CN110908236A - 一种x射线相位成像系统 - Google Patents

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孙学鹏
孙天希
张晓芸
刘志国
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Abstract

本发明主要涉及光学成像技术领域，提供了一种X射线相位成像系统，主要包括光源、毛细管X光平行束透镜、单色器、分析器和探测器，本发明通过在X光源和单色器之间增加毛细管X光平行束透镜，毛细管X光平行束透镜能够收集光源发射的X射线，并且经过单毛细管的调控转变成平行X会聚射线，由于单色器对平行X会聚射线具有更高的传输效率，增大平行X会聚射线的光强增益，提高入射到单色器上的光通量，从而使照射到样品上的光通量增大，从而提高单色器的利用率，因此，可有效地提高所述成像装置的成像效率，降低了成像装置对光源功率的要求，有利于促进DEI技术的推广应用。

Description

一种X射线相位成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种X射线相位成像系统。
背景技术
X射线衍射增强成像(Diffraction Enhanced Imaging,简称DEI)是一种X射线相位衬度成像技术，近年来已经成为X射线成像研究领域的热点。DEI和当前的X射线吸收成像技术、核磁共振技术、超声技术和光学显微镜技术等相比有其独特的优势，具有较高的空间分辨率和对比度，在弱吸收的生物组织成像中，有较好的应用前景。DEI可以达到微米级的分辨率，它能观察到对X射线弱吸收的轻物质内部微米量级的微观细节，在医学、生物学、材料科学和化学等学科技术领域具有广泛应用。
由于DEI技术需要高亮度，高准直性的单色X光，目前DEI设备一般搭建在同步辐射光源上，由于同步辐射光源造价昂贵，装置体积庞大，不便于推广。但是现有技术中，基于常规实验室X射线光源所搭建的DEI装置面临光源功率不足，从而导致X射线利用效率较低，降低成像效率。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种X射线相位成像系统，通过利用组合毛细管X光透镜，将实验室X光源产生的X光束转化成发散度很小的会聚光束，从而获得高准直性的X射线光束，提高X射线利用效率，提高成像效率，有利于促进DEI技术的推广应用。
本发明提供了一种X射线相位成像系统，所述系统具体包括：光源、毛细管X光平行束透镜、单色器、分析器和探测器；
所述光源用于产生X射线，并将所述产生的X射线发射至所述毛细管X光平行束透镜，所述光源设置于所述毛细管X光平行束透镜的入口焦距处；
所述毛细管X光平行束透镜用于接收所述光源发射的X射线，并对所述接收到的X射线进行会聚，得到平行X会聚射线；
所述单色器用于接收所述毛细管X光平行束透镜发射的平行X会聚射线，并将所述平行X会聚射线转化成单色平行X会聚射线；
所述分析器用于当样品置于所述单色器和所述分析器之间的单色平行X会聚射线中时，生成带有所述样品的成像信息的传输信号；
所述探测器用于接收所述分析器发送的所述传输信号。
优选的，所述光源为实验室X光管，所述实验室X光管的靶材包括铜、钼、银或钨。
优选的，所述光源的功率为100-4000瓦。
优选的，所述光源的焦斑形状为点状。
优选的，所述毛细管X光平行束透镜包括至少一根单毛细管；
以及，
所述毛细管X光平行束透镜从内向外第一层的单毛细管的数量为1，第n层的单毛细管的数量为L＝6*(n-1)，其中n为大于1的正整数。
优选的，所述单色器为晶体单色器。
优选的，所述晶体单色器的材料包括硅、锗或氟化锂。
优选的，所述晶体单色器为平面晶体单色器，所述平面晶体单色器为圆形，所述平面晶体单色器的直径大于所述毛细管X光平行束透镜的出口直径。
优选的，所述系统还包括：与所述探测器连接的成像处理终端，用于接收所述探测器发送的所述传输信号，并根据所述传输信号提取所述样品的成像信息，并根据所述提取的成像信息生成所述样品的图像。
优选的，所述系统还包括用于调节所述分析器与带有所述样品成像信息的单色平行X会聚射线之间的角度的调节器。
有益效果：与现有技术相比，本发明实施例在X光源和单色器之间加入了毛细管X光平行束透镜，所述毛细管X光平行束透镜能够收集光源发射的X射线，并且经过单毛细管的调控转变成平行X会聚射线，准平行X射线光束具有更高的光强增益，提高了入射到单色器上的光通量，再采用单晶单色器接收准平行X射线光束，由于单晶单色器对准平行X射线束具有更高的传输效率，因此照射到样品上的X射线光通量更高，成像效率也更高，提高单色器的X射线利用率，从而使照射到样品上的光通量更大，有效地提高了该X射线相位成像系统的成像速度和成像效率，降低了成像系统对光源功率的要求，有利于促进DEI技术的推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种X射线相位成像系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种X射线相位成像系统的毛细管X光平行束透镜沿垂直于透镜中心线剖面的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面将结合附图对本申请的实施例进行描述，但并非对本发明的限制。
