CN111065333B - 会聚x射线成像装置和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了用于产生高对比度的x射线和/或γ射线的射线图像的技术。该图像受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响。本发明利用来自激光康普顿源的低发散度、准单能的x射线或γ射线输出结合x射线光学技术来产生会聚x射线或γ射线光束，由此产生特定对象的高对比度的阴影图。要进行成像的对象放置于x射线光学组件与该组件产生的x射线光束的焦点之间的会聚光束的路径内。然后，使光束穿过位于光束焦点处的光学厚度的针孔。然后，在针孔的下游通过适当的2D探测器阵列记录对象的倒置阴影图。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年7月31日提交的题为“利用激光康普顿源进行高对比度的会聚x射线成像”的美国临时专利申请第62/539,452号的优先权，其内容通过引用并入本文。
对于在联邦资助的研究或开发下所做出的发明权利的声明
根据美国能源部和劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司之间针对劳伦斯利弗莫尔国家实验室的运作的第DE-AC52-07NA27344号的合同，美国政府拥有本发明的权利。
技术领域
本技术涉及x射线成像，更具体地说，涉及用于产生高对比度的x射线和/或γ射线的放射线图像的技术，该放射线图像受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响。
背景技术
在常规的x射线照相中，通过将要进行成像的对象放置在x射线准点源与二维探测器系统(例如，x射线胶片、x射线CCD照相机、闪烁体或照相机)之间来产生所需对象的阴影图。图1示出了利用旋转的阳极轫致辐射源的常规点投影x射线成像。射线图像的分辨率由x射线源的空间范围和装置的几何放大倍数设定。自1896年威廉伦琴首次发现x射线以来，以这种方式进行了医学x射线成像。在伦琴的例子中，x射线源是基于高能电子束10撞击金属靶12所产生的轫致辐射。轫致辐射源向各个方向产生多色x射线。在实际应用中，通过在x射线管周围放置金属挡板/准直器14将源的发射限制为辐射的锥体。射线图像/阴影图由具有足够穿透对象16的能量的弹道x射线产生。对象内具有较高衰减的成分(例如，特征18)在探测器20上形成暗区。能量不足以穿透对象的低能x射线被对象吸收，并且在医学应用中形成被患者接收的大部分不希望的剂量。并非所有具有足够穿透对象的能量的光子都以弹道路径行进并对图像22有贡献。实际上，在医疗程序中，在探测器平面处入射的大部分光子(有时超过90％)是路径已被对象内的康普顿散射进行了改变的光子。这些散射的光子在入射到探测器上时会降低图像的对比度和分辨率，即它们会使图像模糊。
医学界已经开发出各种方案来减轻由于散射辐射引起的图像劣化，其中最常见的是放置在探测器系统附近的高原子量材料(例如，铅)的成角度的栅格板。栅格材料的角度设置成与轫致辐射源的自然发散相匹配，即与从源行进到探测器的弹道光子路径平行。该方法虽然在减小由于散射辐射引起的模糊方面有些效果，但也减少了到达探测器的弹道光子的数量，限制了分辨率，增加了图像所需的剂量，并增加了整个成像系统的复杂性。
在其他x射线成像应用中，要通过外部x射线源进行成像的对象也可能产生照射到探测器系统上的辐射，由此降低图像的对比度和质量。一个例子是由高能激光照亮的冲击材料的成像。在这种情况下，受激光照射的材料会产生高能电子，该高能电子继而在对象内产生热辐射和线状x射线辐射。这种对象产生的背景x射线辐射源也将与来自背光源的任何弹道x射线一起入射到探测器系统上。为了产生有用的图像，射线照相x射线源必须具有足够克服这种自然背景的通量。对强放射性物质(例如，废核燃料组件)进行成像时会出现类似的问题。图2示出了辐射对象或产生x射线散射24的对象的常规点投影x射线成像。注意图2的记录图像26与图1的记录图像22之间的差异。图1和图2中的共同元件标有相同的附图标记。
发明内容
本文公开了利用激光康普顿源进行高对比度的会聚x射线成像。本技术包括一种方法，通过该方法能够产生高对比度的x射线和/或γ射线的射线照相图像，其受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响。该技术利用来自激光康普顿源的低发散度、准单能的x射线或γ射线输出结合x射线光学技术来产生会聚x射线或γ射线光束，由此产生特定对象的高对比度的阴影图。将要进行成像的对象放置于x射线光学组件与该组件产生的x射线光束的焦点之间的会聚光束的路径内。然后，光束穿过位于光束焦点处的光学厚度的针孔。该针孔中的直径被设计成类似于x射线或γ射线焦斑的直径。以这种方式，来自对象的不穿过针孔的所有散射辐射和/或自发射都被剔除并且不会照射到探测器系统上。然后，在针孔的下游，通过适当的2D探测器阵列记录对象的倒置阴影图。根据几何结构的细节，根据本发明到达探测器系统的背景辐射量可以相对于传统的x射线点投影成像的减小多个量级。应注意的是，这种架构的前提条件是与现有的x射线光学器件兼容的x射线或γ射线源，其通常需要准准直和准单能的输入来实现最佳性能。
本发明的应用包括但不限于具有显著自发射的对象(例如，激光等离子体、放射性材料、来自对象内的x射线或γ射线激发成分的线状发射等)以及因x射线或γ射线照射而产生大量散射辐射的对象(例如，医学射线照相、工业射线照相等)的射线照相。
附图说明
图1示出了利用旋转的阳极轫致辐射源进行的常规点投影x射线成像。
图2示出了辐射对象或产生x射线散射的对象的常规点投影x射线成像。
图3示出了空间范围与会聚x射线光束的横向尺寸相比较小的对象的会聚成像。
图4示出了较大对象的会聚成像，其中通过相对于x射线光束轴线扫描对象而获得了完整的2D图像。
图5示出了角度相关的激光康普顿光谱。
图6是通过光刻硅产生的复合折射x射线光学器件的视图。
具体实施方式
