[发明专利]双能分析光栅

说明书

技术领域

本发明专利涉及X射线成像领域，是应用于X射线相称成像系统的一种分析光栅。

背景技术

X射线成像技术广泛应用于材料科学、生命科学、工业检测等领域，是研究物质内部结构不可或缺的重要工具^[1]。X射线与物质的相互作用可以用复折射率来表示，即n＝1-α+iβ，其中β为吸收因子，α为相位因子，它们分别代表X射线透过物体之后的振幅和相位变化^[2]。传统的X射线检测是基于物质对X射线的吸收差异成像，但是由C、H、O、N等轻元素组成的物质对X射线的吸收比较微弱，无法有效成像^[3]。对于轻元素组成的物质，X射线相位的变化量是吸收变化量的一千到十万倍^[4]。因此X射线相位衬度成像技术被广泛关注和研究。相关研究人员已经提出了多种X射线相位衬度成像的实现方法，如晶体干涉仪成像法^[5]、衍射增强成像法^[6]、光栅相衬成像法^[7]、相位传播成像法等^[8]。2006年F.Pfeiffer将Talbot-Lau效应应用于光栅相衬成像法^[9]，使该方法摆脱了同步辐射光源限制，可以采用普通X射线源成像，极大的推动了这种成像方法的发展，使这种方法成为最有可能获得实际应用的X射线相位衬度成像方法。

近几年光栅相衬成像的研究不断取得突破，但是从实验室走向实际应用依然存在一些问题^[10]。光栅相衬成像相位提取算法早期采用多步位移法，2008年陈博提出两步相移法^[11]，2010年刘鑫提出了两步任意位移法^[12]，尽管光栅位移的步数越来越少，但是成像系统依然需要精密步进平台，增加了系统复杂性，多次步进和曝光使得成像效率低，并增大了被测对象的受辐射量。2010年朱佩平等提出的正反投影法不需要光栅步进^[13]，该方法使相衬CT成像取得突破进展，但是在成像系统中需要将物体或者探测器精密旋转，实现也非常困难。

当前国内外研究机构构建的典型的X射线光栅相衬成像平台主要包含X射线源、源光栅、自成像光栅、分析光栅、精密步进平台、CCD探测器几个部分^[14]。成像过程为分析光栅通过步进获得条纹图像，根据多幅条纹图像提取相位信息，生成相衬图像。文献[15]一种双能阵列X射线源和双能分析光栅被提出，应用于X射线光栅相衬成像系统。双能X射线源是指可以发出两种能级的X射线源，双能分析光栅由高能栅条和低能栅条交错分布而成，结构如图1。高能栅条可以将高能X射线转换为可见光，对于低能X射线相当于不透光栅条；低能栅条可以将低能X射线转换为可见光，对于高能X射线相当于不透光栅条。双能分析光栅替代传统X射线光栅相衬成像系统中的分析光栅和CCD探测器转换屏。采用双能阵列X射线源和双能分析光栅改进后的X射线光栅相衬成像系统，文献[15]称之为双能X射线光栅相衬成像系统。改进后的成像系统如图2，包含双能阵列X射线源、自成像光栅、双能分析光栅、CCD探测器几个部分。文献[15]中有详细的双能X射线光栅相衬成像系统理论及相位提取方法，其中，双能分析光栅为核心器件。

根据X射线光栅相衬成像理论可知，X射线波长决定了光栅自成像Talbot距离，双能阵列X射线成像系统中需要精确控制两种能级的X射线的波长同时满足光栅自成像Talbot距离。双能X射线光栅相衬成像系统依然利用Talbot-Lau效应设计成像光路。Talbot效应的自成像有确定的成像距离和成像周期，提出的成像系统必须在高能、低能两种能级下有共同的成像距离和成像周期才能成像。双能光栅相衬成像系统主要的设计思路是采用X射线能量的变换代替分析光栅的步进。由于成像系统光路基于Talbot-Lau效应设计，因此要求两种X射线能量下相位光栅可以在同一位置成像，并且成像周期一致。

相位光栅自成像Talbot距离为式(1)，由式(1)可知，当低能量X射线波长λ_L与高能量X射线波长λ_H满足λ_L＝3λ_H时，两种X射线能量下可以在同一位置获得相位光栅成像。

式中，d_m为表示分数Talbot成像的距离，m表示Talbot距离的阶数，λ为波长，p为相位光栅的周期。