X射线纳米CT成像原理以及在生命和材料科学中的应用-朱佩平.pdf

X射线纳米CT成像原理 以及 在生命和材料科学中的应用 朱佩平 2013-10-23 于上海光源 X射线CT的原理 • X射线CT 已经广泛应用于医学、工业、安检，其 基本原理是利用投影的傅立叶变换，求得待测样 品断层的傅立叶变换，并重建断层的空间结构。  傅立叶中心切片定理：投影的傅立叶变换是二维 傅立叶频谱在垂直投影方向的一个切片。 实现X射线纳米CT的两种方法 • 投影放大成像方法 • 透镜放大成像方法 投影放大成像实现纳米CT • 投影放大成像：Z 越小，Z 越大，放大倍数越大； 1 2 • 针孔成像： Z 越小，Z 越大，分辨率越低；光源S越小，S’ 1 2 越小，分辨率越高；光源S越小，光通量越小。 • 选用直径约为70纳米的光源。 投影放大成像分辨率达到80纳米 • 左图是用Xradia 的X射线显微镜5分钟曝光拍摄的 图像；右图是投影放大成像2分钟拍摄的图像。 透镜放大成像实现X射线纳米CT • 已经实现的X射线纳米CT是X射线显微镜和传统 CT 的结合。 • 基本原理之一：利用X射线透镜将纳米尺寸结构 信息放大到微米尺寸，然后用微米尺寸像素的探 测器采集投影数据。 软x射线显微镜 硬x射线显微镜 X射线显微镜的原理  X射线显微镜是光学显微镜在X射线波段的推广。  X射线显微镜是光学显微镜在X射线波段的推广。 可见光显微镜 软x射线显微镜 硬x射线显微镜 X射线透镜波带片 • 玻璃透镜将一个凸球面波变换为一个凹球面波。  波带片将一个凸球面波变换为一个凹球面波。 纳米CT获得放大投影的条件 • 样品厚度小于透镜焦深 软x射线显微镜 硬x射线显微镜 透镜焦深 • 球面波不是聚焦成一个几何点，而是聚焦成半径为的 焦斑（爱里斑），形成焦深，焦深长度为： 0.61 2 2 2 2 2 爱里斑半径：  焦深长度： l    3.28  tan  sin   0.61  纳米CT获取放大投影的原理 • 多个球面波在焦深处，形成多条焦深平行细光束； • 当样品直径小于焦深，就可以在像面获得样品放大 投影像； • 用CCD记录含有纳米尺寸信息的放大投影像。 X射线纳米CT成像过程 • 利用椭球镜会聚X射线光源发出的X光束，形成空心光锥 照射在样品上； • 波带片将样品放大成像在 X射线CCD上，把纳米尺寸的信 息放大为微米尺寸，CCD可以记录放大的样品像; • 纳米精密转台逐步旋转，CCD逐幅采集放大像，就可进行 几十纳米分辨的CT成像。 “水窗”软X射线纳米CT “水窗”软X射线的性质 • 含义是“水窗” 软X射线在水中传播是透明的。