CN106535769B - X射线干涉成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种x射线干涉成像系统，其中所述x射线源包括靶，所述靶具有嵌入于导热基板中的多个结构化相干的x射线子源。所述系统另外包括：形成Talbot干涉图案的射束分裂光栅G1，所述射束分裂光栅G1可以是相移光栅；以及用于将二维x射线强度转换成电子信号的x射线检测器。所述系统还可包括：第二分析器光栅G2，所述第二分析器光栅G2可以放置在所述检测器的前面以形成附加干涉条纹；用于使所述第二光栅G2相对于所述检测器平移的装置。所述系统可另外包括防散射网格，用于减少来自散射的x射线的信号。还公开了暗场和亮场检测器的各种配置。

Description

X射线干涉成像系统
相关申请的交叉引用
本专利申请是2014年10月29日提交的并且标题为“X-RAY INTERFEROMETRICIMAGING SYSTEM(X射线干涉成像系统)”的美国专利申请14/527,523的部分继续申请，该专利申请要求2013年10月31日提交的并且标题为“X-ray Phase Contrast imaging System(X射线相衬成像系统)”的美国临时专利申请号61/898,019、2013年11月7日提交的并且标题为“An X-ray Source Consisting of an Array of Fine Sub-Sources(由微小子源阵列组成的X射线源)”的美国临时专利申请号61/901,361以及2014年4月17日提交的并且标题为“Two Dimensional Phase Contrast Imaging Apparatus(二维相衬成像设备)”的美国临时专利申请号61/981,098的权益，以上申请全部以引用方式整体并入本文。本申请另外要求2014年5月1日提交的并且标题为“METHODS OF REDUCING SCATTER RADIATIONUSING TALBOT EFFECT(利用Talbot效应减少散射辐射的方法)”的美国临时专利申请号61/987,106、2014年5月7日提交的并且标题为“Methods of Improving Detector MTF andDQE and Reducing Scatter Background of an X-ray Imaging System UsingCoherence Effect(改进检测器MTF和DQE以及利用相干效应减少X射线成像系统的散射背景的方法)”的美国临时专利申请号61/989,743、2014年5月12日提交的并且标题为“Methodof Single-Shot Imaging to Obtain Absorption and Differential Phase,and/orScattering,and/or Phase Contrast Images(单次触发成像以获得吸收和微分相位、和/或散射和/或相衬图像的方法)”的美国临时专利申请号61/991,889以及2014年5月15日提交的并且标题为“Method of Talbot Effect based X-ray Imaging with High ImageContrast and Design of Apparatus Using Such(基于Talbot效应的X射线成像方法以及利用这种方法的高图像对比度和设计的设备)”的美国临时专利申请号61/993,811的权益，以上申请全部以引用方式整体并入本文。本申请要求2014年10月30日提交的专利合作条约申请号PCT/US2014/063164的优先权和权益，该申请以引用方式整体并入本文。
发明领域
本文所公开的本发明的实施例涉及使用x射线的干涉成像系统，并且具体地，涉及包括高亮度的x射线源以便产生相衬图像的干涉成像系统。高亮度的x射线源可以使用包括x射线产生材料的周期性微结构的阳极或靶，x射线产生材料嵌入于低原子序数材料的导热基板中。
发明背景
在1895年，当
Figure GDA0002091390050000022
用电子轰击真空管中的靶进行实验时首次意外地发现了x射线[W.C.
Figure GDA0002091390050000021
"Eine Neue Art von Strahlen(Würzburg Verlag,1896)；"On aNew Kind of Rays,"Nature,第53卷，第274-276页(1896年1月23日)]。含钙(原子序数Z＝20)的骨骼吸收和主要含碳(Z＝6)的软组织吸收之间的对比度立刻明显，因为两种材料在5到30keV之间x射线能量处的吸收系数可能会相差10倍或更多，如图1所示。这些高能短波光子现在常规地用于医疗应用和诊断评估，还用于安全筛查、工业检查、质量控制和故障分析，以及诸如晶体学、断层摄影、x射线荧光分析等科学应用。
尽管x射线阴影照片已经成为标准的医疗诊断工具，但简单的吸收对比度成像仍然存在问题。值得指出的是，对于诸如乳腺x射线照片的测试，生物组织的变化可能仅导致细微的x射线吸收图像对比度，使得明确检测到肿瘤或异常组织非常困难。
在过去十年间，出现了一种基于x射线相衬干涉法的新型x射线成像方法。该方法依赖于公知的Talbot干涉效应，这种效应最开始是在1837年观测到的[H.F.Talbot,“Factsrelating to optical science No.IV”,Philos.Mag.，第9卷，第401-407页，1836年]，并于1881年由Lord Rayleigh做出完整的解释[Lord Rayleigh,“On copying diffractiongratings and some phenomena connected therewith,”Philos.Mag.，第11卷，第196–205页(1881年)]。
图2中示出这种效应。对于周期为p的吸收光栅G而言，具有充分大相干性的波长为λ的单色光束的衍射图案形成重复的干涉图案，该干涉图案会在称为Talbot距离DT的距离倍数处重建原始的光栅图案(称为“自我成像”)。对于入射光束为平面波的情况(等价于光源位于离光栅G的无穷远处)，DT由下式给出：
Figure GDA0002091390050000031
在光栅G和Talbot距离之间，还会出现其他周期性干涉图案。Talbot条纹的周期和位置取决于光栅G的透射性质，包括相移量和吸收百分比，以及光栅的线空比(开口率)或占空比。例如，对于周期性吸收光栅而言，在Talbot距离的一半DT/2处出现横向偏移一半光栅周期重建原始光栅图案的条纹图案，在Talbot距离的四分之一DT/4和Talbot距离的四分之三3DT/4处出现周期为原始光栅周期一半的条纹图案，如图2所示。这些2D干涉图案有时被称为“Talbot毯”，因为这些复杂图案类似于华丽的东方地毯。[注释：图2中光学Talbot毯的这一图像改编自Ben Goodman创建的文件，可以在<http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Optical_Talbot_Carpet.png>获得。]
图3和图4示出了现有技术Talbot干涉，其包括x射线288的部分相干源200(示出了为微焦点源)和周期为p1的射束分裂光栅G1 210，射束分裂光栅G1 210建立一组Talbot干涉条纹图案289。应当指出的是，x射线源的相干长度优选地被设定为与射束分裂光栅G1 210的周期p1相当或比其更大，从而使得Talbot干涉条纹将具有高对比度。射束分裂光栅210可以是形成如图2所示的强度条纹的振幅(也称为吸收或透射)光栅，但更典型地是相位光栅，用于有效地利用照射x射线，从而将周期性相移引入到同样形成周期性Talbot条纹289的x射线图案。自此以后，在本申请中，透射光栅将用来描述穿过光栅线的x射线透射小于10％的光栅，并且相位光栅将用来描述穿过光栅线的相移是分数(例如，1/2)或π的奇整数倍的光栅。
使用x射线检测器290来检测Talbot条纹289，优选地检测器290具有等于或超过Talbot条纹周期的三分之一的空间分辨率并且具有高的x射线量子检测效率。检测器290将x射线强度图案变换成电子信号，这些电子信号通过连接器291被传输到图像处理系统295。当物体被放置在射束路径中时，使用图像处理系统295来处理x射线强度图案强度信息298以获得吸收、相位和散射对比度图像。
在实践中，检测器290(诸如平板检测器或与将x射线转换成可见光的闪烁体联接在一起的电荷耦合装置(CCD)检测器)的空间分辨率经常为约数十微米或更大，并且Talbot条纹289可能太微小而不能直接用检测器290进行检测。在这种情况下，经常使用周期为p2的分析器光栅G2220来产生莫尔条纹(Moiréfringe)。为了记录一组完整的图像，将使分析器光栅G2220正交于光栅周期并且相对于检测器移动预定的距离，以便在被称为“相位步进”的过程中收集多个干涉图案，或者不太常见地，使分析器光栅G2220相对于G1以小的角度旋转以便在单次触发(single-shot)图像中获得莫尔条纹以用于傅里叶分析。随后对图像进行处理以重建波阵面并且确定产生这些图像的物体的形状、结构和组成。
应当指出的是，代替物理地移动分析器光栅220，也可以使x射线源的位置移动以产生干涉图像的平移，从而允许收集相移信息。这可以通过以下方式电子地完成：移动电子束的位置，该电子束轰击用作x射线源的x射线产生材料[参看，例如，H.Miao等人，“Motionless phase stepping in X-ray phase contrast imaging with a compactsource",Proceedings of the National Academy of Sciences,第110(48)卷，第19268–19272页，2013年]；或相对于分析器光栅220的固定位置物理地移动x射线源。
这些基于光栅的x射线相衬成像(XPCI)技术通常被称为“基于光栅的干涉法”(GBI)。
如图所示，到目前为止，光栅干涉仪仅产生干涉条纹，并且对这些条纹的分析将显示已知的光栅G1 210的结构或照射射束的波阵面。然而，当物体被引入到x射线束的路径中时，由物体引入的波阵面变化导致Talbot干涉条纹(通常被称为莫尔条纹)图案的对应改变。随后可以使用干涉图像重建技术来分析波阵面并且重建表示未知物体的结构的图像。
在图5中，示出了图3和图4的现有技术Talbot干涉仪被用作用于生物样本的成像技术，在这种情况下生物样本是放置在源200与射束分裂光栅G1 210之间的老鼠240-M。相干源200的x射线288穿过老鼠240-M和射束分裂光栅G1 210并且形成一组被扰乱的Talbot条纹289-M。局部相移产生角偏移，当通过分析器光栅G2220和检测器290进行分析时，角偏移转变成局部透射强度的改变。从x射线检测器290收集针对分析器光栅G2220已经移动了多个预定位置的情况的多个图像允许记录干涉图案289-M。
如前所述，检测器290将x射线强度图案变换成电子信号，这些电子信号通过连接器291传输到图像处理系统295，图像处理系统295用于利用吸收、微分相位、相位和散射对比度信息来产生一个或多个图像298-M。对图像(包括在具有和不具有研究中物体的情况下由系统收集的图像)的数值处理，可用来推断出形成这些图像的物体(包括诸如老鼠240-M的物体)的形状和结构。所记录的强度振荡可以用傅里叶级数来表示，并且利用适当的图像处理算法，可以提取出微分相移和吸收信号，并且可以合成对应于由物体引起的x射线吸收、相衬和散射的图像。[参看，例如，A.Momose等人，“Demonstration of x-ray Talbotinterferometry”,Jpn.J.Appl.Phys.,第42卷，第L866-L868页，2003年；A.Momose,美国专利号7,180,979，发布于2007年2月20日；以及T.Weitkamp等人，“Hard X-ray phaseimaging and tomography with a grating interferometer”,Proc.SPIE,第5535卷，第137–142页，2004年，和“X-ray phase imaging with a grating interferometer”,OpticsExpress,第13(16)卷，第6296–6304页，2005年。]
应当指出的是，存在其他配置，其中物体诸如老鼠240-M可以放置在射束分裂光栅G1 210-A与分析器光栅G2220和检测器290之间，如图6所示。使用各种相位和振幅光栅或使用具有较高分辨率像素的检测器290而不使用分析器光栅220的其他配置对于本领域技术人员也可以是已知的。
除了使老鼠的解剖结构成像之外，相衬x射线成像的临床应用可见于乳房摄像术，其中癌组织的密度可具有与健康组织不同的相位特征[参看，例如，
Figure GDA0002091390050000051
等人，“Phase contrast X-ray imaging of breast”,Acta Radiologica,第51(8)卷，第866–884页，2010年]，或者可用于骨骼疾病如骨质疏松症或骨关节炎，其中骨骼结构的角定向可能是骨骼疾病的早期指示[参看，例如，P.Coan等人，“In vivox-ray phase contrastanalyzer-based imaging for longitudinal osteoarthritis studies in guineapigs”,Phys.Med.Biol.第55(24)卷，第7649-62页，2010年]。
然而，对于到目前为止所描述的现有技术配置，x射线功率是个问题。具有半最大直径全宽度的x射线源S由下式给出
Figure GDA0002091390050000061