在本技术中，利用x射线光学器件操纵来自激光康普顿x射线源的输出光束，以在距产生激光康普顿x射线的激光和电子相互作用点处固定距离处形成焦点。将要进行成像的对象放置于激光和电子相互作用点与通过x射线光学器件形成的激光康普顿光束焦点之间。将针孔放置于激光康普顿光束焦点的位置处。图3示出了空间范围与会聚x射线光束的横向尺寸相比较小的对象的会聚成像。针孔由高衰减材料构成并被构造为具有足够的厚度，以阻挡不穿过针孔的任何x射线辐射。穿过针孔的激光康普顿x射线辐射由常规的二维x射线探测器系统收集，例如x射线胶片、x射线CCD。这种设置存在两种成像构造。在第一种成像构造中，与对象放置位置处的光束直径相比，该对象较小。在这种情况下，在图3所示的探测器阵列处产生整个对象的倒置阴影图。在第二种成像构造中，与对象放置位置处的激光康普顿光束直径相比，该对象较大。在这种情况下，通过在光束方向和针孔位置相对于彼此固定的情况下相对于彼此扫描整个对象和光束来获得对象的完整图像。图4示出了较大对象的会聚成像，其中通过相对于x射线光束轴线扫描对象而获得了完整的2D图像。在这两种情况下，来自对象的散射辐射和/或自发射都被阻挡而无法到达探测器阵列，并且产生了高质量的高对比度的射线图像。
更具体而言，图3的示例性实施方式示出了由复合折射x射线透镜32聚焦到焦点34的准单能的激光康普顿x射线光束30。光束30穿过焦点34传播到探测器36。元件38包括与焦点34位于同一位置的针孔39。元件38的材料和厚度必须足以阻止除穿过针孔孔眼的光束之外的光束通过。在一个实施方式中，该元件由铅或其他高衰减材料制成，并且具有大于10微米的厚度。将对象40放置于透镜32与光束30的焦点34之间。该图示出了对象40内的特征42。与光束30的横向尺寸相比特征42较小，即，光束完全覆盖特征42。该图示出了从透镜到对象的距离44、从对象到针孔的距离46以及为了期望的放大倍数设定的距离48。当光束传播穿过对象时，产生x射线自发射/x射线散射50。只有散射50的穿过针孔的部分才会传播到探测器上。这种系统产生了高对比度的记录图像52。
当要进行成像的特征相对于x射线光束的横向尺寸较大时，可以利用图4的示例性实施方式。该实施方式的某些元件可以与图3的那些元件相同，并且对于这些元件使用相同的附图标记，然而，本实施方式包括对象60，其具有大于光束30的横向尺寸的特征62。为了获得整个特征62的图像，可以相对于x射线光束扫描(移动)对象。通过在光束方向和针孔位置相对于彼此固定的情况下相对于彼此扫描整个对象和光束，获得了对象的完整图像。箭头64表示对象相对于光束在一个方向上的运动，箭头66表示在与箭头64的方向正交的方向上的运动。在对象相对于x射线光束轴线的x-y轴扫描中的一个位置处重新编码图像68。
本发明依赖于激光康普顿x射线源的物理特性以及与这些源相匹配的x射线光学元件。激光康普顿散射(有时混淆地称为逆康普顿散射)是从短时相对论电子束中散射出高能激光脉冲的过程。该过程已被认为是产生准单能的x射线辐射的短时激发的便利方法。当与电子相互作用时，入射的激光引起电子横向运动。来自此运动的辐射在实验室的静止参考系中观察时似乎是向前定向的向上多普勒频移的高能光子束。对于正面碰撞，激光康普顿源的全光谱从零延伸到四乘以γ的平方乘以入射激光能量，其中γ是电子束的标准化能量，即当电子能量＝511keV时，γ＝1。可以通过改变电子束的能量和/或激光光子的能量来调谐激光康普顿源的最高能量。通过这种方法已经产生了从几keV到>MeV的高能辐射束并且已用于各种各样的应用。
辐射的康普顿光的光谱与具有仅在前向方向上发射的最高能量光子的电子束的传播方向以及由能量和动量守恒确定的较低能量的光子相对于传播轴线的角度在角度上高度相关。图5示出了角度相关的激光康普顿光谱。来自高能激光脉冲70的光子与相对论电子72碰撞，以产生激光康普顿发射光束74。在光束74的横向尺寸上，最高能量的激光康普顿光子位于光束的中心部分74’中，并且较低能量的激光康普顿光子位于光束的外部部分74”中。光束的光子能量可以表征为最高能量的光子沿着光束的中心轴线并且光子能量随着正交于中心轴线的距离减弱的连续体。通过在激光康普顿光束的路径上放置适当设计的孔眼，例如孔眼76，可以产生带宽(ΔE/E)为10％的准单能的x射线或γ射线光束。模拟表明，可以通过适当设计的激光康普顿系统获得大约0.1％的同轴带宽。
尤其与传统的轫致辐射旋转阳极x射线源相比，来自激光康普顿x射线源的输出辐射还被高度准直。激光康普顿源的半带宽光谱的发射锥角在γ上约为1，其通常为几毫弧度或更小。对于适当设计的系统，光谱的最窄带宽的同轴部分的锥角可以为数微弧度。典型的旋转阳极源具有由准直仪设定的约为500毫弧度的光束发散度。
激光康普顿x射线源的高准直度和准单能的特征使得能够通过各种x射线光学技术进行光束操纵，这些技术包括但不限于：复合折射光学器件、毛细管x射线光学器件、x射线波带片、掠入射金属x射线光学器件和掠入射多层镀膜x射线光学器件。光学器件的确切选择将取决于特定成像任务所需的x射线能量。为了提供例子，将考虑具有100keV的同轴x射线峰值能量的激光康普顿光束，其通过复合折射x射线光学器件操纵，以进行会聚成像和降噪处理。
在电磁波谱的x射线区域中，所有材料的折射率均小于1，并且与1仅相差较小的量。由于这个原因，正折射x射线透镜在光谱的可见部分中具有负透镜的形状，即，它们在轴线上最薄并且随着远离光轴而变厚。由于材料的折射率在x射线状态下接近1，因此直径与激光康普顿光束的直径相匹配的单个x射线折射光学器件的光功率非常小，并因此对激光康普顿x射线光束的自然发散的影响非常小。见图6。然而，复合折射x射线光学器件通过使x射线光束沿光轴(例如，参见图6，光轴80)穿过一系列折射元件(例如，参见图6，单个透镜82和一系列透镜84)而产生光功率。多个弱透镜的总和可以产生足够的光功率，以对激光康普顿x射线光束进行准直和/或聚焦。复合折射x射线光学器件已经过开发、论证并与同步辐射光源一起用于操纵准单能的同步辐射x射线光束。可以在诸如硅的固体晶圆材料中光刻或者可以通过堆叠精压金属盘来形成复合x射线光学器件，每个金属盘具有大致抛物线形状。图6是通过光刻硅产生的复合折射x射线光学器件的视图。在光刻的情况下，在材料晶圆中形成一维聚焦元件，并通过使整个光束穿过相对于彼此成90度定向的两组光学器件来产生二维光束操作。激光康普顿光源的准单能性质与横向空间轮廓大致为抛物线形的复合光学器件充分匹配。
