CN101011256A - 通过x射线无破坏地分析检查对象的方法和测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于无破坏地分析检查对象(5)的方法，其中通过X射线源产生具有特定能量谱的X射线(1)，借助至少一个在X射线(1)的辐射路径中的X射线光栅(2)产生该X射线的至少部分位于检查对象(5)中的驻波场(4)，并测量通过X射线驻波场(4)在检查对象(5)中激励的、取决于检查对象(5)和X射线驻波场(4)之间相对位置的射线(6)，其中从对被X射线驻波场(4)激励的射线(6)的测量结果中推导出检查对象(5)内的物质分布(5.x)。

Description

通过X射线无破坏地分析检查对象的方法和测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于通过X射线无破坏地分析检查对象的方法和测量装置，其中检查对象受到X射线照射，并据此在入射射线的辐射路径之外测量由对象发射的射线。

背景技术

在X射线放射学和X射线断层造影中公知精确位置分辨地确定对象的吸收系数μ(x，y，z)，并基于该信息产生对象的图像。这种成像技术以所谓的吸收对比度为基础，其广泛应用于医疗诊断和工业的无破坏检验。在该吸收对比成像中对不同的对象部位按照其质量吸收系数进行加权。通过求出局部吸收系数μ(x，y，z)的值，可以给出对象的元素浓度或组织类型的粗略分类。这种成像的空间分辨率在过去几年中一直都在增加，并在这期间推进到微米范围。

在X射线放射学和X射线断层造影中还公知在扫描期间交替地更改焦点-检测器系统的管电压，或者采用具有不同能量谱的错开设置的焦点-检测器系统，因此用不同的射线能量同时扫描对象，并获得具有一组双能量数据的投影。然后以此为基础的再现产生基本物质分解，以获得包含具有高Z值和低Z值的物质如“骨骼”和“软组织”的图像对。

该方法可以改善对检查对象的结构的观察并例如有助于一些应用，如患者的骨骼密度测定法。还提议将该双能量技术扩展到多能量技术，后者输出多个光子能量的局部吸收系数μ(x，y，z)并形成更为精细的差异。但该差异不太可能实际实现用于分离各个元素的频谱分辨率。

除了吸收之外，折射本身也适用于X射线成像。在所谓的相位对比成像中，空间分辨地确定复数折射率n＝1-δ-iβ的衰减δ并再现到图像上。在相位对比成像中，在强调对象的轮廓的条件下将对象的不同部位根据其衰减的梯度进行加权。在过去40年中进行了各种试验性地涉及相位对比成像的活动。

在材料分析方面也开发了各种分析方法。其中包括X射线荧光分析(德语：RFA，英语：XRF)、电子射线微分析(德语：ESMA，英语：EPMA)、光电子光谱分析(XPS)、螺旋电子光谱分析(AES)、二次质谱分析(SIMS)、红外光谱分析(IR)、核自旋共振光谱分析(NMR)、拉曼光谱分析(RS)、X射线衍射分析(XRD)、电子衍射等。其中很多方法已经被完善为局部探头和位置分辨的分析方法，它们可用于对对象进行扫描或成像，并由此用于产生元素分布的图像、分子团分布或化合物分布的图像、晶相分布的图像或对象表面的物理材料特性分布的图像。

但在多数情况下，真实的3D分析被要么信息深度太低要么没有相应的光学系统可用于对特定于元素的信号进行成像这些事实所妨碍。后一事实对于具有较大穿透深度的信号如X射线和伽马射线更是如此。

因此还存在这样的问题，要找到一种方法和测量装置可以无破坏地确定检查对象内部的元素分布或分子分布。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题在于找到一种新的方法和新的测量装置来借助X射线无破坏地分析检查对象的元素或分子分布。

在公知的X射线技术的分析方法中，大多用具有确定特性-强度、能量和方向-的X射线透视检查对象，并在穿过检查对象之后测量其特性变化。

本发明人已经认识到，还可以用X射线对检查对象进行位置或空间分析，如果在该对象之前这样影响射入作为样本的检查对象的X射线，使得产生空间位置已知和可影响的强度分布，从而可以在检查对象体外测量该射线对该对象中的不同元素或分子分布的特殊影响。

具体地说，借助在X射线的辐射路径中的X射线光栅产生驻波场，将检查对象的表面或内部放置到该驻波场中，从而形成周期性间隔的强X射线强度的位置和弱X射线强度的位置，在检查对象体外对它们的效应进行检测，其中通过驻波场与检查对象的相对位置至少可以表明检查对象中特定结构的位置或空间分布。通过采用计算操作，例如对通过样本和驻波场的相对移动而产生的测量值的变化进行傅立叶变换，可以获得元素或分子浓度的显示。