其中p1是射束分裂光栅G1 210的周期，并且源200与射束分裂光栅G1210之间的距离L需要用于产生高对比度条纹和莫尔图案的技术。对于实际应用和系统几何形状，这意味着是微焦点源。然而，对靶进行电子轰击还导致加热，并且可实现的x射线功率受能够落在微光斑上而不使x射线产生材料熔化的最大总电子功率的限制。有限的电子功率意味着有限的x射线功率，并且利用典型的x射线靶可实现的较低x射线通量在用于例如涉及活的患者或动物的乳房摄影术或其他诊断测试时可能导致不可接受的长暴露时间。可以通过将更高的电子功率分布在更大的区域上来增加总x射线通量，但是随后该源的相干性降低，从而减少了图像对比度。
具有较高亮度和足够通量的相干x射线可以通过使用同步加速器或自由电子激光器X射线源来实现，但是这些机器可能占用覆盖数英亩土地的设施，并且对于在临床环境中使用是不现实的。
已经显示能够实现更大x射线功率的一种创新采用了附加光栅G0[参看，例如，John F.Clauser,美国专利5,812,629，颁发于1998年9月22日]。这种系统在图7中示出。在这种配置中，周期为p0的源光栅G0308(其通常为x射线透射光栅)用在x射线源300的前部。在这种情况下，x射线源可以是具有大的入射电子射束面积的高功率扩展源(而不是微焦点源)，该扩展源产生更高的总x射线通量。
x射线388穿过光栅G0308并且从光栅孔口处呈现为用于射束分裂光栅G1的、单独地空间上相干的(类似于以上描述的微焦点源)但相互不相干的照射子源阵列。为了确保G0中的每个x射线子源建设性地有助于图像形成过程，设置的几何形状应当满足以下条件：
Figure GDA0002091390050000071
当满足条件时，来自G0的许多孔口的x射线产生相同的(重叠的)Talbot干涉图案,并且因为各种相互不相干的源并不干涉彼此，这些Talbot图案将增加强度。因此与单个相干源可提供的信号相比检测器290处的效应只是增强了信号(连同信噪比)。
这种配置被称为Talbot-Lau干涉仪[参看Franz Pfeiffer等人，“Phaseretrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-raysources”,Nature Physics,第2卷，第258-261页，2006年；并且还在Christian David、Franz Pfeiffer和Timm Weitkamp的颁发于2011年2月15日的美国专利7,889,838中进行描述]。
图8A-8C示出了使用Talbot-Lau干涉仪收集的活老鼠的x射线图像，如MartinBech所报告的[M.Bech等人，“In-vivo dark-field and phase-contrast x-rayimaging”,Scientific Reports 3,文章编号：3209,2013,图1]。所使用的x射线能量为31keV，并且光栅是由硅(Z＝14)中的光刻蚀刻结构制造的。用于源的吸收光栅G0和用于分析器的光栅G2是通过另外用金(Z＝79)来涂覆图案化的硅而形成的。
图8A-8C的所有图像报告为是由一组相同的5个干涉图像重建的，每个图像是在10秒的暴露时间内收集的。原始图像经过傅里叶处理和倾斜校正以获得三种图像模式。图8A示出了基于x射线衰减的强度图像，其显示了骨骼与软组织之间的吸收对比度。图8B示出了相衬图像，其明确地识别出软组织结构诸如气管(用箭头示出)。图8C示出了由于来自线性尺寸小于成像系统的空间分辨率的微细特征的x射线散射而导致的附加暗场对比度图像，该图像强烈地突出了毛皮和肺。
不幸的是，Talbot-Lau GBI的当前技术对大部分的实际应用诸如临床成像具有许多限制，包括要求源光栅G0和分析器光栅G2两者具有小的间距和孔口以及大的纵横比。
对源光栅G0的要求是形成微小的单独的完全分离的x射线子源以最小化由于不希望的x射线穿过限定结构的孔口的透射而导致的图像对比度减少。然而，对于1:1线空比的光栅，简单的x射线遮蔽法表明穿过光栅的x射线透射被限制为小于50％，并且在包括角遮蔽(限制从源到达物体的x射线的角范围)时进一步减少。此外，对于G0而言减少到物体的辐射剂量的最佳线空比(其对于临床前和临床成像应用很重要)更接近3:1而不是1:1。在这种情况下，单是由于区域遮蔽，来自源的约75％的x射线被阻挡，并且当使用具有大纵横比的光栅时，由于角遮蔽而出现更大的损失。
对分析器光栅G2的要求是能够对具有足够分辨率的Talbot干涉条纹进行取样而不损失对比度。因此，G0和G2光栅两者必须具有小的孔口并且具有足够的厚度以最小化不希望的x射线透射，这限制了有效使用来自源的x射线。此外，由于分析器光栅G2的损失进一步导致对于研究中物体而言显著较高的剂量(相对于不具有G2光栅的同一系统)，从而由于多次暴露而生成具有良好特性的图像用于相位步进以及导致较低信噪比的x射线吸收。当研究中物体是活的动物或人类时，较高剂量的电离辐射是不合期望的并且通常是不提倡的。
如果光栅G0的孔口尺寸较大，角准直可减少(尽管不是区域遮蔽)，从而使得x射线透射并未严重减少，但是这减少了在孔口下游的x射线束的空间相干长度，并且导致图像对比度的降低。较小的孔口可以通过改进空间相干性而增加可能的图像对比度和分辨率，但是减少系统中x射线的总数目，由此需要更长的暴露时间。此外，在较小孔口的情况下，这些细光栅变得更难以制造。
当针对试图使用Talbot-Lau干涉仪用于较高能量的x射线时，此问题加剧，较高能量的x射线通常是需要的以便获得穿过物体的足够透射并且减少定量剂量。一般来说，如图1所示，生物组织对x射线的吸收对于能量大于5keV的x射线要低得多，并且使用较高能量的x射线将所吸收的潜在地有害的电离辐射剂量减少几个数量级。然而，5keV光子具有0.248nm的波长，并且50keV光子具有小10倍的波长(0.0248nm)。此外，建立用于这些较高能量的吸收光栅诸如G0和G2，较短波长x射线可能出现困难，因为光栅的厚度必须以指数方式增加以便维持用于较高能量x射线的相同吸收因数(x射线衰减长度近似地与Ekev 3成正比)。
如果希望在两个正交方向上生成相衬图像的话，使用线性光栅的Talbot-Lau GBI(其可用于仅在一个维度上收集干涉数据)的前述问题变得更严重。这经常需要使得图像重建稳定并且使得图像更容易理解，并且因为平行于1D情况下的光栅线的特征通常测量的不太准确。一个简单的方法是在两个正交方向上执行XPCI并且随后正确地登记两个数据集。除了与成像和登记过程相关的挑战之外，这种方法可能是不实际的，尤其是当用于活的受试者时，活的受试者可能会移动或只是变得不耐烦并且在必须在两个方向上执行相位步进的情况下将导致剂量增加(双倍)。同时的二维XPCI将是合乎期望的，尤其是在单次暴露(触发)中且在高x射线能量下的数据收集可能减少暴露时间和吸收剂量的情况下。
因此，存在对这样的x射线干涉成像系统的需要，该系统提供Talbot-Lau干涉仪的分辨率和检测能力，但是采用更亮的紧凑x射线源，并且理想地更亮、更高能量的x射线源，尤其是能够提供同时的二维相衬成像的x射线源。
发明内容
本文公开了一种x射线干涉成像系统，其中x射线源包括具有多种微结构化x射线产生材料的靶，这些材料布置在周期性阵列图案内以形成周期性x射线子源。该系统另外包括形成Talbot干涉图案的射束分裂光栅G1，以及用于将二维x射线强度转换成电子信号的x射线检测器。
如果检测器的空间分辨率等于或超过Talbot条纹周期的三分之一，那么检测器可以直接记录该条纹。该系统还可包括：第二分析器光栅G2，第二分析器光栅G2可以放置在检测器的前面以形成附加干涉条纹；以及用于使分析器光栅G2相对于检测器平移以便在检测器处形成莫尔条纹的装置。另外，该系统可包括使相位光栅G1相对于分析器光栅G2平移的装置。
x射线源靶包括与低原子序数材料的导热基板密切热接触的x射线产生材料(诸如钼或钨)的多种微结构，低原子序数材料诸如金刚石或铍。x射线产生微结构可以周期性图案布置，其中该图案的每个周期性元件对应于单个离散的微结构，或者可替代地，其中该图案的每个周期性元件包括多个离散的微结构。一个或多个电子源轰击通常布置在周期性阵列内的多种x射线产生材料，以使得从每个周期性阵列元件产生的x射线充当用于射束分裂光栅G1的单独地相干的照射x射线子源。在一些实施例中，微结构具有约几微米的横向尺寸，并且具有约为基板材料内电子穿透深度一半的厚度。在一些实施例中，微结构以有规律的二维阵列形成。
射束分裂光栅G1可以是相位光栅或吸收光栅。分析器光栅G2通常是透射光栅。光栅G1和G2两者可以制造为在硅中光刻产生微结构，并且可包括1D结构、2D结构或其组合。
本发明的特定优点是可以通过使用x射线靶来实现高的x射线亮度和大的x射线功率，在该x射线靶中高Z材料的微结构与低Z材料且高热导率(诸如铍或金刚石)的基板密切热接触或嵌入于基板中。基板从x射线产生材料中吸热的能力允许使用更高的电子密度和功率，以便从每个子源产生更大的x射线亮度和功率。这导致由高Z材料形成单独的、完全分离的空间上相干的x射线子源，同时使用具有低Z和低质量密度的基板最小化从基板产生的x射线，从而能够引起图像对比度的降低。
附图简述
图1示出了作为x射线能量的函数的碳和钙的x射线吸收的曲线图。
图2示出了由透射光栅产生的现有技术Talbot干涉图案。
图3示出了使用微焦点源的现有技术x射线光栅干涉系统。
图4示出了图3的现有技术x射线光栅干涉系统的截面图。
图5示出了用于形成老鼠的x射线对比度图像的图3的现有技术x射线光栅干涉系统。
图6示出了用于形成老鼠的x射线对比度图像的图3的现有技术x射线光栅干涉系统的变型。
图7示出了用于形成老鼠的x射线对比度图像的现有技术Talbot-Laux干涉仪。
图8A示出了所公布的使用现有技术Talbot-Laux干涉系统收集的老鼠的x射线吸收图像。
图8B示出了所公布的使用现有技术Talbot-Laux干涉系统收集的老鼠的x射线相衬图像。
图8C示出了所公布的使用现有技术Talbot-Laux干涉系统收集的老鼠的x射线暗场散射图像。
图9示出了根据本发明的x射线干涉成像系统的实施例的示意性截面图。
图10示出了本发明实施例的示意性截面图。
图11示出了图10所示的本发明实施例的透视图，其中x射线靶包括二维周期性阵列的x射线产生微结构。
图12示出了图10和图11所示的本发明实施例的详细的示意性截面图。
图13示出了本发明实施例的透视图，其中x射线靶包括呈平行线形式的x射线产生微结构。
图14示出了本发明实施例的透视图，其中物体(老鼠)放置在光栅G1与G2之间。
图15示出了本发明实施例的详细的示意性截面图，其中使用了高分辨率检测器而未使用分析器光栅。
图16示出了本发明实施例的透视图，其中物体(老鼠)放置在光栅G1与检测器之间，并且光栅G1包括二维相位结构。
图17示出了在本发明的一些实施例中使用的射束分裂光栅的“网孔”2D图案。
图18示出了在本发明的一些实施例中使用的射束分裂光栅的“棋盘”2D图案。
图19示出了本发明实施例的透视图，其中物体(老鼠)放置在源与光栅G1之间，并且光栅G1包括二维相位结构。
图20示出了本发明实施例的示意性截面图，其中靶安装在真空室内。
图21示出了图20所示的本发明实施例的详细的示意性截面图。
图22示出了本发明实施例的示意性截面图，其中靶安装在真空室内并且x射线使用线性累积产生。
图23示出了图22所示的本发明实施例的详细的示意性截面图。
图24示出了本发明实施例的示意性截面图，其中两个电子束从两侧轰击靶。
图25示出了图24所示的本发明实施例的详细的示意性截面图。
图26示出了可用于本发明的一些实施例的靶的透视图，靶包括在较大基板上的嵌入式矩形靶微结构网格。
图27示出了可用于本发明的一些实施例的靶的变型的透视图，靶包括在较大基板上的嵌入式矩形靶微结构网格，用于聚焦电子束。
图28A示出用于本发明的一些实施例的靶的透视图，靶包括嵌入式矩形靶微结构网格。
图28B示出了图28A的靶的顶视图。
图28C示出了图28A和图28B的靶的侧视图/截面图。
图29A示出了用于本发明的一些实施例的靶的透视图，靶包括形成周期性线性图案的一组嵌入式矩形靶微结构。
图29B示出了图29A的靶的顶视图。
图29C示出了图29A和图29B的靶的侧视图/截面图。
图30示出了如图28A-C所示的靶的可来自处理变化的靶结构的变型。
图31示出了如图29A-C所示的靶的可来自处理变化的靶结构的变型。
图32示出了图28A-C和/或图29A-C的靶的一部分的截面图，其示出根据本发明的在电子束暴露下到导热基板的热传递。
图33示出了根据本发明的图28A-C、图29A-C和/或图32的靶的变型的截面图，靶包括具有热冷却通道的基板。
图34示出了根据本发明的图28A-C和/或图29A-C的靶的另一种变型的截面图，靶包括粘附层。
图35示出了根据本发明的图28A-C和/或图29A-C的靶的另一种变型的截面图，靶包括导电外涂层。
图36示出了根据本发明的图28A-C和/或图29A-C的靶的另一种变型的截面图，靶包括埋入的x射线材料。
图37示出了根据本发明的图28A-C和/或图29A-C的靶的另一种变型的截面图，靶包括埋入的x射线材料以及厚的导热且导电的外涂层。
图38示出了图28A-C和/或图29A-C的靶的另一种变型的截面图，靶包括在基板后表面上的附加阻挡结构，用于阻挡由基板产生的x射线的透射。
图39示出了作为x射线能量的函数的金和硅的x射线吸收的曲线图。
图40示出了本发明实施例的详细的示意性截面图，其中使用了附加的防散射光栅。
图41示出了防散射光栅在Talbot干涉图案内的布局的截面。
图42示出了防散射光栅的示意性截面图。
图43示出了本发明实施例的详细的示意性截面图，其中使用了附加的防散射光栅以及在检测器处的分析器光栅。
图44示出了本发明实施例的示意性截面图，其中检测器元件与Talbot干涉图案的高强度部分对准。
图45示出了本发明实施例的示意性截面图，其中射束分裂光栅放置在检测器的上游，以使得检测器元件与Talbot干涉图案的高强度(腹点)对准。
图46示出了包括亮场和暗场检测器的本发明实施例的示意性截面图。
图47示出了包括亮场和暗场检测器的本发明实施例的示意性截面图，其中使用闪烁体来将x射线转换成可见光子/UV光子。
图48示出了根据本发明的一些实施例的x射线相位光栅的可能结构。
图49示出了根据本发明的一些实施例的x射线吸收光栅的可能结构。
