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。     

上海光源X射线成像实验站相位衬度CT初步结果

X射线相位衬度CT能获得样品内部结构的边缘增强图像,可观察到传统X射线吸收CT无法观察到的生物软组织内部微细结构,具有巨大发展潜力.经初步调试,上海光源X射线成像实验站的8-72.5 keV单色X射线输出已能用于实验研究.本文在X射线成像实验站上开展生物样品(蝗虫)同轴X射线相位衬度CT研究,获得蝗虫样品的切片重构图像和三维重建图像.结果图像中,蝗虫样品的翅膀、表面纹理和内部组织分布情况清晰可见.     

衍射增强成像的若干基础问题研究Ⅱ.衍射增强成像的边界效应和本底影响

在衍射增强成像原理的基础上,通过简单的实验模型分析了衍射增强成像(DEI)的过程与特点.在摇摆曲线顶部记录的峰位图像有很好的衬度,可以直接用于观察物体的内部结构.表观吸收图像的特点与传统X射线图像相似,但折射图像具有更好的边界衬度,而且腰位折射图像的成像效果比趾位折射图像的成像效果更好.同时也发现,分析晶体的本底信号会影响DEI成像的质量,但对折射图像没有任何影响,不会引起折射图像与实际物体之间的偏差.因而,折射图像用于辨别正常组织与病变组织、工业检测等方面具有很好的可信度.     

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.     

同步辐射X射线位相衬度成像-X射线位相衬度照相术

X射线位相衬度成像是进行生物、医学和材料科学研究的一种新的重要手段。在中国科学院高能物理研究所北京同步辐射装置4WlA光束线和形貌站,用三种单色光学模式和位相的二阶导数衬度成像机理,对一系列样品进行了研究。已观察到较大面积样品内边界增强的位相衬度图像,如小鱼、SD大鼠的肺组织,空间分辨率在几μm量级。     

成像板对X射线的能量响应

作为X射线探测器,成像板的光激发光子信号对X射线的能量响应是非常重要的数据。利用同步辐射光源的单能X射线照射成像板,得到成像板对低能光子的能量响应曲线,并与MCNP程序计算结果进行对比分析,得到成像板响应函数的衰减模型。计算结果与实验结果一致,为进一步开展成像板在辐射测量领域的研究工作提供了参考。     

衍射增强成像技术在粘虫结构形态学研究中的初步应用

本文利用衍射增强峰位成像技术研究全变态类蛹期粘虫的发育,得到了清晰的粘虫蛹的内部结构的相衬图像,清楚地观察到蛹发育的整个过程以及粘虫从幼虫到成虫部分器官、组织内细微结构的形成与演变,成像分辨率可达到5μm.     

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。     

高压X射线衍射的脉冲激光加热方法

相对于传统的连续激光加热方法,脉冲激光加热能够显著缩短加热时间,从而有效阻止金刚石样品腔内各组分的化学反应。基于北京同步辐射装置(Beijing synchrotron radiation facility,BSRF)高压实验站原有的连续激光加热系统,建立了可应用于高压X射线衍射实验的脉冲激光加热方法。该方法利用信号发生器对脉冲激光器、测温电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)光谱仪以及X射线探测器进行同步控制,实现了脉冲激光对样品加热,并在加热周期内完成温度谱及高压衍射数据的同步采集。利用高压条件下的Pt样品,对脉冲激光加热过程中样品的温度稳定性、重复性以及温度梯度进行了测试,并完成了原位X射线衍射实验。该脉冲激光加热系统的搭建,为在BSRF高压实验站开展原位脉冲激光加热方法研究提供了条件,也为将来在北京高能同步辐射光源上实施相关方法奠定了基础。     

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。     

同步辐射X射线光斑信息对扫描相干衍射成像的影晌

本文采用拓展重叠关联迭代引擎算法,系统地模拟研究了x射线光斑尺寸、扫描点数及波前形貌对扫描相干衍射成像重建图像质量的影响。结果表明,在实际入射光斑尺寸不易确定时,算法中初始猜测光斑尺寸可以由模拟入射光斑最大光强值的1％对应边界确定。对物体进行扫描时,入射光斑个数大于7×7且重叠度优于70％可以重建出较好的图像。入射光斑的振幅和位相分布对重建图像质量也有着显著影响。     

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。     

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。     

重复照射增强X射线能量研究

超短脉冲激光辐照固体靶可产生能量从keV到100 MeV的硬X射线,X射线能量与入射激光强度I存在定标关系,当激光强度为10~(14)～10~(18)W/cm~2时,定标率为E∝(Iλ~2)~k,其中:λ为入射激光波长;不同实验条件下不同物理模型给出的k的取值范围为1/3～1。在I≈10~(16)W/cm~2条件下,以往实验测量到的X射线能量在几十keV到几百keV之间。本实验在I≈10~(16)W/cm~2条件下,重复照射同一靶点,可增强X射线能量。     

X射线成像椭球聚焦镜的设计与检测

国家同步辐射实验室(NSRL)以Wiggler为入射光源,建设了高空间分辨x射线成像光束线和实验站.根据成像系统对照明光的要求,使用旋转椭球聚焦镜聚焦入射光,结合小孔和中心阻挡器,形成锥形空心光斑照射到样品上.本文对成像系统所需的旋转椭球聚焦镜的长轴和短轴等进行了计算,并对美国Xraida公司制作的旋转椭球聚焦镜进行了检测.实验结果表明旋转椭球聚焦镜满足X射线成像的设计要求,其衍射效率大于85%.     

基于透镜耦合的X射线成像探测器闪烁体厚度对成像质量的影响

闪烁体是同步辐射X射线成像探测器的重要组成部分,它将入射X射线转换为可见光,再由可见光成像探测器接收成像。闪烁体的厚度对成像的空间分辨率、图像衬度有较大的影响,选取合适的厚度的闪烁体,与探测器物镜(数值孔径)及X射线能量等实验条件达到最理想的匹配,将有助于获得高质量的X射线成像结果。但目前上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,SSRF)用户在开展X射线成像实验时,基本都未考虑到闪烁体厚度对成像质量影响的这个因素,难以获得最佳图像质量的实验结果。本文先根据理论的分辨率曲线预测了探测器各个镜头的闪烁体的最佳匹配厚度,并利用上海光源成像线站(BL13W1)配备的PCO2000探测器以及不同厚度的YAG闪烁体进行了实验验证,经过对实验结果的图像衬度进行分析,获得了探测器各个物镜镜头的最佳匹配闪烁体厚度,实验结果与理论预测值基本相符,这将为上海光源成像线站基于透镜耦合的X射线成像探测器的高效使用提供指导。