因此在检查对象之前的辐射路径中采用起衍射光栅作用的光栅，并且该光栅将X射线源的初级射线划分为+1阶和-1阶的射线、0阶射线(＝直接/贯穿射线)以及更高阶的射线。在该光栅后面的波场中，衍射的+1阶和-1阶射线在形成具有大致确定的位置频率的波场的情况下互相干涉。

为了保证按照要求透射对象，必须选择合适的光子能量E或波长λ。在对象的尺寸、密度和平均矩阵组成大致已知的情况下，可以按照公知的放射学表来进行该选择。

光栅的衍射角2Θ通过布拉格方程描述：

$\mathrm{\Θ}=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{2g_1}$

其中g₁是X射线光栅G₁的周期，λ是X射线的波长。

由此沿着光轴在光栅后面形成驻波场。该驻波场具有横向周期性和纵向周期性。对于平行射线，所产生的驻波的横向周期g₂是光栅周期g₁的一半，从而：

$g_2=\frac{1}{2}{g}_1.$

沿着该光轴还形成驻波，其周期性表现得有所不同。最短距离d₁-在该距离下干涉条纹的对比度、即驻波场表现出最大值-取决于波长和光栅周期g₁，并通过下式给出：

$d_1=\frac{1}{2}\frac{{g_1}^2}{4\·\mathrm{\λ}}$

参数d₁称为第一塔尔博(Talbot)距离。

其它最大值在第m塔尔博距离中按照以下等式出现：

$d_m=(m-\frac{1}{2})\·\frac{{g_1}^2}{4\·\mathrm{\λ}}.$

在每个被射线透射的光栅上观察衍射，但为了获得驻波场，所述装置必须满足特定的相干要求。为此从源射出的射线的空间相干长度必须大于光栅周期g₁或处于相同数量级。在源-光栅距离为r₁和源的横向尺寸为s时，意味着：

$g_1\≤\mathrm{\λ}\frac{r_1}{s}.$

原则上可以选择任何满足上述要求的周期，但由于制造方法的限制优选周期的值为一个至若干个μm。

要指出的是，上述等式涉及射线的平行几何。在采用扇形几何时，需要对这些等式进行相应的几何匹配。

在本发明的含义下可以将任意光栅用作分束器。这样的光栅可以是相位光栅或振幅/吸收光栅、这两种光栅的混合形式或晶体光栅。但特别优选的是，作为相位光栅具有π的相位跳跃，因为在此入射的射线强度几乎完全衍射到+1和-1衍射阶中。为了针对对应于波长λ的共振能量E获得π或λ/2的相位跳跃，也就是说，为了在+1和-1衍射阶中达到最大强度，必须借助以下等式计算相位光栅G₁的栅条高度h₁：

$h_1=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\δ}}$

其中δ是光栅材料的折射率的实部衰减。对于X射线可以将折射率n描述如下：

n＝1-δ-iβ

其中β是与吸收有关的虚部衰减，而δ是与折射率有关的实部衰减。相位光栅的能量选择性可用于选择期望的光子能量。但要注意，相位光栅的能量带宽具有+/-5％的相对宽度，这在采用X射线管时还会导致较高的强度。

对于较低的光子能量，建议光栅由铝、硅、金刚石或塑料制成。对于高的光子能量，优选光栅由铬、镍、钼、钽、钨、铂、金、铅或铀或这些元素的合金制成。在后一种材料中，可以用更小的光栅栅条高度达到所要求的相位跳跃π，这种更小的光栅栅条高度更容易制造而且对射线不是非常准直。

原则上，由于光栅的最大可达到栅条高度或由于光栅栅条对准扇形或余弦形辐射路径，因此有利的是相继设置多个相位或吸收光栅以避免阴影效应。在此，光栅还可以对应于所使用的辐射扇形而具有不同的光栅周期和/或倾斜的光栅栅条，从而光栅空隙和光栅栅条尽可能平行于射线方向定向和/或延伸。

此外在使用相位光栅时必要时还优选用具有高于光栅材料的吸收性的材料来填充光栅空隙。此外特别有利的是，所有光栅或一个光栅的光栅空隙这样构成，使得该光栅后面的射线强度相同，而与是在光栅栅条后面还是在具有填充材料的光栅空隙后面测量射线强度无关。由此优化了相干图案的结构。

优选的，光栅的周期具有光栅空隙与光栅栅条的宽度比1∶1，以获得+1和-1衍射阶的最高强度。

原则上光栅的外形是矩形的，但按照本发明还可以采用其它会影响在不同衍射阶上的强度分布的外形。对于矩形的光栅轮廓，+1和-1衍射阶的强度约为初级射线的85％。其余的位于更高衍射阶和直接透射的0阶射线中。