注释：本申请所公开的附图中的图解通常并未按比例示出，并且仅旨在说明本发明的原理和其功能，而不是靶中的微结构与各种光栅周期p1、p2、p3、p4、p5和p6之间的具体关系。请参考本说明书中对这些物体的尺寸的具体细节的描述。
具体实施方式
本发明各种实施例的描述
本文所公开的本发明的一个实施例是如图9所示的一种x射线相衬成像(XPCI)系统。该系统与现有技术Talbot-Lau干涉仪具有一些相似性，原因是其包括形成Talbot干涉图案的周期为p1的射束分裂光栅G1 210以及x射线检测器290，x射线检测器290通常包括用于将二维x射线强度转换成电子信号的传感器阵列。
射束分裂光栅G1 210可以是相位光栅或透射光栅，并且可包括1-D周期性图像(线性光栅)，或者可包括更复杂的2-D结构，诸如在两个正交方向上呈周期性的网格。
该系统还可包括周期为p2的分析器光栅G2220，分析器光栅G2220可以放置在检测器前面以便形成附加干涉条纹，诸如莫尔条纹。该系统另外可包括用于使分析器光栅G2220相对于检测器平移的装置225，以及用于将对应于所检测的x射线强度的电子信号传输到图像处理系统295以供处理的连接器291。
然而，代替使用扩展x射线源和附加光栅G0来形成多个x射线源光斑，如在Talbot-Lau系统中所做的那样，本发明的实施例使用这样一种x射线源：其包括通过电子束轰击产生x射线188的多个x射线产生子源108，子源108以周期性阵列布置，从而使得每个子源单独地相干，但是一起充当用于射束分类光栅G1的一组相互不相干或部分相干的照射子源。正如扩展x射线源与Talbot-Lau干涉仪的源光栅的组合，这些子源108形成Talbot干涉条纹图案，这些图案由射束分裂光栅G1 210形成并且被物体240-M扰乱，并且可以由检测器290记录。如果检测器290的空间分辨率具有等于或超过Talbot条纹周期的三分之一的空间分辨率，那么该检测器可以直接记录该条纹。如果使用较低分辨率的检测器，那么也可以使用分析器光栅G2220来形成莫尔条纹，如针对Talbot-Lau干涉仪所描述的。
该多个离散的x射线子源可以比Talbot-Lau系统的x射线源亮得多。因为该源包括自相干但可以相互不相干的子源，所以不需要衰减透射光栅G0来利用扩展x射线源形成子源阵列。
根据本发明的包括结构化靶中的多个子源的系统可以被指定为Talbot-ST干涉仪。
图10、图11和图12示出了本发明的一个实施例的更详细的图解，其中该子源阵列是使用嵌入于导热基板中的x射线产生材料的微结构形成的。在这个实施例中，x射线源008照亮物体240-M和射束分裂光栅G1 210，并且通过检测器290来检测它们形成的干涉图案。
对于x射线源008，高压电源010提供穿过导线021到达真空室002中的电子发射器011的电子，真空室002通过支撑件003固持到屏蔽外壳005。电子发射器011朝向靶100发射电子111。靶100包括基板1000和具有离散微结构700的周期性阵列的区域，离散微结构700包含定位在基板上或嵌入或埋入于基板(通常为低Z材料，诸如铍、金刚石、碳化硅)中的x射线产生材料(通常为高Z金属材料，诸如铜、钼或钨)。离散微结构700可以是任何数目的尺寸或形状，但是通常被设计成直四棱柱的周期性阵列，其横向尺寸在至少一个维度上大小为约几微米，从而使得来自每个微结构的发射当作x射线子源，该x射线子源的空间相干长度与射束分裂光栅G1 210处的光栅周期p1相当或比其更大。另外，微结构优选地具有约为基板材料内电子穿透深度的一半的厚度(通常正交于靶表面进行测量)。
形成x射线子源的微结构700的周期p0通过下式与系统中的其他几何参数相关：
Figure GDA0002091390050000151
其中L是从x射线子源700到光栅G1 210的距离,并且D是从光栅G1到具有周期p2的检测器/分析器光栅G2220的距离。在一些实施例中，D将被设定为分数Talbot距离中的一个距离，其中高对比度(可见性)的干涉条纹由下式定义：
Figure GDA0002091390050000152
其中Imax和Imin分别是在射束路径中不具有物体的情况下Talbot干涉条纹的强度峰值和谷值。
对于具有π相移的射束分裂光栅的平面波照射(即，等价于位于无穷远处的x射线源)，距离D优选由下式给出：
Figure GDA0002091390050000153
其中DN是用于平面波照射的分数Talbot距离，λ是平均x射线波长，并且N被称为Talbot分数阶。D的优选值取决于射束分裂光栅G1的衰减或相移性质、射束分裂光栅G1的线空比以及源到光栅距离L。对于具有1:1线空比的π相移光栅，奇整数分数Talbot阶N(N＝1,3,5…)优选用于确定距离D。对于位于有限距离处(例如，L不是无穷大)的x射线源，D增加到：
Figure GDA0002091390050000161
针对给定分数阶的Talbot条纹周期pf由下式给出：
Figure GDA0002091390050000162
其中K是取决于射束分裂光栅G1的衰减或相移性质的参数。当射束分裂光栅是π相移光栅时K等于1/2，并且当射束分裂光栅是π/2相移光栅时K等于1。
同样，在使用较小的x射线子源尺寸(即，更多空间上相干的x射线)的情况下，Talbot条纹对比度得到改进，并且其中用于射束分裂光栅G1的间距p1与子源a以及它们之间的距离L相关，满足以下要求：
Figure GDA0002091390050000163
其中λ是预定的x射线波长，该波长将大致上对应于由对应子源产生的单色x射线的波长，或对应于具有更宽光谱的x射线子源的平均x射线波长。
在真空室002中，电子111轰击靶，并且在微结构700中产生热和x射线888。选择在基板1000中的材料使得与x射线产生材料的微结构相比其具有相对较低的能量沉积速率(通常通过选择低Z材料用于基板)并且因此将不产生大量热和x射线。也可以选择基板1000材料以具有高热导率，通常大于100W/(m℃)。另外，x射线产生材料的微结构通常嵌入于基板内，即如果微结构被成形为四棱柱，优选地，六个侧面中的至少五个侧面与基板1000成密切热接触，使得在微结构700中产生的热有效地传到基板1000中。然而，在其他实施例中使用的靶可以具有更少的直接接触表面。一般而言，当在本公开中使用术语“嵌入”时，微结构的表面积的至少一半将与基板成密切热接触。
微结构通常通过导线022电连接到高压电源010的正端子，以允许靶充当电气系统中的阳极。可替代地，靶可以接地同时阴极(电子发射器)具有负电荷，或者靶可以连接到正端子同时阴极接地，只要阳极具有比阴极相对更高的电压即可。可替代地，在一些实施例中，电子光学器件诸如静电透镜或磁性线圈可以放置在真空室002的内部或外部、位于电子111的路径的周围或附近以便进一步引导电子束并使其聚焦。
靶100如图所示可以另外充当真空室002的窗口，使得x射线产生材料面向真空室的内部和电子源，但是x射线888也穿过靶100的后侧朝向射束分裂光栅G1 210传播。在其他实施例中，使用单独的窗口，并且还使用附加的x射线滤波器。
一旦由源008产生，x射线888就可以穿过任选的遮光板230，穿过x射线滤光器以获得具有期望波长的期望光谱带宽，并且穿过待研究的物体240-M。x射线随后从可另外安装在基板211上的射束分裂光栅G1 210衍射，并且随后落在分析器光栅G2 220上，分析器光栅G2220也可以安装在基板221上。最终的干涉图案将由阵列检测器290来检测，阵列检测器290将对应于穿过连接器291的x射线强度的电信号提供给图像处理系统295以供分析。
除了x射线源和干涉检测系统之外，还可以使用用于使物体240-M和各种光栅相对于彼此移动，移动到检测器和源的装置。在图10中，图像处理系统295还可以通过网络231连接到控制设定物体240-M的位置和角度的台级244的装置245、控制设定射束分裂光栅G1210的位置和角度的安装件214的装置215、以及控制设定分析器光栅G2220的位置和角度的安装件224的装置225，并且可能连接到遮光板230或用于高压电源010的开关013以允许移动和调制(诸如打开和关闭)x射线。由图像处理系统295中的处理器运行的软件可以控制光栅G1210、光栅G2220、物体240-M的运动以及另外x射线暴露，以允许收集获得物体240-M的详细振幅、微分相位、相衬和散射对比度图像所需的多个图像。
附加实施例还可包括允许移动或调制电子束的控件。例如，可以设计另外包括使x射线源阳极相对于分析器光栅G2平移的装置的实施例。也可以设计还允许调整x射线检测器290的位置和角度的附加实施例。
图13示出了本发明的实施例，其中靶100包括基板1000和多个微结构化线源701。这些微结构化线源701通常将是在一个方向上几微米宽(对应于子源尺寸参数a，参数a通常是在正交于光栅G1 210和G2220的线的方向的维度上，该维度对应于图13中的y方向)，但是在平行于线的方向(该方向对应于图13的x方向)上更长(例如，高达1000微米或几毫米)。微结构701(如图13所示的子源)的间距是p0，并且通过等式4与分析器/检测器的间距相关。
图14示出了本发明的实施例，其中待检查的物体240-M放置在光栅G1 210与检测器290之间。如图14所示，靶上的x射线产生材料的微结构700包括在两个正交方向上布置成2-D周期性阵列的子源，但是可以是满足射束分裂光栅G1 210的相干照射条件的任何周期性阵列，包括网格、网孔、棋盘或其他周期性结构。
如果光栅包括一维结构，那么源靶100中的微结构700仅需要在与光栅G1 210和G2220的1D阵列相同的方向上呈周期性(即，微结构700的线理想地平行于光栅的线)，但是在垂直方向上可以具有任意的或非周期性的结构。
图15另外示出了本发明的实施例，其中不存在分析器光栅G2 220，但是替代地检测器299具有高分辨率阵列GD，其像素分辨率等于或超过在正交于光栅线的方向上Talbot条纹周期的三分之一(1/3)。在这种分辨率下，可以处理单次暴露图像以同时获得吸收、相位和散射对比度图像。这可为有利的，因为避免了x射线穿过G2220时通常发生的50％或更多的强度损失，并且到达检测器的信号以及因此信噪比基本上更高。
为了收集多个图像以用于计算物体240-M的详细振幅、微分相位、相衬和散射对比度图像，图15的实施例可另外包括装置255，其用于使检测器290不仅在平行于光栅G1的平面的两个横向方向上而且还在沿x射线传播路径限定的方向上平移，以确保检测器299被放置在正确倍数的Talbot距离TD处。
图16示出了本发明的一个实施例，其中射束分裂光栅G1 210-2D包括二维周期性阵列，射束分裂光栅G1 210-2D可以是透射光栅或相位光栅。当使用这种类型的2D射束分裂光栅时，图案可以布置成许多周期性图像中的任一个，包括网孔(诸如图17所示的图案)或棋盘图案(如图18所示)，在这些图解中，干净区域是无相移的区域，而图案化区域表示具有相对相移的区域。在一些实施例中，也可以使用不同的或甚至相反的相对相移，即，干净区域可以是相移的而图案化区域不是。
可以优选相移为π弧度并且线空比为1:1的射束分裂光栅，用于与光谱带宽小于平均能量的±15％的入射x射线束一起使用。可以优选相对相移为π/2弧度，用于与光谱带宽大于±15％的入射束一起使用。
在一些实施例中，射束分裂光栅可以具有1D条带的外形，诸如Ronchi外形或具有矩形外形的结构。暗条带与清晰条带之间的相对相移优选地被选择为π或π/2弧度，但也可以是π的任何整数被或分数。可替代地，暗条带可以具有低的x射线透射率，使得射束分裂光栅为吸收光栅。
图16示出了2D射束分裂光栅G1 210-2D结合高分辨率检测器299(如图15中也示出)的使用。为了同时获得两个正交方向上的微分相位对比度、相衬、吸收、散射对比度图像，几何参数(包括x射线子源尺寸a、光栅G1 210-2D的周期p1和距离L)需要满足光栅G1在两个方向上的相干照射条件。如前所述，检测器299具有等于或超过在图像平面中在两个正交方向上Talbot条纹周期的1/3，并且被定位成与Talbot条纹图案对准。
其中射束分裂光栅G1 210-2D上具有2D图案的此类实施例还可以与先前描述的结合二维分析器光栅G2的较低分辨率检测器290一起使用，二维分析器光栅G2可以任何顺序在两个方向上相位步进，以便在两个正交方向上获得相位信息。类似于以上对G1 210-2D的描述，这个2D分析器光栅G2可以具有任何周期性结构，诸如网孔、棋盘或2D阵列结构(诸如圆形、三角形、正方形、矩形等)。
图19表示类似于图16的实施例，不同的是，检查中的物体240-M现在被放置在x射线源与射束分裂光栅210-2D之间。
应注意，一些实施例是一维Talbot-Yun干涉仪(其中吸收、相位和散射信息是在一个方向上获得的)，并且包含与微结构化源靶结合的一个或多个1D光栅，这些光栅至少在与光栅线方向垂直的方向上是周期性的(但在其他方向上也可以是周期性的)。其他实施例是二维Talbot-ST干涉仪，其中吸收、相位和散射信息是在两个正交方向上获得的(或所有三个维度，通过使用2D Talbot-Yun设置执行计算机断层摄影)。
图20和图21示出了本发明的另一个实施例，其中x射线源080包括真空室020，真空室020支撑在x射线屏蔽外壳050内的安装件030上。源080还包括靶100，靶100包括基板1000和周期性图案，该周期性图案包括完全安装在真空室020内的x射线子源700。如前所述，这个实施例还包括高压电源010，高压电源010具有通过导线021-A连接到电子发射器011-A的负端子，而正端子通过一根或多根导线022连接到靶中的微结构，从而允许这些微结构充当阳极。
然而，在这个实施例中，包括x射线子源700周期性阵列(含x射线产生材料)的靶100的表面面向安装在真空室020的壁中的窗口040，并且电子发射器011-A被对准以便将电子束111-A发射到包括子源700的靶100的表面(面向窗口040)上。
图22和图23示出了本发明的另一个实施例，其中，靶100包括基板1000和周期性图案，该周期性图案包括完全安装在真空室020内的x射线子源700。如前所述，这个实施例还包括高压电源010，高压电源010具有通过导线021-B连接到电子发射器011-B的负端子，而正端子通过一根或多根导线022连接到靶中的微结构，从而允许这些微结构充当阳极。