对于具有特定x射线能量和源尺寸的给定的激光康普顿源，复合折射x射线光学器件可以被设计为对输出进行准直并产生直径为几百微米到几毫米的光束，或者可以被设计为将激光康普顿光束聚焦为小光斑。可以产生的焦斑的大小将取决于复合x射线光学器件的焦距和激光康普顿x射线光束的发散特性，该发散特性又取决于激光器的初始光斑大小和激光康普顿源的电子相互作用。几微米的聚焦光束是实际的，并且小于一微米的聚焦光束是可行的。
如上所述，由适当的激光康普顿x射线源和x射线光学器件的组合产生的会聚x射线光束可用于以两种方式产生对象的高对比度的“无背景的”图像。
在第一种情况下，与对象放置位置处的光束直径相比，该对象较小。见图3。在会聚光束中产生对象的阴影。这与常规情况相反，在常规情况下在从轫致辐射源发出的发散光束中产生x射线阴影。如图3所示，在光束通过其焦点之后，在探测器处产生对象的倒影。通过在x射线焦点位置处放置光学厚度的针孔防止了来自对象的不希望的散射或自发射到达探测器。这种操作模式的实际限制在于用于使激光康普顿光束聚焦的x射线光学组件的尺寸以及由于激光康普顿光束发散到x射线光学器件对光束进行聚焦所需的适当尺寸和距离而所需的距离造成的可能存在的任何空间限制。通常，这些限制将对象大小限制为几毫米或更小。一种实际的医学应用是在血管造影程序中对微米级毛细管结构进行精确成像。可以从图像中减少的来自对象的不希望的散射的程度取决于从对象到针孔的距离。对于图3所示的例子，可以在广角背景中实现至少10个数量级的减少。考虑到典型的全身医学成像针对每个承载图像的弹道光子产生大约10个散射光子，以这种方式消除背景可以显著改善图像质量和/或减少患者所受剂量。应注意的是，这种成像模式对于常规的基于旋转阳极的轫致辐射x射线源并不实用，因为这种源的自然发散严重限制了入射到x射线光学器件上的光子的数量，并且由于复合折射光学器件内折射率的色度变化，这种源的较宽带宽不会被聚焦于单个光斑。
在第二操作模式中，与对象放置位置处的光束直径相比，该对象更大。见图4。在会聚光束中仅产生对象的一部分的阴影，因此必须相对于彼此扫描对象和光束，以产生对象的完整图像。然而，对于扫描的每个位置，与前面的例子中一样，可以相同地实现使照射到探测器的散射辐射减少，并且又显著改善了探测器处的信噪比。
应注意的是，在上述两种情况下，激光康普顿光束因在x射线光学器件材料中的吸收和散射损耗而衰减。对于某些复合x射线光学器件，这些损耗可能高达入射光束通量的90％。然而，与在常规成像中使用栅格板来减少散射不同，这种衰减发生在对象被照亮之前，因此不需要增加患者的暴露来改善图像对比度。对于在探测器处给定数量的所需弹道图像形成光子，本发明的会聚成像几何结构将使患者暴露于较低剂量，并且对于探测器处给定的信噪比(其中噪声由散射辐射主导)，患者的所需剂量可能会低几个数量级。
还应注意的是，如果对象以类似于照明激光康普顿x射线光束的能量产生自发射，则上述原理也适用。在本发明中描述的相同构造和技术可以用于阻挡来自对象的自发射照射到成像探测器上。放射性热材料、激光激发材料等的精确成像通过本发明变得可行。
以下是上述激光康普顿会聚成像技术的一些示例性变型。
1.首先用适当的x射线光学器件对激光康普顿光束进行准直，然后利用第二光学器件通过背景去除针孔进行聚焦。将对象在针孔前面放置在准直光束或会聚光束中。参照图3和图4，可以用包括(i)被构造为对光束30进行准直的x射线光学器件或复合光学器件和(ii)被构造为通过元件38的针孔对准直光束进行聚焦的x射线光学器件或复合光学器件的光学器件的组合32’来代替复合折射x射线透镜32。在一种替代构造中，具有特征42的对象40可以位于光学器件32’的一个或多个准直光学器件和一个或多个聚焦光学器件之间。
2.将激光康普顿光束调谐为刚好高于对象内特定原子种类的特定内壳电离阈值，以增强图像的对比度和/或实现对象内元件材料的识别。
3.将激光康普顿光束调谐到核共振荧光跃迁，以增强对比度和/或实现对象内同位素材料的识别。
4.仅在弹道图像形成光子到达期间才将探测器系统选通，从而进一步区分背景辐射和散射辐射。因此，图3和图4的探测器系统36可以用选通探测器系统36’替代。
5.将用于对激光康普顿光束进行准直和/或聚焦的x射线光学器件32或32’设计成具有空间变化的结构，使得入射到光学器件上的能量较低、角度较大的激光康普顿光子与能量较高的同轴激光康普顿光子聚集到相同光斑且有相同光斑尺寸。即，光学器件的色差与激光康普顿源的光谱角度相关性相匹配。
6.用于剔除背景的针孔元件38由高吸收性材料的厚板构成，其中制作有锥形孔39，该锥形孔与焦点处和焦点周围的激光康普顿光束的会聚和/或发散相匹配。
7.激光康普顿光束仅在一个维度上通过光学器件32或32’聚焦，并允许其根据激光康普顿物理过程在另一个维度上发散。在这种情况下，针孔39是在聚焦维度上与光束的聚斑尺寸相匹配的狭缝。这种模式实现对象的线扫描。
8.激光康普顿光束由相对于彼此成90度定向的两个一维的复合x射线光学器件32或32’进行聚焦并且聚焦到不同位置。这两个一维的复合x射线光学器件中的一个用于产生扇形光束，另一个用于产生线聚焦，在该线聚焦处设置狭缝以减少背景辐射。这种模式实现对象的线扫描。
9.激光康普顿光束由透镜32或32’成形，以使光束通过一维的复合x射线光学器件在一个维度上进行准直，然后通过相对于第一个光学器件成90度定向的另一个一维x射线光学器件在另一个维度上进行聚焦。在第二个光学器件的焦点处，设置狭缝以减少背景辐射。这种模式减少了背景剔除装置的对准问题。
10.7)中的激光康普顿光束如2)或3)中所述那样进行调谐，以增强对比度和/或实现对象内材料的识别。
11.8)中的激光康普顿光束如2)或3)中所述那样进行调谐，以增强对比度和/或实现对象内材料的识别。
12.9)中的激光康普顿光束如2)或3)中所述那样进行调谐，以增强对比度和/或实现对象内材料的识别。