如上所述，除了相位光栅之外其它类型的光栅也可以产生驻波。例如可以采用振幅光栅，其通过一系列具有不同吸收率的材料产生周期性。此外在本发明的含义下，不仅可以采用“人造”光栅，还可以采用其它衍射装置，如设置在辐射源和检查对象之间的单晶体或多个层。

这样产生的外部驻波场具有正弦形的强度分布。其用于在每个驻波场在此具有其波腹的位置上选择性地“激励”对象的原子。在此原子可以吸收X射线光子并采用其能量来电离内壳。该过程与光电子的发射联系起来。在下个步骤中该电离后的内壳可以通过两个可替换的反应通道发生驰豫。发生X射线光子的发射(荧光X射线)或螺旋电子的发射。为了检测原子的激励，可以使用这3种所发射的特征探测物/射线中的一个或多个。每个探测物都是一种特定于元素的信号或特定于元素的射线，其可以由相应的检测器测量。例如，对于发射的荧光X射线来说，特别有利的是采用固体检测器，如Si(Li)检测器、高纯度的Ge检测器、Si-PIN检测器或Si漂移检测器。如果待检查对象非常小，则还可以采用波长分散的光谱仪，如由电子射线微探测物公知的。为了分析光电子和螺旋电子，例如建议使用圆柱体反射分析仪、半球分析仪、127°分析仪或反向场分析仪。

为了确定元素浓度分布，可以将对象分多个步骤地移动周期的一部分。利用上述检测器可以测量特定于元素的信号的强度。如果对象体内的元素分布不均匀，则根据驻波场中的位置分别得到正弦形的强度变化。由此可以确定特定于元素的信号的相位、振幅和中值。通过傅立叶分析可以计算对应于驻波场的周期或位置频率的复数傅立叶振幅或振幅移动和相位移动。如果对象体内的元素分布是周期性的并且恰好具有与驻波场相同的周期，则可以用该傅立叶振幅完整描述对象体内的元素浓度分布。但多数情况下不是这样。

为了获得普遍情况下的元素分布，必须确定多个不同的傅立叶振幅，其中为了对元素分布进行理想的描述应当确定所有包含在对象中的位置频率的傅立叶振幅。最低的位置频率在此等于两倍对象尺寸的倒数，而最高位置频率等于最小的原子间距的倒数。根据不同的检查目的可以将分析限制在最大位置频率范围的子区间上。如果在无破坏的质量检验范围内要检验特定的预先给定特征的保持情况，则可以限制为检验一个或几个位置频率。

起激励作用的驻波场的位置频率的变化例如可以通过以下方式实现：

(i)在平行射线中通过采用优选自动的光栅转换器来改变光栅，

(ii)采用由两个光栅产生的、相互扭转的莫尔图案作为可调光栅，或者

(iii)基于声波驻波图案/超声驻波图案采用具有可变驻波周期的光栅，该驻波图案的周期和位置频率由所连接的超声波发生器的频率控制，

(iv)在扇形或正弦射线几何形状下，周期随相位光栅之间的距离改变。

除了在(i)至(iv)中提到的横向周期之外，驻波场还具有大得多得多的纵向周期，该纵向周期同样可以用于扫描检查对象。纵向周期可以通过以下方式影响：(v)通过(a)连接在前面的单色器或(b)通过在刚性光栅中用栅条高度改变共振能量或在可变光栅中用超声波振幅改变共振能量来改变波长。

改变初级能量在该方法中不是必要的。但是可以在一个宽泛的区域内调谐相干图案的周期、即被扫描的位置频率。为此可以执行以下步骤：(i)根据塔尔博距离的λ依赖关系改变初级能量，(ii)可变光栅(例如充气光电管+超声波)(iii)两个扭转的光栅用于形成扭转莫尔，(iv)一大组具有不同周期的光栅，(v)旋转对象并利用从横向相干图案周期到纵向相干图案周期的差异。

用作X射线的衍射光栅的声驻波可以是在填充了气体的光电管中的驻波。在作为相位光栅运行时，为了获得足够的相移、最好是π的相位跳跃，采用有压力的气体和/或具有高密度的气体，例如SF₆、WF₆。作为X射线的衍射光栅，还可以采用液体中的波或固体材料中的表面声波，固体材料例如可以是压电材料、PZT、LiNbO₃、LiTaO₃或石英。

如开始部分所述，可以产生具有特定的横向周期(横向位置频率)和特定的纵向周期(纵向位置频率)的X射线驻波场。在此不产生垂直于光栅衍射平面的驻波。在该方向上，该驻波场几乎均匀地在平行射线或扇形射线的特定缝隙内延伸。为了确定沿着光轴的元素分布，建议在沿着光轴的方向上进行所提到的过程。为了确定垂直于光轴、即在衍射平面中的元素分布，建议在垂直于光轴的方向上、即在衍射平面中执行扫描过程。此外，如果光栅围绕光轴(＝照射检查对象的射线的辐射方向)旋转90°并在垂直于该光轴的横向方向、即在衍射平面中执行该扫描，则可以获得关于在其他横向轴上的元素分布的信息。作为旋转光栅的替换，还可以旋转对象。

