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无吸收光栅X射线微分干涉相衬成像理论与实验研究

作　者: 杜杨
导　师: 牛憨笨
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 物理电子学
关键词: X射线相衬成像吸收光栅结构阳极X射线源具有分析光栅功能的结构化转换屏两步相移算法
分类号: O434.19
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
下　载: 22次
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内容摘要

X射线相衬成像技术是近几年来X射线成像领域的研究热点之一，它可以对传统吸收成像无法探测的轻元素构成的物质成像，因此在医学、生物学、材料科学以及无损检测等领域具有重大的应用价值。光栅微分干涉相衬成像方法可以在常规X射线源的条件下进行成像，可以同时得到物体的吸收、相衬和散射多元化信息，但由于使用了两个吸收光栅，不仅使制造难度和成本大增，还使其性能的改进受到限制。为此，本论文作者所在课题组首次提出采用结构阳极的X射线源和具有分析光栅功能转换屏来代替两个吸收光栅获得相衬图像，我们称此种相衬成像方法为无吸收光栅的微分干涉相衬成像方法。本论文正是基于此种相衬成像方法而展开的，主要取得如下进展：1、首次实现了无吸收光栅微分干涉相衬成像方法，在实验上获得了视场为55mm×55mm的相衬图像。该方法克服了吸收光栅带来的缺点，为相衬成像在医疗、工业探伤、科研等领域的应用奠定了理论和技术基础。2、基于菲涅尔衍射原理，在理论上详细分析了结构阳极的轴向扩展分布对成像视场的影响。更进一步，采用改进型结构阳极X射线源的方法可以扩大相衬成像视场，理论分析表明，在相同的辐射强度下，改进后的结构阳极X射线源可扩大成像视场4倍以上。3、发展了两步相移新算法，并在理论和实验上分别验证了这种算法的可行性。与其它两步相移算法相比较，其优点是算法简单，容易实现，大大降低了X射线源不稳定性的影响，更能准确恢复物体的相位信息。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1 引言  10-26
  1.1 课题研究背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究与发展现状  11-22
    1.2.1 可见光相衬成像  11-14
    1.2.2 X 射线相衬成像  14-22
  1.3 X 射线源和探测器  22-24
    1.3.1 X 射线源  22
    1.3.2 X 射线探测器  22-23
    1.3.3 大视场高分辨 X 射线探测器  23-24
  1.4 本论文的研究内容和方法  24-25
  1.5 论文结构安排  25-26
2 X 射线光栅微分干涉相衬成像系统理论分析  26-46
  2.1 X 射线与物质的相互作用  26-30
    2.1.1 X 射线与物质相互作用产生的效应  26-28
    2.1.2 X 射线的吸收与折射  28-29
    2.1.3 X 射线透过物质之后折射角和相移的关系  29-30
  2.2 X 射线折射角的探测方法  30-39
    2.2.1 光场的相干性  31-32
    2.2.2 光栅 Talbot 效应  32-35
    2.2.3 相位光栅 Talbot 自成像  35-39
  2.3 Talbot 效应测量物体相位信息  39-42
  2.4 X 射线光栅微分干涉相衬成像  42-46
3 无吸收光栅 X 射线微分干涉相衬成像  46-70
  3.1 吸收光栅的限制  46-54
    3.1.1 常规 X 射线源  46-48
    3.1.2 轫致辐射和特征辐射  48-49
    3.1.3 源光栅和分析光栅的限制  49-54
  3.2 系统的关键器件  54-58
    3.2.1 阵列结构阳极 X 射线源  54-55
    3.2.2 相位光栅  55-56
    3.2.3 具有分析光栅功能的结构化转换屏  56-58
  3.3 实验系统设计  58-64
    3.3.1 实验系统设计原理  58-61
    3.3.2 X 射线源的调节系统  61
    3.3.3 相位光栅和分析光栅微位移调节系统  61
    3.3.4 压电陶瓷微位移系统  61-62
    3.3.5 光锥耦合式 X 射线探测器  62-63
    3.3.6 光栅平行调节系统的设计  63-64
  3.4 实验过程和实验结果  64-70
4 光栅微分干涉相衬成像系统的成像视场分析  70-86
  4.1 源光栅微分干涉相衬成像系统的视场分析  70-76
    4.1.1 基于菲涅尔衍射原理的理论分析  70-73
    4.1.2 光栅器件的傅里叶展开系数  73-74
    4.1.3 数值计算结果  74-76
  4.2 阵列结构阳极 X 射线相衬成像系统的视场分析  76-86
    4.2.1 阵列结构阳极 X 射线相衬成像的理论分析  76-78
    4.2.2 数值计算结果  78-79
    4.2.3 大周期阵列结构阳极数值计算结果  79-81
    4.2.4 不同倾斜角阵列结构阳极数值计算结果  81-83
    4.2.5 阶梯阵列结构阳极数值计算结果  83-86
5 相衬图像恢复算法的理论分析与实验研究  86-106
  5.1 傅里叶变换恢复相位信息原理  86-90
    5.1.1 傅里叶变换方法理论分析  86-87
    5.1.2 傅里叶变换方法恢复相位数值模拟  87-90
  5.2 多步相移法原理  90-100
    5.2.1 多步相移法理论分析  90-94
    5.2.2 相移误差对多步相移算法的影响  94-95
    5.2.3 相移误差的校正  95-96
    5.2.4 多步相移方法的计算机模拟  96-98
    5.2.5 噪声对相位恢复方法的影响  98-99
    5.2.6 相位恢复算法小结  99-100
  5.3 多步相移方法在 X 射线相衬成像系统中的应用  100-106
    5.3.1 五步相移法恢复 X 射线相衬图像  100-101
    5.3.2 两步相移算法  101-102
    5.3.3 基于光栅位移曲线的两步相移算法  102-106
6 总结与展望  106-110
  6.1 总结  106-108
  6.2 展望  108-110
参考文献  110-116
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果  116-117

无吸收光栅X射线微分干涉相衬成像理论与实验研究

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