CN1527048A - X射线诱导光电子相衬成像装置 - Google Patents

Abstract

一种X射线诱导光电子相衬成像装置，它包含X射线源，其特征在于沿X射线前进方向依次是待测样品、光电子转换器、加速阳极、电磁放大透镜组、CCD，该CCD的输出连计算机，光电子转换器位于待测样品之后，与待测样品的距离Z₂为：Z₂=0.49Z₁/(λU²Z₁-0.49)式中：λ－X射线波长，U－物体空间频率，Z₁－待测样品和X射线源的距离。所述的光电子转换器、加速阳极、电磁放大透镜组和CCD都装在一真空系统之内。本发明既具有硬X射线高穿透性能，又兼备了光电子能有效放大的特性，可实时地、快速地观察自然活体状态下生物体、各种材料的位相分布。

Description

X射线诱导光电子相衬成像装置

技术领域：

本发明是关于X射线相衬成像装置，特别是涉及一种X射线诱导光电子相衬成像装置。

背景技术：

X射线用于成像已有100年的历史，已成为医学、生物学及材料科学中不可缺少的诊断工具。早期的X射线成像技术，是根据样品的密度分布差异、组成以及厚度的不同，来获得像的衬度。但在硬X射线范围，诸如生物体软组织、聚合物及碳纤维等以轻元素为主的物体吸收极小，产生的对比度也很小。对于这类弱吸收物体，硬X射线的位相移动却很大。近年来，随着高亮度同步辐射光源及X射线激光的迅猛发展，位相衬度成像已经成为国际上成像领域的一个研究热点，在医学诊断、生物和材料研究等领域有显著的优越性，极具推广应用的潜力。

当X射线穿透物质时，它的位相变化给出了产生位相衬度的可能性。目前世界上几个研究小组探讨新的X射线成像方法，主要可分为三类：干涉法、衍射法及类同轴全息成像法分别对和²进行测量。其中，Wilkins等人给出的一种非常简单的、基于菲涅尔衍射的X射线相位成像方法特别引人注意，它实质上就是X射线同轴盖柏全息的记录，亦称之为X射线相位直接成像(参见在先技术：S.W.Wilkins，T.E.Gureyev，D.Gao et al.，Nature，1996，384，335-338)。

我们知道，当光波通过物体时，要产生散射和吸收，在离样品适当距离将获得清晰的样品吸收衬度像，这是常规显微和层析的成像基础。

从X射线光学，我们已经知道：X射线的折射率n_x＝1-δ，δ＝r₀λ²N_atf/2π，式中，λ为X射线波长，r₀为经典电子半径，N_at为单位体积内原子数密度，f为原子散射因子。尽管1-δ和1的差值只有10^-5，但当使用非常小的λ值时，即使是不太大的厚度或密度的变化，也可能产生相当大的位相畸变。如果采用相干光或部分相干光通过物体时，除了吸收以外，还要产生位相变化，即发生波前的畸变。这种波面畸变导致部分波面的传播方向发生变化，使波面重叠而形成干涉，这样，位相变化转化成强度变化，这是相衬成像的物理基础，也是相衬层析的物理基础，更为重要的是，这种图像不经任何重构技术，可直接获得位相变化图像。

在标量近似的前提下，对样品的光学复传递函数F有

w(x，y)＝F(x，y)w(x，y)             (1)

其中，w和w₀分别表示通过薄样品前后在物平面上点(x，y)处的单色场。包含有折射率实部和虚部的传递函数F可表示为

F(x，y)＝M(x，y)e^l(x，y)        (2)

其中，M代表吸收，而表示相位变化

$M(x,y)=\exp (-\frac{1}{2}\∫\mathrm{\μ}(x,y,z)\mathrm{dz})---\left(3\right)$

μ为线性吸收系数，且n为折射率的实部。上两式中的积分路径均沿光束的传播方向z。

通常折射率与1相差很小(在10^-5量级)。对于成像过程可以用两种方法分析：一是将光波穿过样品之后的传播看作球面波，用菲涅尔—基尔霍夫积分方法分析；一是将入射光平面波传播穿过样品视为通过一滤波器，其后的空间传播都采用傅立叶光学的方法分析。

以一维情况下的单色波exp{-ikz}为例(不失一般性)，考虑一弱吸收的位相物体，我们可以得到方程

$I\left(x\right)\≈1-\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{\π}}{r}_{e}z{\mathrm{\ρ}}^n\left(x\right)$

在一个特定的物—像平面距离有

I(x)＝1-2r_eλρ_e(x)

在傍轴近似条件下，相位本身出现在光强分布的表达式中，从上式还可以看到，波长λ以一个一次因子出现在第二项中，其对成像的影响很小，也就是说，相衬成像对时间相干性的要求不是很高，这就提供了采用微聚焦X射线管进行成像的可能。当然采用单色性好的同步辐射源，将能获得清晰度较高的图像。

这种硬X射线相衬成像分辨率常常受记录介质分辨率的影响，分辨率为10μm的量级。

发明内容：

本发明针对上述在先技术中所存在的缺点，提出一种新的装置，即X射线诱导光电子相衬成像装置。

当硬X射线穿透样品以后，如果将探测器直接放在样品后面，记录的是一张基于吸收衬度机制的X射线投影图。如果探测器和样品距离满足以下公式时：

$Z_2=\frac{0.49Z_1}{\mathrm{\λ}{U}^2{Z}_1-0.49}$

就可以获得物体的位相衬度像，式中：λ是X射线波长，U是物体空间频率，Z₁是待测样品和X射线源的距离。

特别要指出的是，这种相衬像反映的是物体折射率发生突变的地方。

具体地说，本发明的技术解决方案是：

一种X射线诱导光电子相衬成像装置，它包含X射线源，其特征在于沿x射线前进方向依次是待测样品、光电子转换器、加速阳极、电磁放大透镜组、CCD，该CCD的输出连计算机，而光电子转换器位于待测样品之后，与待测样品的距离Z₂为：