代之以采用线光栅和在两个光栅方向(0°和90°)上进行测量，按照本发明还可以采用Hartmann掩模，其优选具有棋盘状图案、优选构成为相位光栅。其优点是可以在两个横向方向上同时确定傅立叶分量。

如果在所有3个空间方向上确定傅立叶振幅

，则可以通过：

$A_j\left(\stackrel{\→}{r}\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{A}_{j\stackrel{\→}{H}}\exp (-i\stackrel{\→}{H}\·\stackrel{\→}{r})$

综合元素j的与位置有关的元素浓度分布

，其中

是由三个空间方向上的位置频率分量组成的向量 $\stackrel{\→}{H}=(H_x,H_y,H_z).$ 。在其上观察元素分布的位置通过位置向量 $\stackrel{\→}{r}=(x,y,z)$ 描述。

通过这种方式可以分析周期系统的所有元素的三维浓度分布。如果该元素浓度分布应当只是一维或二维确定的，则形式是一样的，其中可以取消不感兴趣的一个或多个方向。

在本发明的范围中，可以不采用平行射线几何而采用扇形射线几何或余弦形射线几何。扇形射线几何或余弦形射线几何通常还会产生相应形成的驻波场。该扇形或余弦形驻波场具有横向周期，该横向周期在传播方向上沿着光轴逐渐增加。扇形/余弦射线几何中的驻波的这种特性可用于对不同的位置频率和各光栅结构确定垂直于光轴的傅立叶振幅，在此只有对象的位置沿着光轴改变。在对象在沿着光轴的光栅后面的位置变化时，除了放大效果之外还要考虑对应于塔尔博距离的稍微有些长波的强度调制。

此外还要解释以下关系：

实验室X射线源(X射线管、次要目标、等离子源、放射性源、参量X射线源、沟道辐射)以及第一至第三代传统同步辐射源的X射线光子发射基于随机过程。因此所发射的X射线本身没有空间相干性。但是如果观察角足够小，射线源在该观察角下显现给观察者或对象、光栅或检测器，则X射线源的射线在相位对比X射线摄影和相位对比断层造影或者任意干涉实验中就和空间相干射线的情况一样。作为扩大的X射线源的空间相干性的度量，可以给出所谓的(横向)相干长度L：

$L=\mathrm{\λ}\frac{a}{s}.$

在此λ是波长，s是横向的射线源大小，a是射线源与观察者之间的距离。精确值是第二位的；重要的是与射线应当相互干涉的空间区域的大小相比，相干长度L较大。

在本专利申请的范围内，相干射线应当理解为在给定的几何形状和距离下，导致形成干涉图案的期望的X射线光栅的射线。当然空间相干以及因此的空间相干长度总是由波长、射线源大小和观察距离这3个参数确定。为了紧凑起见，将该情况简化为“相干X射线”、“相干X射线源”或“用于产生相干X射线的点源”的概念。该简化的基础是一方面在这里讨论的应用中通过期望的检查对象的穿透能力、另一方面在实验室X射线源提供的频谱中X射线的波长或能量E受到限制。射线源和观察者之间的距离a在医疗诊断中也受到某些限制。从而大多将射线源s保留为最后的自由度，即使射线源大小和X射线功率之间的关系在此同样有严格的限制。

源光栅允许采用更大并因此而功率更强的X射线源。源光栅的狭窄缝隙负责保持所有从同一缝隙射出的射线的所要求的空间相干性。只有来自同一缝隙的光子可以相互干涉，也就是相位正确地重叠。来自源光栅的不同缝隙的光子之间虽然不可能相位正确地重叠，但是，在按照g₀/g₂＝l/d适当调谐源光栅周期g₀和干涉图案周期g₂以及源光栅G₀和相位光栅G₁之间的距离1与相位光栅G₁和干涉图案G₂之间的距离d时，至少可以将驻波场的波腹和波节按照强度进行正确重叠。在本专利申请的简略表示中，采用“准相干射线”或“准相干射线源”的概念。

X射线或X射线源的单色性伴随而来的是射线的时间相干或纵向相干。强特征线的X射线在这里讨论的应用中大多具有足够的单色性或时间相干长度。连接在前的单色器或通过相位光栅的栅条高度(Steghoehe)对谐振能量的选择还可以从韧致辐射频谱或同步频谱中滤除足够窄的频谱范围，因此满足对所示设置中的时间相干长度的要求。