然而，在这个实施例中，包括x射线子源700周期性阵列(含x射线产生材料)的靶100的表面被定向成使得由这些微结构中的一些产生的x射线朝向也产生x射线的其他微结构传播，并且来自多个微结构700的x射线888-B的线性累积从靶处出现。这些微结构与微结构700之间的距离g从靶处出现。这些微结构之间的距离g以及在传播方向上的宽度wx应当是足够小的，以使得有助于累积x射线的来自第n个微结构的发射可以被认为具有等式9的尺寸a的单个子源，即：
a≥tanθ·(n(g+wx)) [等式10]
其中a是满足系统的相干要求的子源尺寸，并且θ是系统的场视角的一半。
如本发明的这个实施例中使用的x射线源的线性累积在本发明的发明人的标题为X-RAY SOURCES USING LINEAR ACCUMULATION(使用线性累积的X射线源)的共同待决的美国专利申请(2014年9月19日提交的美国专利申请14/490,672)中进行更全面地描述，该申请以引用方式整体并入本文。在上文引用的共同待决申请中所公开的源设计和配置中的任一个可以被认为用作本文所公开的任何或所有干涉成像系统中的部件。
同样，图24和图25示出了本发明的利用x射线线性累积的另一个实施例。在这个实施例中，x射线源080包括靶2200，靶2200包括基板2210以及完全安装在真空室020内的第一组子源707和第二组子源708。如前所述，这个实施例还包括高压电源010，但是这个高压电源连接到结点010-2，结点010-2分别通过导线021-D和021-E向两个电子发射器011-D和011-E提供高压。如图24和图25所示，第一电子发射器021-D提供轰击第一组子源707的电子束111-D，而第二电子发射器021-E提供轰击第二组子源708的电子束111-E。由第一组子源707和第二组子源708沿x射线成像射束轴线产生的x射线788中的一些结合以便从靶2200产生x射线2888，x射线2888将通过来自这两组x射线子源的x射线的线性累积而增大。在一些实施例中，两组子源707和708之间的间隔可以小于5mm但大于在垂直于穿过两个子源中心的线的方向上的源尺寸。可以选择子源707和708两者的周期，使得在射束分裂光栅G1下游的相关联Talbot条纹基本上重叠。
本领域技术人员还应了解，本发明的包括x射线源的其他实施例(其中正被电子轰击的靶/阳极移动、平移或旋转以使热负荷分散)也是可能的。
注释：图10至图25的图解并未按比例示出，并且旨在说明本发明的原理而不是微结构700、靶100以及各种光栅周期p1和p2之间的具体关系。微结构700、701、707、708等的尺寸可以是约几微米，而检查中物体240-M的尺寸可以是几厘米。同样，尽管示出了这些内容，其中示出尺寸为约几厘米的物体(老鼠)，但是所描述的技术并不限于此类物体，而是可以用于检查甚至更大的结构，以及微观结构，条件是适当地构造检测器或干涉仪的其他元件的合适分辨率。
2. X射线靶的制造。
诸如用于根据本文所公开发明的x射线源中的那些靶详细地描述于本发明的发明人的标题为“STRUCTURED TARGETS FOR X-RAY GENERATION(用于产生X射线的结构化靶)”的共同待决的美国专利申请(2014年8月21日提交的美国专利申请14/465,816)中，该申请以引用方式整体并入本文。在上文引用的共同待决申请中所公开的靶设计和配置中的任一个可以被认为用作本文所公开的任何或所有x射线源中的部件。
如本文中以及上文引用的待决专利申请中所描述的，在x射线源中使用的靶可包括子源的周期性阵列。每个子源可以由x射线产生材料的单个或多个微结构组成，这些微结构与根据其热导率而选择的基板热接触或优选地嵌入于该基板中。当微结构与具有高热导率的基板处于良好热接触时，可以使用更高的电子电流密度来产生x射线，因为过剩热将被吸取到基板中。更高的电流密度将引起更高的x射线通量，从而导致更高的亮度源。如以上共同待决的专利申请中所描述的，具有x射线产生材料微结构的源可以具有比由相同材料制成的更简单构造高出10倍以上的亮度。多个子源被对准以便增强同一轴线上的x射线的另外配置可进一步通过x射线子源的线性累积来增加亮度。
在这里还应当指出的是，当在本文中使用词语“微结构”时，其特别地指包括x射线产生材料的微结构。其他结构，诸如用于形成x射线微结构的腔，具有相同数量级的尺寸并且也可以被认为是“微结构”。然而，如本文所用的其他词语诸如“结构”、“腔”、“孔”、“孔口”等可以用于下面这样的结构：它们形成于诸如基板的材料中，这些材料不是根据其x射线产生性质选择的材料。词语“微结构”将被保留用于下面这些结构：这些结构包含根据其x射线产生性质而选择的材料。
同样，应当指出的是，尽管使用词语“微结构”，尺寸小于1微米或者甚至小至纳米级尺寸(即，大于10nm)的x射线产生结构也可以由本文所用的词语“微结构”来描述，条件是性质与用于各种实施例中阐述的子源尺寸和光栅间距的几何因数相一致。
还应当指出的是，当使用词语“子源”时，它可以是指x射线产生材料的单个微结构，或者功能类似于用于Talbot干涉法的单个结构的较小微结构的总体(ensemble)。
这些微结构化靶的制造可遵循公知的用于在基板中产生嵌入式结构的处理步骤。如果基板是具有高热导率的材料，诸如金刚石，那么使用光刻抗蚀剂的常规光刻图案制作，诸如聚焦离子束光刻或电子束光刻，可以产生微米尺寸的结构，这些结构随后可以使用诸如反应离子蚀刻(RIE)的过程而被蚀刻成基板。随后可以使用标准沉积过程，诸如电镀、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积或热压来实现将x射线产生材料沉积到形成于基板中的蚀刻结构中。
靶中所使用的x射线产生材料理想地应当具有良好的热性质，诸如高熔点和高热导率，以便允许更高的电子功率加载到源上从而增加x射线生成。另外，应当根据良好的x射线产生性质来选择x射线产生材料，该性质包括x射线产生效率(与其原子序数成正比)，并且在一些情况下，可能希望产生所关注的特定光谱，诸如特征x射线光谱线。由于这些原因，常常使用钨来制造靶，钨原子序数为Z＝74。
表I列出了常用于x射线靶的几种材料、几种附加的可能靶材料(特别适用于所关注特定特征线)以及可以用作靶材料基板的一些材料。熔点、热导率和电导率是关于接近300°K(27℃)的值表示。大部分值引用自CRC化学物理手册(CRC Handbook of Chemistryand Physics)，第90版[CRC出版社，佛罗里达州博卡拉顿(Boca Raton,FL)2009]。其他值引用自网络上找到的各种来源。应当指出的是，对于某些材料诸如蓝宝石，当冷却到低于液氮温度(77°K)的温度时，热导率可能大出一个数量级[参看，例如，部分2.1.5,ThermalProperties,E.R.Dobrovinskaya等人，Sapphire:Material,Manufacturing,Applications,Springer Science+Business Media,LLC 2009]。
表I：各种靶和基板材料以及选定的性质。
Figure GDA0002091390050000231
Figure GDA0002091390050000241
Figure GDA0002091390050000251
图26示出了可用于本发明的一些实施例的靶。在这个图中，基板1000具有区域1001，区域1001包括子源700的阵列，子源700包括x射线产生材料(通常为金属材料)的微结构，其中该子源被布置成直四棱柱的有规律排列。在真空中，电子111从上方轰击靶并且在微结构700中产生热和x射线。选择基板1000中的材料，使得与x射线产生微结构材料相比，其具有相对较低的x射线生成率(效率与原子序数成正比)和用于电子的能量沉积速率(阻挡本领与密度成正比)，并且因此将不产生大量的热和x射线。这通常通过选择低质量密度和低原子序数(Z)材料用于基板来实现。
也可以选择基板1000材料以具有高热导率，通常大于100W/(m℃)，并且微结构通常嵌入于基板内，即如果微结构被成形为四棱柱，优选地，六个侧面中的至少五个侧面与基板1000成密切热接触，使得在微结构700中产生的热有效地传到基板1000内。然而，在其他实施例中使用的靶可以具有更少的直接接触表面。一般而言，当在本公开中使用术语“嵌入”时，微结构的表面积的至少一半将与基板成密切热接触。
应注意，在一些实施例中子源的大小和尺寸可能受到与现有技术中光栅G0的周期p0所受限制相同的限制。换言之，在如图9至图25所示的x射线干涉成像系统中的物体位置处可实现的空间分辨率是由整体x射线源尺寸和检测器分辨率确定的，类似于现有技术干涉成像系统诸如Talbot-Lau系统中所描述的情况。因此，最大x射线源尺寸(每个微结构光斑的宽度)受给定检测器分辨率和给定成像几何形状的限制，如由源与物体之间的距离和物体到检测器的距离所确定的。
子源阵列的线空比是在设计任何系统时应当考虑的设计参数。大的空间相干长度与x射线源或子源的尺寸成反比。因为Talbot干涉条纹的条纹可见度随着照射x射线束的空间相干长度与射束分裂光栅的周期p1的相对比率的比率值从0.3增加到1而线性地增加，所以通常优选具有小的源尺寸。然而，x射线生成率与子源的面积成反比(例如，线宽度的减小将导致x射线生成的减少)。由于成像系统的产出通常与对比传递函数的平方成正比并且仅与x射线通量成正比，通常优选具有小于1:1的线空比。本发明的一些实施例可以使用在1:5与1:2之间的线空(即，x射线产生材料与基板材料)比(即，x射线产生材料的相对面积可以是从20％到33％)。
可有助于选择根据本发明的靶的材料的品质因数(FOM)是由微结构产生的x射线与由电子产生并轰击基板的x射线的比率。此品质因数可用于系统的靶的材料设计和选择，并且应当除基板的热导率之外加以考虑。由于电子能量沉积速率与质量密度成正比并且材料中的x射线产生效率与其原子序数成正比，此品质因数可定义如下：
Figure GDA0002091390050000261
其中Z是原子序数并且ρ是密度，并且材料1是基板并且材料2是x射线产生材料。
表II：x射线材料/基板组合的品质因数。
Figure GDA0002091390050000262
Figure GDA0002091390050000271
以下在表II中列出多种微结构和基板材料组合。可以使用以下组合中的任一个，但是优选的是选择材料以使得FOM大于12，并且基板材料的热导率在室温下大于100W/(m℃)。
图27示出了可用于本发明的一些实施例的另一个靶，其中电子束111-F由静电透镜引导以形成更集中的聚焦光斑。对于这种情形，靶1100-F将仍包括区域1001-F，区域1001-F包括微结构700-F的阵列，微结构700-F包含x射线材料，但是这个区域1001-F的大小和尺寸可以匹配其中将发生电子暴露的区域。在这些靶中，可以控制对源几何形状和x射线产生材料的“调节”使得那些设计通常限制向微结构化区域1001-F产生的热的量，同时也减轻设计和制造复杂性。当与聚焦形成微斑点的电子束一起使用或者采用形成更复杂电子暴露模式的更精细系统时，这可能是特别适用的。
电子进入材料内的穿透深度可通过Pott定律来估计[P.J.Potts,Electron ProbeMicroanalysis,Ch.10of A Handbook of Silicate Rock Analysis,SpringerNetherlands,1987,第336页)]，其说明了以微米为单位的穿透深度x与升高到3/2功率以keV为单位的电子能量E0除以材料密度的值的10％相关：
Figure GDA0002091390050000272
对于密度较低的材料，诸如金刚石基板，穿透深度远大于具有较大密度的材料诸如包含用于产生x射线的元素的大部分材料。
使用这个公式，表III示出了针对某些常用x射线靶材料的一些估计的穿透深度。
表III：60keV电子进入一些材料内的穿透深度估计
Figure GDA0002091390050000273
Figure GDA0002091390050000281
在穿透深度内产生大部分特征Cu K x射线。在该深度下方的电子相互作用通常产生很少特征k线x射线，但是将造成发热，因此导致沿着深度方向的低热梯度。因此在某些实施例中优选地设置靶中微结构的最大厚度以便限制在材料中的电子相互作用并且优化局部热梯度。本发明的一个实施例将靶中的微结构化x射线产生材料的深度限制到在入射电子能量处基板中电子穿透深度的三分之一与三分之二之间。在此情况下，基板较低的质量密度导致在紧邻x射线产生材料下方的基板材料中较低的能量沉积速率，而这种较低的能量沉积速率导致在下面的基板材料中的较低温度。这导致在x射线产生材料与基板之间更高的热梯度，增进了传热。热梯度进一步被基板材料的高热导率增高。
由于类似原因，选择微结构的深度小于基板中电子穿透深度的一半也通常优选地用于高效产生韧致辐射，因为在那个深度下方的电子具有更低能量以及因此更低的x射线生成效率。
注释：也可以使用x射线产生材料尺寸的其他选择。在可用于本发明的一些实施例的靶中，x射线材料的深度可以选择为基板中电子穿透深度的50％。在其他实施例中，x射线材料的深度可以选择为基板中电子穿透深度的33％。在其他实施例中，微结构的深度的选择可与材料中电子的“连续慢化近似”(CSDA)范围有关。根据所期望的x射线谱和选定x射线材料的性质，可以规定其他深度。
图28示出了可用于本发明的一些实施例中的靶的区域1001，其包括子源700的阵列，子源700具有排列成有规律的阵列、呈直四棱柱形式的包含x射线产生材料的微结构。图28A展示了用于这种靶的十六个微结构700的透视图，而图28B示出了相同区域的俯视图，并且图28C表示相同区域的侧视/截面图。(对于本公开中术语“侧视/截面图”，该视图表示就像做出该物体的截面，然后从侧面朝向截面表面查看的视图。其示出了截面点的细节以及可能从侧面看到的内侧更深的材料，假定基板本身是透明的[在金刚石的情况下，对于可见光而言，这点通常是成立的]。)