$Z_2=\frac{0.49}{\mathrm{\λ}{U}^2{Z}_1-0.49}$

式中：λ-X射线波长，

      U-物体空间频率，

      Z₁-待测样品和X射线源的距离。

所述的光电子转换器、加速阳极、电磁放大透镜组和CCD都装在一真空系统之内。

所述的X射线源是一台微聚焦的X射线管或者是一个同步辐射源。

所述的待测样品是安放在一具有上下、前后调节功能的样品平台的。

所述的光电子转换器，它能将硬X射线转换成电子，例如光阴极。

本发明的X射线诱导光电子相衬成像装置，与在先技术相比，它既有硬X射线穿透能力很强的优势，又具有光电子能被高倍放大的功能，能高分辨率地观察到样品中折射率突变部分的细节。

附图说明：

图1为本发明X射线诱导光电子相衬成像装置的结构框图。

具体实施方式

本发明的X射线诱导光电子相衬成像装置的结构如图1所示。它包含8个部分：X射线源1，样品台2，光电子转换器3，加速阳极4，电磁放大透镜组5，CCD6，计算机7，真空系统8。

所说的X射线源1是一台微聚焦的X射线管或者是一个同步辐射源。

所说的待测样品2放置一样品平台上，该样品平台具有上下、前后调节功能。

所说的光电子转换器3，它能将硬X射线转换成电子，例如光阴极。光阴极的材料通常有三类：(1)金属类，主要有金、铜、镁、钽等，其特性是阈值功率高，量子效率低，由于大部分入射光能转换成热能，对高重复率运转的光阴极需要冷却；优点是容易制备，使用寿命长，对真空度要求低，一般为10^-5～10^-8。(2)金属化合物及合金，典型的有LaB₆，有较高的量子效率，对紫外波段有较高的灵敏度，对真空度要求也低。(3)半导体光阴极。主要是多碱锑化物材料。如：Cs₃Sb，CsK₂Sb和GaAs等。半导体光阴极的量子效率最高，可达2～8％；阈值功较低，可以获得较高的电流密度。唯一的缺点是寿命短，只有几十个小时。(参见文献：陈建文、欧阳斌、王之江，强激光技术进展，1992年，第3辑，1-5)。

实际中必须根据X射线光子的波长、所需光阴极的阈值功及量子效率等各方面的综合性能，从三类材料中作出选择。这里我们选择使用寿命长的金属作光阴极。

所说的加速阳极4，它能将光电子加速。

所说的电磁放大透镜组5，它用来将加速电子进行放大。

所说的CCD6，是用来记录放大了的含有物体位相信息的图像。

所说的计算机7，是用来显示CCD6接收到由样品产生的位相衬度的图像。

所说的真空系统8，是用来给光电子有一个正常运行的环境。

当硬X射线1和置于样品台上的样品相互作用，并传播到Z₂距离之后，此时的X射线强度分布中含有位相信息，即包含的是相衬图像，在这一位置放有光电转换器3，即相衬图像变成电子相衬图像，由于电子能被加速阳极4和电磁放大透镜组5放大，并被CCD6和计算机7接受和显示，图像可以放大到100万倍，能观察到很微小的细节。

本发明的硬X射线诱导光电子相衬成像装置，既具有硬X射线高穿透性能，又兼备了光电子能有效方大的特性，可以实时地、快速地观察自然活体状态下生物体、各种材料的位相分布，特别是折射率发生突变部分，是通常基于吸收机制X射线投影成像以及电子显微成像所不能完成的工作，对于人体各种病变以及早期癌症诊断方面将有潜在的巨大的用途！

Claims (5)

1、一种X射线诱导光电子相衬成像装置，它包含X射线源(1)，其特征在于沿x射线前进方向依次是待测样品(2)、光电子转换器(3)、加速阳极(4)、电磁放大透镜组(5)、CCD(6)，该CCD(6)的输出连计算机(7)，而光电子转换器(3)位于待测样品(2)之后，与待测样品(2)的距离Z₂为：

$Z_2=\frac{0.49Z_1}{\mathrm{\λ}{U}^2{Z}_1-0.49}$

式中：λ-X射线波长，

      U-物体空间频率，

      Z₁-待测样品(2)和X射线源(1)的距离。

2、根据权利要求1所述的X射线诱导光电子相衬成像装置，其特征在于所述的光电子转换器(3)、加速阳极(4)、电磁放大透镜组(5)和CCD(6)都装在一真空系统(8)之内。

3、根据权利要求1所述的X射线诱导光电子相衬成像装置，其特征在于所述的X射线源(1)是一台微聚焦的X射线管或者是一个同步辐射源。

4、根据权利要求1所述的X射线诱导光电子相衬成像装置，其特征在于所述的待测样品(2)是安放在一具有上下、前后调节功能的样品平台上的。

5、根据权利要求1所述的X射线诱导光电子相衬成像装置，其特征在于所述的光电子转换器(3)能将硬X射线转换成电子，例如光阴极。