聚合物泡沫结构及密度分布的相衬CT表征技术

阐述了利用X射线相衬成像技术研究高分子有机泡沫材料微观结构的原理及方法,理论分析及实验结果表明,X射线相衬成像方法可以在相当大的程度上提高低Z聚合物泡沫材料的成像衬度。将相衬成像技术与计算机层析成像技术相结合,获得了泡沫样品的3维骨架结构分布,同时,提出利用统计切片骨架"粒子"质心分布的方法来表征其密度分布均匀性。结果说明,该方法能够在微观层次上实现对泡沫样品3维密度分布的完备表征。     

上海光源X射线成像及其应用研究进展

作为具有国际先进水平的第三代同步辐射光源,上海光源的X射线亮度比普通X光管高12~16个量级,基于它的X射线成像具有高空间分辨、高衬度分辨和快时间分辨的特点,同步辐射X射线可对样品实现原位、无损、高分辨、三维和动态成像,而且可以实现相位衬度成像,从而将X射线成像的应用领域拓展到软组织、聚合物等低Z材料。自2009年正式向用户开放以来,上海光源已在生物医学、材料科学、古生物学、土壤学等领域取得了一大批重要研究成果。为更好地支持用户,上海光源X射线成像组在定量成像、CT成像、快速CT重构等成像方法学领域开展了较为全面、系统的研究,大幅提高了实验效率和对不同样品的适应性。本文简要介绍了上海光源X射线成像方法学发展及相关应用研究进展。     

强吸收介质内部低Z材料结构的X射线显微成像研究

惯性约束核聚变靶室靶丸位置的原位无损检测足目前的研究热点和难点.针对此需求,建立了强吸收介质包裹的低Z材料X射线显微成像物理模型.通过计算机模拟和实验,较为系统地考察了光子能量、成像距离以及强吸收介质尺度等参量对成像质量的影响.结果表明,利用X射线相衬成像技术来实现惯性约束核聚变靶室靶丸的高分辨无损检测是可行的.     

微焦点源X射线相衬成像技术

 相衬成像方法利用硬X射线对低密度弱吸收物质成像，可获得高衬度图像。用菲涅尔衍射理论分析了X射线图像的形成机理。在频域中根据光学传递函数，对物像距离、样品空间频率等对图像相位衬度的影响进行了分析。分辨率和衬度是决定图像可见度的两个依据，分辨率主要依赖于光源的空间相干性，空间相干性又决定于源点尺寸，而时间相干性（单色性）是一个不重要的影响因子。利用多色微焦点源实现了X射线相衬成像技术，获得了有价值的相衬图像，如低原子序数低密度泡沫材料的硬X射线相衬图像，与吸收衬度成像相比，其图像质量得到了很大提高，能观察到泡沫材料的细微结构，分辨率可达μm量级。     

9MeV,小于0.1mm微焦点X射线源验证实验

密度高、成像分辨率高、成像速度快的X射线数字成像检测需要高能微焦点大剂量X射线源,高品质电子源是实现这一X射线源的关键手段。基于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光的主加速器,验证了低发射度、低能散度的高亮度电子束实现高能微焦点的可行性,得到电子束半高全宽尺寸小于70μm的9 MeV微焦点,并初步开展成像实验,双丝像质计焦斑清晰分辨9D号丝,丝直径0.13 mm。     

X射线能谱测量的蒙特卡罗成像模拟

针对高能强流电子束轰击高Z靶产生的X射线的能谱测量问题,采用蒙特卡罗方法进行成像模拟研究。高能X射线能谱通常由对X射线经过衰减体的直穿透射率曲线进行解谱获得。设计了带多准直孔的截锥体模型,在单次模拟成像中获得完整的衰减透射率曲线,有效避免了散射光子对透射率曲线以及X射线能谱重建的影响。成像面采用非均匀划分网格计数,将大部分探测计数点集中于各准直孔出口处,保证关注区域模拟成像的精细度,同时减少总体计算时间。     

基于数字平板探测器的高能X射线成像实验研究

为了将数字平板探测器应用到高能X射线成像无损检测,通过实验研究了平板探测器的噪声和动态范围。设计了基于平板探测器的高能X射线成像系统。通过实验研究了电子直线加速器对数字平板探测器图像采集的束流触发同步问题。     

