CN209894730U - X射线双相位光栅相衬成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种X射线双相位光栅相衬成像系统，包括沿X射线发射方向依次设置的X射线管、源光栅G₀、相位光栅和X射线探测器，所述相位光栅包括间隔设置第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁，所述第一相位光栅G₁、第二相位光栅G′₁位于源光栅G₀和X射线探测器之间，在第一相位光栅G₁后形成自成像次级源G₂；所述X射线管发出的X射线、源光栅G₀与第一相位光栅G₁组成一个泰伯劳系统；所述自成像次级源G₂与第二相位光栅G′₁组成逆泰伯劳系统。本实用新型的系统能够降低光栅相衬成像系统的实现难度。

Description

X射线双相位光栅相衬成像系统

技术领域

本实用新型涉及相衬成像系统，尤其涉及一种X射线双相位光栅相衬成像系统。

背景技术

国际上近20年众多X射线相位衬度成像技术的研究比较表明，基于泰伯劳干涉仪的相衬成像技术在摆脱对同步辐射源依赖的同时，能够提供包括吸收衬度、相位衬度和暗场像等多衬度机制的图像，反映物体的内在结构，是X 射线成像技术的重大变革，在临床上对病变早期诊断，材料科学中聚合物的表征，产业和安全的无损检验等领域具有潜在的应用价值。

2006年，F.Pfeiffer等人根据泰伯-劳原理修改泰伯干涉仪，提出利用普通 X射线源和吸收光栅构成空间相干阵列X射线源。这既解决了部分相干光照明问题，又同时提高了光源亮度，是为X射线泰伯-劳干涉仪。它使该技术摆脱了对同步辐射源的依赖，有可能进入普通实验室甚至临床，成为这一领域的研究热点。

现有的泰伯或泰伯-劳干涉仪获得以X射线相位梯度为衬度的图像。它所依赖的是干涉条纹切变量的测量。这些干涉条纹源自作为分束器的光栅(一般是相位光栅)的不同衍射束的相互干涉。当用平行光照明时，这些干涉条纹具有与分束光栅相同的周期(或一半，取决于光栅的性质)，即所谓“自成像”。锥束照明时，干涉条纹周期与分束光栅的周期满足一个投影放大的比例关系。X射线源的空间相干性的几何条件要求分束光栅的周期在几个微米范围内。这样“自成像”的周期也是几个微米的尺度(略大)。而普通的X射线图像探测器的像素在20-200微米，即，不可能直接记录这样的干涉条纹，更遑论条纹的切变量。

现有的干涉条纹和切变探测方法是引入另一个吸收光栅，对小周期的干涉条纹取样，即，形成莫尔条纹放大切变量而记录之。但大面积、高深宽比的吸收光栅的制作却一直是个技术瓶颈。而且，吸收光栅的使用降低了光子利用效率，导致图像信号信噪比恶化或曝光时间延长。很明显，不依赖吸收光栅而记录等相位线，即放大条纹周期是解决该困局的上选之道。但根据空间相干性的几何条件，直接放大条纹导致必须减小光源的发射面积。解决之道有二：制作更小狭缝的源光栅；发展发射尺度小于几个微米的结构阳极。前者更加增加了深宽比，更难以实现(虽然面积减小)；后者的实现目前看是以小的X射线光子能量(铜的特征谱)和功率容量为代价。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种X射线双相位光栅相衬成像系统，该系统能够避免小周期、高深宽比的源光栅和大面积、小周期、高深宽比吸收光栅的使用，降低光栅相衬成像系统的实现难度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种X射线双相位光栅相衬成像系统，包括沿X射线发射方向依次设置的X射线管、源光栅G₀、相位光栅和X射线探测器，所述相位光栅包括间隔设置第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁，所述第一相位光栅G₁、第二相位光栅G′₁位于源光栅G₀和X射线探测器之间，在第一相位光栅G₁后形成自成像次级源G₂；所述X射线管发出的X射线、源光栅G₀与第一相位光栅G₁组成一个泰伯劳系统；所述自成像次级源G₂、第二相位光栅G′₁组成逆泰伯劳系统。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选第一相位光栅G₁的位置与周期满足：使X射线经源光栅G₀后传播到第一相位光栅G₁处的相干长度不小于第一相位光栅G₁的周期；第二相位光栅G′₁的位置与周期满足：自成像次级源G₂传播到第二相位光栅G′₁处的相干长度不小于第二相位光栅 G′₁的周期