本文描述的所有元件、部件和步骤优选都被包含在内。应理解的是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，这些元件、部件和步骤中的任何一个都可以被其他元件、部件和步骤替代或一起删除。
大体上，本文至少公开了以下内容：提供了用于产生高对比度的x射线和/或γ射线的射线图像的技术。该图像受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响。本发明利用来自激光康普顿源的低发散度、准单能的x射线或γ射线输出结合x射线光学技术来产生会聚x射线或γ射线光束，由此产生特定对象的高对比度的阴影图。将要进行成像的对象放置于x射线光学组件与该组件产生的x射线光束的焦点之间的会聚光束的路径内。然后，使光束穿过位于光束焦点处的光学厚度的针孔。然后，在针孔的下游，通过适当的2D探测器阵列记录对象的倒置阴影图。
概念：
本文还至少提出了以下概念：
1.一种方法，包括：
提供x射线或γ射线的输出光束；
引导所述输出光束穿过至少一个x射线和/或γ射线光学器件，以产生指向焦点的会聚光束；
将对象定位在所述输出光束或所述会聚光束的路径内，以产生改变光束；
设置孔眼，其开口位于所述改变光束的焦点位置处，其中所述改变光束的至少一部分穿过所述开口以产生发散光束；以及
探测所述发散光束。
2.根据概念1和3-32所述的方法，其中，所述输出光束是通过激光康普顿源提供的准单能的x射线或γ射线的输出光束。
3.根据概念1、2和4-32所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个折射x射线透镜。
4.根据概念1-3和5-32所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个复合x射线光学器件。
5.根据概念1-4、6和8-32所述的方法，其中，所述对象定位在所述会聚光束的路径内。
6.根据概念1-5和8-32所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个准直光学器件，其后方是至少一个聚焦光学器件，其中所述输出光束首先通过所述至少一个准直光学器件进行准直并且之后通过所述至少一个聚焦光学器件进行聚焦，以产生所述会聚光束。
7.根据概念6所述的方法，其中，所述对象定位在所述至少一个准直光学器件和所述至少一个聚焦光学器件之间。
8.根据概念1-7和9-32所述的方法，其中，所述对象包括感兴趣的特征，其小于所述会聚光束的横向尺寸，使得所述会聚光束完全覆盖所述感兴趣的特征。
9.根据概念1-8和14-32所述的方法，其中，所述对象包括感兴趣的特征，其大于所述会聚光束的横向尺寸，使得所述会聚光束不完全覆盖所述感兴趣的特征。
10.根据概念9所述的方法，其还包括相对于所述会聚光束的位置扫描所述对象。
11.根据概念10所述的方法，其中，探测所述发散光束的步骤包括在扫描所述对象的步骤期间收集所述发散光束的多个图像。
12.根据概念11所述的方法，其中，所述多个图像总体提供所述感兴趣的特征的完整图像。
13.根据概念9所述的方法，其中，通过在所述会聚光束的位置和所述开口的位置相对于彼此固定的情况下相对于彼此扫描所述对象和光束来获得所述感兴趣的特征的完整图像。
14.根据概念1-13和15-32所述的方法，其中，所述孔眼包括x射线或γ射线高衰减材料。
15.根据概念1-14和16-32所述的方法，其中，所述开口包括从针孔和狭缝构成的组合中选择的形状。
16.根据概念1-15和18-32所述的方法，其中，所述开口包括锥形孔。
17.根据概念16所述的方法，其中，所述锥形孔与焦点处和焦点周围的激光康普顿光束的会聚和/或发散相匹配。
18.根据概念1-17和19-32所述的方法，其中，所述开口包括的直径类似于x射线或γ射线在所述开口处的焦斑。
19.根据概念1-18和20-32所述的方法，其中，来自所述对象的不穿过所述开口的所有散射辐射和/或自发射被剔除并且不被探测。
20.根据概念1-19和21-32所述的方法，其中，所述孔眼由高衰减材料构成并且被构造为具有足够的厚度，以阻挡不穿过所述开口的任何x射线或γ射线。
21.根据概念1-20和22-32所述的方法，其中，探测所述发散光束的步骤是利用二维的x射线探测器系统执行的。
22.根据概念1-21和23-32所述的方法，其还包括将所述输出光束调谐为刚好高于所述对象内的特定原子种类的特定内壳电离阈值，以增强图像的对比度和/或实现所述对象内的元件材料识别。
23.根据概念1-22和24-32所述的方法，其还包括将所述输出光束调谐到所述对象内的特定原子种类的核共振荧光跃迁，以增强对比度和/或实现所述对象内的同位素材料识别。
24.根据概念1-23和25-32所述的方法，其中，使用选通探测器系统执行探测所述发散光束的步骤，所述方法还包括对所述探测器系统进行选通，使得其仅在所述发散光束的弹道图像形成光子到达期间才开启，从而进一步区分背景辐射和散射辐射。
25.根据概念2所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括空间变化的结构，使得入射到所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件上的所述输出光束的能量较低并且角度较大的激光康普顿光子与所述输出光束的能量较高的同轴激光康普顿光子聚集到相同光斑且有相同光斑尺寸。
26.根据概念2的所述方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件的色差与所述激光康普顿源的光谱角度相关性相匹配。
27.根据概念2所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件仅在一个维度上引导所述输出光束在所述焦点处形成焦斑，并使所述输出光束根据激光康普顿物理过程在另一个维度上发散，并且其中所述开口是在聚焦维度上与所述输出光束的焦斑尺寸相匹配的狭缝。
28.根据概念27所述的方法，其还包括对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别。