实施例一
如图1所示，为本发明实施例提供的一种X射线相位成像系统的结构示意图，所述系统包括：光源1、毛细管X光平行束透镜2、单色器3、分析器4和探测器5，所述光源1用于产生X射线，并将所述产生的X射线发射至所述毛细管X光平行束透镜2，所述光源1设置于所述毛细管X光平行束透镜2的入口焦距处；所述毛细管X光平行束透镜2用于接收所述光源1发射的X射线，并对所述接收到的X射线进行会聚，得到平行X会聚射线；所述单色器3用于接收所述毛细管X光平行束透镜2发射的平行X会聚射线，并将所述平行X会聚射线转化成单色平行X会聚射线；所述分析器4用于当样品置于所述单色器3和所述分析器4之间的单色平行X会聚射线中时，生成带有所述样品的成像信息的传输信号；所述探测器5用于接收所述分析器4发送的所述传输信号。
需要说明的是，由于传统的基于DEI方法的X射线相位成像设备，对于实验室X光源功率要求较高，限制了其的广泛推广，因此提出了本发明技术方案，其中DEI(DiffractionEnhanced Imaging，X射线衍射增强成像)是一种X射线相位衬度成像技术，近年来已经成为X射线成像研究领域的热点。
具体的，用于产生X射线的光源1可以是实验室普通X光管，光源靶材具体包括铜、钼、银或钨中的任意一种，所述光源1的功率范围为100-4000瓦，所述光源1的焦斑形状为点状，有利于和所述毛细管X光平行束透镜2能更好的匹配。
所述光源1设置于所述毛细管X光平行束透镜2的入口焦距处，所述毛细管X光平行束透镜2接收所述光源1发射的X射线，用实验室普通X光管发射的发散X射线，所述毛细管X光平行束透镜2将发散X射线进行会聚，转化成高功率密度增益的准平行束X射线。
优选的，如图2所示，是所述毛细管X光平行束透镜2沿垂直于透镜中心线剖面的结构示意图,所述毛细管X光平行束透镜2包括至少一根单毛细管,沿垂直于方向的横截面为正六边形，沿透镜中心线长度方向上的截面为空间抛物面面段，以及，所述毛细管X光平行束透镜2中从内向外第一层的单毛细管的数量为1，第n层的单毛细管的数量为L＝6*(n-1)，其中n为大于1的正整数。
具体的，所述毛细管X光平行束透镜2为硅酸盐玻璃、铅玻璃材质或者其内表面镀有金属薄膜的玻璃管制作而成，例如，采用20万-100万根内壁光滑的空心玻璃纤维在高温下聚束在一起拉制而成，每根空心玻璃纤维内径为2-20微米。毛细管X光平行束透镜2的长度L为5～20厘米，入口端直径Din为1～10毫米，出口端直径Dout为10～80毫米。
需要说明的是，所述毛细管X光平行束透镜2前端所有单玻璃纤维弯曲方向均指向其前焦点处。因此，当X射线光源1放置于所述毛细管X光平行束透镜2的入口焦距处，透镜能够有效地以最大的接收角接收由X射线光源1所发出的X射线。毛细管X光平行束透镜2后端所有中空单玻璃纤维均水平指向后方，且X射线沿着中空玻璃纤维传输，因此毛细管X光平行束透镜2能够把接收自X射线光源1发散的X射线有效地转变成准平行束X射线。
所述单色器3与所述毛细管X光平行束透镜2发射的准平行束X射线成一定的角度，放置在所述毛细管X光平行束透镜2之后，具体放置的角度可根据实际的应用场景自定义设置，在此不作限定。由所述毛细管X光平行束透镜2发射的准平行束X射线，经过单色器3后转变成用于样品成像的平行度更好的单色入射光束。
具体的，所述单色器3为晶体单色器，晶体单色器可以为平面晶体单色器或弯晶单色器，优选采用单个平面晶体或者多个平面晶体，晶体的材料为硅、锗或氟化锂中的一种。平面晶体单色器可以为圆形，其直径大于所述毛细管X光平行束透镜2的出口直径Dout，便于更好的吸收所述毛细管X光平行束透镜2发射的准平行束X射线，由于单晶单色器对于平行X射线束具有更高的传输效率，因此照射到样品上的X射线光通量更高，成像效率也更高，从而提高了X射线相位成像系统的X射线的利用率。
具体的，样品置于单色器3发射的单色平行X会聚射线光束之中，单色平行X会聚射线经过样品后，由于光束的相位、入射角、强度等信息产生变化，便携带有样品的形貌信息。所述分析器4在置于样品之后，以一定的角度接收携带有样品信息的X射线光束，生成带有所述样品的成像信息的传输信号。
优选的，所述X射线相位成像系统还包括用于调节所述分析器4与带有所述样品成像信息的单色平行X会聚射线之间的角度的调节器，采用调节器调节分析器4与携带有样品信息的X射线光束之间的角度，可以获得样品的多重形貌信息。
优选的，分析器4所使用的晶体采用与单色器3所使用的晶体相同。
所述探测器5用于接收所述分析器4发送的所述传输信号。