根据上述本发明的思想，发明人在第一具体实施方式中提出一种用于无破坏地分析检查对象的方法，该方法至少具有以下步骤：

-通过X射线源产生具有特定能量谱的X射线，

-借助至少一个在X射线的辐射路径中的X射线光栅产生该X射线的至少部分位于该检查对象中的驻波场，以及

-测量通过X射线驻波场在检查对象中激励的、取决于检查对象和X射线驻波场之间相对位置的射线，其中从被X射线驻波场激励的射线的测量结果中推导出检查对象内的物质分布。

按照本发明，可以采用任意的X射线光栅作为射线分束器。这种光栅可以使相位光栅或振幅/吸收光栅、这两种光栅的混合形式或晶体光栅。特别优选的，作为相位光栅具有π的相位跳跃，因为在此入射的射线强度几乎完全衍射到+1和-1衍射阶中。

可以测量由X射线驻波场激励的、取决于检查对象和X射线驻波场之间相对位置的射线的总强度，其中从该强度分布中可以确定所激励的射线强度针对通过特殊驻波场预先给定的位置频率的振幅、相位和中间值。这优选通过对该强度分布的傅立叶分析进行。

相应的，还可以不采用总强度，而根据检查对象和X射线驻波场之间的相对位置测量至少涉及两个能量范围的频谱强度分布。

从多个傅立叶分析的结果中可以确定检查对象内至少一种特定物质的空间分布。

为了产生检查对象和X射线驻波场之间不同的相对位置并测量所激励的射线，可以将X射线光栅定位在相对于检查对象的不同位置，或者可以采用具有不同光栅周期的不同X射线光栅，交替地将这些光栅设置到辐射路径中以用于测量。

另一个用于产生不同相对位置的有利变形在于，采用通过超声波产生的X射线光栅，其中在该光栅中还形成不同周期的驻波。

在所有这些用于确定检查对象中驻波场的相对位置或用于在检查对象中相对移动驻波场的变形中，重要的是，驻波场的最大值和最小值形成在检查对象内的不同位置上，从而根据在其它位置产生和测量的射线推导出关于检查对象内的空间物质分布的信息。

还存在这样的可能性，用引起激励的X射线的不同能量执行所述方法。为此例如在辐射路径中采用至少一个能与辐射能量动态调谐的相位光栅，其中根据当前使用的辐射能量调节其调谐。由此例如可以在使用制动频谱时在该整个频谱上进行“调谐”，或者在使用具有多个特征线的频谱时有目的地使用这些特征线而无需改变测量装置的组成。

作为可调节的相位光栅，可以在介质中产生超声波场，并由此在该介质中产生方向和光栅周期都对应于相位光栅的结构差异。作为介质优选可以使用气体，因为在此可能通过该超声波场形成特别高的密度差异。还可以采用液体、悬浮液或固体，优选采用压电可激励固体。

作为相干X射线的辐射源可以采用具有点状焦点或同步加速射线的X射线管。但实验室射线源的焦点对于需要的相干长度来说通常太大，对于微焦点源的强度来说又太小。在此源光栅是有用的。如果例如需要较大的辐射强度，则作为辐射源还可以采用X射线管和至少一个设置在辐射路径中、焦点之后的吸收光栅(＝源光栅)，以产生具有特定辐射能量的准相干的X射线场。另一种可能性在于，这样形成该焦点，使得从焦点发射具有类似光栅的空间分布的射线。还建议将这种源光栅或焦点用于相位对比计算机断层造影。

为了确定通过驻波场由检查对象发射的次级或散射射线可以采用至少一个检测器，其中该检测器还优选构成为能量分辨的检测器，从而可以获得通过检查对象体内的驻波场而发射的射线的频谱分布。在此根据本发明，可以检测至少一个由X射线驻波场激励的X射线发射物和/或电子发射物。

可替换的，根据本发明的方法还建议测量通过驻波场在检查对象内发射的、取决于涉及方向的相对位置(即一维的)或在平面中的(即两维的或三维的)相对位置的射线。在大多数情况下，对应于进行度量的维度还在驻波场和对象之间形成一个对应的相对位置，还可以通过采用所谓的Hartmann光栅来同时测量一个平面，即两个维度。