低成本高效率X射线相衬成像技术研究

X射线光栅微分相衬成像技术对由轻元素构成的物质的内部探测具有传统吸收成像无法比拟的优势,在材料领域、安检领域以及医疗领域具有广阔的应用前景。吸收光栅是系统中的关键光学器件,其制作难度大、成本高,并且吸收光栅不能完全吸收高能X射线而导致图像衬度和检测灵敏度下降,限制了该技术的发展应用。针对上述问题,基于自主研制的低成本铋材料源光栅和能够克服高能X射线限制的具有分析光栅功能的结构化转换屏,提出了低成本、高效率的X射线光栅微分相衬成像方法,在实验上获得了高质量的相衬图像。     

基于同步辐射X射线相衬显微CT技术的竹木复合材料胶合界面特征研究

第三代同步辐射光源X射线相位衬度显微CT能获得样品内部结构的边缘增强图像,实现对低Z材料成像。利用上海同步辐射光源X射线相衬显微成像技术,实现了竹木复合材料中EPI和MUF胶合界面和胶黏剂渗透特征的无损探测,并基于这些特征分析了几种不同加工工艺对胶黏剂在木材和竹材中渗透的影响。该技术为人造板工艺解剖学研究提供了一种重要无损检测手段。     

多层平板探测的X射线多能成像方法

提出一种使用多层平板探测器获取X射线多能图像的成像方法。分别给出单层、多层平板探测器结构,并介绍多层平板探测成像系统工作原理。阐明X射线成像原理,并通过仿真探究单能射线切换下的双能成像、双能减影原理。进一步分析不同kVp,滤过下X射线源的频谱变化,在kVp切换成像试验中多次曝光采集胸部体模低、中、高三能图像,发现胸模多能图像中肋骨、肺部区域存在差异,且对多能图像双能减影可实现骨骼增强、抑制。类似地仿真探究单次曝光下双能射线在双层平板中双能成像、减影原理。给出射线源在不同滤过下的能谱变化,在多层平板成像试验单次曝光中分别使第一层、第三层平板采集胸部体模低、高能图像。发现多层平板采集的低、高能图像中肋骨、肺部区域亦存在差异,对其双能减影亦可实现骨骼增强、抑制。试验表明使用多层平板探测可实现X射线多能成像。     

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.     

X射线相衬成像应用于惯性约束核聚变多层球壳靶丸检测

随着惯性约束核聚变(ICF)研究的逐步深入,尤其是氘氚(DT)燃料层球壳梯度掺杂的广泛应用,对轻物质界面的诊断需求日益增长.在北京同步辐射形貌成像站的微米CT机上利用类同轴相衬成像方法获取了三层球壳靶丸的相衬图像,最佳空间分辨率达到了2μupm,衬度达到12%;通过分析边缘增强函数和衬度传递函数之间的关系,总结出一套完整的类同轴相衬成像方法,同时将相衬成像结果与吸收成像结果对比.实验结果表明,X射线相衬成像在轻物质界面的分辨中具有明显的优势,能够广泛应用于ICF研究、医学断层扫描CT装置和生物结构等前沿科学领域.     

神光Ⅲ主机高能X射线背光照相研究

在惯性约束聚变研究中获得滞止阶段内爆靶丸芯部状态图像具有极其重要的意义和价值。高功率密度拍瓦装置打击高Z金属靶产生轫致X射线（70 keV）光源,并利用康普顿背光照相获取该图像是重要的诊断方法。基于神光Ⅲ主机装置483 kJ的驱动能力开展相关背光照相性能研究。结合国外相关实验结果和数值模拟计算方法分别从光源亮度以及内爆过程产生的噪声分析入手,从理论上设计了整套康普顿成像系统。结果表明在神光Ⅲ主机上利用康普顿背光照相可以获得高质量的内爆压缩靶丸滞止阶段图像。     

铜唑防腐剂处理竹材的同步辐射无损检测研究

第三代同步辐射光源X射线具有高亮度、光谱连续、宽频谱范围、高空间分辨率、高衬度分辨率等独特优越性,可实现光谱精准计算及能量可调,对低Z材料内部结构边缘增强图像方面也具有很强的优势。利用上海同步辐射光源X射线双能减影和相衬成像技术,实现铜唑防腐剂处理竹材的同步辐射无损检测研究,并获得了Cu的分布图和处理材的内部结构,该技术为防腐处理竹材解剖学研究提供了一个重要无损检测手段。     

