面向岩石微结构定量表征的多色双能X射线显微探测成像技术研究

Polychromatic dual-energy X-ray imaging technique as a novel imaging method has important potential in the area of rock microstructure characterization. However, the present dual-energy system is mainly medical dual-energy system with low resolution and without quantitative analysis, which cannot satisfy the requirement of rock microstructure characterization. Besides, the system structure, the imaging type and sensitive factors are various for different types of CT system. Therefore, the techniques used in medical dual-energy system cannot be used in dual-energy micro-CT system directly. A dual-layer scintillator and lens coupled based dual-energy system is designed and developed for acquire high resolution and high contrast image in this project. Based on the established system, a mathematic model and corresponding optimization algorithm for characterize microscopic compositional distributions in material is proposed, which can avoid of the errors induced from conventional segmentation method. Moreover, the proposed approach can realize microstructure characterization in the level of sub-pixel and improve the quantitative analysis capability.

多色双能X射线成像技术作为一种新型成像方式在岩石微结构表征方面具有重要的应用前景。然而由于目前双能系统大多为医用双能成像系统，其空间分辨率、定量性等无法满足岩石表征的需求。此外，不同类型的CT系统在结构设计、成像方式、敏感因素等方面均存在很大差异，因此医用双能成像系统的技术无法直接套用到显微双能成像中。本项目以岩石微结构定量表征为目标，设计并实现双层闪烁体和透镜耦合的多色双能探测系统，以满足岩石微结构表征对成像系统的高分辨率、高对比度的要求。基于多色双能探测系统，结合材料分布的物理规律，建立预测材料微结构定量表征的数学模型，开发高鲁棒性、高效率的亚像素尺度的微结构表征算法，克服常规图像表征中使用图像分割而导致的误差，实现无需进行图像分割的亚像素尺度微结构的定量表征，提高显微探测系统的定量测量能力，解决X射线显微成像无法实现岩石微结构高精度、定量表征的问题。

岩石微结构表征对于基础地质问题研究具有重要的科学意义。多色双能显微X射线成像技术可以提高成像的空间分辨率和定量性，在岩石表征中发挥着重要的作用。本项目以岩石微结构定量表征为目的，设计实现了双层闪烁体多色双能显微探测系统，包括：1）设计与优化系统光路，包括各器件的选型匹配以及光路参数；2）理论分析与设计闪烁片组合，包括材料、厚度、过滤层、衬底以及工艺，形成两组优化的闪烁片组LYSO:Ce (420nm)+ GAGG:Ce (510nm) 和2.LYSO:Ce (420nm)+ ZnSe:Al (610nm)；3）开发机械位姿调节与配准方法，利用标定的方法，能够实现样品相同视野同分辨的成像；4）开发成像控制系统实现数据采集。5）基于获取的双能数据，开展了双能成像研究。6）对双能成像系统的综合性能进行评估；7）材料识别研究，针对岩石样品，进行不用类型岩石组分的分析；8）开展了基于深度学习的空隙分割研究、样品测量标定研究。9）优化多色双能显微探测系统，实现双视野显微探测器装置的搭建，开发了双视野的融合算法，实现了高分辨与大视野的兼顾。目前，已经可以实现岩芯实现高对比度的双能成像。多色双能显微探测系统是使用不局限于岩芯样品，可以拓展到生物、芯片等应用领域。