X射线相位衬度成像用光栅的理论与实验研究

基于光栅的X射线微分干涉相位衬度成像由于对X射线相干性要求低而最有可能成为在普通实验室首先获得应用推广的相衬成像技术，因此，对其核心器件- - X射线光栅的研究就格外重要。本项目旨在研究能够实际用于成像诊断技术的X射线相位光栅和吸收光栅，其特点是面积大、微结构的深宽比高、成本低廉。研究内容包括相位光栅衍射效率与光栅参数和X射线束参数的关系、相位光栅和吸收光栅的结构设计、物理实现途径、光栅制作工艺及装置、光栅性能评价等。光栅研制采用的关键方法是光助电化学刻蚀技术和高深宽比微结构电镀技术，重点解决大面积均匀性问题，通过采取改善硅片背面电导率、光照参数、电解槽电极之间的电场分布等措施，实现直径为5英寸的相位和吸收光栅的结构参数的均匀分布，为国内开展基于光栅的X射线相衬成像实验研究提供核心技术支持，使我国在此领域的研究处于国际先进行列。目前尚未看到有效尺寸在5英寸以上的X射线光栅。

X射线相位衬度成像与传统的吸收衬度成像相比，对低原子序数物质具有极高的灵敏度，因而在医学早期检查、病理学研究、生物样品成像、轻质材料研究等领域具有重要的应用。目前的问题是，这种新的成像方法对光源相干性要求很高，只能利用高亮度X射线光源获取相衬图像。基于光栅的X射线相位衬度成像由于不受高亮度光源的限制，可以在普通实验室和医院获得应用。其目前应用受限的主要原因在于高能量、大面积X射线光栅技术。本项目就是在这一背景下提出的，目的在于尝试解决成像用的高能量、大面积X射线光栅。项目主要研究X射线相位光栅和吸收光栅的低成本制作方法和技术，通过对基于光栅的X射线相衬成像方法的理论研究，确定X射线光栅的结构参数，利用光助电化学刻蚀方法，研究刻蚀过程参数对微结构形貌的影响，确定最佳刻蚀参数，刻蚀出所需要的X射线相位光栅；在完成相位光栅制作的基础上，进一步研究吸收光栅制作方法。重点解决重吸收物质在微结构中的填充方法，我们采用高压高温液态微注入方法，将X射线吸收物质铋填入微结构中，冷却后形成X射线吸收光栅。同时，还将吸收光栅的功能并入高分辨的X射线探测器，通过研究具有分析光栅功能的X射线探测器，取代现有的分析吸收光栅和探测器两个部件。本项目中，我们完成了5英寸X射线相位光栅的研制、完成了5英寸X射线吸收光栅的研制、完成了5英寸具有分析光栅功能的X射线转换屏，进而通过光学元件与CCD耦合，形成具有分析光栅功能的X射线探测器；超额完成了两维5英寸X射线相位光栅和吸收光栅的研制。这些光栅无论在面积上，还是X射线能量上都超过了国际上现有光栅的技术水平，使我们成为国际上第三个拥有光栅技术的课题组。本项目采用的方法及该方法中的关键参数可以推广到更大尺寸光栅元件的研制，为推动基于光栅的X射线相衬成像的应用发展提供硬件支持。该项目支持下发表论文13篇，参加国际会议4人次，其中3次为特邀报告；参加国内会议3人次，其中2次为邀请报告。申请发明专利3件，在此期间获授权发明专利4件，其中1件为美国专利。培养博士研究生2名，均已毕业；培养硕士研究生19名，其中10名毕业。为项目涉及技术领域储备专门人才。