在这些靶中，微结构被制造成使得它们在六个侧面中的五个侧面与基板密切热接触。如图所示，微结构700的顶部与基板表面齐平，但可以制造微结构凹陷于其中的其他靶，并且还可以制造其中微结构相对于基板表面呈现形貌“凸块”的其他靶。
可用于本发明的一些实施例的替代靶可以具有简单地沉积在基板表面上的若干直四棱柱微结构。在此情况下，仅棱柱的基底将与基板处于热接触。对于包括嵌入于基板中的微结构的结构，其中侧视/截面图如图28C所示，具有深度Dz和在基板平面中的侧面尺寸Wx和Wy，则嵌入式微结构相比于沉积的微结构与基板接触的总表面积的比值如下：
Figure GDA0002091390050000291
在相对于W和L，D值较小的情况下，该比值基本上为1。对于更大的厚度，该比值变得更大，并且就立方体(D＝W＝L)而言，其中5个相等的侧面处于热接触，该比值是5。如果使用在质量密度和热导率方面与基板性质类似的材料的顶盖层，该比值可以增加到6。
图29示出了可用于本发明的一些实施例中的靶的区域1001，诸如先前图13中所示，其包括线性子源701的阵列，子源701具有排列成有规律的阵列、呈直四棱柱形式的包含x射线产生材料的微结构。图29A展示了用于这种靶的三个微结构701的透视图，而图29B示出了相同区域的俯视图，并且图29C表示相同区域的侧视/截面图。
在这个实施例中，在基板平面中的侧面尺寸是宽度Wx和长度Ly。有效的子源尺寸a将对应于宽度Wx。
图30和图31示出了在形成靶，诸如图28和图29所示的那些靶时可能出现的实际问题。图30示出了如图28所示的x射线产生微结构700的网格的可能变型，并且图31示出了如图29所示的线性x射线产生微结构701的可能变型。
在图30中，可以形成其他几何形状的奇特微结构700-A。同样，空白700-O也可能出现在预期可能是特定结构的位置处。其他沉积过程，例如使用x射线产生材料的预成型颗粒的沉积，可以形成颗粒的总体集群700-C，当由电子轰击时，该集群仍然可以充当x射线子源，其功能类似于由均匀结构产生的那些x射线子源。图30中还示出具有多个晶体结构和晶粒边界的微结构700-G，该微结构同样仍然可以产生类似于由均匀结构产生的那些的x射线，但是可以被认为包括总体微结构。
在所有这些情形下有效的x射线子源尺寸可以使用尺寸参数a来近似估计，尽管微结构包括相当小的颗粒。
图31示出了在制造线性微结构701时可能出现的总体微结构的实例。如果x射线产生材料的均匀预制造颗粒形成并被涂布到基板上，那么可以形成x射线产生材料的颗粒总体703。在其他过程中，如果使用非均匀颗粒，那么可以形成颗粒的集群704-A和704-B，在一些情况下其中具有可包括空白间隙的非均匀分布。在其他过程中，x射线产生材料的颗粒总体704可近似于x射线的线源。
所有这些总体在被电子轰击时仍然可以充当x射线子源，其功能类似于由均匀线性结构产生的那些x射线子源。在这些情形下有效的源尺寸可以使用尺寸参数a来近似估计，尽管微结构包括相当小的颗粒。
在图32中以代表性箭头示出了在电子轰击时可能发生的传热，其中，在嵌入于基板1000的子源700中产生的热通过底部和侧面从包括子源700的微结构传导出来(并未示出通过附图平面之外的侧面传热的箭头)。通过面积A和厚度d的材料传导的单位时间的传热量(ΔQ)由下式给出：
Figure GDA0002091390050000301
其中κ是热导率(W/(m℃))并且ΔT是在℃下在厚度d两端的温差。因此，表面积A增加，厚度d减小和ΔT增加都将导致传热的成比例增加。
在图33中示出了替代实施例，其中基板另外包括冷却通道1200。此类冷却通道可以是现有技术冷却通道，如上文所讨论，使用水或某些其他冷却流体来从基板传走热，或者可以根据适于最佳地从嵌入式微结构700附近的区域除热的设计来制造。
本领域技术人员也可以理解或设计出用于各种实施例的其他靶结构，其中，基板可以例如结合到诸如铜块等散热器上，以改进传热。而铜块中可以具有冷却通道以辅助从铜块传走热量。可替代地，基板可以附连到热电冷却器上，其中，电压施加到特殊构建的半导体装置。在这些装置中，电流流动造成一侧冷却，而另一侧升温。市售装置，诸如珀尔贴(Peltier)冷却器能在装置两端产生高达70℃的温差，但是可能在其从热源去除大量热的总能力方面有限。也可以使用包含蒸发和冷凝的传热流体的热管(如在紧凑设计是考虑因素时用于冷却服务器组中的CPU芯片的热管)来冷却基板。
可替代地，基板可以附连到低温冷却器,诸如含有液氮流动通道的块体，或者可以与液氮或某些其他低温物质(诸如防冻溶液)储集器处于热接触，以提供极端冷却。当基板包含诸如金刚石、蓝宝石、硅或碳化硅等材料时，热导率通常随着温度从室温降低而升高。在这种情况下，设计出能耐受冷却到这些更低温度的靶可能是优选的。
图34示出了可以用于本发明实施例的靶的替代实例，其中，基板1000中形成的腔首先被涂布粘附层715(优选地具有最小厚度)，之后嵌入x射线产生材料，x射线产生材料形成微结构700。在x射线材料与基板材料之间的结合较弱的情况下，这种粘附层可能是合适的。当两种材料的热膨胀系数之间的差异较大时，粘附层也可以充当缓冲层。对于一些材料选择，可以用扩散屏障层来替换或扩展(通过添加另一层)粘附层从而防止材料从微结构扩散到基板材料(或者从基板材料扩散到微结构)。对于其中使用粘附层和/或扩散屏障层的实施例，材料和厚度的选择也应考虑层的热性质，使得从微结构700到基板100的热流动并未因粘附层715的存在而受到显著阻碍或者因粘附层715的存在而隔热。
图35示出了靶的替代实施例，靶可用于这样的实施例：其中导电层725添加到靶表面上。当由电子轰击时，过量电荷需要返回到靶的接地的路径，以有效地充当阳极。如果如图28和图29所示的靶仅包括在电绝缘基板材料(诸如未经掺杂的金刚石)内的离散、未连接的微结构700，在持续电子轰击下，大量电荷将累加在该表面上。来自阴极的电子将不以相同的能量与靶碰撞或者可能甚至被排斥，减少x射线的产生。
这可以通过沉积一薄层导电材料来解决，该到达材料优选地具有相对低的原子序数，诸如铝(Al)、铍(Be)、碳(C)、铬(Cr)或钛(Ti)，该传导材料薄层允许从离散微结构700向电路径722导电，该电路径722连接到高压电源相关的正端子。实际上，这个端子通常是该系统的电接地，而阴极电子源被供应负高电压。
图36示出了可用于本发明实施例的靶的另一实例，其中，子源702更深地嵌入或埋入到基板1000内。这种嵌入式微结构还可以进一步通过沉积附加层1010而覆盖，附加层1010可以是例如金刚石，提供与基板相同的传热性质。这允许从埋入式子源702的所有侧面传走热。对于这种情形，并且当附加层1010不具有足够的电导率时，为入射于该结构上的电子提供接地路径722是明智的，这个路径722可以呈嵌入式传导层726的形式，嵌入式传导层726在沉积附加层1010之前铺设。在一些实施例中，这个传导层726将具有“通路”727或者竖直连接部，常常呈柱子或圆柱形式，其提供导电结构以将嵌入式传导层726联结到靶表面上的附加传导层728，附加传导层728继而连接到接地路径722或高压电源。
图37示出了可用于本发明实施例的靶的另一实例，其中，子源702同样埋入基板内。然而，在这个实施例中，作为首先提供导电层然后再沉积一个附加顶盖层的代替，在这个实施例中，仅沉积单个层770，根据导电性质与导热性质的组合选择该单个层。层770可以是例如碳纳米管(Z＝6)的沉积，碳纳米管相对于该表面竖直定向，使得它们将热和电子从埋入式微结构702带走。而这单个层770继而可以连接到接地路径722以允许靶用作x射线产生系统中的阳极。可替代地，层770的材料可经选择包括铝(Al)、铍(Be)、铬(Cr)或铜(Cu)。
图38示出了一个实施例的另一种变型，其中，阻挡材料的附加图案729沉积在靶基板1000的背面。如果选定材料组合的品质因数(如上文在表II中所讨论)并不大，仍然可能存在由基板产生的大量x射线，这将减少图像的对比度。这些基板产生的x射线可以由合适材料(诸如金)沉积为阻挡结构729而被阻挡。金(Z＝79)具有较强的x射线吸收，如图39所示。沉积这些阻挡结构的过程可包括标准沉积过程，并且可能需要对准步骤来确保与相对侧上的x射线产生结构对准。
对于本领域技术人员显而易见的是，尽管在图26-38中单独地展示了若干实施例，并且将在下面给出制造这些实施例的各种过程，这些实施例的元件可以彼此组合，或者与本领域中已知的其他常规已知靶制造方法组合。例如，图37的埋入式子源702也可以包括多种微结构晶粒，如图30和图31所示的那样。同样，如图34所示的粘附层715也可以适用于制造如图35所示的嵌入式子源700。这些替代方案分开只是出于说明目的，并不意味着限制任何特定过程。
尽管图26-38所示的子源被示出为具有均匀尺寸和形状的有规律间隔图案，但是具有非均匀尺寸和形状的子源的有规律图案也可以用于本发明的一些实施例。另外，有规律的周期性图案内的每个子源还可包括非均匀尺寸和形状的多个较小微结构。这些较小微结构可以是不规则的并且不一定需要具有类似的x射线发射特性或强度，条件是每一组微结构包括的较大子源在本质上是周期性的。
同样，尽管描述了具有例如呈直四棱柱形状的微结构的某些实施例，制造过程可能创建出具有成非90°角度的壁的结构，或者并不具有完全直角的拐角，而是可以是倒圆的或有斜面的或者是底切，取决于所用的具体过程的人为因素(artifact)。本领域技术人员理解公开了具有与本文所描述的形状基本上类似的微结构的实施例，即使过程的人为因素导致与附图所示或者所描述的形状有些偏差。
在该系统的其他实施例中，周期衰减光栅G0(诸如现有技术Talbot-Lau干涉仪中所使用的)也可以与本发明的源结合使用，使得由环绕子源的基板材料产生的x射线进一步衰减，从而允许更大的单色性以及因此用于源的更高的空间相干性。光栅的孔口应当与微结构化x射线子源的突出部重合，或者在一些实施例中可以放置在源下游的Talbot分数或整数距离处，并且同时孔口与源自我图像重合。优选的是，光栅G0具有高的原子序数和相对较低的纵横比以便于制造。
3.附加实施例。
3.1.附加的吸收网格
附加实施例可包括附加的吸收网格，其中特征和布局被设计成用于减少散射辐射(诸如来自尺寸大大小于成像系统分辨率的微细结构的康普顿(Compton)散射和弹性散射)，散射辐射有助于x射线成像中的背景并且有助于减少许多x射线成像技术中的图像对比度，这些技术包括上文讨论的各种实施例或各种x射线吸收成像技术。散射辐射的强度与形成图像的初级辐射的强度的比率对于成像检测是特别重要的，在成像检查中，形成了大量的散射，例如正在被照射的包括大体积组织的那些部位以及需要高能量x射线的那些部位，因此限制了对肥胖患者或对密集身体部位(例如，颅面、密集乳房组织等)的疾病诊断的效果。防散射网格中的当前技术通常包括高辐射吸收隔板(septa)(通常使用高Z材料如铅制造)，这些隔板与具有高辐射透射率的介质(诸如铝或纤维材料)相交错。这通常由网格比(结构的高度与这些结构之间的间距的比)、周期和隔板宽度来规定。然而，使用防散射网格需要更大的辐射暴露于患者，因为初级射束的一部分也由于隔板而衰减。
现有防散射网格的常见缺点是，隔板还吸收透射穿过物体的有用初级x射线，从而导致图像信号不合期望地减少，并且因此导致用于样本或患者的辐射剂量增加。
如上文先前所公开的本发明的实施例还可以通过使用防散射网格而得到增强，该防散射网格具有由设计用于使用Talbot效应的特定成像设置所确定的隔板图案。本发明的一个实施例包括定位在射束分裂光栅G1与检测器之间的防散射网格。可以确定网格间距的周期和位置，使得隔板位于Talbot毯中节点应处的位置。防散射网格优选地吸收散射辐射，同时允许有效地透射初级辐射，从而导致背景噪声的减少以及图像对比度的增加。防散射网格可包括用于隔板的简单的1D结构，而且还可以设计成具有调节成Talbot干涉图案的2D或甚至3D结构，这些结构旨在用于隔板。
图40中示出结合有防散射网格的本发明实施例的图解。如本公开中所示的其他实施例那样，x射线888是由包含x射线产生材料的微结构化区域700在用电子束111轰击时产生的。所产生的x射线透射穿过样本，在这种情况下为老鼠240-M，并且在检测器290上检测所透射的x射线。然而，在穿过老鼠240-M时，可能发生康普顿散射和其他不希望的散射现象，从而产生可以许多不同角度传播的x射线889-C并且减少吸收图像对比度。
防散射网格420的插入帮助使散射的x射线衰减，同时使有助于图像形成的大部分x射线通过。这里，防散射网格420(表示为G4)被定位在与射束分裂光栅210(表示为G1)相距距离Dα的位置处。防散射网格420通常将包括基板422，基板422是由主要对x射线透明的材料(诸如铝或碳纤维材料)制成，包含吸收x射线的材料(诸如金、锡、铂、钨、钽、镍、铅、铜、钆或某些其他高Z材料)的许多吸收结构424以周期性方式布置在基板422上。吸收结构424的厚度由x射线成像能量确定，x射线成像能量又由应用确定；例如，对于婴儿的在40keV下的成像，就铅而言，此类结构的厚度可以是几百微米的数量级。在一些实施例中，基板和吸收结构均可以由高Z材料的单个圆片或块体制成。吸收结构424之间的间距可仅包括空气，或者可以具有沉积在其中的另一种低Z材料。在此类实施例中，距射束分裂光栅G1的距离Dα将被设定成使得该位置在分数Talbot距离中的一个距离处，即
Figure GDA0002091390050000351
其中DN是用于平面波照射的分数Talbot距离，λ是平均x射线波长，并且N被称为Talbot分数阶。
防散射网格中的结构的周期可以设定为
Figure GDA0002091390050000352
其中p0是微结构化源的周期，L是x射线源700与射束分裂光栅210之间的距离，并且K是缩放因子，当射束分裂光栅引入π/2的相移时K等于1，并且当射束分裂光栅引入π的相移时K等于1/2。
