用于大尺寸样品的同步辐射硬X射线衍射增强成像方法研究

作为 X 射线相衬成像的方法之一,衍射增强成像方法由于能获得较高的信噪比及分辨率而引起了人们的研究兴趣。北京同步辐射装置(BSRF)形貌学实验站也开展了该方法的探索研究。此前的衍射增强成像方法中,当白光 X 射线光束横截面尺寸为 20 mm×10 mm 时,经过双晶单色器后最大只能获得横截面尺寸为20 mm×4 mm 的均匀单色 X 射线,从而造成成像区域减小。在对通常衍射增强成像光路排列分析的基础上,提出了一种新的光学排列几何并进行了衍射增强实验。应用新光学排列几何首次获得了与入射白光 X 射线尺寸相当的、大的成像光斑均匀区域,因而新光学排列几何更适合于大尺寸样品的研究工作。同时,该光学排列几何成像分辨率可以达到微米量级并且更方便于实验操作。     

基于X射线相干衍射成像的元素分布成像

基于上海光源软X射线谱学显微线站的特点和相干X射线衍射成像(CDI)技术,对软X射线相干衍射成像方法的一个重要应用:元素分布成像及含量分析进行了模拟研究。推导了CDI相比双能分析算法并进行了理论模拟,估算了能够分辨的最小物质含量,并分析了CDI实验噪声等因素对元素分布成像的影响。所得结果可对软X射线CDI的实际应用提供理论指导。     

X光发散度对多切片扫描相干衍射成像质量的影响

扫描相干衍射成像(Ptychography)技术目前已得到大范围的应用,获得了巨大成功。基于Ptychography的三维成像技术也得到了快速发展,在生物和材料领域的研究中得到了成功应用。常规的Ptychography三维成像技术仍是基于多角度投影的计算机断层成像技术,具有成像效率低、辐照剂量大的缺点。最近出现的多切片三维Ptychography成像方法,为高效低剂量的三维成像技术开辟了新的道路。为了进一步改善多切片方法的重建效率和图像质量,本文在优化迭代算法中驰豫系数的基础上,通过模拟计算系统地研究了入射X射线的发散度对多切片方法重建效果的影响。结果表明:入射X射线的发散度越高(数值孔径越高),多切片方法图像迭代重建的收敛越快,图像的重建质量也更好;而选择较小的入射X光发散度则不利于三维成像的高质量重建。该结论对于相关成像实验中聚焦光学的选择和设置具有重要的指导意义,如选择聚焦尺寸更小的波带片或较低的入射X射线能量,将更有希望获得好的多切片成像质量。     

动量加速方法提高层叠衍射成像的质量

X射线层叠衍射成像技术(Ptychography)所采用的图像重建迭代算法是一种传统的梯度下降算法。该算法从一组猜测函数开始,实验中探测到的正确信息被不断代入循环迭代中来修正猜测函数,最终达到收敛。这种算法存在一个问题就是容易出现收敛停滞的现象,也就是所谓的陷入局域最小值。造成这种现象出现的原因是局域最小值附近的梯度极小导致梯度下降的幅度极小。为了解决这一问题,最近"动量"这一概念被引入Ptychography算法中,产生了动量加速层叠衍射迭代引擎(momentum Ptychographical Iterative Engine,mPIE)算法。加入"动量"相当于给迭代重建过程赋予了"惯性"性质,当前梯度下降的幅度不仅由当前梯度决定,还会受到之前变化的幅度影响。所以即便是在梯度极小的局域最小值附近,目标函数仍然可以跳出停滞,继续变小。为了验证"动量"的引入对图像重建的提升效果,详细比较了动量mPIE算法和传统的拓展层叠衍射迭代引擎(extending Ptychographical Iterative Engine,e PIE)算法对同一套扫描相干衍射成像实验数据的重建图像质量。重建结果表明:相对于传统重建算法,动量加速算法可以获得更好的图像重建质量。     

Sn-Pb合金枝晶生长的同步辐射X射线衍射增强成像研究

用北京同步辐射光源X射线衍射增强成像法对Sn-Pb金属合金的结晶过程进行实时成像研究,成功地获得枝晶生长行为及形貌演变的系列动态图像,为研究金属合金结晶理论提供直接的实验数据.实验观察到接近共晶成分的Sn-50wt.%Pb合金,在一定的温度梯度和冷却速率下呈现先等轴晶后柱状晶形貌生长.同步辐射X射线衍射增强成像技术为原位研究不透明的金属合金枝晶生长过程提供了崭新的实验手段,为验证或完善金属合金结晶过程的微观动力学模型提供了有效途径.     

同步辐射X射线掠入射衍射实验技术及应用

利用北京同步辐射装置漫散射实验站的五圆衍射仪,建立了掠入射X射线衍射实验方法。对Si表面生长的Ge/Si量子点及其在Si表层产生的应变进行了成功测量,表明此方法可以有效地提取表面层的微弱信号。实验结果表明,Ge/Si量子点的形成除了在Si衬底表层形成了晶格具有横向膨胀应变的区域之外,还在Si衬底中形成了具有横向压缩应变的区域。     

同步辐射衍射增强成像的肝纤维化成像研究

本文根据硬V射线衍射增强成像(Diffraction enhanced imaging,DEI)原理,对由人血白蛋白诱导的大鼠肝纤维化模型进行了成像研究.实验在北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility,BSRF)4W1A光束线形貌站完成.结果表明:正常及不同程度肝纤维化模型在DEI图像上差异显著,图像感兴趣区的光强分布及纹理测度也显示出这种差异.DEI成像为肝纤维化的诊断提供了一种潜在的影像学途径.     