29.根据概念2所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括相对于彼此成90度定向并且聚焦到不同位置的两个一维复合x射线光学器件，其中所述两个一维复合x射线光学器件中的一个产生所述输出光束的一个维度的扇形光束并且另一个产生所述输出光束的线聚焦，其中在所述线聚焦处设置有狭缝以减少背景辐射。
30.根据概念29所述的方法，其还包括对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别。
31.根据概念2所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括第一一维复合x射线光学器件和相对于所述第一一维复合x射线光学器件成90度定向的第二一维复合x射线光学器件，其中所述输出光束通过所述第一一维复合x射线光学器件在一个维度上进行准直，然后通过所述第二一维x射线光学器件在另一个维度上进行聚焦，其中在所述焦点处设置狭缝以减少背景辐射。
32.根据概念31所述的方法，其还包括对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别。
33.一种设备，包括：
用于提供x射线或γ射线的输出光束的源；
至少一个x射线和/或γ射线光学器件，其用于通过所述输出光束产生指向焦点的会聚光束，其中定位在所述输出光束或所述会聚光束的路径内的对象产生改变光束；
具有位于所述改变光束的焦点位置处的开口的孔眼，其中至少一部分所述改变光束将穿过所述开口以产生发散光束；以及
被定位成用于探测所述发散光束的探测器。
34.根据概念33所述的设备，其中，所述源是激光康普顿源，并且其中所述输出光束是通过所述激光康普顿源提供的准单能的x射线或γ射线的输出光束。
35.根据概念33、34和36-56所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个折射x射线透镜。
36.根据概念33-35和37-56所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个复合x射线光学器件。
37.根据概念33-36和38-56所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个准直光学器件，其后方是至少一个聚焦光学器件，其中所述输出光束将首先通过所述至少一个准直光学器件进行准直并且之后通过所述至少一个聚焦光学器件进行聚焦，以产生所述会聚光束。
38.根据概念33-37和39-56所述的设备，其还包括用于相对于所述会聚光束的位置扫描所述对象的装置。
39.根据概念33-38和40-56所述的设备，其中，所述孔眼包括x射线或γ射线高衰减材料。
40.根据概念33-39和41-56所述的设备，其中，所述开口包括从针孔和狭缝构成的组合中选择的形状。
41.根据概念33-40和43-56所述的设备，其中，所述开口包括锥形孔。
42.根据概念41所述的设备，其中，所述锥形孔与焦点处及所述焦点周围的激光康普顿光束的会聚和/或发散相匹配。
43.根据概念33-42和44-56所述的设备，其中，所述开口包括的直径类似于x射线或γ射线在所述开口处的焦斑。
44.根据概念33-43和45-56所述的设备，其中，所述孔眼由高衰减材料构成并且被构造为具有足够的厚度，以阻挡不穿过所述开口的任何x射线或γ射线。
45.根据概念33-44和46-56所述的设备，其中，所述探测器包括二维x射线探测器系统。
46.根据概念33-45和47-56所述的设备，其还包括用于将所述输出光束调谐为刚好高于所述对象内的特定原子种类的特定内壳电离阈值的装置，以增强图像的对比度和/或实现所述对象内的元件材料识别。
47.根据概念33-46和48-56所述的设备，其还包括用于将所述输出光束调谐到所述对象内的特定原子种类的核共振荧光跃迁的装置，以增强对比度和/或实现所述对象内的同位素材料识别。
48.根据概念33-47和49-56所述的设备，其中，所述探测器包括选通探测器系统，其被构造为对所述探测器系统进行选通，使得其仅在所述发散光束的弹道图像形成光子到达期间才开启，从而进一步区分背景辐射和散射辐射。
49.根据概念34所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括空间变化的结构，使得入射到所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件上的所述输出光束的能量较低并且角度较大的激光康普顿光子与所述输出光束的能量较高的同轴激光康普顿光子聚集到相同光斑且有相同光斑尺寸。
50.根据概念34所述的设备，其还包括用于使所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件的色差与所述激光康普顿源的光谱角度相关性相匹配的装置。
51.根据概念34所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件被构造为仅在一个维度上引导所述输出光束引导在所述焦点处形成焦斑，并使所述输出光束根据激光康普顿物理过程在另一个维度上发散，并且其中所述开口是在聚焦维度上与所述输出光束的焦斑大小相匹配的狭缝。
52.根据概念51所述的设备，其还包括用于对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别的装置。
53.根据概念34所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括相对于彼此成90度定向并且聚焦到不同位置的两个一维复合x射线光学器件，其中所述两个一维复合x射线光学器件中的一个产生所述输出光束的一个维度的扇形光束并且另一个产生所述输出光束的线聚焦，其中在所述线聚焦处设置有狭缝以减少背景辐射。
54.根据概念53所述的设备，其还包括用于对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别的装置。