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述次级源G₂位于所述第一相位光栅G₁的泰伯距离处。

所述第一相位光栅G₁的泰伯距离R₂满足：

其中，p₁是第一相位光栅G₁的周期，R₁是源光栅G₀与第一相位光栅G₁之间的间距，λ是X射线的波长，k为常数，对于π/2的相位光栅，k＝1/2,3/2, 5/2,…，对于π的相位光栅，k＝1/8,3/8,5/8,…。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述第一相位光栅 G₁和第二相位光栅G′₁的周期相同；所述源光栅G₀与第一相位光栅G₁之间的间距R₁、第二相位光栅G′₁与其自成像条纹G′₂之间的间距R₂′相等；

或者所述第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁的周期不同；所述源光栅 G₀与第一相位光栅G₁之间的间距R₁、第二相位光栅G′₁与其自成像条纹G′₂之间的间距R₂′不同。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述第二相位光栅 G′₁的自成像条纹的周期为20-300微米。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述源光栅G₀为将入射光调制为相干光的吸收光栅，或者为耦合到X射线阳极靶上的源光栅G₀结构。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述源光栅G₀的周期为5-50微米，占空比为0.25-0.5；或者所述源光栅G₀的周期为1-5微米，占空比为1。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述X射线管与所述源光栅G₀的距离为0mm-100mm；所述源光栅G₀与所述第一相位光栅G₁的距离为5mm-1000mm；所述第二相位光栅G′₁与所述X射线探测器的距离为100mm-2000mm。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述第一相位光栅 G₁和第二相位光栅G′₁都各自包括交替设置的透过X光线的透过层和相位改变层。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述X射线探测器前的在第二相位光栅G′₁的泰伯距离处可设有一与自成像条纹周期G′₂相同的吸收光栅。

进一步地，X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述X射线管为发射X射线光子能量范围为8keV-70keV的X射线管。

本实用新型的X射线双相位光栅相衬成像系统，利用普通X射线源和大周期的源光栅、两个相位光栅就能够实现相衬成像，关于本实用新型设置的两个相位光栅--第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁，由于所有光栅的周期与相互之间的距离具有很大程度的联动性，本实用新型的相位光栅为双相位光栅，单从结构上来说是由两个单相位光栅相衬成像系统组合而成，分别形成泰伯劳和逆泰伯劳成像系统，其中，泰伯劳系统可以提供周期为微米级的结构光，接着，通过逆泰伯劳系统，能够获得大周期的自成像条纹。并且大周期的吸收光栅能够作为取样光栅，从而大大降低了制作大面积和高深宽比吸收光栅的难度。

为避免小尺度光源和大面积、小周期、高深宽比吸收光栅的制作，双相位光栅相衬成像系统利用普通泰伯-劳系统产生的像(干涉条纹)作为“自成像次级源”，该“自成像次级源”的周期大小的调节可通过调节泰伯-劳系统的源光栅与相位光栅的周期及它们之间的距离获得，当其周期较小时，通过第二个相位光栅，便能在较短的距离内获得周期较大的自成像条纹。若此时的条纹仍不足以被探测到，可通过加入一块大面积的吸收光栅来辅助探测，但该吸收光栅由于周期较大，故深宽比不大，制作难度不大。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例另一种实施方式的结构示意图；

图3是本实用新型实施例的结构分析示意图；

图4是本实用新型获得的莫尔条纹；

图5是本实用新型实施例的沿着水平线上的条纹对比度；

图6a-6c是相衬实验中吸收像、相衬像和暗场像。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型的一种X射线双相位光栅相衬成像系统，包括沿X射线发射方向依次设置的X射线管、源光栅G₀、相位光栅和X射线探测器，所述相位光栅包括间隔设置第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁。即具体如图1所示，从左至右为：X射线管、源光栅G₀、第一相位光栅G₁、第二相位光栅G′₁和X射线探测器。

