CN111721786B - 一种x射线干涉仪及成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种X射线干涉仪及成像系统。其中X射线干涉仪包括沿光轴方向依次排列的X射线出射单元、第一相位光栅、第二相位光栅以及X射线探测单元；其中第一相位光栅与第二相位光栅的周期不同。本发明实施例的技术方案，可以实现更加丰富的系统成像几何，从而克服现有对称双相位光栅成像系统成像几何受限的问题。

Description

一种X射线干涉仪及成像系统
技术领域
本发明实施例涉及X射线成像技术，尤其涉及一种X射线干涉仪及成像系统。
背景技术
X射线光栅相衬成像技术是一种基于光栅干涉效应实现相位衬度成像的方法。从成像装置角度来说，X射线光栅相衬成像技术除了包含必要的X光源、X射线探测器、机械装置外，通常还包括由X射线吸收或者相位光栅组成的干涉仪系统。该干涉仪系统一般包含至少一个光栅，目前研究较多的干涉仪系统是Talbot-Lau光栅干涉仪，它包括三个光栅：两个吸收光栅和一个相位光栅。靠近光源的吸收光栅也被叫做源光栅，用于把从常规X光源发射出来的没有相干特性的X光转换成具有一定相干特性的X光。接着，这些相干X光照射到相位光栅上，通过干涉效应在光栅后面特定的距离处产生干涉条纹。最后，这些干涉条纹与第二个吸收光栅(也叫分析光栅)产生莫尔效应，生成周期远远大于干涉条纹周期的莫尔条纹。由于最终的莫尔条纹周期较大，因此可以被常规商用X射线探测器探测。
虽然Talbot-Lau光栅干涉仪的研究较为广泛，但是在其实际应用过程中仍然有一个问题尚未解决，那就是系统的辐射剂量利用效率。这主要是因为那个靠近探测器的吸收光栅造成的。尽管该吸收光栅在增大莫尔条纹周期方面十分重要，但是它同样也吸收了将近一半的X光子。因为这些X光已经穿过了物体，并且携带了大量有用的物体信息，因此任何光子数目的损失都会降低对X光的利用效率，从而影响整个系统的辐射剂量利用效率。
为了克服光子数目大量减少的困难，可以使用两个周期相同纯相位光栅组成的X射线干涉仪来实现X射线相位衬度成像。相比Talbot-Lau干涉仪系统，相位光栅组成的干涉仪无需使用额外的分析光栅就可以自动生成周期较大的干涉条纹，因此对于大幅度提高X射线的利用效率具有十分重要的好处。现有的基于两个纯相位光栅组成的实验用X射线干涉仪，其使用的相位光栅具有相同的周期。当两个光栅的周期相同时，系统的成像几何是对称的。换言之，从光源到第一个相位光栅的距离等于第二个相位光栅到探测器的距离。
目前，基于两个纯相位光栅组成的实验用X射线干涉仪，其使用的相位光栅具有相同的周期。显然，这种对称的成像几何对于某些成像需求是不太合适的。例如，小动物显微相衬成像等。在这类实际应用场景中，往往需要较大的几何放大比，因此需要适当增大第二个相位光栅到探测器的距离，同时减少光源到第一个相位光栅的距离。但是，对称式的相位光栅干涉仪系统很难实现这样的成像任务要求。
发明内容
本发明实施例提供一种X射线干涉仪及成像系统，可以实现更加丰富的系统成像几何，从而克服现有对称双相位光栅成像系统成像几何受限的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种X射线干涉仪，包括沿光轴方向依次排列的X射线出射单元、第一相位光栅、第二相位光栅以及X射线探测单元；
其中所述第一相位光栅与所述第二相位光栅的周期不同。
可选的，所述X射线出射单元包括相干X光源；
所述相干X光源用于出射相干的第一光斑的X射线。
可选的，所述第一相位光栅的周期p1、第二相位光栅的周期p2满足：
Figure SMS_1
其中，d1表示光轴方向上所述相干X光源与所述第一相位光栅之间的距离，d2表示所述第一相位光栅与所述第二相位光栅之间的距离，d3表示所述第二相位光栅与所述X射线探测单元之间的距离。
可选的，所述第一光斑为高斯光斑，所述高斯光斑的半高全宽小于10μm。
可选的，所述X射线出射单元包括非相干X光源和位于所述非相干X光源出光侧的源光栅；
所述非相干X光源用于出射非相干的X射线；
所述源光栅用于将所述非相干X光源出射的X射线转换为多个相干的第二光斑。
可选的，所述源光栅的周期p0满足：
Figure SMS_2
其中，d1表示所述源光栅与所述第一相位光栅之间的距离，d2表示所述第一相位光栅与所述第二相位光栅之间的距离，d3表示所述第二相位光栅与所述X射线探测单元之间的距离，p1表示所述第一相位光栅的周期，p2表示所述第二相位光栅的周期。
可选的，所述第二光斑为高斯光斑，所述高斯光斑的半高全宽小于10μm。
可选的，所述源光栅的周期范围为20μm～30μm。
可选的，所述第一相位光栅与所述第二相位光栅之间的距离小于5cm。
第二方面，本发明实施例还提供一种X射线干涉成像系统，包括上述任意一种X射线干涉仪。