利用同步辐射X射线衍射研究家蚕的纺丝过程

利用同步辐射广角X射线衍射对五龄家蚕、解剖后的蚕腺体,以及脱胶丝进行了测试,研究了干燥过程及拉伸过程中腺体内丝素蛋白有序态结构的演变。结果表明,蚕头部吐丝口附近的纺丝液形成了与silkⅠ、silkⅡ晶体结构相关的有序排列;湿态腺体在干燥过程中,水分的流失也会导致丝素蛋白有序态结构的形成,丝素蛋白构象转变成β 反平行折叠,并趋于形成完整的silkⅡ层状晶体结构;拉伸作用为丝素蛋白成纤的主要诱导因素,并使丝素蛋白有序态结构发生改变。     

利用同步辐射扭摆器光源研究X射线同轴轮廓成像质量

利用北京同步辐射光源研究了准平行束X射线同轴轮廓成像中影响成像质量的若干因素。结果表明,同步辐射光束在垂直方向能获得更好的边缘增强效果。尺寸较大的样品能获得更高的衬度。随着样品到探测器距离的增大,衬度增大,但存在一个最佳距离。高分辨率的探测器可以获得较高的衬度和较好的边界锐度。     

An experimental study of dual-energy CT imaging using synchrotron radiation

The measurement of electron density is important for medical diagnosis and charged particle radiotherapy treatment planning.Traditionally,electron density is obtained by CT imaging using the relationship between CT-number and electron densities established beforehand.However,the measurement is not accurate due to the beam hardening effect.In this paper,we propose a simple and practical electron density acquisition method based on dual-energy CT technique.For each sample,the CT imaging is conducted using two selected X-ray energy from synchrotron radiation.A post-processing dual-energy reconstruction method is used.Linear attenuation coefficients of the scanned samples are obtained by FBP reconstruction.The effective atomic number and electron density are got by solving the dual-energy simultaneous equations.Different phantoms and breast tissues were scanned in this experimental study under 10 keV and 30 keV monochromatic X-rays.The distribution of effective atomic numbers and electron densities of the scanned phantoms were obtained by Dual-energy CT image reconstruction,which agrees well with the theoretical values.Compared with conventional methods,the measurement accuracy is greatly improved, and the measurement error is reduced to about 1%.This experimental study demonstrates that DECT imaging based on synchrotron radiation source is applicable to medical diagnosis for quantitative measurement with high accuracy.     

同步辐射相衬成像对组织形态结构及相关抗原表达的影响

利用北京同步辐射装置（BSRF）4W1A光束线提供的硬X射线,以类同轴全息法、衍射增强法（Diffraction enhanced imaging,DEI）,对兔正常骨、骨缺损;小鼠正常肺、肺癌;大鼠正常肝、肝纤维化、肝硬化等固定样品进行了同步辐射硬X射线相衬成像观察.在此基础上,成像组织及空白对照组织均按常规方法制片后进行HE染色,在光学显微镜下观察组织细胞形态结构;采用免疫组织化学技术检测其相关抗原Ⅷ、S-100、FN、泛素的表达,并根据抗原表达强度进行半定量分析.结果显示,成像组与空白对照组的骨、软骨、肝、肺组织染色均匀,结构清晰,无细胞损伤;两组骨、肝、肺相关抗原表达无明显差异.表明在以同步辐射硬X射线相衬成像方法观察固定组织的过程中,不会对骨、软骨、肝、肺组织的形态结构及一些相关抗原表达造成损伤和影响.     

用同步辐射X荧光分析法研究兔肝金属硫蛋白中的微量元素

采用同步辐射X荧光分析法（SRXRF）直接测定了兔肝金属硫蛋白（MT)中的金属离子含量，以及经过十二烷基硫酸钠－聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS－APGE）分离后凝胶板中蛋白条带上金属离子的分布。实验结果表明，兔肝MT－1以含锌为主，占总金属含量的97.9%；兔肝MT－2以含锌、镉为主。本工作表明，采用SRXRF技术可实现MT电泳分离后蛋白条带内金属离子分布的原位测定。     

同步辐射微束X射线荧光CT的计算机模拟

同步辐射微束X射线荧光CT是一种能无损、高空间分辨和高灵敏地探测样品内部元素含量和分布的新技术,是在建的上海光源(SSRF)硬X射线微聚焦及应用光束线站可开展的实验方法之一.本文简要介绍了同步辐射微束X射线荧光CT的基本原理和实验技术发展,对同步辐射微束X射线荧光CT实验进行了计算机模拟,用滤波反投影算法(FBP)、代数重构算法(ART)和加吸收修正的FBP算法重构了模拟样品的图像.对各种重构方法得到的图像质量进行了分析和比较,讨论了其适用性.     

Nondestructive analysis by combined X-ray tomography on a synchrotron radiation facility

A nondestructive X-ray analysis technique combining transmission tomography, fluorescence tomography and Compton tomography based on synchrotron radiation is described. This novel technique will be an optional experimental technique at SSRF's hard X-ray micro-focusing beamline under construction at present. An experimental result of combined X-ray tomography is obtained in NE-5A station of PF. The reconstructed images of test objects are given.     

同步辐射X射线荧光研究单个流体包裹体的进展

本文介绍了国内外近十年来用同步辐射X射线荧光分析单个流体包裹体的发展过程和研究进展，以及定量分析单个流体包裹体中微量元素含量的估计和修正方法，并对流体包裹体在石油地质领域中的一些应用作了简要阐述。     

同步辐射高分辨X射线荧光谱仪及其应用进展

本文简要综述了近几年来国内外利用高分辨大接收角度球面聚焦晶体阵列组成的同步辐射X射线荧光谱仪的发展及其在化学结构分析中的应用情况。重点介绍了高分辨X射线荧光谱仪的基本结构、工作原理及其在材料科学和生命科学中过渡金属元素化学结构分析领域的应用。