高分辨率X射線成像技術(shù)與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著高亮度的同步輻射光源的發(fā)展和納米加工技術(shù)的飛速進(jìn)步，基于波帶片的高分辨率X射線成像技術(shù)在近十幾年來發(fā)展極為迅速，其空間分辨率已達(dá)到15-50納米。高分辨率同步輻射X射線成像技術(shù)具有穿透能力強(qiáng)、成像襯度來源豐富、無需復(fù)雜的制樣和真空環(huán)境、三維成像能力等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了其它顯微術(shù)的不足(如光學(xué)顯微鏡和電鏡)，在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)和工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用前景。國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室成功建造了一條高分辨率全場(chǎng)透射式X射線成像線站，空間分辨率

2、達(dá)到50納米。在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的工作：
　　 1.高分辨率X射線成像線站的建設(shè)、測(cè)試及其成像原理研究
　　 介紹了高分辨率X射線成像光束線和系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。測(cè)試得到了光束線的能量分辨率、光子通量和實(shí)驗(yàn)站的成像空間分辨率等重要實(shí)際性能參數(shù)，測(cè)試結(jié)果表明高分辨率X射線成像線站的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)高分辨率全場(chǎng)透射式X射線成像技術(shù)的工作原理進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)合成像線站的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的光路傳播

3、進(jìn)行了分析，給出了光路傳播方程的數(shù)學(xué)描述，簡(jiǎn)化了光路模擬過程。同時(shí)通過成像實(shí)驗(yàn)、理論分析和計(jì)算機(jī)模擬，分析成像系統(tǒng)的空間分辨與光學(xué)元件、照明光源、噪音和CCD探測(cè)器之間的關(guān)系。為將來發(fā)展新成像方法提供了理論基礎(chǔ)。
　　 2.高分辨率X射線Zernike相位襯度成像
　　 襯度和分辨率是X射線成像系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)。提高系統(tǒng)的襯度，特別是對(duì)于生物樣品或輕元素樣品來說，具有非常重要的意義。因?yàn)檩p元素折射率中的吸收項(xiàng)太小，X射

4、線吸收襯度成像不能提供足夠的襯度。而輕元素折射率中的相位項(xiàng)比吸收項(xiàng)大三到四個(gè)量級(jí)，利用相位襯度成像將能夠提供比吸收襯度成像高得多的襯度。本工作在高分辨率X射線成像系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了Zernike相位襯度成像實(shí)驗(yàn)方法，通過一系列樣品分析了該方法的適用范圍，并分析了halo現(xiàn)象。
　　 3.高分辨率X射線三維成像技術(shù)和大視場(chǎng)三維成像技術(shù)研究
　　 結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助斷層成像技術(shù)(computerized tomography，簡(jiǎn)稱CT

5、)，發(fā)展了高分辨率X射線三維成像技術(shù)，具備了觀測(cè)厚樣品內(nèi)部納米三維結(jié)構(gòu)的能力。然而在提高成像系統(tǒng)的分辨率同時(shí)也降低了視場(chǎng)。大多數(shù)樣品在具備納米結(jié)構(gòu)特征的同時(shí)，其尺寸大多超過系統(tǒng)的視場(chǎng)(15微米)。這使得發(fā)展一種方法，既能得到樣品的納米三維結(jié)構(gòu)信息，又能成像足夠大的樣品以得到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，頗為重要。結(jié)合系統(tǒng)的性能參數(shù)，通過電機(jī)掃描對(duì)樣品等間隔角度進(jìn)行大視場(chǎng)成像，利用迭代算法和標(biāo)準(zhǔn)濾波反投影算法進(jìn)行三維重構(gòu)，發(fā)展了大視場(chǎng)三維成像技術(shù)。實(shí)驗(yàn)

6、結(jié)果表明該方法達(dá)到了預(yù)期要求。
　　 4.定量計(jì)算方法
　　 發(fā)展了對(duì)X射線三維數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算的方法。根據(jù)Beer定律，X射線穿過物體后，物體對(duì)入射X射線的吸收效應(yīng)是線性的。采集到得投影圖的光強(qiáng)分布是物體吸收系數(shù)在X射線傳播方向上積分(或投影)的信息。只要采集到完備的三維數(shù)據(jù)，重構(gòu)后就可以定量地解出樣品的吸收系數(shù)的三維分布。通過對(duì)斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行取直方圖、分析歸類和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等步驟，可以對(duì)樣品的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計(jì)算。

7、　　 5.納米材料的三維結(jié)構(gòu)表征研究
　　 設(shè)計(jì)、建模和表征始終是納米材料科學(xué)設(shè)計(jì)流程中聯(lián)系最緊密的三個(gè)環(huán)節(jié)。其中設(shè)計(jì)和建模最終指導(dǎo)制造，而表征(如成像)則是提供數(shù)據(jù)，證實(shí)設(shè)計(jì)和建模環(huán)節(jié)的可行性，或?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。可見表征手段的重要性。本工作首次將高分辨率X射線三維成像技術(shù)成功應(yīng)用到納米材料科學(xué)中。通過對(duì)‘幾何明星’凹陷Escher型硫化銅十四面體等納米材料和燃料電池等納米化器件進(jìn)行了三維成像，得到了獨(dú)特的樣品三維信息。<

8、br>　　 6.酵母細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)表征研究
　　 新的成像方法，極大推進(jìn)了我們對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能的理解。每種成像方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，沒有一個(gè)成像方法能得到細(xì)胞的全部信息。本工作結(jié)合重金屬染色的方法，在X射線能量為5.4 keV的條件下，成功得到了酵母細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)合同步輻射高分辨率X射線成像技術(shù)和X射線熒光技術(shù)，成功得到了富硒酵母細(xì)胞中硒納米球顆粒的形貌和三維分布。
　　 7.小鼠骨小梁的納米三維結(jié)構(gòu)表征研究