获取大视场X射线相衬图像用弯曲光栅的研制

Among X-ray phase-contrast techniques, grating-based X-ray differential phase contrast (DPC) imaging using conventional X-ray tube sources is the most prominent one for widespread applications. However, the use of plane phase and absorption gratings in this technique limits the size of field of view, which prevents its use in many applications. This project mainly aims to develop the bent phase and absorption gratings in 5 inch silicon. According to the theoretical analysis, when their curvature and the local X-ray wavefront fit well, an expansion of the size of field of view would achieve from about 55mm*55mm to the effective size of absorption grating Φ90mm in our X-ray DPC imaging. Additionally, The micro-casting process has been verified for its effectiveness in acquisition of 5 inch plane gratings with a low cost and a high performance. Based on this technique, the fabrication method and process of bent gratings in 5 inch silicon wafer will be further researched in this project. With these bent gratings, the size of field of view will be no less than the area of a diameter of 90mm. This project will be a basis for wide applications of X-ray DPC imaging.

在众多的X射线相衬成像技术中，基于光栅的X射线微分干涉相衬成像的应用前景最为明朗。由于目前该技术普遍使用平面的相位光栅及分析光栅，其成像视场范围十分受限，不利于该技术的进一步扩展应用。本项目旨在发展一种新型的5英寸弯曲相位光栅和分析光栅，根据理论分析，当光栅形貌与传播至此处的X射线波前相吻合时，成像视场将突破限制，对于我们所搭建的X射线微分干涉相衬成像系统，可从目前的约55mm*55mm扩展至5英寸分析光栅的有效尺寸Φ90mm。此外，我们已经证明了微铸造工艺在实现5英寸平面光栅方面的有效性，它具有操作简便、成本低廉的优点。在此基础上，本项目将进一步研究微铸造工艺对5英寸弯曲光栅的实现方法及工艺，将其应用于X射线相衬成像系统并最终获得不小于直径为90mm的视场范围。本项目将为X射线微分干涉相衬成像技术的实用化奠定基础。

基于泰伯劳干涉仪的X射线相衬成像技术能够获取由轻元素组成的物质的图像，是X射线成像技术的重要部分。但在应用过程中，由于平面光栅无法保证锥形射线垂直穿过各光栅条带，因此，相衬成像的视场并不能随着光栅面积的增大而增大。其视场受限主要表现在视场内与光栅条带垂直的方向上。. 本项目基于相衬成像视场受限问题，通过理论分析，建立了平面光栅和弯曲光栅视场范围的理论模型，并模拟了弯曲光栅突破视场限制的结果。进一步明确了光栅的设计方向，即对于一维X射线相衬成像技术，柱状弯曲结构是解决视场受限的关键。接着，鉴于微铸造技术在光栅制作方面操作简便、成本低廉的特点，我们通过进一步完善该技术，使之能够适用于弯曲光栅的制作。利用光助电化学刻蚀技术制作了相位光栅和分析光栅微结构，再通过反复改进表面改性技术，如充分利用Bi(NO3)3与熔融铋浸润的特性，成功使分析光栅微结构表面覆盖了一层Bi(NO3)3，这保证了熔融铋在大面积光栅上的填充均匀性。此外，表面改性技术改善了硅基的表面状态，能够允许我们使用自行设计的精密可调弯曲系统弯曲光栅至所需角度。. 利用上述研制的光栅器件，搭建了X射线微分相衬成像系统，通过调节光栅角度，我们得到了不受视场限制的系统莫尔条纹，在垂直于光栅条带的方向上，其可视长度达到约92mm，达到了预期目标。利用四步相移法，我们进一步得到了物体的相衬图像。. 此外，为避免高深宽比分析光栅的使用，我们探索并提出了双相位光栅的X射线相衬成像方法。该方法结合了泰伯劳干涉仪和逆泰伯劳干涉仪的优势，既能避免分析光栅的使用，同时也能避免小周期、高深宽比源光栅的使用。这些技术将对相衬成像技术的发展及应用具有很大的促进作用。