基于闪烁体结构的X射线双能分析光栅设计及成像应用

摘要

X射线相衬成像技术一直是X射线成像领域的一个前沿方向。相衬成像技术的原理是依靠X射线的相移信息来检测成像物体的内部结构。这种成像技术改善了传统X射线成像技术对弱吸收物体成像不明显的缺点，使得X射线相衬成像技术在医学、无损检测、材料科学以及生物学等领域展现了巨大的应用前景。 当前，基于Talbot-Lau效应的X射线光栅相衬成像技术作为最为常用的方法之一，成为相衬成像的研究热点。但该技术普遍存在成像系统繁琐、成像效率不高、步进精度要求高、光栅制作困难等缺点，极大地限制了它的发展。针对以上问题，本文研究并设计了一种基于闪烁体结构的双能分析光栅，将它应用于X射线光栅相衬成像系统，并且阐述了该成像系统的成像原理和相位信息提取方法。此成像系统去除了精密的步进平台结构，使成像系统更简洁，同时解决了由于步进误差而导致成像质量下降的问题，提高了成像效率。此外，相比于传统X射线相衬成像光栅，本系统设计的双能分析光栅还具有便于加工制备等优势。 本学位论文主要在以下几个方面开展了研究工作。首先，研究并设计了双能分析光栅的结构，包括制作栅条的材料以及栅条厚度的计算。其次，研究了多步位移提取相位的方法，根据本课题的成像系统，提出了一种与两步位移法类似的相位提取方法。然后，研究了光栅的相关制作工艺，加工制备了双能分析光栅。最后，搭建了基于双能分析光栅的X射线光栅相衬成像系统进行实验，实验结果表明，相比于传统X射线相衬成像，本系统能明显提高成像效率，改善成像质量。因此，本课题设计的基于闪烁体结构的双能分析光栅，促进了X射线光栅相衬成像系统研究及其实用化进程。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1 X射线的研究背景及意义

1．1．1 X射线吸收成像

1．1．2 X射线相衬成像

1．2 X射线相衬成像的国内外研究现状

1．3 X射线光栅相衬成像技术简介

1．3．1正反投影法

1．3．2逆Talbot相衬成像法

1．3．3单光栅相衬成像法

1．3．4级联Talbot-Lau干涉仪法

1．4课题研究内容

1．5论文的结构安排

第二章X射线光栅相衬成像光学基础

2．1光的传播理论

2．1．1光的干涉

2．1．2光的衍射

2．2光的相干性

2．2．1时间相干性

2．2．2空间相干性

2．3光栅相衬成像的原理

2．3．1光栅Talbot效应

2．3．2光栅Lau效应

2．4 X射线光栅相衬成像的信息提取方法

2．4．1傅里叶分析法

2．4．2积分水桶法

2．4．3相位步进法

2．4．4两步位移法

2．5本章小结

第三章双能X射线光栅相衬成像

3．1双能X射线光栅相衬成像系统结构

3．2双能X射线光栅相衬成像原理

3．2．1相位光栅Talbot自成像

3．2．2莫尔效应

3．2．3球面波照射的几何放大

3．3双能X射线光栅相衬成像理论推导

3．4双能X射线光栅相衬成像的信息提取方法

3．5本章小结

第四章双能分析光栅的设计及制备

4．1光栅材料简介

4．1．1闪烁体材料

4．1．2金属铋

4．2双能分析光栅厚度的仿真设计

4．2．1 CsI：Tl闪烁晶体厚度

4．2．2铋的厚度

4．3双能分析光栅的条纹成像仿真

4．4双能分析光栅的加工制备

4．4．1光助电化学法刻蚀

4．4．2填充铋

4．4．3蒸镀CsI：Tl

4．5本章小结

第五章双能分析光栅相衬成像实验研究

5．1实验系统介绍

5．2实验操作流程

5．3实验数据处理和结果分析

5．4本章小结

第六章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