论文摘要
X射线光栅相衬成像不但继承了传统衰减衬度成像的优势,而且还同时提供样品相位信息和散射信息,具有定量、高灵敏度以及多模态同时成像的优点。光栅相衬成像既可以使用毫米尺寸的常规X射线源,又具有不使用吸收光栅的可能。因此,X射线光栅相衬成像技术被认为是将X射线相衬成像推向实际应用最强有力的竞争者,在医学成像、工业无损检测和材料科学等领域具有广泛的应用前景。本论文实现了一种新型微结构阵列阳极X射线源作为光栅相衬成像系统的照明系统,它可以免除常规光源和源光栅（吸收光栅）组合照明系统带来的大高宽比吸收光栅制作难、光通量效率低,系统复杂度大,工作能量低和成像视场小等限制,可以推进光栅相衬成像实用化。本研究主要开展了以下几个方面的工作:1.提出了 X 射线微结构阵列阳极（micro array anode structured target,MAAST）射线源。其特征是将微结构金属插入物（microstructure metal inserts,MMI）嵌入金刚石基底作为新型射线源阳极,该阳极起X射线发射器的作用,在不使用源光栅的情况下产生微米大小的周期性子源阵列。与传统的常规X射线源结合源光栅的组合照明系统相比的优点有:（1）提高光源中X射线利用率;（2）提供大视场;（3）提高工作能量;（4）降低光栅制作难度,简化系统复杂度。为了最优化MAAST射线源性能,首先建立了新型射线源中的微结构阵列阳极的蒙特卡洛模型,用来计算MAAST光源的属性。计算分析的属性包括:单电子X射线产生效率,MAAST中的能量沉积分布及百分比,MMIs和基底产生X射线分布及百分比,MAAST中产生的X射线的空间角分布,MMIs和基底产生X射线的相对X射线产生效率,X射线能谱等。模拟分析的参数包括:电子能量、电子入射角、靶材类型、MMIs厚度、基底厚度、MAAST几何参数（周期和占空比）等。通过蒙卡仿真得到了 30keV-120keV入射电子束能量下MAAST的最优参数,也发现电子束入射角对MAAST性能有重要影响。然后利用有限元法对MAAST温度分布进行了分析,得到了最大稳定运行的功率范围。最后,对两种Talbot干涉仪照明方案进行了比较,证明了MAAST光源在高能光栅干涉仪中的巨大优势。本文给出的计算方法和蒙特卡洛仿真结果可广泛应用于设计和制造高亮度MAAST光源,促进光栅相衬成像在更高的能量下工作。2.分析了阵列光源性能对光栅相衬成像系统性能的影响。首先建立了波动光学模拟模型,并分析了光栅干涉仪的相干性,为光栅相衬成像系统优化提供方法。结合蒙特卡洛模拟MAAST射线源的能谱,将光栅干涉仪波动光学模型升级b阵列光源光栅干涉仪波动光学模型。研究证明微结构阵列光源可以为光栅干涉仪提供较高可见度的光栅自成像,实验测试也证明了光栅干涉仪对微结构阵列光源的单色性要求比较低。3.研究了微结构阵列光源光栅干涉仪的最优化设计。首先推导出微结构阵列光栅相衬成像系统设计方法,然后以分辨率和系统灵敏度为指标来分析最优系统设计,最后讨论微结构阵列光源占空比和能谱对系统的影响。4.研制了微结构阵列光源及光栅干涉仪相衬成像原理机,实现了无源光栅的Talbot-Lau干涉仪。首先研宂了微结构阵列阳极的制作方法。然后研制了微结构阵列光源和光栅干涉仪,并对其进行测试分析,最后通过二维图像和CT重建初步分析了微结构阵列光源在生物样品和无损检测中的优势和应用前景。通过以上验证,证明了使用MAAST源的无源光栅干涉仪的可行性。这一令人鼓舞的结果将打开光栅相衬成像在医学成像、工业无损检测和材料科学等应用的大门。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 昝贵彬
导师: 王秋平,王革
关键词: 射线光栅相衬成像,微结构阵列阳极射线源,蒙特卡洛模拟,光栅干涉仪
来源: 中国科学技术大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 物理学,计算机软件及计算机应用
单位: 中国科学技术大学
分类号: O434.1;TP391.41
DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000269
总页数: 187
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标签：射线光栅相衬成像论文; 微结构阵列阳极射线源论文; 蒙特卡洛模拟论文; 光栅干涉仪论文;