產品 求購 供應 文章 問題

0431-81702023
光學工程
低成本高效率 X 射線相襯成像技術研究

摘要 X 射線光柵微分相襯成像技術對由輕元素構成的物質的內部探測具有傳統吸收成像無法比擬的優勢,在材料領域、安檢領域以及醫療領域具有廣闊的應用前景。吸收光柵是系統中的關鍵光學器件,其制作難度大、成本高,并且吸收光柵不能完全吸收高能 X 射線而導致圖像襯度和檢測靈敏度下降,限制了該技術的發展應用。針對上述問題,基于自主研制的低成本鉍材料源光柵和能夠克服高能 X 射線限制的具有分析光柵功能的結構化轉換屏,提出了低成本、高效率的 X 射線光柵微分相襯成像方法,在實驗上獲得了高質量的相襯圖像。

關鍵詞 射線光學; 鉍光柵; 結構化轉換屏; X 射線微分相襯成像

1 引 言

      X 射線成像技術在醫學檢查、工業無損探傷、安檢等領域一直發揮著重要的作用。傳統 X 射線成像的物理機制是利用 X 射線透過物體后的衰減差異而形成圖像襯度。然而,對于由輕元素為主要成分構成的物質,例如材料領域中光纖材料、碳纖維材料及器件、硅材料及器件和有機材料及器件等,醫療領域中人體的軟骨、血管、軟組織和早期腫瘤等,它們對 X 射線的吸收差異很小,很難形成清晰的圖像。X 射線相襯成像技術是近年來發展較快的一種新的成像方法,是對常規 X 射線成像技術的重大發展。它利用 X 射線透過物體后產生的相位變化對物體進行成像,由于 X 射線對輕元素物質的相位因子δ改變量要比吸收因子β改變量大 1000 倍以上[1] ,就輕元素而言,X 射線相襯成像技術要比傳統的吸收成像技術更加靈敏。

      目前,研究 X 射線相襯成像的方法主要有晶體干涉法[2-4] 、衍射增強法[5-7] 、同軸相位傳播法[8, 9] 和光柵微分相襯成像法[10-24] 。由于 X 射線相襯成像對光源的相干性和亮度提出很高要求,所以大部分實驗需要在同步輻射源或微焦點源上才能獲得比較好的成像效果。其中,由 Pfeiffer 等[12, 13] 提出的基于 Talbot-Lau 原理的光柵微分相襯成像法突破了同步輻射源和微焦點源的限制,可以在常規 X 射線源上實現,被認為是最有希望走向實際應用的方法。

      盡管 Pfeiffer 等提出的新興方法令人看到了廣闊的應用前景,然而,該方法發展至今仍然沒有真正進行實際應用。主要原因是受到符合使用要求的 X 射線光柵器件的限制。系統中所必需的光柵器件(源光柵和分析光柵)通常采用貴金屬金(Au)作為吸收材料,尤其是分析光柵器件,由于目前工藝水平所制作的光柵深度有限,從而使分析光柵不能完全吸收高能 X 射線,導致圖像襯度和檢測靈敏度嚴重下降,只能在 X 射線能量不高的條件下才能得到質量較好的圖像,不能滿足實際應用中對高能 X 射線的要求。

      本文針對以上問題,基于自主研制的鉍材料源光柵和具有分析光柵功能的結構化轉換屏,提出一種具有低成本和高效率特性的 X 射線光柵微分相襯成像方法,在理論上分析該方法的可行性,并在實驗上進行驗證。它不僅大大降低了光柵的制作難度和成本,而且有效克服了高能 X 射線的限制。

 2 光柵微分相襯成像基本原理

      光柵微分相襯成像系統原理如圖 1 所示,其中 S0為常規 X 射線源,G0、G1和 G2分別為源光柵、相位光柵和分析光柵,它們的周期分別為 p0、p1和 p2,占空比分別為γ0、γ1和γ2。S0到 G0的距離為 z0,G0到 G1的距離為 z1,G1 到 G2的距離為 z2。

      G0的實質是振幅光柵,它起到分束器的作用,將 X 射線源分成周期陣列結構線光源,每個線光源的寬度為 p0γ0,需要滿足相位光柵 Talbot自成像對空間相干性的要求:

       式中 ξ 為空間相干長度,λc 為射線源的中心波長。而不同的線光源之間彼此相互獨立,不具有空間相干性。線光源透過相位光柵之后,根據 Talbot 效應原理,在相位光柵后一階分數 Talbot 距離位置會形成相位光柵的自成像條紋。當相位光柵的相位值為π時,相位光柵具有最大的衍射效率[10] ,在錐束 X 射線源條件下,一階分數 Talbot距離和自成像的周期為:

式中 M 表示幾何放大倍率,其表達式為:

為了使不同線光源產生的自成像條紋產生疊加增強的效果,要滿足特定的幾何比例關系,該幾何比例關系式為:

 

     由于相位光柵自成像的周期很小,傳統的 X 射線探測器無法分辨。因此,在相位光柵自成像處放置和相位光柵自成像條紋周期和占空比相同的分析光柵來形成可探測的大周期疊柵條紋。當 X 射線透過物體后,產生的微小折射會引起疊柵條紋形變,采用多步相移算法,便可以同時得到物體的吸收、相位和暗場圖像。

3 光柵器件

3.1 鉍材料源光柵

      在實際中,系統中的吸收光柵器件(G0和 G2)成為限制光柵微分相襯成像方法應用的重要因素。吸收光柵通常采用 LIGA 技術在硅基光柵中電鍍金的方法制作[25] ,這種方法依賴于同步輻射源,并使用貴金屬金作為 X 射線吸收材料,其制作工藝復雜,成本高昂,尤其制作對深寬比要求較高的分析光柵,目前仍然是一項巨大的挑戰。

      為此,本課題組提出了一種高溫真空微填充技術制作吸收光柵的方法[26-27] 。采用金屬鉍代替金作為 X 射線吸收材料,它不依賴于同步輻射源,在普通實驗室便可以實現,具有成本低、制作面積大的優點。實際上,金屬金、鉛和鉍都是對 X 射線吸收較強的材料,根據對 X 射線的線性吸收系數可計算出它們對 X 射線的吸收特性,如圖 2 所示。

       當 X 射線光子能量小于 30 keV 時,這三種金屬對 X 射線的吸收系數相差不大,當高于 30 keV 時,金的優勢明顯,鉛和鉍的吸收性能相當,雖然在性能上鉛和鉍略遜于金,但它們價格低廉,性價比高。由于鉍材料的熔點較低,相比鉛材料更環保,所以采用鉍作為 X 射線吸收光柵的材料,將熔化后的鉍直接填入表面改性的硅基光柵結構中來制作源光柵,同金材料源光柵的性能相當。

 3.2 具有分析光柵功能的結構化轉換屏

      分析光柵的主要作用是和相位光柵自成像條紋形成可探測的大周期疊柵條紋,如圖 1 所示,X 射線透過分析光柵之后,經過 X 射線熒光屏轉換為可見光,當 X 射線能量增大時,分析光柵的深度不足以吸收高能 X 射線,導致疊柵條紋對比度下降從而降低探測靈敏度和相襯圖像質量,這也是影響圖像襯度的重要因素之一。具有分析光柵功能的結構化轉換屏將吸收型分析光柵的功能和 X 射線熒光屏集成到一個器件,通過在硅基深孔陣列結構中填充 X 射線熒光晶體材料(CsI∶TI)來實現[28] 。首先,在硅片上設計分析光柵結構,并對分析光柵結構進行像素化處理,利用光輔助電化學刻蝕方法進行深刻蝕來形成硅基深孔陣列結構。其次,對硅基深孔陣列進行氧化,在深孔的側壁形成 SiO2薄膜用來形成波導。最后,把 CsI∶TI填充到經過氧化的硅基深孔陣列中。其工作原理如圖 3 所示。