具体地，所述第一相位光栅G₁、第二相位光栅G′₁位于源光栅G₀和X射线探测器之间，第一相位光栅G₁的位置与周期满足：使X射线经源光栅G₀后传播到第一相位光栅G₁处的相干长度不小于第一相位光栅G₁的周期，这样，在第一相位光栅G₁的泰伯距离处便形成了他的自成像，即得到自成像次级源G₂，这个自成像次级源G₂为虚源，从而照亮第二相位光栅G′₁。同理，第二相位光栅G′₁的位置与周期与虚源的周期有关，即第二相位光栅G′₁的位置与周期满足：自成像次级源G₂传播到第二相位光栅G′₁处的相干长度不小于第二相位光栅G′₁的周期。

本实用新型的成像系统的上述结构实际上就是一个泰伯劳系统和一个逆泰伯劳系统，其中，X射线管发出的X射线、源光栅G₀和第一相位光栅G₁组成一个泰伯劳系统，可以提供周期为微米级的结构光，即自成像次级源G₂。接着，通过自成像次级源G₂与第二相位光栅G′₁组成逆泰伯劳系统，最后被 X射线探测器探测。该方案能够为条纹提供足够大的放大倍率，获得大周期的自成像条纹，以便直接被X射线探测器能够分辨。

在泰伯劳系统中，劳条件可写为：

其中p₀、p₁、和p₂分别为源光栅G₀、第一相位光栅G₁和自成像次级源 G₂的周期,常数α为1或2,具体取值取决于第一相位光栅G₁为π/2光栅还是π光栅。

所述第一相位光栅G1的泰伯距离R2满足：

其中，p1是第一相位光栅G₁的周期，R1是源光栅G₀与第一相位光栅 G₁之间的间距，λ是X射线的波长，k为常数，对于π/2的相位光栅，k＝1/2, 3/2,5/2,…，对于π的相位光栅，k＝1/8,3/8,5/8,…。

从功能上来说，泰伯劳系统的源光栅G₀将入射光调制为满足成像条件的相干光，于是，在第一相位光栅G₁后会形成自成像次级源。这些自成像次级源的自成像条纹可作为后续逆泰伯劳系统的“光源”，即如图3所示，所述第一相位光栅G₁后、第二相位光栅G′₁前形成自成像次级源。

所述第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁的周期可以相同，也可以不同。优选第一相位光栅G₁的周期p₁与第二相位光栅G′₁周期p₁′相同(p₁′＝p₁)。即形成对称的泰伯劳系统和逆泰伯劳系统。选择了对称放置泰伯劳和逆泰伯劳系统，这样只需制作两种规格的光栅，而在传统泰伯劳系统需要三种规格的光栅，本实用新型减少了光栅规格种类。所述源光栅G₀与第一相位光栅 G₁之间的间距R₁、第二相位光栅G′₁与其形成的自成像条纹G′₂之间的间距 R₂′相等(R₁＝R₂′)，并且第一相位光栅G₁与形成的自成像次级源之间的间距 R₂、自成像次级源与第二相位光栅G′₁之间的间距R₁′相等(R₂＝R₁′)。

所述第二相位光栅G′₁的自成像条纹的周期为20-300微米。

以下对本实用新型具体结构进行详细说明：

X射线管选择能产生X射线能量范围在17keV～70keV、具有大辐射通量和宽发射角的X射线束。

所述源光栅G₀为将入射光调制为相干光的吸收光栅。源光栅G₀对X射线管产生的X射线有调制作用，调制后的X射线是一组平行线阵列，每条线都是一个X射线的线源。

源光栅G₀结构为：在基底上制作交替设置的透过层和吸收材料层，吸收材料层和透过层的宽度比例为2:1至4:1。面积以能够覆盖整个成像视场为宜。基底材料选择硅基底形状适配成像视场，吸收材料层选择金、铋、金锡合金等材料，透过层选择硅、光刻胶、空气等材料制成。