检查对象和驻波场之间的相对定位例如可以通过移动检查对象或通过移动相位光栅、至少通过移动其光栅线来实现。

根据上面描述的本发明方法，发明人还提出一种用于无破坏地分析检查对象的测量装置，其至少具有以下特征：

-X射线源，用于产生具有至少一种特定辐射能量的相干或准相干的X射线，

-至少一个设置在X射线源的辐射路径中的X射线光栅，其产生至少部分位于该检查对象中的X射线驻波场，以及

-至少一个位于X射线源的辐射路径之外的检测器，其就强度和能量分布方面测量通过X射线驻波场由检查对象发射的、取决于检查对象和X射线驻波场之间相对位置的射线。

为了控制该测量装置和分析测量结果，还建议设置一个计算和控制单元，其包含在运行时执行上述本发明的测量和分析方法的步骤。

所述X射线光栅在本发明的分析装置中可以构成为针对至少一个特定采用的辐射能量的相位光栅。在此还优选在辐射路径上设置至少一个可与该辐射能量动态调谐的光栅。这种动态可调的光栅可以包括至少一个超声波发生器和分别设置于其对面的超声波反射器或者另一个超声波发生器，从而利用它们产生超声驻波场，并在介质中产生方向、光栅周期、吸收特性和相位特性都与吸收光栅或相位光栅相对应的结构差异。

优选的，作为这种产生超声波的光栅的介质可以使用气体。可替换的，还可以采用液体、悬浮液或固体，其中作为固体优选采用可激励为电振动的压电元件。

此外还建议，作为辐射源采用具有点状焦点的X射线管或同步加速器。用于产生准相干的射线的替换方式在于，作为辐射源采用X射线管和至少一个设置在辐射路径中、焦点之后的吸收光栅(＝源光栅)。

为了测量通过驻波场由检查对象发射的射线可以采用至少一个检测器，优选为能量分辨的检测器。

为了确定检查对象与驻波场之间的相对位置，可以具有可控制的驱动装置，其可以设置一维至三维的相对位置。例如可以是移动检查对象或光栅的压电元件，或者作为产生期望的相对位置的装置还可以采用用于移动光栅线的装置。这种装置在采用通过超声波产生的光栅的情况下由超声波发生器的对应控制装置组成，该超声波发生器产生驻波场，使得波最大值和波最小值出现在不同的位置上。

附图说明

下面借助附图详细描述本发明，其中只示出理解本发明所需要的特征并采用以下附图标记：1：X射线；2：光栅；2.1：栅条；2.2：空隙；3：衍射的X射线；4：驻波场；5：检查对象；5.x：检查对象中的不同物质；6：荧光X射线；6.x：不同结构的荧光X射线；7：检测器；8.1：强度分布；8.2：振幅；8.3：中间值；8.4：相位；9：阳极；10：用于偏转电子射线的装置；11：控制和计算单元；12：存储器；13.x：控制和数据导线；14：移动装置；15：对象固定器；16：超声波发生器；17：超声波反射器；18：条纹状燃烧斑；19.1.1、19.1.2：检查方向的移动；19.2.1、19.2.2：光栅的移动；19.3：电子条纹在阳极上的运动方向；20：充气光电管；I：强度。

具体示出：

图1：用于通过X射线无破坏地分析检查对象的本发明的测量装置；

图2：从检查对象发射的驻波射线的示意测量曲线；

图3：具有测量装置以及控制和分析计算单元的测量站的示意图。

具体实施方式

图1示出按照本发明的测量装置，由具有栅条2.1和空隙2.2的吸收或相位光栅2组成，该光栅形成由可以穿透的X射线构成的驻波场4，其中驻波场4定位在检查对象5体内，并且在该检查对象5中根据通过检测器7测量的元素分布产生射线、优选为荧光放射线6。

在图1所示的图中，从左边、即从在此未示出的X射线源出发，相干或准相干的X射线1落在X射线光栅2上，在该光栅中产生衍射的X射线3并由此产生驻波场4，该驻波场4的平面伸展幅度基本上等于产生该驻波场的吸收或相位光栅2的平面扩展幅度。在所示图中，在该驻波场4中设置了具有不同物质5.1至5.4的检查对象5。由于检查对象5的结构化构成，根据元素分布和根据X射线驻波4相对于检查对象5的位置在检测器7中接收具有不同结构6.1至6.5的射线6，该射线根据检查对象5与驻波场4的相对位置而变化。

如果用检测器7根据检查对象5与驻波场4之间的相对位置绘制确定的、由检察对象发射的射线、如按照附图标记6.2类型的射线，则得到如图2所示的强度曲线。在此示出信号强度I与绘制在横轴上的检查对象和X射线驻波场之间的相对位置的关系，其中相对位置以g₂/4为单位，其中g₂是当前采用的驻波场的相应周期。如果现在直接示出/绘制或在多个画成圆圈的测量点上确定所发射的特定射线的强度变化与驻波场和检查对象之间相对位置的关系，则得到强度曲线8.1。由此可以确定振幅8.2、相位8.4和平均值8.3。通过在多个检查对象内不同周期的和检查对象相对于驻波的不同运动方向的驻波场上测量这些参数，可以通过相应的傅立叶分析获得检查对象内从一维到三维的元素分布。