本发明实施例提供的X射线干涉仪，包括沿光轴方向依次排列的X射线出射单元、第一相位光栅、第二相位光栅以及X射线探测单元；其中第一相位光栅与第二相位光栅的周期不同。通过X射线出射单元出射具有相干性的X射线，X射线通过第一相位光栅后由于干涉效应在光栅后面特定的距离处产生干涉条纹，这些干涉条纹与第二相位光栅产生莫尔效应，通过X射线探测单元探测第二相位光栅产生的莫尔条纹。通过设置第一相位光栅与第二相位光栅的周期不同，可以实现不同的成像几何，从而克服现有对称双相位光栅成像系统成像几何受限的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种X射线干涉仪的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种X射线干涉仪的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的又一种X射线干涉仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的中的具体含义。
图1所示为本发明实施例提供的一种X射线干涉仪的结构示意图。参考图1，本发明实施例提供的X射线干涉仪包括沿光轴方向依次排列的X射线出射单元10、第一相位光栅20、第二相位光栅30以及X射线探测单元40；其中第一相位光栅20与第二相位光栅30的周期不同。
其中，X射线出射单元10用于出射具有相干性的X射线平行光束，可以通过电子束轰击靶材产生，也可以通过自由电子激光装置产生，具体实施时，X射线的波长、强度等可以根据实际应用场景具体设置，本发明实施例对此不作限定。X射线探测单元40包括与X射线出射单元10出射的X射线波长相匹配的光电探测器，可以将接收到的X光信号转换为电信号，用于成像系统时可以对X射线探测单元40接收到的电信号进行处理，输出成像结果。示例性的，成像系统一般有角度放大特性(系统灵敏度)，这样的成像几何同样也有益于增大系统的灵敏度，在这类实际应用场景中，往往需要较大的几何放大比，可以设置第一相位光栅20的周期小于第二相位光栅30的周期，以适当增大第二相位光栅30到X射线探测单元40的距离，同时减少X射线出射单元10到第一相位光栅20的距离。可以理解的是，在某些应用场景中，还可以设置第一相位光栅20的周期小于第二相位光栅30的周期，以使X射线出射单元10到第一相位光栅20的距离大于第二相位光栅30到X射线探测单元40的距离。
本实施例的技术方案，通过X射线出射单元出射具有相干性的X射线，X射线通过第一相位光栅后由于干涉效应在光栅后面特定的距离处产生干涉条纹，这些干涉条纹与第二相位光栅产生莫尔效应，通过X射线探测单元探测第二相位光栅产生的莫尔条纹。通过设置第一相位光栅与第二相位光栅的周期不同，可以实现不同的成像几何，从而克服现有对称双相位光栅成像系统成像几何受限的问题。
在上述技术方案的基础上，图2所示为本发明实施例提供的另一种X射线干涉仪的结构示意图。参考图2，可选的，X射线出射单元10包括相干X光源11；相干X光源11用于出射相干的第一光斑的X射线。
可以理解的是，具体实施时，相干X光源可以是微焦斑光源，此时光源本身产生的X射线即具有足够的相干性，满足在有限距离内产生干涉条纹的要求。通过第一相位光栅20作为光波波前的编码器，改变原有X光场的分布，通过第二相位光栅30后产生最后的干涉条纹。本实施例可以用于较小成像物体的成像。可选的，第一光斑为高斯光斑，高斯光斑的半高全宽小于10μm。
可选的，第一相位光栅20的周期p1、第二相位光栅30的周期p2满足：
Figure SMS_3
其中，d1表示光轴方向上相干X光源11与第一相位光栅20之间的距离，d2表示第一相位光栅20与第二相位光栅30的距离，d3表示第二相位光栅30与X射线探测单元40之间的距离。
可以理解的是，当光源为微焦斑X光源时，利用菲涅尔衍射的基本计算方法，推演X射线从相干X光源11位置开始传播到X射线探测单元40位置的光强分布，可以得出公式(1)，如果给定其中一个光栅的周期，同时给定d1、d2和d3，就可以由公式(1)计算出另一个光栅的周期，从而实现在给定系统几何的前提条件下能够精确计算出所需相位光栅的周期大小，同时能够保证获得的条纹周期满足要求，且获得较大的条纹反衬度，克服现有对称双相位光栅成像系统成像几何受限的问题。
图3为本发明实施例提供的又一种X射线干涉仪的结构示意图。参考图3，可选的，X射线出射单元10包括非相干X光源12和位于非相干X光源12出光侧的源光栅13；非相干X光源12用于出射非相干的X射线；源光栅13用于将非相干X光源12出射的X射线转换为多个相干的第二光斑。