优选所述源光栅G₀为大周期源光栅，其所述源光栅的周期为5-50微米，占空比为0.25-0.5；例如：源光栅调制后X射线的线宽范围为5-100微米，最佳化数值范围是10-20微米；其长度范围为0.3-2mm，优化范围是 0.6-1.2mm。线发射体阵列的占空比范围为0.1-0.5，优化占空比为0.2-0.35。

进一步地，所述的X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述X射线管与所述源光栅G₀的距离为0mm-100mm；所述源光栅G₀与所述第一相位光栅G₁的距离为2mm-1000mm；所述第二相位光栅G′₁与所述X射线探测器的距离为100mm-2000mm。上述各器件位置及其尺寸可以根据实际需要进行设计和计算，只需在上述范围内任意数据即可满足本实用新型的需要，并无需特定某个数据。

所述第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁是在基底材料上覆盖一层由完全透过层和相位改变层相间隔构成的微结构。即优选所述第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁都各自包括交替设置的透过X光线的透过层和相位改变层，所述相位改变层，用硅、铝、镍、金等材料制成，完全透过层采用空气、光刻胶等材料。通过改变光栅的厚度使其中心波长对应的光子能量可在 17-70keV范围内调节，允许的X射线带宽为±20％。第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁具有衍射作用，经过源光栅G₀调制的X射线透过第一相位光栅 G₁后产生衍射，使0级衍射光能量最小，±1级衍射光能量最大，±1级衍射光相互作用产生微分干涉效果。

进一步地，所述的X射线双相位光栅相衬成像系统中，优选所述X射线探测器为平板探测器或采用间接探测X射线的方式，该X射线探测器为现有产品，在此不再赘述。

进一步地，优选所述X射线探测器前设有一吸收光栅G′₂，在第二相位光栅G′₁的泰伯距离处。当源光栅G₀与第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁具有合适的配合时，逆泰伯劳系统形成的自成像条纹周期较大，不小于X射线探测器像素尺寸的2倍时，即能被直接分辨，此时可以省去上述吸收光栅G′₂，当逆泰伯劳系统形成的自成像条纹周期小于X射线探测器尺寸的2倍时，则上述吸收光栅G′₂不能省略。即实际上，在吸收光栅G′₂的位置，若使用的X射线探测器的分辨率仍不足以分辨该位置的逆泰伯劳系统形成的自成像条纹 (本实用新型双相位光栅成像系统的优势就是把条纹周期变大，约几十微米，甚至更大)，则应使用一个吸收光栅G′₂，该吸收光栅G′₂的周期与逆泰伯劳系统形成的自成像条纹周期相等，如图2中在X射线探测器前设有吸收光栅G′₂。这样能够形成莫尔条纹以方便X射线探测器探测，同时，这样大周期的吸收光栅G′₂制作难度也较低。

本实用新型优选适用于大周期源光栅G₀，同时也适用于小周期源光栅G₀。

可以将式(2)变换为：

其中：

在(3)中，R₁和R₂可交换位置，(1)中p₀和p₂可交换位置，即由小周期的源光栅G₀可获得大周期的自成像条纹。所述源光栅G₀为小周期源光栅G₀，其所述源光栅G₀的周期为1-5微米，占空比为1。

除了上述实施例外，另外在其他实施例中，所述第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁的周期不同；所述源光栅G₀与第一相位光栅G₁之间的间距R₁、第二相位光栅G′₁与其自成像条纹G′₂之间的间距R₂′不同。

以下以一个具体实施例进行详细说明：

如图2-3所示，一种X射线双相位光栅相衬成像系统，包括包括沿X射线发射方向(如图1所示的自左至右)依次设置的X射线管、源光栅G₀、第一相位光栅G₁、第二相位光栅G′₁、吸收光栅G′₂和X射线探测器，各器件位置及其尺寸为： R₁＝R₂′＝0.763m，R₂＝R₁′＝0.101m，p₁′＝p₁＝5.6μm,p₂′＝p₀＝24μm，源光栅G₀占空比25％，深度130μm。吸收光栅占空比50％，深度130μm，两者所用吸收材料均为铋。所用的X射线波长为0.043nm，即光子能量为28keV，对应的第一相位光栅G₁和第二相位光栅厚度均为36μm。上述实施例只是一个具体的实施方式，各器件位置及其尺寸可以根据实际需要进行设计和计算，本实用新型并限定。

