度成像和计算机断层成像的结合,进一步提出光栅相位衬度CT的简化理论奠定基础. 关键词： X射线 相位衬度成像 光栅衍射 Talbot效应     

双能X射线光栅相衬成像的研究

X射线光栅相衬成像存在系统复杂、成像效率低、步进精度要求高、光栅加工难度大等问题.本文设计了一种双能阵列X射线源和双能分析光栅,并应用于X射线光栅相衬成像,提出了一种双能X射线光栅相衬成像系统,阐述了该成像系统的成像原理和相位信息提取方法.提出的成像系统不需要精密步进平台,精简了成像系统,避免了步进误差导致的成像质量降低问题;两次曝光就可以成像,提高了成像效率;双能阵列X射线源、双能分析光栅的应用避免了源光栅、分析光栅难以加工的问题.对提出的成像系统及其相位提取方法进行了仿真,仿真结果显示成像系统可以正常成像,提取到的检测样本的X射线相衬成像相位一阶导数分布与相关文献实验所得结果一致.     

硬X射线光栅微分干涉相衬成像两步相移算法的理论与实验研究

针对硬X射线光栅微分干涉相衬成像在实际应用中对低辐射剂量和快速获取图像的要求, 通过对实验系统的理论分析和参数优化设计, 采用了两步相移算法用于提取物体相位信息. 这种方法可以有效降低X射线对物体的辐射剂量, 大大提高恢复相位信息的速度, 为X射线光栅相衬成像在未来的医疗和工业中的应用奠定基础. 关键词： 光栅干涉 X射线相衬成像 两步相移算法     

无吸收光栅的X射线相位衬度成像实验研究

通过对基于空间相干源和具有分析光栅功能的X射线转换屏的微分干涉X射线相位衬度成像 系统的理论分析, 利用线发射体阵列结构阳极X射线管和光助电化学刻蚀技术 研制的相位光栅和具有分析光栅功能的X射线转换屏, 组建了一种无吸收光栅的X射线微分干涉相衬成像系统. 在此系统上开展了生物样品的实验研究, 获得了较传统吸收成像更为清晰和更多样品结构信息的相位衬度图像. 从而试验验证了该系统方案设计的可行性, 为X射线相衬成像技术从实验室走向临床应用提供了有效途径.     

免分析光栅一次曝光相位衬度成像方法

X射线光栅微分相位衬度成像技术可以观察到常规吸收衬度成像难以分辨的弱吸收物质的精细结构信息,因而在医学、材料学等研究领域具有巨大的应用前景.但传统的X射线光栅微分相位衬度成像技术由于采用分析光栅作为空间滤波器,需要采用相位步进法扫描分析光栅来获得样品的多张投影图像才能够分离出样品的吸收、折射和散射信息,因此存在样品曝光时间长、辐射剂量高以及X射线光通量利用率低等问题,限制了其在各个学科领域的应用研究.为克服上述问题,本文提出一种基于免分析光栅相位衬度成像系统的一次曝光样品信息提取算法.该算法只需要利用一块相位光栅,进而采用高分辨探测器进行样品投影数据的一次采集即可提取样品的吸收、折射和散射信息.理论和模拟研究结果表明:与传统相位步进法相比,该算法具有样品信息提取精度高,且不受光栅的自成像周期需为探测器像素尺寸的整数倍条件的限制.此外,该算法还能够有效地减少对生物样品的辐射损伤,因此在生物医学成像等研究领域中具有广泛的应用前景.     

硬X射线相位光栅的设计与研制

针对在普通实验室和医院实现40—100keVX射线相衬成像的需求,考虑到成像系统参数、X射线源空间相干特性及光栅衍射效率,设计出硅基相位光栅结构参数.利用我们已发展的光助电化学刻蚀技术研制出直径为5英寸的相位光栅,其空间周期为5.6μm,线宽为2.8μm,深度为40—70μm.在理论分析的基础上,通过提高硅片两端有效工作电压和修正Lehmann电流密度公式,解决了实际刻蚀过程中出现的钻蚀问题.由实验结果可知,本方案对制作大面积高精度相位光栅十分有效。     

光栅成像的锥束相位CT重建算法

X射线相位衬度成像对弱吸收物质有着独有的高密度分辨率,在医学、生物学、材料学等领域显示出良好的应用前景.但是其中的干涉成像法、衍射增强成像法和同轴成像法具有一定局限性,难以被广泛应用.光栅成像克服了以往相位衬度成像的缺陷,也使相位衬度成像向锥束成像发展成为可能.本文致力于锥束相位X射线计算机断层摄影术(CT)重建算法的研究,根据基于光栅的锥束相位成像的特点,利用吸收CT中FDK (Feldkamp-Davis-Kress)重建算法的思想,发展出适用于锥束相位成像的CT重建方法.该方法为滤波反投影类型,以相位一阶导数像为投影值,直接重建物体的相位项.通过仿真验证了算法的正确性.     