可以理解的是，对于较大物体的成像，由于微焦斑光源的光斑和功率较小，可能不能满足较大物体的成像需求，可以选用常规X光源和源光栅形成X射线出射单元。由于常规X光源的焦斑尺寸较大，因此此时光源本身产生的X射线不具备足够的相干性，不满足在有限距离内产生干涉条纹的要求。但是，相比微焦斑光源，常规X光源的优势是具有较大的输出功率，可以满足对较大物体的成像需求。为了提高X射线的相干性，可以在常规X光源前增加一个类似Talbot-Lau干涉仪系统中使用的源光栅。该源光栅是一个吸收光栅，可以部分的遮挡住X射线，将非相干的X射线转换为多个相干的第二光斑。由于源光栅的开孔较小，因此每个第二焦斑可以看作一个微焦斑，每一个微焦斑都具有较高的相干性，可以保证产生所需的干涉条纹。可选的，第二光斑为高斯光斑，高斯光斑的半高全宽小于10μm。
可选的，源光栅13的周期p0满足：
Figure SMS_4
其中，d1表示源光栅13与第一相位光栅20之间的距离，d2表示第一相位光栅20与第二相位光栅30的距离，d3表示第二相位光栅30与X射线探测单元40之间的距离，p1表示第一相位光栅20的周期，p2表示第二相位光栅30的周期。
可以理解的是，当每个第二光斑为微焦斑时，利用菲涅尔衍射的基本计算方法，推演X射线从源光栅13位置开始传播到X射线探测单元40位置的光强分布，可以得出公式(2)，如果给定表示第一相位光栅20的周期p1、第二相位光栅的周期p2，同时给定d1、d2和d3，就可以由公式(2)计算出源光栅13的周期p0，从而实现在给定系统几何的前提条件下能够精确计算出所需相位光栅的周期大小，同时能够保证获得的条纹周期满足要求，且获得较大的条纹反衬度，克服现有对称双相位光栅成像系统成像几何受限的问题。
可选的，源光栅13的周期范围为20μm～30μm。
在本实施例中，设置源光栅13的周期范围为20μm～30μm，开孔设置为10μm左右，可以把一个大尺寸的焦斑分解成为众多尺寸很小的微焦斑，每一个微焦斑都具有较高的相干性，可以保证产生所需的干涉条纹。
可选的，参考图2和图3，第一相位光栅20与第二相位光栅30的距离d2小于5cm。
可以理解的是，一般X射线干涉仪沿光轴方向的尺寸为几十厘米，为了获取较大周期的干涉条纹，通常要求d2比较小，在本实施例中，设置d2<5cm，以满足实际应用需求。
本发明实施例还提供一种X射线干涉成像系统，包括上述实施例提供的任意一种X射线干涉仪。
由于本发明实施例提供的X射线干涉成像系统包括上述实施例提供的任意一种X射线干涉仪，具备X射线干涉仪相同或相应的有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种X射线干涉仪，其特征在于，包括沿光轴方向依次排列的X射线出射单元、第一相位光栅、第二相位光栅以及X射线探测单元；
其中所述第一相位光栅与所述第二相位光栅的周期不同；
所述X射线出射单元包括相干X光源；
所述相干X光源用于出射相干的第一光斑的X射线；
所述第一相位光栅的周期p1、第二相位光栅的周期p2满足：
Figure FDA0004055135430000011
其中，d1表示光轴方向上所述相干X光源与所述第一相位光栅之间的距离，d2表示所述第一相位光栅与所述第二相位光栅之间的距离，d3表示所述第二相位光栅与所述X射线探测单元之间的距离。
2.根据权利要求1所述的X射线干涉仪，其特征在于，所述第一光斑为高斯光斑，所述高斯光斑的半高全宽小于10μm。
3.一种X射线干涉仪，其特征在于，包括沿光轴方向依次排列的X射线出射单元、第一相位光栅、第二相位光栅以及X射线探测单元；
其中所述第一相位光栅与所述第二相位光栅的周期不同；所述X射线出射单元包括非相干X光源和位于所述非相干X光源出光侧的源光栅；
所述非相干X光源用于出射非相干的X射线；
所述源光栅用于将所述非相干X光源出射的X射线转换为多个相干的第二光斑；
所述源光栅的周期p0满足：
Figure FDA0004055135430000012
其中，d1表示所述源光栅与所述第一相位光栅之间的距离，d2表示所述第一相位光栅与所述第二相位光栅之间的距离，d3表示所述第二相位光栅与所述X射线探测单元之间的距离，p1表示所述第一相位光栅的周期，p2表示所述第二相位光栅的周期。
4.根据权利要求3所述的X射线干涉仪，其特征在于，所述第二光斑为高斯光斑，所述高斯光斑的半高全宽小于10μm。
5.根据权利要求3所述的X射线干涉仪，其特征在于，所述源光栅的周期范围为20μm～30μm。
6.根据权利要求1或3所述的X射线干涉仪，其特征在于，所述第一相位光栅与所述第二相位光栅的之间距离小于5cm。
7.一种X射线干涉成像系统，其特征在于，包括权利要求1～6任一所述的X射线干涉仪。
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