防散射网格可以是1D结构或2D结构，其中x轴和y轴中的周期对应于使用上述等式16的射束分裂光栅中相应(例如，水平和竖直)周期。在一些实施例中，吸收线将以>5:1的纵横比布置；即，特征比特征之间的间隙的宽度高出5倍或更多，并且吸收区域的垂直入射透射率将小于10％。隔板可以设计成使得隔板面积与总面积的比为从20％至50％。该位置可以由控制器425进行控制，控制器425可允许防散射隔板与由射束分裂光栅210形成的干涉条纹对准。该位置可以由控制器425进行控制，控制器425可允许防散射隔板与由射束分裂光栅210形成的干涉条纹对准。
一些散射x射线仍然可以如下角度和方向传播：允许x射线透射穿过防散射网格中的孔口。然而，通过将防散射网格放置成使得吸收结构与Talbot条纹图案的节点协作定位，可以透射几乎100％的Talbot条纹图案，同时可以吸收50％至75％或更多的散射x射线。在一些实施例中，吸收结构并不是与每个节点匹配，而是可以替代地与整数倍的节点匹配。
可以通过包括第二防散射网格来实现散射x射线的进一步减少。这个第二网格可以放置在相同的Talbot距离处、非常接近第一防散射光栅，从而有效地增加特征的吸收和纵横比，或者其可以定位在另一个Talbot距离处，使用与先前实施例中所讨论的设计考虑相同的设计考虑。
图41示出了两个防散射网格在相位光栅的Talbot图像中的布局。如图所示，Talbot图案对应于1:1π/2相位光栅，如先前在参考文献诸如Momose等人在BIOMEDICALMATHEMATICS:Promising Directions in Imaging,Therapy Planning,and InverseProblems(Medical Physics Publishing,Madison WI,2010),第281-320页发表的的“X-Ray Phase Imaging withTalbot Interferometry”中所展示的。
透射穿过样本的x射线889从左侧进入并且落在1:1π/2相位光栅210上。在空间相干照射下，光栅产生Talbot毯，如先前实施例中所讨论的。在第三分数Talbot距离(N＝3)处，吸收光栅420放置并定位成使得吸收线(在图41中由指示x射线阻挡材料的一组白色方框表示)与Talbot毯的节点对准。在第五分数Talbot距离(N＝5)处，另一个吸收光栅430放置并定位成使得吸收线(在图41中由指示x射线阻挡材料的一组白色方框表示)与Talbot毯的节点对准。散射x射线889-C，用白色箭头示出，大部分将被这些吸收光栅420和430阻挡，而Talbot图案的强度保持相对不变。应当指出的是，如图所示Talbot毯的形成对应于利用具有足够空间相干性的x射线照射射束分裂光栅的情况。
防散射网格的设计和图案将对应于制造到射束分裂光栅中的图案。例如，如果图17的网孔图案被用作射束分裂光栅G1，防散射网格也可以布置成网孔图案。如果图18的棋盘图案被用作射束分裂光栅G1，防散射网格也可以布置成棋盘图案。或者，如果图18的棋盘图案旋转45°以形成菱形图案，防散射网格也可以布置成旋转后的棋盘(菱形)图案。附加实施例还可包括其他周期性结构，诸如蜂窝状结构。
穿过防散射网格的透射率是吸收特征的纵横比和相对尺寸的函数。这在图42中示出。光栅的高度由hg给出，而吸收结构之间的孔口的宽度是wg并且防散射光栅的周期是p4。散射x射线，具有如此从法线的传播角θ
tan(θ)＜(ωg/hg) [等式17]
，如果它们碰巧不撞击到一个吸收结构的末端，通常将穿过网格。垂直入射的x射线的透射率将由吸收和非吸收结构的面积比给出。对于50/50光栅的情况，其中p4＝2wg，最佳透射率将是50％。在这种情况下，相对于初级辐射在较小散射角下的散射定量透射与初级辐射相同，不存在优先吸收散射辐射。对于散射角大于
θ＝tan-1(wg/hg) [等式18]
的散射辐射，防散射网格优先吸收散射辐射。
在一些实施例中，除分析器光栅G2之外，防散射网格可以用于检测器。这种实施例在图43中示出。使用这种配置，本发明的多个实施例使得能够获得关于样本的附加信息。
如图43所示的实施例包括具有如各种实施例中所公开的微结构化周期性阵列子源的x射线源002、射束分裂光栅G1 210、防散射网格G4 420以及检测器290，不具有分析器光栅G2。在不存在射束分裂光栅210和防散射网格420的情况下，这个成像系统类似于大多数常规的x射线成像系统，除了微结构化x射线源002以外(微结构化x射线源002通常是扩展的x射线源)。防散射网格的当前技术对于吸收相对于初级辐射具有较小散射角的散射辐射无效果，因为其具有的大部分区域对于散射辐射和初级辐射两者均为透明的。这对于观察物体诸如婴儿或未压缩的乳房来说变得特定重要，其中散射诸如康普顿散射可以比携带吸收对比度信息的信号大5X。根据本发明的实施例，可以通过将防散射网格放置在分数Talbot距离中的一个距离处并且将吸收线与对应Talbot毯的节点一起定位来优先吸收散射辐射。这个实施例对于利用高能量x射线对具有较大体积的物体进行成像特别重要，诸如临床x射线成像和安全检查。
根据本发明的另一个实施例，暗场图像可以通过以下方式由检测器290(不用分析器光栅220)来记录：将防散射网格420放置在分数Talbot距离中的一个距离处，并且将吸收线与对应Talbot毯的腹点(antinode)(或整数倍的腹点)一起定位。另一个暗场图像可以由检测器290(不用吸收网格420)来记录，但是其中分析器光栅220被对准，使得其吸收部分与Talbot毯的腹点对准。因为两个不同的暗场图像是在与射束分裂光栅210相距不同距离处获得的，它们将包含关于物体的不同的空间信息。
根据本发明的另一个实施例，通过将防散射网格放置在分数Talbot距离中的一个距离处并且将其吸收线与对应Talbot毯的节点一起定位，可以使用不具有防散射网格的若干已确定的相衬成像技术，包括微分相衬、相位步进以获得同时的相位、吸收和散射图像，以及使用高空间分辨率检测器而不需要相位步进。
3.2.检测器的MTF和DQE。
检测器配置和定位的变化还可有助于改进根据本发明构造而成的x射线系统的信噪比。可能受检测器性质选择影响的品质因数是调制传递函数(MTF)和检测量子效率(DQE)。
如上所述，康普顿散射的存在可增进这些品质因数降低。然而，其他因素也可能影响MTF和DQE。可实现的检测器的MTF和DQE取决于不同的物理过程。所有X射线阵列检测器的固有物理过程包括由电离辐射产生的光电子的相互作用(行进)范围、由入射x射线对在检测器感测材料中原子的电离/去激发产生的次级x射线荧光生成、以及由相对于表面法线处于斜入射角下的感测材料的有限厚度导致的视差模糊。检测器材料对康普顿散射辐射和次级荧光x射线的再吸收也可增进MTF和DQE的降低，但是这种增进通常可忽略不计。
实际检测器中的附加过程也可增进MTF和DQE的降低。对于直接转换数字阵列检测器(诸如基于非晶硒-光电导体的平板检测器)而言，电荷载体的侧向扩散可增进MTF和DQE的降低。对于包括一层磷光材料(诸如Gd2O2S)或闪烁体(诸如生长CsI纤维的柱体)的间接转换数字阵列检测器而言，由于散射导致的光扩散显著增进检测器中MTF和DQE的降低。
对于所有数字阵列检测器，填充因数(有效检测面积的百分比)也将增进MTF和DQE的降低，这对于小的检测器像素来说可能尤其成问题。对于增进MTF和DQE降低的所有因素，这些效果随着检测器分辨率的增加(更小像素)而变得更差，并且可能导致许多设计妥协折衷和权衡，包括：闪烁体/磷光体厚度(以及因此，其量子检测效率)之间的折衷；由于图像模糊引起的光散射导致的空间分辨率限制；以及利用检测器参数(诸如填充因数、材料质量密度(光电子范围与其成反比))改进分辨率(更小像素)和检测器感测材料的元素组成(其确定特征荧光X射线的范围)之间的考虑和权衡。
大多数不利于MTF和DQE的因素在辐射入射在检测器像素附近或其边缘处时起到最大作用。因此，在引导所有入射辐射入射在检测器像素的中心处时可以实现MTF和DQE的改进。
通常部署的位置灵敏检测器并不具有内在角感测/抑制能力。散射辐射(包括由物体中的微细结构产生的小角散射以及康普顿散射)是不合期望的图像背景的一部分，产生检测器中的“计数”，该“计数”不能够与由于所期望的辐射产生的“计数”区分开。
因此，使用包括抑制或减少散射辐射的检测器的系统可以增加图像对比度和系统的DQE。
3.3.具有改进的检测器的实施例。
如上文所讨论，可以通过将吸收网格或光栅对准放置使得吸收区域对应于暗Talbot条纹来阻挡散射辐射。
同样，还可能的是，选择检测器网格、间距和定位使得行(和/或列)的中心与Talbot条纹的腹点的中心对准，从而使得传感器像素之间的区域(该区域根据定义被制成对于入射x射线是透明的)对应于Talbot毯的节点的位置。通过使用具有这种间距和对准的检测器，通常将由检测器吸收的散射x射线并未被吸收。因此，由于光电子、次级荧光x射线的再吸收以及康普顿散射，传感器像素中的相关噪声将不存在，并且信噪比得到改进。
图44示出了其中检测器这样布置的系统。如先前实施例中那样，由包括以有规律图案(即，一组线或一个阵列)布置的多个微结构化子源700的源产生的x射线888产生传播穿过待检查物体240-M的x射线，并且落到射束分裂光栅210-D上。该射束分裂光栅通常是一维或二维相移光栅，其中该光栅的间距和周期p1与子源的间距有关系，如以上等式9所描述的。如图所示，Talbot图案对应于射束分裂光栅210-D，射束分裂光栅210-D具有1:1π/2相移图案，如例如在Y.Takeda等人的“X-Ray Phase Imaging with Single Phase Grating”,Jpn.J.Appl.Phys.,第46卷，2007年，第L89–L91页中所例示的。
包括连接电子背板290-B的各种传感器像素290-BP的检测器产生与所检测的x射线的数目相关的信号，并且该信号穿过连接器291到达数据处理系统295以便进行分析。该检测器被定位在分数Talbot距离中的一个距离处，即
Figure GDA0002091390050000401
其中DN是关于平面波照射的分数Talbot距离，λ是平均x射线波长，并且N5是放置检测器的位置处的Talbot分数阶(N＝1,2,3,…)。
传感器像素的间距p5随后经选择成对应于针对对应射束分裂光栅G1的Talbot间距。关系由下式给出：
Figure GDA0002091390050000402
其中p0是微结构化源的周期，L是x射线源700与衍射光栅210-D之间的距离，并且K是缩放因子，当射束分裂光栅引入π/2的相移时K等于1，并且当射束分裂光栅引入π的相移时K等于1/2。
图45示出了另一个实施例，其中光栅210-D用于产生Talbot干涉图案。检测器290-B-L包括像素290-BP-L，其中检测器的大部分面积包括像素，其中像素之间仅具有小的间隙。检测器290-B-L放置在预定的Talbot距离(分数或奇整数)处，使得Talbot图案的腹点(相长干涉的区域)重合在每个检测器像素290-BP-L的中心上或在其中心附近。因此，该检测器具有对应于Talbot图案的周期的周期性。这种光栅和检测器方案可以与先前提及的微结构化源一起使用，或者与具有足够横向相干性的任何其他源(诸如微焦点源)一起使用。
检测器网格上的设计和图案将对应于制造到射束分裂光栅中的图案。例如，如果图18的棋盘图案被用作射束分裂光栅G1，检测器网格也可以布置成棋盘图案。或者，如果图17的网孔图案被用作射束分裂光栅G1，检测器网格也可以布置成网孔图案。如果图18的棋盘图案旋转45°以形成菱形图案，检测器网格也可以布置成旋转后的棋盘(菱形)图案。
3.4.“单次触发”Talbot技术。
用于临床、安全检查和非破坏性试验的现有x射线成像系统主要使用吸收对比度(相邻特征之间的衰减差异)。很久以前就已经认识到，x射线相衬(相邻特征之间的相移差异)可显著大于大多数材料(尤其是低Z材料)在高能x射线下的吸收对比度。近来，已经认识到针对成像分辨率元件(诸如尺寸小于成像分辨率的毛孔和微细结构)内的成像子分辨率特征的散射对比度(相邻特征之间的小角散射强度的差异)。高度合乎期望的是，能够在单次触发(暴露)中同时获得吸收对比度图像连同微分相衬图像、相衬图像或散射对比度图像中的至少一个。
若干研究人员已经开发了单次触发x射线相衬成像技术，该技术使用射束分裂光栅以及相对于射束分裂光栅稍微旋转的分析器光栅，并且随后使用傅立叶变换图像分析技术来达成相衬图像。这种技术的缺点是图像空间分辨率基本上被折衷。附加的发展包括单次触发技术的其他变型[H.Wen、E.E.Bennett、M.M.Hegedus以及S.C.Carroll,“Spatialharmonic imaging of X-ray scattering—initial results,”IEEETrans.Med.Imaging,第27(8)卷，第997–1002页(2008)；以及H.Wen,E.E.Bennett、M.M.Hegedus和S.Rapacchi,“Fourier X-ray scattering radiography yields bonestructural information,”Radiology,第251(3)卷，第910–918页(2009)]，这些文献将其称为空间谐波方法。在这些参考文献中，包含透射光栅(网格)的单个投影图像将在空间频率域中具有若干不同的谐波峰值。这些峰值的傅立叶逆变换产生谐波图像。吸收导致的衰减与衍射导致的衰减之间的相对权重在这些图像中是不同的，并且因此提供足够的信息来提取单独的吸收和衍射图像。由两种单次触发技术获得的原始图像并未包含单独的吸收和暗场(散射)图像，并且需要进行图像分析以便从不同对比机制获得图像。
3.5.具有两个改进的检测器的实施例(用于“单次触发”技术)。
在本发明的其他实施例中，一个系统具有两个检测器，一个检测器被定位在分数Talbot距离中的一个距离处并且与其网格(有效像素)、间距(有效像素之间的透明区域)和定位对准，使得行(和/或列)的中心与Talbot条纹的腹点的中心对准，而另一个检测器被定位在分数Talbot距离中的另一个距离处、在第一检测器的下游并且与其网格(有效像素)、间距(有效像素之间的区域，优选地透明的)和定位对准，使得行(和/或列)的中心与Talbot条纹的节点的中心对准。通过使用具有这种间距和对准的一对检测器，可以同时在“单次触发”中收集吸收和散射(暗场)图像。在一些实施例中，两个检测器的位置可以颠倒，但是上游检测器的有效像素之间的间距在这种情况下应当仍然是对于x射线足够透明的。