同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究

基于北京同步辐射装置(BSRF)开展了同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术(CT)研究.利用北京同步辐射的14 keV单色X射线作为光源,以高分辨能力的X射线胶片作为探测器,分别开展吸收衬度和同轴相位衬度成像的比较研究以及相位衬度计算机X射线断层摄影术研究.相位衬度计算机X射线断层摄影术重建采用Bronnikov提出的算法.结果显示,与传统的吸收衬度图像相比,相位衬度图像具有更好的衬度和更高的空间分辨力;实验获得人工样品和蝗虫的相位衬度计算机X射线断层摄影术重建图像.重建图像中可见样品的一些结构细节.实验结果表明,相位衬度X射线成像更适合于研究弱吸收或吸收差异很小的材料;利用北京同步辐射开展同轴X射线相位衬度计算机X射线断层摄影术研究是可行的.     

复合组分材料的X射线定量相衬成像研究

对复合组分材料的应用和需求日益广泛,但如何精确地测量其定量结构信息仍是一个亟待解决的难题.建立了复合组分结构模型,利用X射线同轴相衬成像和相位恢复方法,分别进行了计算机模拟和实验研究,系统地分析了复合组分材料不同的密度差异对X射线相衬成像和相位恢复精度的影响以及噪声对定量相位恢复的影响.实验结果表明,利用X射线定量相衬...     

X射线相位衬度成像

文章使用形象、生动、通俗、易懂的语言,介绍X射线相位衬度成像的基本概念,物理思想和方法,其中包括X射线的基本性质、光的波粒二象性、同步辐射X射线光源和常规非相干X射线光源的相位相干性,以及X射线相位衬度成像方法、三维成像的基本原理和相位衬度成像的最新进展,将抽象的相位、相位一阶导数和相位二阶导数概念与形象的光波阵面平移、倾斜和弯曲等形变联系在一起,着重介绍相位衬度成像发展中的创新思想,力图使读者能分享人类文明在这个学科发展中积累的精神财富.     

软X射线能谱定量测量技术研究

采用每毫米1000线的自支撑透射光栅配上背照射软X射线CCD(charge coupled device)组成了透射光栅谱仪,利用北京同步辐射装置(BSRF)3W1B光束线软X射线实验站上X射线源分别对透射光栅的衍射效率和软X射线CCD的响应灵敏度进行了准确的实验标定,获得了150eV到1500eV能区的绝对衍射效率和响应灵敏度的实验结果;同时在国内外研究工作的基础上,发展了自己的透射光栅衍射效率理论计算模型和X射线CCD响应灵敏度计算模型,开展了相应的理论计算和实验标定结果比对工作,理论和实验符合较好,     

Ray tracing method for the grazing incidence flat-field imaging soft X-ray spectrometer

A ray tracing method is introduced for helping adjustment and spectra analysis of the grazing incidence flat-field imaging soft X-ray spectrometer. For a single point source, the spectra images obtained by separate components, the toroidal mirror, and the grazing incidence flat-field concave grating with varied line spaces are given respectively. The calculated spectral images of the single point source by the spectrometer are also given for comparison with measurements with different experimental alignments.     

“阳”加速器钛丝X箍缩光源辐射特性实验研究

为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负 载内部结构进行背光照相, 在"阳"加速器(电流峰值为500-800 kA, 上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60°) X箍缩光源辐射特性的初步实验研究. 通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右, 辐射能量约为1 J, 光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在1-4 keV能段, 点光源尺寸小于15 μm, 其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps. 对光源特征信息进行了初步分析, 同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.     

X射线成像系统点扩展函数理论模型及其实验验证

X射线成像系统点扩展函数是影响X射线成像空间分辨率和密度分辨率的决定性因素,在系统分析X射线成像物理过程基础上,建立了X射线成像系统点扩展函数的一种数学解析模型,推导出了射束有效宽度计算公式,最后通过实验验证了模型的正确性。该模型为X射线成像系统空间分辨率和密度分辨率的初步设计和评定提供了理论依据,可作为X射线图像恢复算法中模糊函数的先验信息。     

二维光栅角度信号响应函数研究

本文在平行相干光照明条件下,推导出了二维光栅剪切成像系统的角度信号响应函数,并描绘出了角度响应函数二维曲面.虽然光栅剪切成像系统常用的分束光栅有四种,分析光栅有三种,分析光栅和分束光栅之间还存在多种不同组合,但是产生的角度信号响应函数曲面却只有三种,即峰型位移曲面、谷型位移曲面和峰谷对称型位移曲面.其中峰型位移曲面和谷型位移曲面之间具有数值互补关系,由此还可以把峰型位移曲面和谷型位移曲面归纳为一种,最终只需要考虑两种位移曲面.这个理论结果无疑显著简化了人们对二维光栅剪切成像的认识,将对今后讨论定量提取二维角度信号的工作奠定基础.     

Optimization of the in-line X-ray phase-contrast imaging setup considering edge-contrast enhancement and spatial resolution

Employing the approximation theory based on refraction and the definition of the total point-spread-function of the imaging system, the variation in the edge contrast of simple model samples is discussed with different source-to-sample and sample-to-detector distances, which actually means different spatial resolutions of the imaging system. The experiments were carried out with the Beamline 4W1A imaging setup at the Beijing Synchrotron Radiation Facility for simple model and insect samples. The results show that to obtain clear phase-contrast images of biologic tissues for the X-ray in-line imaging setup, with determined parameters such as the size of the X-ray source, the pixel size of the detector and the fixed source-to-sample distance, there is a range of optimized sample-to-detector distances. The analysis method discussed in this article can be helpful in optimizing the setup of X-ray in-line phase-contrast imaging.