具体的，探测器5置于分析器4之后，用于接收来自分析器4发送的含有样品的多重形貌信息的传输信号。探测器5采用空间分辨探测器，其空间分辨范围为1-100微米，能量探测范围为5-90keV。
优选的，所述X射线相位成像系统还包括：与所述探测器5连接的成像处理终端，用于接收所述探测器5发送的所述传输信号，并根据所述传输信号提取所述样品的成像信息，并根据所述提取的成像信息生成所述样品的图像。成像处理终端根据所述传输信号提取所述样品的成像信息，根据所述提取的成像信息分析，可以获得样品的相位、吸收、散射所形成的样品图像。
与现有技术相比较，本发明实施例具有以下优点：
与传统实验室采用的DEI技术的X射线相位成像装置相比，本发明实施例，在X射线光源和单色器之间加入了毛细管X光平行束透镜。毛细管X光平行束透镜能够收集X射线光源发出的发散X射线，并且经过大量单毛细管的调控转变成准平行X射线光束，准平行X射线光束具有更高的光强增益，提高了入射到单色器上的光通量，再采用单晶单色器接收准平行X射线光束，由于单晶单色器对准平行X射线束具有更高的传输效率，因此照射到样品上的X射线光通量更高，成像效率也更高，提高单色器的X射线利用率，从而使照射到样品上的光通量更大，有效地提高了该X射线相位成像系统的成像速度和成像效率，降低了成像系统对光源功率的要求，有利于促进DEI技术的推广应用；另外，通过毛细管X光平行束透镜对X射线光源发射的X射线过滤掉其它杂散信号，使得所产生的样品成像对比度更高，提高清晰度和成像质量；同时，本发明实施例提供的X射线相位成像系统相比较传统的同步辐射光源，设备体积减小，降低设备成本，便于移动。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种X射线相位成像系统，其特征在于，所述系统包括光源(1)、毛细管X光平行束透镜(2)、单色器(3)、分析器(4)和探测器(5)；
所述光源(1)用于产生X射线，并将所述产生的X射线发射至所述毛细管X光平行束透镜(2)，所述光源(1)设置于所述毛细管X光平行束透镜(2)的入口焦距处；
所述毛细管X光平行束透镜(2)用于接收所述光源(1)发射的X射线，并对所述接收到的X射线进行会聚，得到平行X会聚射线；
所述单色器(3)用于接收所述毛细管X光平行束透镜(2)发射的平行X会聚射线，并将所述平行X会聚射线转化成单色平行X会聚射线；
所述分析器(4)用于当样品置于所述单色器(3)和所述分析器(4)之间的单色平行X会聚射线中时，生成带有所述样品的成像信息的传输信号；
所述探测器(5)用于接收所述分析器(4)发送的所述传输信号。
2.根据权利要求1所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述光源(1)为实验室X光管，所述实验室X光管的靶材包括铜、钼、银或钨。
3.根据权利要求1所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述光源(1)的功率为100-4000瓦。
4.根据权利要求1所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述光源(1)的焦斑形状为点状。
5.根据权利要求1所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述毛细管X光平行束透镜(2)包括至少一根单毛细管；
以及，
所述毛细管X光平行束透镜(2)从内向外第一层的单毛细管的数量为1，第n层的单毛细管的数量为L＝6*(n-1)，其中n为大于1的正整数。
6.根据权利要求1所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述单色器(3)为晶体单色器。
7.根据权利要求6所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述晶体单色器的材料包括硅、锗或氟化锂。
8.根据权利要求7所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述晶体单色器为平面晶体单色器，所述平面晶体单色器为圆形，所述平面晶体单色器的直径大于所述毛细管X光平行束透镜(2)的出口直径。
9.根据权利要求1-8任一项所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述探测器(5)连接的成像处理终端，用于接收所述探测器(5)发送的所述传输信号，并根据所述传输信号提取所述样品的成像信息，并根据所述提取的成像信息生成所述样品的图像。
10.根据权利要求9所述的X射线相位成像系统，其特征在于，所述系统还包括用于调节所述分析器(4)与带有所述样品成像信息的单色平行X会聚射线之间的角度的调节器。
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