图46示出如此布置了一对检测器的系统。如先前实施例中那样，由包括以有规律图案(即，一组线或一个阵列)布置的多个微结构化子源700的源产生的x射线888产生传播穿过待检查物体240-M的x射线，并且落到射束分裂光栅210-D上。该射束分裂光栅通常是一维或二维相移光栅，其中该光栅的间距和周期p1与子源的间距有关系，如以上等式9所描述的。
包括连接电子背板290-B的各种传感器像素290-BP的一个检测器产生与所检测的x射线的数目相关的信号，并且该信号穿过连接器291到达数据处理系统295以便进行分析。如上所述，该检测器被定位在分数Talbot距离中的一个距离处，即
Figure GDA0002091390050000421
其中DN是用于平面波照射的分数Talbot距离，λ是平均x射线波长，并且N5是放置第一检测器的位置处的Talbot分数阶(N＝1,2,3,…)。检测器290-BP的有效像素(由阴影线框指示)与对应Talbot毯的腹点对准。有效像素之间的区域优选是透明的，但不是必须的。
如上所述，传感器像素的间距p5随后经选择成对应于针对对应射束分裂光栅G1的Talbot间距。关系由下式给出：
Figure GDA0002091390050000422
其中p0是微结构化源的周期，L是x射线源700与衍射光栅210-D之间的距离，并且K是缩放因子，当射束分裂光栅引入π/2的相移时K等于1，并且当射束分裂光栅引入π的相移时K等于1/2。
然而，在这个实施例中，该系统还包括第二检测器，该第二检测器包括连接电子背板290-D的各种传感器像素290-DP，该第二检测器产生与针对暗场所检测的x射线的数目相关的信号，并且该信号穿过连接器291-D到达数据处理系统295以便进行分析。如上所述，该检测器被定位在分数Talbot距离中的一个距离处，即
Figure GDA0002091390050000431
其中DN是针对平面波照射的分数Talbot距离，λ是平均x射线波长，并且N6是放置第二检测器的位置处的Talbot分数阶(N＝1,2,3,…)。检测器290-DP的有效像素(由阴影线框指示)与对应Talbot毯的节点对准。有效像素之间的区域需要对于x射线是足够透明的。
如上所述，第二检测器的传感器像素的间距p6随后经选择成对应于针对对应射束分裂光栅G1的Talbot间距。关系由下式给出：
Figure GDA0002091390050000432
其中p0是微结构化源的周期，L是x射线源700与衍射光栅210-D之间的距离，并且K是缩放因子，当射束分裂光栅引入π/2的相移时K等于1，并且当射束分裂光栅引入π的相移时K等于1/2。
检测器网格上的设计和图案将对应于制造到射束分裂光栅中的图案。例如，如果图18的棋盘图案被用作射束分裂光栅G1，检测器网格也可以布置成棋盘图案。或者，如果图17的网孔图案被用作射束分裂光栅G1，检测器网格也可以布置成网孔图案。如果图18的棋盘图案旋转45°以形成菱形图案，检测器网格也可以布置成旋转后的棋盘(菱形)图案。
在这种布置的情况下，部分透射的第二检测器290-DP记录由于具有较大相位梯度的尖锐特征产生的散射对比度(由子分辨率特征通过小角散射而散射的x射线)和/或折射(相位)对比度的组合而形成的暗场x射线图像，而第一(图像)检测器290-BP记录由具有小相位梯度的特征产生的吸收对比度图像和/或折射(相位)对比度的组合而形成的图像。可替代地，可以使用部分透射光栅，其具有与前述的部分透射光栅相反的性质。在这种配置下，与前述的检测器布置相比，由部分透射检测器和图像检测器记录的图像也可以是相反的。
Talbot干涉条纹或图案的周期的一半与分数Talbot距离的比率提供第一角度测量，该第一角度测量可用作Talbot条纹或图案的节点中实质上存在的散射/折射x射线的近似测量。通过选择用于放置部分透射检测器和主检测器的Talbot分数阶以及射束分裂光栅周期的几何参数、源之间的距离、射束分裂光栅和x射线波长，可以优化大特征的子分辨率特征尺寸或所期望的相位梯度以便优先进行更高对比度的成像。
图47中示出两个检测器“单次触发”系统的替代实施例。这里，明亮的Talbot条纹889-B和暗的Talbot区域889-D被示出为离开具有周期p1的射束分裂相位光栅传播。在隔开一段合适的距离处，通常在分数Talbot距离的倍数处，放置包括闪烁体260和另外反射涂层270的检测器290-DS。该反射涂层是这样的：使得在闪烁体吸收x射线并且发射可见或近UV光时产生的可见光988反射到闪烁体。检测器290-DS检测透射穿过反射器280和闪烁体260以及反射器270的x射线，并且可另外包括具有周期p6的传感器像素290-DPS，传感器像素290-DPS放置在有规律的阵列中，使得它们的位置将对应于Talbot图案的节点。这个检测器290-DS可继而产生与在节点中所检测到的x射线的数目相关的信号(这些信号是由于尺寸小于成像系统的分辨率元件的特征的散射而产生的)，并且这些信号穿过连接器291-D到达数据处理系统295以便进行分析。
闪烁体260也可以1D或2D图案进行涂布，使得仅在对应于高x射线强度(即，Talbot条纹的腹点)的区域中产生可见或近UV光子。
该系统还包括：射束分裂器280，射束分裂器280透射x射线但反射可见和/或UV光子；以及可见/UV成像系统380(例如，透镜或显微镜物镜)，可见/UV成像系统380形成Talbot干涉图案的亮场部分的图像。由闪烁体发射的可见/UV光子998从这个射束分裂器反射，并且所反射的可见/UV光子998-R通过可见/UV成像系统在亮场检测器290-BS上形成图像。可见/UV检测器可具有均匀的像素阵列，或者可具有周期为p5的选定区域，这些区域的位置被布置成对应于Talbot图案的亮场部分的图像。可见/UV检测器290-BS产生与在Talbot条纹的腹点中检测的x射线数目相关的信号，并且该信号穿过连接器291-B到达数据处理系统295以便进行分析。
以此方式，可以并行地收集亮场信息和暗场信息两者，而检测器不会彼此阻挡，如同图46所示的一对检测器的情况那样。
4.光栅的制作。
本发明实施例中所使用的光栅的制造可以使用已知的现有技术制造过程，诸如由Christian David先前描述的那些过程[C.David等人，“Fabrication of diffractiongratings for hard x-ray phase contrast imaging”,Microelectron.Eng.84,1172–1177,2007]来实现。
用于x射线的光栅可以使用硅基板来制造，其中形貌上的蚀刻变化引起相位变化并且较高Z材料(诸如金(Au,Z＝79))的沉积引起吸收变化。金和硅的x射线吸收性质在图39中示出。
如图48所示，可以将周期性图案3010蚀刻到硅基板3000中，以便形成引入周期性相移以使x射线落在法线入射处的结构。相移取决于蚀刻深度，其中针对法线入射x射线，π弧度的相移在满足以下条件时实现：
Figure GDA0002091390050000451
表IV中示出在若干x射线能量下针对硅的δ值，以及π弧度的相移所需的蚀刻结构深度。
典型的光栅制造过程包括利用光刻抗蚀剂涂布<110>定向的硅晶圆，以及使用常规光刻法、聚焦离子束光刻或电子束光刻来使抗蚀剂图案化。硅随后经历蚀刻过程，诸如在例如氢氧化钾(KOH)溶液中的湿法蚀刻，或反应离子蚀刻(RIE)，其中选择性地仅针对没有被抗蚀剂掩盖的硅部分进行蚀刻。可以通过调整蚀刻过程的时间来控制蚀刻深度。蚀刻过程的其他变化将是半导体加工和制造领域的技术人员已知的。
表IV：针对π弧度的硅相移的蚀刻深度。
Figure GDA0002091390050000452
Figure GDA0002091390050000461
吸收光栅，诸如用于G2的那些光栅，可以通以下方式制造：首先如上所述形成硅相位光栅，然后将x射线吸收材料诸如金沉积到已经图案化在硅中的凹槽中。这在图49中示出，其中一定量的x射线吸收材料3030诸如金已经充满形成于硅基板3000中的凹槽。一个用于将金沉积到硅凹槽中的过程包括标准电镀过程。为了确保金仅沉积到该些凹槽中，可以首先以一定角度沉积一个铝牺牲层，然后沉积约50nm厚的包含铬(Cr)和金(Au)的种子层。磷酸处理将沉积在硅结构顶部上的所有材料移除，只留下种子材料在硅中凹槽的底部中。然后可以是标准的电镀术，其中金的生长仅发生在沉积的种子层上。几百微米的金沉积可以形成透射调制为75％或更多的吸收光栅。然而，吸收将取决于x射线能量和材料的吸收系数，如图1和图39所示。用于制作x射线吸收光栅的其他方法会是本领域技术人员已知的。
针对一些应用和某些x射线波长，还可以使用晶体光栅。
应当指出的是，在本发明的这些实施例中公开的防散射网格或光栅也可以使用本领域技术人员已知的任何数目的光刻图案化技术来制造。
5.0检测器性质
该检测器可以是用于形成x射线图像的许多检测器中的任一个。一种类型的常用x射线检测器包括荧光屏或闪烁体，诸如包括一层碘化铯(CsI)、掺杂碘化铯的铊、钇铝石榴石(YAG)或钆次硫酸盐(GOS)的荧光屏或闪烁体，该荧光屏或闪烁体在暴露于x射线时发射可见光子。可见光子随后由电子传感器检测到(该电子传感器将可见强度转换成电子信号)，常常伴有使用可见光学器件另外形成的中继图像，这些光学器件放大并扩大由荧光屏发射的光子的强度图案。在具有中继光学器件的情况下，电子检测器本身不需要包括高分辨率传感器，并且可以使用廉价的商用CCD检测器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列，这些阵列具有例如1024x 1024像素，每个像素为24μm x 24μm平方。
商用平板数字x射线传感器是由例如加利福尼亚州帕罗奥图市的瓦里安公司(Varian Inc.of Palo Alto,CA)和马萨诸塞州比勒利卡市的通用电气公司(GeneralElectric,Inc.of Billerica,MA)制造的，其中闪烁体材料层紧密靠近常规光学图像传感器阵列放置(或甚至闪烁体材料层涂覆在常规光学图像传感器阵列上这样放置)。图像传感器的其他配置可以是本领域技术人员已知的。在使用G2分析器光栅的实施例中，优选的是，使用用于医疗和商业用途的高效的快速读出检测器，诸如平板检测器。对于许多应用来说，具有大于20微米的分辨率的平板检测器将需要将周期等于Talbot条纹周期的分析器光栅G2放置在检测器前方的x射线束路径中。
第二种方法是使用电子传感器，电子传感器响应于吸收x射线，通过例如在非晶硒(a-Se)中形成直接电子-空穴对而直接产生电信号。这些电信号随后使用薄膜晶体管(TFT)阵列而被转换成电子信号。此类直接平板检测器(FPD)，诸如从日本京都市岛津公司(Shimadzu Corp.of Kyoto,Japan)的Safire FPD，是商业上可获得的。
6.0.变型
各实施例还可包括通常包括在Talbot干涉仪中的其他部分，这包括用于获得所期望的x射线能量带宽的光谱滤波器以及用于系统的所有各种部件的定位控制系统。
应当指出的是，本公开中使用的某些术语将是本领域技术人员公知的，诸如网格或光栅。在本文的描述中，网格和光栅是可互换地使用的术语，并且不旨在限制于特定的网格、周期或图案。
同样，应当指出的是，本公开中使用的某些术语将是本领域技术人员公知的，诸如Talbot条纹、干涉图案或“毯”。在本文的描述中，干涉图案、条纹或“毯”是可互换地使用的术语，并且不旨在限制于任何特定的强度图案。
同样，应当指出的是，本公开中使用的某些术语将是本领域技术人员公知的，诸如用于防散射网格的吸收结构的隔板。在本文的描述中，隔板或隔膜或结构是相对于防散射网格的吸收结构可互换地使用的术语，并且不旨在限制于任何特定的高宽比或暗示唯一的一维几何形状。
本申请公开了本发明的若干实施例，包括发明者设想到的最佳实施方式。应当认识到，虽然可能给出了具体实施例，但对于一些实施例详细地讨论的元件也可以适用于其他实施例。
虽然叙述了具体材料、设计、配置和制造步骤来描述本发明和优选实施例，但并不认为这些描述是限制性的。修改和变化对于本领域技术人员来说是显然的，并且意图本发明仅受到所附权利要求的范围限制。
优选地包括本文描述的所有元件、零件和步骤。应当理解的是，这些元件、部件和步骤中的任一个可以被其他的元件、零件和步骤替换或者一并删除，正如对于本领域技术人员所显而易见的。
概括地，本说明书公开了至少以下内容：
一种x射线干涉成像系统，其中x射线源包括靶，该靶具有嵌入于导热基板中的多个结构化相干的x射线子源。该系统另外包括：形成Talbot干涉图案的射束分裂光栅G1，射束分裂光栅G1可以是π相移光栅；以及用于将二维x射线强度转换成电子信号的x射线检测器。该系统还可包括：第二分析器光栅G2，第二分析器光栅G2可以放置在检测器的前面以形成附加干涉条纹；用于使第二光栅G2相对于检测器平移的装置。该系统可另外包括防散射网格，用于减少来自散射x射线的信号。还公开了暗场和亮场检测器的各种配置。
构思
本说明书还给出了至少以下构思：
构思1.一种x射线干涉成像系统，包括：
x射线源，所述x射线源包括：
真空室；
用于电子束的发射器；以及
电子靶，所述电子靶包括：
基板，所述基板包括第一材料，以及嵌入于所述基板中的
至少多个离散结构，所述至少多个离散结构包括根据其x射线产生性质而选择的第二材料，
并且其中所述多个离散结构布置在子源的周期性图案内；
射束分裂x射线光栅，所述射束分裂x射线光栅包括形成x射线相移光栅的周期性结构，
所述射束分裂x射线光栅被定位成用于衍射由所述x射线子源产生的x射线；
x射线检测器，所述x射线检测器包括二维阵列的x射线检测元件，所述x射线检测器被定位成用于检测由所述射束分裂光栅衍射的x射线；以及
防散射网格，所述防散射网格具有周期性阵列的隔板，
所述隔板包含x射线吸收材料，
所述防散射网格被定位在所述射束分裂x射线光栅与所述检测器之间。
