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。     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

同步辐射X射线相衬显微CT在古生物学中的应用

X射线无损成像技术在古生物化石标本研究领域中应用十分广泛.近几年来,随着技术的不断革新,同步辐射X射线相衬显微断层成像技术(SRX-PC-μCT)也被引入到这一领域.由于同步辐射光源产生的硬X射线具有高亮度、高准直性和高空间相干性等优点,可以实现化石标本高分辨率(亚微米级)的无损三维显微成像,给古生物学的发展带来了新的机遇.文章简要回顾了用于古生物化石标本无损成像技术的发展历程,并在此基础L综述了同步辐射X射线断层显微成像技术在古生物学领域的应用现状和前景.     

同步辐射X射线相衬显微CT在古生物学中的应用

X射线无损成像技术在古生物化石标本研究领域中应用十分广泛.近几年来,随着技术的不断革新,同步辐射X射线相衬显微断层成像技术(SRX-PC-μCT)也被引入到这一领域.由于同步辐射光源产生的硬X射线具有高亮度、高准直性和高空间相干性等优点,可以实现化石标本高分辨率（亚微米级）的无损三维显微成像,给古生物学的发展带来了新的机遇.文章简要回顾了用于古生物化石标本无损成像技术的发展历程,并在此基础上综述了同步辐射X射线断层显微成像技术在古生物学领域的应用现状和前景.     

同步辐射软X射线显微成像

软X射线显微成像是同步辐射最主要的应用之一,本文简明介绍软X射线显微成像的衬度机制,光源,成像方法和一些应用结果。     

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.     

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.     

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.     

相干X射线衍射成像技术及在材料学和生物学中的应用

无损获取高分辨率、高衬度微纳米材料结构图像,并能够原位、定量分析是X射线成像技术发展方向之一.最新发展起来的相干X射线衍射成像技术,也称为无透镜成像技术,为实现这一目标提供了可能.本文介绍了相干X射线衍射成像技术的成像原理和发展过程,以及在材料学和生物学中的一些典型应用和最新进展,例如掺杂铋元素在硅晶体中的分布成像,GaN量子点壳层结构的三维高分辨成像,染色大肠杆菌的二维成像,鱼骨的二维成像及矿化机理研究,单个未染色疱疹病毒的二维高衬度成像,未染色酵母菌细胞的三维高分辨成像及原位定量分析.最后对相干X射线衍射成像技术的发展方向做了展望.随着X射线自由电子激光的应用和冷冻技术与相干X射线衍射成像技术的结合,相干X射线衍射成像技术将得到快速的发展和广泛的应用.     

合肥同步辐射软X射线显微术研究

合肥国家同步辐射实验室首期建设的光束线之一用于软Ｘ射线显微成像研究。实验站现已装置初型的扫描透射Ｘ射线显微镜，并正在进行亲一代的扫描显微建设，同时还使同步辐射光进行接触软Ｘ射线呈微成像研究，并对选取的一些生物样品进行了成像试验。本文介绍了合肥同步辐射光源上软Ｘ射线显微术实验线站的建设及完成的一些实验结果。     

高分辨率X射线显微成像及其进展

介绍了高分辨率X射线显微成像产生背景和发展过程,着重分析了基于光学元件波带片的放大成像的基本原理,并简述了高分辨率三维成像的有关理论。同时给出国内外高分辨率X射线显微成像研究的最新进展,展望了高分辨率X射线显微成像的应用前景。     

高分辨率X射线显微成像及其进展

介绍了高分辨率X射线显微成像产生背景和发展过程，着重分析了基于光学元件波带片的放大成像的基本原理，并简述了高分辨率三维成像的有关理论。同时给出国内外高分辨率X射线显微成像研究的最新进展，展望了高分辨率X射线显微成像的应用前景。     

8×8APD阵列激光三维成像接收机研制

为了实现对目标的无扫描阵列激光三维成像并研究系统参数对三维成像距离分辨率的影响,研制了8×8 pixel激光三维成像接收机。接收机采用线性模式APD阵列,设计了模拟信号放大、阈值处理将回波光信号转换为数字信号后,利用FPGA设计实现64通道高精度阵列计时系统,实现了对目标的无扫描实时三维成像功能。首先对设计完成的三维成像接收机组成及成像原理进行了介绍,对三维成像接收机中APD探测器阵列信号的模拟处理和数字处理流程和实现方式进行了说明。随后分别对三维成像的核心FPGA计时系统及探测器整体进行了电子学测试和实验测试。测试结果表明,FPGA计时子系统的时间分辨率优于140 ps,三维成像系统整体距离分辨率在0.2 m左右。最后对分辨率的误差进行了分析,结果表明,激光回波强度波动是影响此接收机距离分辨率的最主要因素。     

现代实验室型X射线荧光元素分布成像和形态分析技术的研究进展

近年来,随着X射线光源、单色、聚焦及探测系统的发展,在实验室可借助低功率X射线光源开展X射线荧光(XRF)和X射线吸收谱(XAS)分析.液体金属射流源等新型X射线光源系统、闭合反馈系统、电荷耦合元件和方孔微通道板等技术和计算方法的进步促进了聚焦扫描型、全场型和XRF计算机断层扫描等实验室型XRF元素空间成像技术的发展....     