图3还示出具有按照图1的测量装置的测量站的示意图，其中为了进行控制和测量分析将控制和计算单元11与测量装置连接，后者在存储器12中包含用于控制和分析的相应程序。通过控制和数据导线13.1至13.4，可以例如控制在此示出的由阳极9和电子射线偏转10组成的X射线管、相位光栅2，以及对象固定器15的运动装置14。

阳极9在此用电子射线驱动，该电子射线在阳极表面上光栅类型地运动，从而在被扫描的条纹18上发射X射线，该X射线产生具有准相干的X射线1的场。

在此，作为X射线光栅2示出充气光电管20，该充气光电管的一端具有超声波发生器16，而在相对的另一端具有超声波反射器17，从而通过计算和控制单元11对超声波发生器的相应控制可以在超声波发生器16和超声波反射器17之间的充气光电管20中产生驻声波，该驻声波导致密度差异按照周期间隔加大，并且该驻声波对于透射的射线来说起相位或吸收光栅的作用。检查对象位于对象固定器15上，后者可以通过运动装置14有选择地在X射线场4内在期望的空间方向上移动检查对象。

通过选择按照光栅类型构成的燃烧斑在阳极9上的运动和/或移动由具有超声波发生器16和超声波反射器17的充气光电管20组成的整个相位光栅2，和/或超声驻波场在作为相位光栅工作的充气光电管20中的电控移动和/或检查对象的电控移动，以及通过检测器7和随后对结果的傅立叶变换测量发射的不同射线，可以无破坏地针对物质分布检查该检查对象的内部结构和检查该物质本身。

该运动通过具有附图标记19.1.1、19.1.2、19.2.1、19.2.1、19.3表示，其中检查对象5既可以在辐射方向上运动又可以垂直于辐射方向运动，由此驻波场4在检查对象5中位于不同地方，同时燃烧斑条纹18只能垂直于辐射方向运动。

所提出的技术使得可以无破坏地和无需扫描地检查对象以确定可以检测所有可用X射线荧光光谱测量的元素的元素浓度分布。在此可以确定一维至三维的元素分布。

上述方法既可用于所发射的荧光X射线和散射射线(Comptonge散射射线、Rayleigh散射射线)又可用于光电子射线和螺旋电子射线。在这种技术的所有变形中，通过X射线驻波场来进行空间选择的激励。

如果存在关于检查对象的元素浓度分布的特定的已有信息，则可以降低对要确定的傅立叶振幅的数量的要求。例如，具有周期性元素浓度分布的对象只要求有限的傅立叶振幅数来进行全面的描述。

应当理解，本发明的上述特征不仅可以用于分别给出的组合，还能在不脱离本发明范围的情况下用于其它组合或单独使用。

Claims (40)

1.一种用于无破坏地分析检查对象(5)的方法，至少具有以下步骤：

1.1.通过X射线源产生具有特定能量谱的X射线(1)，

1.2.借助至少一个在X射线(1)的辐射路径中的X射线光栅(2)产生该X射线的至少部分位于该检查对象(5)中的驻波场(4)，以及

1.3.测量通过该X射线驻波场(4)在检查对象(5)中激励的、取决于检查对象(5)和X射线驻波场(4)之间的至少一个相对位置的射线(6)，其中从对被X射线驻波场(4)激励的射线(6)的测量结果中推导出检查对象(5)中的物质分布(5.x)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为X射线光栅(2)采用吸收光栅。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，作为X射线光栅(2)采用相位光栅，其对于一部分射线产生λ/2的相移。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，测量由X射线驻波场激励的、取决于检查对象(5)和X射线驻波场(4)之间的相对位置的射线(6)的总强度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，从强度变化(8.1)中针对通过所述驻波场(4)预先给定的位置频率确定所激励的射线强度的振幅(8.2)、相位(8.4)和中间值(8.3)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述强度变化(8.1)进行傅立叶分析。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，从多个傅立叶分析的结果确定检查对象(5)中至少一种特定物质(5.x)的空间分布。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，根据检查对象(5)和X射线驻波场(4)之间的相对位置测量由X射线驻波场(4)激励的射线(6)的频谱强度分布。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从所述频谱强度分布(8.1)中针对通过所述驻波场(4)预先给定的位置频率确定所激励的特定于能量的射线强度(6.x)的振幅(8.2)、相位(8.4)和中间值(8.3)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对所述强度变化(8.1)进行傅立叶分析。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，从多个傅立叶分析的结果确定检查对象(5)中至少一种特定物质(5.x)的空间分布。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，为了产生检查对象(5)和X射线驻波场(4)之间不同的相对位置并测量所激励的射线(6)，采用所述X射线光栅(2)相对于检查对象(5)的不同的位置。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，为了产生检查对象(5)和X射线驻波场(4)之间不同的相对位置并测量所激励的射线(6)，采用至少两个具有不同光栅周期的不同X射线光栅，交替地将这些光栅设置到辐射路径中以用于测量。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，为了产生检查对象(5)和X射线驻波场(4)之间不同的相对位置并测量所激励的射线(6)，采用通过超声波产生的X射线光栅(2)。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述通过超声波产生的X射线光栅(2)中形成不同周期的驻波。