构思2.根据构思1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述x射线相移光栅包括针对预定的x射线波长引入近似为π弧度的相移的结构。
构思3.根据构思1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述x射线相移光栅包括针对预定的x射线波长引入近似为π/2弧度的相移的结构。
构思4.根据构思1、2或3所述的x射线干涉成像系统，其中
所述射束分裂x射线相移光栅包括
x射线相移光栅，其中
所述x射线相移光栅的周期p1通过下式与所述x射线靶的所述离散结构中的至少一个离散结构的尺寸a相关：
Figure GDA0002091390050000491
其中λ是预定的x射线长度，
并且L是所述靶与所述射束分裂x射线光栅之间的距离。
构思5.根据构思1至4和构思8至10所述的x射线干涉成像系统，其中
所述防散射网格的所述隔板
包括选自下列的高Z材料：锡、铂、金、钨、钽、钼、镍、铅、铜和钆。
构思6.根据构思1至5和构思8至10所述的x射线干涉成像系统，
其中
所述防散射网格另外包括基板，所述基板包含x射线透明材料。
构思7.根据构思1至6和构思8至10所述的x射线干涉成像系统，其中
所述隔板中的一个或多个具有一定高度，
所述高度比特征之间的间隙的宽度大5倍。
构思8.根据构思4所述的x射线干涉成像系统，其中
由所述x射线源在与所述射束分裂光栅相互作用时产生的所述x射线
形成Talbot干涉图案；并且
所述防散射网格的所述隔板的尺寸和周期被选择成对应于所述Talbot干涉图案的尺寸。
构思9.根据构思8所述的x射线干涉成像系统，其中
所述防散射网格的所述隔板的位置被设定成使得
所述隔板与所述Talbot干涉图案的节点对准。
构思10.根据构思9所述的x射线干涉成像系统，其中
所述防散射网格的所述隔板的周期是所述Talbot干涉图案的横向周期的整数倍。
构思11.根据构思1至10所述的x射线干涉成像系统，另外包括
第二防散射网格，
所述第二防散射网格包含x射线吸收材料，
所述第二防散射网格定位在所述第一防散射网格与所述检测器之间。
构思12.一种x射线干涉成像系统，包括：
x射线源，所述x射线源包括：
真空室；
用于电子束的发射器；以及
电子靶，所述电子靶包括：
基板，所述基板包括第一材料，以及嵌入于所述基板中的
至少多个离散结构，所述至少多个离散结构包括根据其x射线产生性质而选择的第二材料，
并且其中所述多个离散结构布置在子源的周期性图案内；
射束分裂x射线光栅，所述射束分裂x射线光栅包括形成x射线相移光栅的周期性结构，
所述射束分裂x射线光栅被定位成用于衍射由所述x射线子源产生的x射线；
x射线检测器，所述x射线检测器包括二维阵列的x射线检测元件，所述x射线检测器被定位成用于检测由所述射束分裂光栅衍射的x射线；并且其中由所述x射线源在与所述射束分裂光栅相互作用时产生的所述x射线
形成Talbot干涉图案；并且
所述x射线检测元件的尺寸和位置
被选择成对应于所述Talbot干涉图案的尺寸。
构思13.根据构思12所述的x射线干涉成像系统，其中
所述x射线相移光栅包括用于针对预定的x射线波长引入近似为π弧度的相移的结构。
构思14.根据构思12所述的x射线干涉成像系统，其中
所述x射线相移光栅包括用于针对预定的x射线波长引入近似为π/2弧度的相移的结构。
构思15.根据构思12至14所述的x射线干涉成像系统，其中
所述射束分裂x射线相移光栅包括
x射线相移光栅，其中
所述x射线相移光栅的周期p1通过下式与所述x射线靶的所述离散结构中的至少一个离散结构的尺寸a相关：
Figure GDA0002091390050000511
其中λ是预定的x射线长度，
并且L是所述靶与所述射束分裂x射线光栅之间的距离。
构思16.根据构思12至15所述的x射线干涉成像系统，其中
所述检测器被定位在预定的分数Talbot距离处，并且所述检测元件的位置被设定成使得
所述检测元件与所述Talbot干涉图案的腹点对准。
构思17.根据构思12至16所述的x射线干涉成像系统，其中
所述检测器被定位在预定的分数Talbot距离处；并且
所述检测元件的位置被设定成使得
所述检测元件与所述Talbot干涉图案的所述节点对准。
构思18.根据构思16所述的x射线干涉成像系统，其中
所述检测器被定位在预定的分数Talbot距离处，并且所述x射线干涉成像系统另外包括：
第二x射线检测器，所述第二x射线检测器包括第二检测元件，
所述第二检测器同样被定位在第二预定的分数Talbot距离处，并且
所述第二检测器的尺寸和位置被设定成使得
所述第二检测元件与
所述Talbot干涉图案的所述节点对准。
构思19.一种x射线干涉成像系统，包括：
x射线源；
射束分裂x射线光栅，所述射束分裂x射线光栅包括形成x射线相移光栅的周期性结构，
所述射束分裂x射线光栅被定位成用于衍射由所述x射线源产生的x射线；
x射线检测器，所述x射线检测器包括二维阵列的x射线检测元件，所述x射线检测器被定位成用于检测由所述射束分裂光栅衍射的x射线；并且其中由所述x射线源
在与所述射束分裂光栅相互作用时产生的所述x射线
形成Talbot干涉图案；并且
所述x射线检测元件的尺寸和位置
被选择成对应于所述Talbot干涉图案的尺寸。
构思20.根据构思19所述的x射线干涉成像系统，其中
所述Talbot干涉图案的对比度大于20％。
构思21.根据构思1至18所述的x射线干涉成像系统，其中所述第二材料与所述第一材料的比率(Z2ρ2)/(Z1ρ1)大于12，其中Z是原子序数并且ρ是质量密度。
构思22.根据构思1至18或21所述的x射线干涉成像系统，其中
所述第一选定材料选自下列：
铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。
构思23.根据构思1至18或构思21至22所述的x射线干涉成像系统，
其中
所述第二材料选自下列：
铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅以及其组合和合金。
构思24.根据构思1至18或构思21至23所述的x射线干涉成像系统，
其中
所述多个离散结构具有类似形状。
构思25.根据构思24所述的x射线干涉成像系统，
其中
所述类似形状选自下列：
正棱柱、直四棱柱、立方体、三棱柱、梯形棱柱、锥体、四面体、圆柱、球形、卵形体和桶形。
构思26.根据构思1至18或构思21至25所述的x射线干涉成像系统，
其中
用于所述多个离散结构的所述周期性图案是有规律的网格；
并且其中，
对于所述离散结构中的一个或多个，
在一个维度上的宽度小于10微米。
构思27.根据构思1至18或构思21至26所述的x射线干涉成像系统，
其中
用于所述多个离散结构的所述周期性图案是一组平行线；并且其中，
对于所述离散结构中的一个或多个，
在一个维度上的宽度小于10微米，并且
在一个垂直维度上的长度大于20微米。
构思28.根据构思1至18或构思21至27所述的x射线干涉成像系统，
其中
所述靶还用作所述真空室的窗口。
构思29.根据构思1至28所述的x射线干涉成像系统，其中所述x射线检测器包括闪烁体，并且还包括
电荷耦合装置(CCD)阵列。
构思30.根据构思18所述的x射线干涉成像系统，其中
所述第二x射线检测器包括闪烁体，并且还包括
电荷耦合装置(CCD)阵列。

Claims (24)

1.一种x射线干涉成像系统，包括：
x射线源，所述x射线源包括：
真空室；
电子束发射器；以及
靶，所述靶包括：
基板，所述基板包括第一材料；以及
嵌入于所述基板中的至少多个离散结构，所述至少多个离散结构包括响应于电子轰击产生x射线的第二材料，所述多个离散结构布置在所述x射线源的x射线子源的周期性图案内；
射束分裂x射线光栅，所述射束分裂x射线光栅包括形成x射线相移光栅的周期性结构，所述射束分裂x射线光栅被定位成用于衍射由所述x射线子源的周期性图案产生的x射线，所述X射线与所述射束分裂x射线光栅交互以形成Talbot干涉图案；
被配置为保持要成像的物体的台级；
x射线检测器，所述x射线检测器包括二维阵列的x射线检测元件，所述x射线检测器被定位成用于检测由所述射束分裂X射线光栅衍射并由所述要成像的物体扰乱的x射线；以及
第一防散射网格，所述第一防散射网格具有x射线吸收结构的周期性阵列，
所述第一防散射网格被定位在所述射束分裂x射线光栅与所述x射线检测器之间，所述x射线吸收结构与所述Talbot干涉图案的节点对准。
2.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述x射线相移光栅包括用于针对预定的x射线波长引入近似为π弧度的相移的结构。
3.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述x射线相移光栅包括用于针对预定的x射线波长引入近似为π/2弧度的相移的结构。
4.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述射束分裂x射线光栅在所述周期性结构的周期的方向上的周期p1通过下式与所述靶的所述多个离散结构中的至少一个离散结构在所述周期的方向上的尺寸a相关：
Figure FDA0002272723530000021
其中λ是预定的x射线波长，并且L是所述靶与所述射束分裂x射线光栅之间的距离。
5.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述第一防散射网格的所述x射线吸收结构包括选自下列的材料：锡、铂、金、钨、钽、钼、镍、铅、铜和钆。
6.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述第一防散射网格另外包括基板，其中所述第一防散射网格的基板包含对x射线透明的材料。
7.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述x射线吸收结构中的一个或多个具有一定高度，所述高度比所述x射线吸收结构之间的间隙的宽度大5倍。
8.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述第一防散射网格的所述x射线吸收结构的周期是所述Talbot干涉图案的横向周期的整数倍。
9.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，另外包括第二防散射网格，所述第二防散射网格包含x射线吸收材料，所述第二防散射网格定位在所述第一防散射网格与所述x射线检测器之间。
10.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述x射线检测器被定位在预定的分数Talbot距离处，并且所述x射线检测元件与所述Talbot干涉图案的腹点对准。
11.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述x射线检测器被定位在预定的分数Talbot距离处，并且所述x射线检测元件与所述Talbot干涉图案的节点对准。
12.根据权利要求10所述的x射线干涉成像系统，包括：
第二x射线检测器，所述第二x射线检测器包括第二x射线检测元件，所述第二x射线检测器被定位在第二预定的分数Talbot距离处，并且所述第二x射线检测器与所述Talbot干涉图案的节点对准。
13.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述Talbot干涉图案的对比度大于20％。
14.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述第二材料与所述第一材料的比率(Z2ρ2)/(Z1ρ1)大于12，其中Z1和ρ1分别是所述第一材料的原子序数和质量密度，Z2和ρ2分别是所述第二材料的原子序数和质量密度。
15.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述第一材料选自下列：
铍、金刚石、石墨、硅、氮化硼、碳化硅、蓝宝石和类金刚石。
16.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述第二材料选自下列：
铁、钴、镍、铜、镓、锌、钇、锆、钼、铌、钌、铑、钯、银、锡、铱、钽、钨、铟、铯、钡、金、铂、铅以及其组合。
17.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述多个离散结构具有类似形状。
18.根据权利要求17所述的x射线干涉成像系统，
其中
所述类似形状选自下列：
正棱柱、直四棱柱、三棱柱、梯形棱柱、锥体、四面体、圆柱、球形、卵形体和桶形。
19.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
用于所述多个离散结构的所述周期性图案是有规律的网格；
并且所述多个离散结构中的一个或多个离散结构的至少一个维度上的宽度小于10微米。
20.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中
所述多个离散结构的所述周期性图案是一组平行线；并且所述多个离散结构中的一个或多个离散结构的一个维度上的宽度小于10微米，并且在垂直维度上的长度大于20微米。
21.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述靶还用作所述真空室的窗口。
22.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述x射线检测器包括闪烁体以及电荷耦合装置(CCD)阵列。
23.根据权利要求12所述的x射线干涉成像系统，其中
所述第二x射线检测器包括闪烁体以及电荷耦合装置(CCD)阵列。
24.根据权利要求1所述的x射线干涉成像系统，其中所述物体被定位在所述射束分裂x射线光栅和所述x射线检测器之间。
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