High-resolution X-ray imaging—a powerful nondestructive technique for applications in semiconductor industry

The availability of high-brilliance X-ray sources, high-precision X-ray focusing optics and very efficient CCD area detectors has contributed essentially to the development of transmission X-ray microscopy (TXM) and X-ray computed tomography (XCT) with sub-50 nm resolution. Particularly, the fabrication of high aspect ratio Fresnel zone plates with zone widths approaching 15 nm has contributed to the enormous improvement in spatial resolution during the previous years. Currently, Fresnel zone plates give the ability to reach spatial resolutions of 15 to 20 nm in the soft and of about 30 to 50 nm in the hard X-ray energy range. X-ray microscopes with rotating anode X-ray sources that can be installed in an analytical lab next to a semiconductor fab have been developed recently. These unique TXM/XCT systems provide an important new capability of nondestructive 3D imaging of internal circuit structures without destructive sample preparation such as cross sectioning. These lab systems can be used for failure localization in micro- and nanoelectronic structures and devices, e.g., to visualize voids and residuals in on-chip metal interconnects without physical modification of the chip. Synchrotron radiation experiments have been used to study new processes and materials that have to be introduced into the semiconductor industry. The potential of TXM using synchrotron radiation in the soft X-ray energy range is shown for the nondestructive in situ imaging of void evolution in embedded on-chip copper interconnect structures during electromigration and for the imaging of different types of insulating thin films between the on-chip interconnects (spectromicroscopy).     

基于人眼视觉的集成成像三维显示分辨率的比较

为了对不同集成成像系统三维显示应用中的视觉分辨效果进行表征, 提出了一种基于人眼视觉的集成成像三维显示分辨率的分析比较方法. 通过分析集成成像三维显示系统的分辨率与人眼在最佳显示观看距离下分辨本领的关系, 定义了相对分辨率参数, 分析了其与集成成像三维显示实际观看时视觉分辨效果的关系. 研究结果表明, 透镜阵列的大小对集成成像三维显示的视觉分辨效果有重要的影响. 针对两个系统实例的理论计算结果表明, 系统间的相对分辨率参数差异是传统分辨率差异的1.75倍, 实验结果与理论分析一致. 该研究方法对三维显示分辨率的评价有一定的指导意义.     

微型X射线数字成像系统的测试与应用

研制了一套采用X射线敏感CCD作为成像探测器的微型数字成像系统并用于牙科诊断。应用牙齿模型与分辨率测试卡对系统的辐射剂量和分辨率进行了测试,采用分段线性校正对CCD与转换屏耦合下的响应不均匀性进行校正,并通过计算线性相关系数辨别瑕疵像元以避免误判。测试了系统在高分辨率、小工作幅面X射线检测方面的应用效果。结果显示,系统分辨率高于10lp/mm,在获得相近对比度图像的条件下,所需的辐射剂量仅为胶片的10%,图像非均匀性相对校正前可降低27.5%。得到的结果表明,系统满足高分辨率、低辐射剂量的使用要求,在微小物体X射线检测方面具有较大的应用潜力。     

X光面光源的尺寸对系统线扩展函数的影响

 在辐射照相系统中，X光源的尺寸是一个影响图像清晰度的重要参数。尤其是在使用高能的X光进行辐射照相时，特殊的照相条件使X光源面积对于系统空间分辨率的影响更为突出。针对这一现象，基于台阶照相法测量系统线扩展函数的理论建立了计算模型，模拟了面光源尺寸对于系统空间分辨率的影响，并说明了提高分辨率应采取的措施。     

X光面光源的尺寸对系统线扩展函数的影响

在辐射照相系统中,X光源的尺寸是一个影响图像清晰度的重要参数。尤其是在使用高能的X光进行辐射照相时,特殊的照相条件使X光源面积对于系统空间分辨率的影响更为突出。针对这一现象,基于台阶照相法测量系统线扩展函数的理论建立了计算模型,模拟了面光源尺寸对于系统空间分辨率的影响,并说明了提高分辨率应采取的措施。