      當 X 射線透過具有分析光柵功能的結構化轉換屏時,由于側壁的主要成分為 Si和 SiO2,大部分 X 射線將會透過;當 X 射線透過填充 CsI∶TI 部分時,CsI∶TI 會將 X 射線轉換為可見光,由于 SiO2的折射率要大于 Si 的折射率,這樣 SiO2薄膜相當于波導介質,根據全反射原理,轉化的可見光可以從深孔中傳輸到外部。具有分析光柵功能的結構化轉換屏和 CCD 探測器直接耦合,由于 CCD 探測器對 X 射線不敏感,因此透過側壁 Si 部分的 X 射線不能被 CCD 探測器探測,而透過填充材料 CsI:TI 部分的 X 射線轉換為可見光,可以直接被 CCD 探測器探測。對于具有分析光柵功能的結構化轉換屏,它相當于具有 100%傳遞特性的分析光柵,并且不受高能 X 射線的限制,對任何能量的 X 射線,理論上均可以獲得 100%對比度的疊柵條紋,結構化轉換屏完全克服了吸收型分析光柵的限制,不僅可以使分析光柵器件的價格大大降低,在提高圖像襯度和檢測靈敏度方面也具有很大潛力。

4 實驗結果

      分別采用光輔助電化學刻蝕法和高溫真空填充法制作了鉍材料源光柵、相位光柵和具有分析光柵功能的結構化轉換屏[26-28] ,如圖 4 所示。

        鉍材料源光柵的周期和占空比分別為 p0=42 μm, γ0=0.25,深度為 h0=150 μm,滿足 X 射線光子能量為 30 keV 的需求。 相位光柵的周期和占空比分別為 p1=5.6 μm, γ1=0.5,深度為 h1=41 μm,所對應 X 射線的中心波長λc=0.04 nm 時的相移大小為π。具有分析光柵功能的結構化轉換屏的周期和相位光柵的 Talbot 自成像的周期大小相等,周期和占空比分別為 p2=3 μm, γ2=0.5,深度為 h2=150 μm。

      基于制作的光柵器件構建光柵微分相襯成像系統,并對塑料樣品進行實驗,采用普通固定鎢靶 X 射線管,管電壓和管電流為 60 kV 和 4 mA,所產生 X 射線的中心波長為λc=0.04 nm,矩形焦斑大小為 1 mm(水平)×0.8 mm (垂直)。G0到 G1的距離為 z1=1.47 m,G1到 G2的距離為 z2=105 mm。G2通過光錐和 CCD耦合,CCD的型號為 ANDORDH436-FO-9HK,像素數為 2048 pixel×2048 pixel,像素大小為 13.5 μm。實驗過程中利用 5 步相移法得到物體的相位信息,移動 G1,每步相移的曝光時間為 10 s,所得到的塑料樣品的吸收和相襯圖像如圖 5 所示,圖 5(b)和 5(c)分別表示塑料樣品的吸收襯度圖像和微分相位襯度圖像,和吸收襯度圖像相比,微分相位襯度圖像對樣品的邊緣信息更加敏感。尤其是塑料樣品側邊缺陷部分,如圖 5(d)和圖 5(e)所示,它們分別表示吸收圖像和相襯圖像的局部放大圖。圖中塑料樣品的缺陷表現在厚度差異,X 射線透過塑料樣品之后的相位變化要比振幅變化更加敏感,因此,在缺陷位置的邊緣處,相襯圖像能夠更加清楚地分辨。

5 結 論

      采用了鉍光柵和具有分析光柵功能的結構化轉換屏相結合的方式來實現低成本、高效率的 X 射線光柵微分相襯成像技術,理論和實驗結果表明了本方法的可行性。采用鉍材料源光柵代替目前國際上常用的金材料源光柵器件,可以大大降低源光柵器件成本;采用具有分析光柵功能的結構化轉換屏代替金材料分析光柵器件,它不僅大大降低分析光柵的制作成本,而且能夠克服高能 X 射線的限制。采用高溫真空微填充技術制備鉍材料源光柵可以在普通實驗室實現,但仍然存在填充不均勻以及光柵局部變形的問題。光輔助電化學刻蝕方法可以制備高深寬比的(100 以上)結構光柵,但深寬比的增大,會導致光柵側向腐蝕問題。隨著工藝技術的進一步改良,通過光柵表面結構改性以及優化光柵結構設計等方法,可以使這些問題得到有效解決。該方法的發展對于實現低成本和高靈敏度的 X 射線光柵微分相襯成像具有重要的實際應用價值。

 

  

 

 

 

 

 

 


版權信息:長春市金龍光電科技有限責任公司 | 聯系電話:0431-81702023 | 網站備案號:吉ICP備07002350號-1 | EMAIL:[email protected]
35选7中奖号码