55.根据概念34所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括第一一维复合x射线光学器件和相对于所述第一一维复合x射线光学器件成90度定向的第二一维复合x射线光学器件，其中所述输出光束通过所述第一一维复合x射线光学器件在一个维度上进行准直，然后通过所述第二一维x射线光学器件在另一个维度上进行聚焦，其中在所述焦点处设置狭缝以减少背景辐射。
56.根据概念55所述的设备，其还包括用于对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别的装置。
57.一种用于产生受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响的高对比度x射线和/或γ射线放射线图像的方法，其包括：
通过激光康普顿源提供低发散度、准单能的x射线或γ射线输出；
利用x射线和/或γ射线光学器件通过所述输出产生会聚或准直的x射线或γ射线光束；
将对象定位在所述光束的路径内以产生输出光束；
设置针孔，其孔眼位于所述输出光束的焦点位置处，以产生受孔眼限制的光束；以及
记录所述受孔眼限制的光束的图像。
58.一种用于产生受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响的高对比度x射线和/或γ射线的放射线图像的设备，其包括：
激光康普顿源，其用于提供低发散度、准单能的x射线或γ射线输出；
x射线和/或γ射线光学器件，其用于通过所述输出产生会聚或准直的x射线或γ射线光束；
针孔，其孔眼位于所述会聚或准直的x射线或γ射线光束的焦点位置处，以产生受孔眼限制的光束；以及
用于记录所述受孔眼限制的光束的图像的装置。
已经出于说明和描述的目的给出本发明的前述说明，并且并不应认为是穷尽的或将本发明限制于所公开的确切形式。根据以上教导，许多修改和变化是可能的。所公开的实施方式仅意在说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够以各种实施方式以及适于预期的特定用途的各种修改来最好地使用本发明。本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (66)
1.一种方法，包括：
提供x射线或γ射线的输出光束；
引导所述输出光束穿过至少一个x射线和/或γ射线光学器件，以产生指向焦点的会聚光束；
将对象定位在所述输出光束或所述会聚光束的路径内，以产生指向所述焦点的改变光束；
设置具有位于所述改变光束的所述焦点处的开口的元件，其中所述改变光束的至少一部分穿过所述开口和所述焦点以产生发散光束；以及
使用探测器探测所述发散光束中的所述对象的倒置阴影图并且记录所述对象的所述倒置阴影图，
其中，所述输出光束是通过激光康普顿源提供的准单能的x射线或γ射线的输出光束。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个折射x射线透镜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个复合x射线光学器件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对象定位在所述会聚光束的路径内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个准直光学器件，其后方是至少一个聚焦光学器件，其中所述输出光束首先通过所述至少一个准直光学器件进行准直并且之后通过所述至少一个聚焦光学器件进行聚焦，以产生所述会聚光束。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述对象定位在所述至少一个准直光学器件和所述至少一个聚焦光学器件之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，定位所述对象的步骤包括：
将所述对象定位在所述会聚光束的路径内，其中所述对象包括感兴趣的特征，其小于所述会聚光束的横向尺寸，使得所述会聚光束完全覆盖所述感兴趣的特征。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，定位所述对象的步骤包括：
将所述对象定位在所述会聚光束的路径内，其中所述对象包括感兴趣的特征，其大于所述会聚光束的横向尺寸，使得所述会聚光束不完全覆盖所述感兴趣的特征。
9.根据权利要求8所述的方法，其还包括相对于所述会聚光束的位置扫描所述对象。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，探测所述发散光束的步骤包括在扫描所述对象的步骤期间收集所述发散光束的多个倒置阴影图。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个倒置阴影图总体提供所述感兴趣的特征的完整的倒置阴影图。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，通过在所述会聚光束的位置和所述开口的位置相对于彼此固定的情况下相对于彼此扫描所述对象和所述会聚光束来获得所述感兴趣的特征的完整的倒置阴影图。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述元件包括x射线或γ射线高衰减材料。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口包括从针孔和狭缝构成的组合中选择的形状。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口包括锥形孔。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述锥形孔与所述焦点处和所述焦点周围的所述输出光束的会聚和/或发散相匹配。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口包括的直径类似于x射线或γ射线在所述开口处的焦斑。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，定位所述对象的步骤包括通过所述对象产生散射辐射和自发射，其中来自所述对象的不穿过所述开口的所有散射辐射和/或自发射被剔除并且不被探测。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述元件由高衰减材料构成并且被构造为具有足够的厚度，以阻挡不穿过所述开口的任何x射线或γ射线。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，探测所述发散光束的步骤是利用二维的x射线探测器系统执行的。