X射线管发射的X射线源有效焦斑面积为1×0.8mm²，施加电压为40kV，电流4mA。

X射线探测器采用平板探测器，X射线探测器像素大小为74.8μm。曝光时间为3s，通过测量图4中的水平线上的像素值，可计算得条纹对比度为约17％，因此，我们可推断在G₂′处的自成像周期。如图5所示为沿着水平线上的条纹对比度。

相衬实验：

以柠檬为样品，本实用新型成像系统参数与上述获得莫尔条纹时的一样，只是 X射线探测器换为可见光CCD(Spectral Instruments Inc.,4096×4096像素数，9 μm/pixel)与闪烁体CsI(Tl)(thickness:400μm)通过2：1的光锥耦合。电压值40kV 和电流值4mA施加到X射线源上，曝光时间设为60s,图像有效面积为70×70 mm²，通过4步相移法获得了柠檬的吸收、相衬和暗场图像，如图6a-6c所示。

通过上述相衬和暗场图像表明本实用新型的双相位光栅相衬成像能够像普通泰伯劳系统一样。并且由于双相位光栅系统由一个泰伯劳和一个逆泰伯劳系统组成，保留两种系统优点的同时，摒弃了它们各自的缺点。即允许使用大周期源光栅，避免了小周期源光栅的制作。更为重要的是，该系统能够很大程度地放大干涉条纹，如可放大至周期几十微米，甚至几百微米，从而避免了小周期吸收光栅的制作，甚至使用平板X射线探测器可直接分辨。

Claims (10)

1.一种X射线双相位光栅相衬成像系统，包括沿X射线发射方向依次设置的X射线管、源光栅G₀、相位光栅和X射线探测器，其特征在于，所述相位光栅包括间隔设置第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁，所述第一相位光栅G₁、第二相位光栅G′₁位于源光栅G₀和X射线探测器之间，在第一相位光栅G₁后形成自成像次级源G₂；所述X射线管发出的X射线、源光栅G₀与第一相位光栅G₁组成一个泰伯劳系统；所述自成像次级源G₂与第二相位光栅G′₁组成逆泰伯劳系统。

2.根据权利要求1所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述第一相位光栅G₁的位置与周期满足：使X射线经源光栅G₀后传播到第一相位光栅G₁处的相干长度不小于第一相位光栅G₁的周期；所述第二相位光栅G′₁的位置与周期满足：自成像次级源G₂传播到第二相位光栅G′₁处的相干长度不小于第二相位光栅G′₁的周期。

3.根据权利要求1所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述自成像次级源G₂位于所述第一相位光栅G₁的泰伯距离处。

4.根据权利要求1所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁的周期相同；所述源光栅G₀与第一相位光栅G₁之间的间距R₁、第二相位光栅G′₁与其形成的自成像条纹G′₂之间的间距R₂′相等；

或者所述第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁的周期不同；所述源光栅G₀与第一相位光栅G₁之间的间距R₁、第二相位光栅G′₁与其形成的自成像条纹G′₂之间的间距R₂′不同。

5.根据权利要求4所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述第二相位光栅G′₁形成的自成像条纹G′₂的周期为20-300微米。

6.根据权利要求1所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述源光栅G₀为将入射光调制为相干光的吸收光栅，或者为耦合到X射线阳极靶上的源光栅结构。

7.根据权利要求1所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述源光栅G₀的周期为1-50微米，占空比为0.25-0.5。

8.根据权利要求1所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述X射线管与所述源光栅G₀的距离为0mm-100mm；所述源光栅G₀与所述第一相位光栅G₁的距离为5mm-1000mm；所述第二相位光栅G′₁与所述X射线探测器的距离为100mm-2000mm。

9.根据权利要求1所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述第一相位光栅G₁和第二相位光栅G′₁都各自包括交替设置的透过X光线的透过层和相位改变层。

10.根据权利要求1所述的X射线双相位光栅相衬成像系统，其特征在于，所述X射线探测器前，并在第二相位光栅G′₁的泰伯距离处可设有一周期与自成像条纹G′₂相同的吸收光栅。

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