16.一种方法，其特征在于，针对激励的X射线的至少两个不同的辐射能量执行根据权利要求1至15中任一项所述的方法步骤。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，针对每个产生射线(1)的驻波场(4)的辐射能量采用与该辐射能量相调谐的相位光栅(2)。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，同时在辐射路径中至少采用两个与不同的辐射能量相调谐的相位光栅(2)。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其特征在于，在辐射路径中采用至少一个能与所述辐射能量动态调谐的相位光栅(2)，其调谐根据当前使用的辐射能量来调节。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述可调节的相位光栅(2)使用超声驻波场，并在介质中产生方向和光栅周期都对应于相位光栅(2)的结构差异。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，作为用于所述超声波场的介质使用气体。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，作为用于所述超声波场的介质采用液体。

23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，作为用于所述超声波场的介质采用悬浮液。

24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，作为用于所述超声波场的介质采用固体，优选采用压电可激励固体。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其特征在于，作为辐射源采用具有相对于与X射线光栅的距离成点状焦点的X射线管，从而该光栅在最大程度上看到相干X射线(1)。

26.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其特征在于，作为相干X射线采用同步加速射线。

27.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其特征在于，作为辐射源采用X射线管和至少一个设置在辐射路径中、在焦点之后的吸收光栅(＝源光栅)，以产生具有特定辐射能量的准相干的X射线场。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其特征在于，为了确定通过驻波场(4)在检查对象(5)中激励的射线(6)采用至少一个检测器(7)，优选为能量分辨的检测器。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的方法，其特征在于，确定通过驻波场(4)在检查对象(5)内激励的射线(6)的频谱分布。

30.根据权利要求1至29中任一项所述的方法，其特征在于，通过至少一个检测器(7)检测至少一个由X射线驻波场(4)激励的X射线发射物(6)。

31.根据权利要求1至30中任一项所述的方法，其特征在于，通过至少一个检测器(7)检测至少一个由X射线驻波场(4)激励的电子发射物(6)。

32.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其特征在于，在一个方向上(一维地)测量通过驻波场(4)在检查对象(5)内发射的、取决于该驻波场(4)和检查对象(5)之间的相对位置的射线(6)。

33.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其特征在于，在一个平面内(二维地)测量通过驻波场(4)在检查对象(5)内发射的、取决于该驻波场(4)和检查对象(5)之间的相对位置的射线(6)。

34.根据权利要求1至31中任一项所述的方法，其特征在于，三维地测量通过驻波场(4)在检查对象(5)内发射的、取决于驻波场(4)和检查对象(5)之间的相对位置的射线(6)。

35.一种用于无破坏地对检查对象进行分析的测量装置，包括：

35.1.X射线源(10，9)，用于产生X射线(1)，

35.2.至少一个设置在X射线源(10，9)的辐射路径中的X射线光栅(2)，其产生至少部分位于该检查对象(5)中的该X射线(1)的驻波场(4)，以及

35.3.至少一个位于X射线源(10，9)的辐射路径之外的检测器(7)，其测量通过该驻波场(4)在检查对象(5)内发射的、取决于检查对象(5)和X射线驻波场(4)之间的相对位置的射线(6)和该驻波场(4)。

36.根据权利要求35所述的测量装置，其特征在于，设置了计算和控制单元(11)，其执行按照上述权利要求之一所述方法的步骤的程序(Prg_x)。

37.根据权利要求35或36所述的测量装置，其特征在于，这样实现用于设置检查对象(5)与驻波场(4)之间相对位置的可控驱动装置(14)，使得其可以实施检查对象(5)在一个方向(一维)上的运动。

38.根据权利要求35至37中任一项所述的测量装置，其特征在于，这样实现用于设置检查对象(5)与驻波场(4)之间相对位置的可控驱动装置(14)，使得其可以实施检查对象(5)在一个平面(二维)中的运动。

39.根据权利要求35至37中任一项所述的测量装置，其特征在于，这样实现用于设置检查对象(5)与驻波场(4)之间相对位置的可控制的驱动装置(14)，使得其可以执行检查对象(5)在空间中(三维)的运动。

40.根据权利要求35至39中任一项所述的测量装置，其特征在于，具有用于通过移动相位光栅(2)、至少关于其光栅线移动来产生检查对象(5)与驻波场(4)之间相对位置的装置。

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