强吸收介质内部低Z材料结构的X射线显微成像研究

惯性约束核聚变靶室靶丸位置的原位无损检测是目前的研究热点和难点.针对此需求,建立了强吸收介质包裹的低Z材料X射线显微成像物理模型.通过计算机模拟和实验,较为系统地考察了光子能量、成像距离以及强吸收介质尺度等参量对成像质量的影响.结果表明,利用X射线相衬成像技术来实现惯性约束核聚变靶室靶丸的高分辨无损检测是可行的. 关键词： X射线显微 位相衬度 核聚变靶 无损检测     

菲涅耳波带板应用于聚变靶的高分辨X射线成像分析

在惯性约束核聚变研究中,为了实现1μm高空间分辨keV-X射线成像,文中发展了菲涅耳波带板(FZP)直接成像的分析方法,并通过数值计算研究了FZP的成像特性.针对钛K_α线(光子能量4.51 keV,波长0.275 nm),提出了FZP参数,对制作技术的要求较低.研究了靶尺度的影响.FZP的有效视场使它能够对数毫米大尺度靶实现高分辨成像.还研究了入射光的光谱带宽对成像的影响.FZP的色差有助于单色成像,但是带宽超过限度会导致像的反衬度降低.这些结果表明FZP应用于聚变点火靶的高空间分辨X射线成像的能力,也为应用提出了要求. 关键词： X射线成像 惯性约束核聚变 菲涅耳波带板     

多点光源相衬成像法应用于内爆背光照相实验

针对常规内爆背光照相中存在的光源均匀性差、 靶丸图像烧蚀层与气体层界面不清晰、 瞄准精度差等关键问题设计了新型的背光照相靶. 在神光II大型激光装置上采用阵列点光源结合相衬成像的方式获取了清晰的靶丸烧蚀层与气体层界面信息, 同时具备光源均匀性好, 成像视场大的优点; 采用诊断狭缝限光的方式大大提高了瞄准精度使得整体图像质量优于常规靶设计. 实验结果表明, 激光驱动等离子体产生的点光源结合相衬成像方法在精密物理诊断中具有重要的作用, 可以广泛应用于惯性约束聚变以及高能量密度物理研究. 关键词： 惯性约束聚变 背光照相 针孔点背光 相衬成像     

X射线菲涅耳波带板成像和投影式相衬成像的数值模拟比较

通过解析分析和数值模拟,比较了钛K线（4.5 keV）与铜K线（8.0 keV）等X射线源背光透视物体情况下,菲涅耳波带板直接成像与投影式相衬成像对被透视物体的空间分辨能力。结果表明,波带板成像可实现优于1 m的高空间分辨能力,而且使用较大尺度背光源更有利于成像。对于高透射或弱吸收的透视物体,波带板难以成像,可采用投影式相衬成像实现m级空间分辨。计入了以前文献没有考虑到的更高阶影响后,解析给出了点光源照射下相衬像的强度分布与对比度。模拟了微焦点X射线源照射存在厚度起伏的薄膜靶以及密度空间调制靶的相衬成像,点光源情况下模拟结果和解析结果相符。讨论了光源大小、成像距离等参数对相衬成像对比度和空间分辨能力的影响,结果表明,通过减小光源尺度和调节物体到探测面的距离,空间分辨能力可优化到1～4 m。     

X射线同轴轮廓成像中影响成像质量的若干因素研究

采用数字模拟方法较为系统地研究了光子能量、样品直径和散射强度对成像质量的影响，克服了已有实验结果的局限性.研究得到成像质量随光子能量的变化关系，模拟结果与已有实验结果相符.研究发现，当其他成像参数不变时，同一样品存在多个光子能量可实现相近的成像质量，且成像质量都较好，这可用于定量相衬成像中多图重构时图像的选择，也为对辐射剂量有要求的样品提供理论依据.得到了不同直径样品在成像质量最佳时所对应的样品到探测器距离，发现这一距离随样品直径的增加而增加.研究了样品厚度或折射率变化导致的散射X射线对成像质量的影响，发 关键词： X射线同轴轮廓成像 成像质量 X射线散射