具有纳米分辨率的X射线相衬显微成像方法研究

X射线显微术具有纳米级分辨潜力，但目前由于系统焦深短、图像衬度不足、光学元件制作难度大等限制，在实际应用于生物软组织、细胞和纳米级集成电路等的内部结构探测时，仍未能获得分辨率和对比度均满足需求的图像。本项目拟针对上述这类由轻元素物质组成的厚样品，开展具有纳米分辨率的X射线相位衬度显微成像方法的理论和实验研究：建立统一模型对已发展的Zernike法、DIC法、Talbot干涉仪法进行系统研究，探索具有一定普适性的像质评价体系；对一种利用相位光栅进行频谱调制的新方法进行理论论证和优化，重点研究如何同时提高分辨率、图像衬度和检测灵敏度，并尽量降低对源的相干性要求和光学元件的制作难度；利用光助电化学刻蚀技术制备硅基相位光栅，构建成像平台对新方法进行实验验证，并探索相关实验技术的关键问题。本项目的实施将有助于发展和完善X射线显微术及其相衬成像理论，有利于推动在普通实验室实现该技术的实用化研究进程。

X射线显微术具有纳米级分辨的潜力，但由于系统焦深短、吸收衬度不足等限制，在实际应用于生物软组织、细胞等轻元素物质时，仍很难获得分辨率和对比度均满足需求的图像。采用相位衬度成像技术能一定程度上解决该问题。然而，虽然国际上对高分辨率X射线相衬显微成像技术的研究已有近二十年历史，但该技术至今仍处于初始发展阶段，能够真正进入实用阶段的技术方案并不多。因此，不管是对目前现有的成像方案进行深入探讨以寻求改进途径，还是提出新的成像方案，都具有重要的意义。. 本项目针对目前国内外的研究以专门研究某一种方法居多的情况，建立了一个统一的理论模型对现有的几种X射线相衬显微成像方法进行了系统的对比研究，包括泽尼克法、剪切干涉法、离轴全息法和泰伯干涉仪法，对比研究了不同方法的相位衬度形成机制和相位恢复方法，以及成像质量受实际成像条件的影响，以此作为改善现有方法和发展新方法的理论依据。在此基础上，补充研究了项目组前期提出的一种基于同轴全息和光栅微分相衬相结合的方法，从理论上验证了该方法的可行性，并以此作为实验验证平台构建的基础模型；提出了一种全新的采用偏微分滤波器的相衬显微成像方法，理论分析和数值模拟表明该成像方法能够获得典型的微分相衬显微图像，并且利用偏微分滤波器的设计参数还可方便地对图像质量进行调控，同时一般软物质样品的吸收特性也不会影响成像效果，从而在理论上验证了该方法用于轻元素物质相衬显微成像的可行性。. 本项目在执行期内，较好地完成了理论研究方面的预期目标，已发表学术论文4篇，待发表论文3篇；同时在实验技术上也取得了一定进展，已申请发明专利1项；相关研究课题培养或协助培养研究生5名。项目所取得的研究成果，为今后继续开展X射线相衬显微成像新方法和新技术方面的研究积累了经验，奠定了必要的研究基础。