21.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述输出光束调谐为刚好高于所述对象内的特定原子种类的特定内壳电离阈值，以增强所述倒置阴影图的对比度和/或实现所述对象内的元件材料识别。
22.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述输出光束调谐到所述对象内的特定原子种类的核共振荧光跃迁，以增强对比度和/或实现所述对象内的同位素材料识别。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，使用选通探测器系统执行探测所述发散光束的步骤，所述方法还包括对所述探测器系统进行选通，使得其仅在所述发散光束的弹道倒置阴影图形成光子到达期间才开启，从而进一步区分背景辐射和散射辐射。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括空间变化的结构，使得入射到所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件上的所述输出光束的能量较低并且角度较大的激光康普顿光子与所述输出光束的能量较高的同轴激光康普顿光子聚集到相同光斑且有相同光斑尺寸。
25.根据权利要求1的所述方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件的色差与所述激光康普顿源的光谱角度相关性相匹配。
26.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件仅在一个维度上引导所述输出光束在所述焦点处形成焦斑，并使所述输出光束根据激光康普顿物理过程在另一个维度上发散，并且其中所述开口是在聚焦维度上与所述输出光束的焦斑尺寸相匹配的狭缝。
27.根据权利要求26所述的方法，其还包括对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别。
28.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括相对于彼此成90度定向并且聚焦到不同位置的两个一维复合x射线光学器件，其中所述两个一维复合x射线光学器件中的一个产生所述输出光束的一个维度的扇形光束并且另一个产生所述输出光束的线聚焦，其中在所述线聚焦处设置有狭缝以减少背景辐射。
29.根据权利要求28所述的方法，其还包括对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别。
30.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括第一一维复合x射线光学器件和相对于所述第一一维复合x射线光学器件成90度定向的第二一维复合x射线光学器件，其中所述输出光束通过所述第一一维复合x射线光学器件在一个维度上进行准直，然后通过所述第二一维复合x射线光学器件在另一个维度上进行聚焦，其中在所述焦点处设置狭缝以减少背景辐射。
31.根据权利要求30所述的方法，其还包括对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别。
32.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对硅进行光刻形成所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件。
33.根据权利要求1所述的方法，其中，x射线或γ射线的所述输出光束是x射线输出光束，并且其中所述x射线和/或γ射线光学器件是x射线光学器件。
34.根据权利要求1所述的方法，其中，x射线或γ射线的所述输出光束是γ射线输出光束，并且其中所述x射线和/或γ射线光学器件是γ射线光学器件。
35.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述对象定位在所述输出光束或所述会聚光束的路径内的步骤包括：将所述对象定位在所述输出光束的路径内。
36.根据权利要求1所述的方法，其还包括记录所述发散光束。
37.一种设备，包括：
用于提供x射线或γ射线的输出光束的源；
至少一个x射线和/或γ射线光学器件，其用于通过所述输出光束产生指向焦点的会聚光束，其中定位在所述输出光束或所述会聚光束的路径内的对象产生指向所述焦点的改变光束；
具有位于所述改变光束的所述焦点处的开口的元件，其中至少一部分所述改变光束穿过所述开口和所述焦点以产生发散光束；
被定位成用于探测所述发散光束中的所述对象的倒置阴影图的探测器；以及
用于记录所述对象的所述倒置阴影图的装置，
其中，所述源是激光康普顿源，并且其中所述输出光束是通过所述激光康普顿源提供的准单能的x射线或γ射线的输出光束。
38.根据权利要求37所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个折射x射线透镜。
39.根据权利要求37所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个复合x射线光学器件。
