X射线相称成像发展综述.docx

X射线相位衬度成像调研I．概述：传统的X射线成像技术原理是根据物体对X射线的吸收衰减特性而成像的。对于传统的X射线成像技术而言，通常要求待测物体与周围环境以及物体中不同吸收部位之间的对X射线的吸收系数有比较明显的差异。因此X射线吸收成像对由金属等重物质构成的物体检测时效果比较显著，而当检测以C、H、O等轻元素为主要构成的物质时，如生物软组织样本，由于它们对X射线吸收很少，不同生物组织之间吸收系数差别也小，导致传统X射线成像对这些样本进行无损检测时无法提供足够的衬度，限制了X射线成像在医学、生物学以及材料学等领域的应用和发展。而X射线相位衬度成像正是一项可以改变这一局面的技术，它通过直接或间接探测X射线穿过待测样品后的相位信息来形成衬度图像。这种技术能将可检测物质的范围扩展到弱吸收的轻元素物质，并把X射线成像的空间分辨率提高到微米乃至纳米量级。首先提出相位成像方法的是荷兰罗宁根大学的Frits Zernike。1953年，他成功地将相位衬度概念引入光学显微镜（可见光波段），清晰地观测了软组织样品。他也因为这个方面的突出贡献被授予了该年的诺贝尔物理学奖。1965年，V. Bonse和M. Hart成功研制出了X射线晶体干涉仪，成为了相衬成像研究的重要基础。在F. Zernike工作的启发下，人们开始着手于X波段相称成像的研究。但是早起的X光管亮度较低，X射线晶体干涉仪对于环境的稳定性要求较高，不但拍摄一幅图像需要很长的曝光时间，而且实现比较困难。所以直到上个世纪90年代中期，随着高亮度、能量可调、方向性好的同步辐射光源的大力发展，对于X射线相称成像的系统研究才真正开始。1994年，日本的A. Momose实验小组利用干涉法进行了早期的相称成像实验，获得了大量生物切片、活体组织的相称图像。1995年，澳大利亚的CSRIO研究中心利用衍射增强法获得了树叶、昆虫的相称图像。同时，A. Snigirev和他的同事提出了单色同轴相位衬度成像模型，并在ESRF成功实现。1996年，W. S. Wilkins在Nature上发表了多波长硬X射线相位衬度成像论文。同年，K. A. Nugent在Phys. Rev. Lett, 上发表了相位提取的理论文章。而在以后的时间内至今，在这一领域有大量的理论、实验成果不断涌现。这一切都标志着X射线相位成像开始得到广泛深入研究，并在努力走向实际应用。而在我国，2002年，北京同步辐射中心形貌成像组朱佩平教授为代表的众多科研小组以北京同步辐射光源为主要实验平台开展了大量的工作，在相衬成像理论和实验上取得了重大进展。2005年开始在传统干涉仪上众多研究小组利用光栅进行了相称成像实验并获得了重要成果。II．X射线相称成像主要实现方法简介：到目前为止，人们已经发展了多种实现X射线相称成像的方法，主要可以分为以下五类：1）类Zernike相称成像法；2）干涉成像3）衍射增强成像4）类同轴相称成像法；5）光栅相称成像法。1. 类Zernike相称成像法：类Zernike相衬法是应用Zernike相称机制的一种X射线显微相衬成像方法。Zernike指出，在普通显微镜成像时，衍射光之所以观察不到是因为它与强本底之间存在π/2的相位差，如果能够在物体成像的频域面加上移像板，改变直射光与弱衍射光之间的这种相位正交关系，同时适当衰减直射光强度，那么这两项间就会更直接的叠加发生干涉，产生可观测的强度变化。这种相称成像光路示意图如图1所示。图1 Zernike相衬成像光路示意图这种方法对于可见光波段容易实现，可是对于X射线，聚焦是一个大问题。由于各种材料的折射率都近似等于1，一般的光学折射元件无法用来聚焦X射线。不过，人们发展了通过波带片利用X射线衍射特性聚焦X射线的方法，并实现了基于波带片的X射线类Zernike显微相称方法，其光路示意图如图2所示。在基于波带片的X射线显微成像系统中，波带片的作用基本可以理解为光学透镜在可见光显微镜中的作用。会聚波带片用于X射线聚焦和色散补偿，通常为了尽可能多的会聚X射线，一般会聚波带片直径较大为毫米量级。成像波带片用作X射线显微镜的物镜进行成像或形成微束，为了提高空间分辨率，成像波带片一般比较小，在百微米量级。波带片分辨率主要由其外带宽度决定，可估算为d=1.22rn(rn为波带片外环宽度)。目前的波带片分辨率也就可达几十nm量级。但是在仪器理想情况下，理论的分辨极限是由衍射极限决定的，所以随着光刻技术的发展，X射线显微技术的分辨率还有进一步提升空间。目前，世界各地的科研小组针对X射线显微成像开展了很多研究，取得了令人欣喜的结果。2004年，美国的C. A. Larabell等人应用软X光水窗波段的波带片显微成像系统对酵母细胞进行了研究，取得了很好的实验结果。2005年，W, Chao等人在AL