单次曝光X射线微分相衬成像关键器件研究

X ray phase contrast techniques have more sensitivity than traditional radiography and have attracted extensive attention in the last decade. Various phase-sensitive methods were been proposed and developed. Differential phase contrast imaging based on grating is the greatest potential technology to be put into application. The absorption dose and fast imaging are the big problems that this kind approach must overcome. For reducing the absorption dose, a new scintillator screen used to detect the interferogram was proposed in this project. The main studying contents include: 1) the study of theory about the arrayed scintillator used to detect the interferogram with only single-shot phase stepping.2) the algorithm of phase retrieval with a single x-ray exposure .3) the fabrication of phase grating and scintillator screen;4) Building the imaging system and performing relevant experiments. That method proposed in this project include the following merits: less absorption dose; no mechanical shifting part , lowcost system, less requirement of mechanical stability and fast imaging; improvement of utilization ratio of X-ray with 50% than conventional phase contrast imaging. All of the benefits mentioned above will promote the widespread application of X ray phase contrast technique.

X射线相衬成像灵敏度远超出普通辐射成像探测灵敏度，目前已提出多种方法实现相衬成像，而最有潜力走向普通应用的方法为微分相衬成像。样品剂量吸收和快速成像是微分相衬要广泛应用必须克服的困难。本研究项目提出一种新型X射线探测器，配合一定周期相位光栅，建立单次曝光微分相衬成像系统，以降低物体对X射线剂量的吸收。项目主要研究内容包括：1）特殊周期阵列转换屏探测特定周期光栅微分干涉条纹原理研究；2）物体单次曝光相位恢复算法；3）相位光栅、转换屏制作工艺；4）系统集成及样品实验，包括探测系统电路软、硬件设计及光学耦合效率分析。项目的单次曝光成像技术创新性在于：样品对X射线剂量吸收低；无需纳米位移平台，系统成本低，机械稳定性要求低，成像速度快；X射线利用率提高近50%。项目研究推动X射线微分相衬的实用化。

X射线相衬成像能对弱吸收物体成像, 近十多年来受到国内外众多研究者的广泛关注。有多种方法可以实现X射线相衬成像，微分相衬是一种基于光栅的相衬成像技术。成像系统中关键器件为相位光栅，物体位于相位光栅前时，物体的存在会扭曲这些规则的干涉条纹，而条纹扭曲的程度则与物体的相位一阶分布相关。一般用多步相移算法物体相位信息，光栅横向移动多次，采集多幅物体图像，从多幅图像中计算出物体相位信息。因为物体会曝光多次，增加了物体对X射线剂量的吸收，同时对瞬间成像无能为力。.对此我们提出单次曝光的相衬成像方法，分别在成像原理，关键器件制作，器件工艺及成像系统搭建开展研究工作，成功获得物体单次曝光相衬成像图完成了成计划目标。.1成像理论。1）利用光栅干涉同探测器大小相配合，探测的每个像素探测干涉的半个周期，相邻的两个像素则可实现两步相移法，恢复出物体的吸收及微分相衬信息。2）转换屏同可见光探测器相配合的方法，实现多步相移的相位恢复算法。3)吸收光栅同可见光探测器相配合的方法，实现多步相移的相位恢复算法。.2加工工艺。完善光助刻蚀工艺，完成硅基光栅、深孔阵列的制作，深孔填充工艺。光栅加工面积可以达到8英寸。我们提出一种纳米金属粒子吸收光栅填充工艺。将铋纳米颗粒均匀分散到液体载体中,在表面张力的作用下,携带着铋颗粒的液体载体进入高深宽比的光栅结构内,载体到 达的地方,颗粒便可沉降积累,在超声空化效应的作用下,其间液体中的微小气泡被压缩、内爆并形成涡流, 扰动周围沉降的颗粒,逐渐使其间隙压缩,进而获得致密排列。.3成像系统建立。建立一套单次曝光成像系统，编写相关的软件，包括控制、采集及相位恢复算法，成功获得物体微分相衬图像，完成计划目标。.本项目发表论文9篇，SCI收录5篇，EI收录4篇，申请专利5项。毕业硕士研究生3名，博士研究生1名,博士后出站一名。