40.根据权利要求37所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括至少一个准直光学器件，其后方是至少一个聚焦光学器件，其中所述输出光束首先通过所述至少一个准直光学器件进行准直并且之后通过所述至少一个聚焦光学器件进行聚焦，以产生所述会聚光束。
41.根据权利要求37所述的设备，其还包括用于相对于所述会聚光束的位置扫描所述对象的装置。
42.根据权利要求37所述的设备，其中，所述元件包括x射线或γ射线高衰减材料。
43.根据权利要求37所述的设备，其中，所述开口包括从针孔和狭缝构成的组合中选择的形状。
44.根据权利要求37所述的设备，其中，所述开口包括锥形孔。
45.根据权利要求44所述的设备，其中，所述锥形孔与所述焦点处及所述焦点周围的所述输出光束的会聚和/或发散相匹配。
46.根据权利要求37所述的设备，其中，所述开口包括的直径类似于x射线或γ射线在所述开口处的焦斑。
47.根据权利要求37所述的设备，其中，所述元件由高衰减材料构成并且被构造为具有足够的厚度，以阻挡不穿过所述开口的任何x射线或γ射线。
48.根据权利要求37所述的设备，其中，所述探测器包括二维x射线探测器系统。
49.根据权利要求37所述的设备，其还包括用于将所述输出光束调谐为刚好高于所述对象内的特定原子种类的特定内壳电离阈值的装置，以增强所述倒置阴影图的对比度和/或实现所述对象内的元件材料识别。
50.根据权利要求37所述的设备，其还包括用于将所述输出光束调谐到所述对象内的特定原子种类的核共振荧光跃迁的装置，以增强对比度和/或实现所述对象内的同位素材料识别。
51.根据权利要求37所述的设备，其中，所述探测器包括选通探测器系统，其被构造为对所述探测器系统进行选通，使得其仅在所述发散光束的弹道倒置阴影图形成光子到达期间才开启，从而进一步区分背景辐射和散射辐射。
52.根据权利要求37所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括空间变化的结构，使得入射到所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件上的所述输出光束的能量较低并且角度较大的激光康普顿光子与所述输出光束的能量较高的同轴激光康普顿光子聚集到相同光斑且有相同光斑尺寸。
53.根据权利要求37所述的设备，其还包括用于使所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件的色差与所述激光康普顿源的光谱角度相关性相匹配的装置。
54.根据权利要求37所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件被构造为仅在一个维度上引导所述输出光束引导在所述焦点处形成焦斑，并使所述输出光束根据激光康普顿物理过程在另一个维度上发散，并且其中所述开口是在聚焦维度上与所述输出光束的焦斑大小相匹配的狭缝。
55.根据权利要求54所述的设备，其还包括用于对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别的装置。
56.根据权利要求37所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括相对于彼此成90度定向并且聚焦到不同位置的两个一维复合x射线光学器件，其中所述两个一维复合x射线光学器件中的一个产生所述输出光束的一个维度的扇形光束并且另一个产生所述输出光束的线聚焦，其中在所述线聚焦处设置有狭缝以减少背景辐射。
57.根据权利要求56所述的设备，其还包括用于对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别的装置。
58.根据权利要求37所述的设备，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件包括第一一维复合x射线光学器件和相对于所述第一一维复合x射线光学器件成90度定向的第二一维复合x射线光学器件，其中所述输出光束通过所述第一一维复合x射线光学器件在一个维度上进行准直，然后通过所述第二一维复合x射线光学器件在另一个维度上进行聚焦，其中在所述焦点处设置狭缝以减少背景辐射。
59.根据权利要求58所述的设备，其还包括用于对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别的装置。
60.根据权利要求37所述的设备，其中，通过对硅进行光刻形成所述至少一个x射线和/或γ射线光学器件。
61.根据权利要求37所述的设备，其中，所述源是用于提供x射线的输出光束的源。
62.根据权利要求37所述的设备，其中，所述源是用于提供γ射线的输出光束的源。
63.根据权利要求37所述的设备，其中，所述对象定位在所述输出光束的路径内。
64.根据权利要求37所述的设备，其中，所述对象定位在所述会聚光束的路径内。
65.一种方法，包括：
设置激光康普顿源；
通过所述激光康普顿源提供x射线或γ射线的第一光束；
引导所述第一光束穿过至少一个x射线和/或γ射线光学器件，以产生指向焦点的会聚光束；
将对象定位在所述第一光束或所述会聚光束的路径内，以产生指向所述焦点的第二光束；
设置元件，其具有位于所述焦点处的开口，其中所述第二光束的至少一部分穿过所述开口和所述焦点以产生发散光束；
使用探测器探测所述发散光束中的所述对象的倒置阴影图并且记录所述对象的所述倒置阴影图。
66.一种方法，包括：
设置激光康普顿源；
通过所述激光康普顿源提供x射线或γ射线的第一光束；
引导所述第一光束穿过至少一个x射线和/或γ射线光学器件，以产生指向焦点的会聚光束，其中所述x射线和/或γ射线光学器件通过对硅进行光刻而形成；
将对象定位在所述第一光束或所述会聚光束的路径内，以产生指向所述焦点的第二光束；
设置具有位于所述焦点处的开口的元件，其中所述第二光束的至少一部分穿过所述开口和所述焦点以产生发散光束；以及
使用探测器探测所述发散光束中的所述对象的倒置阴影图并且记录所述对象的所述倒置阴影图。
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