高分辨率X射線成像技術(shù)與應用研究.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、成像襯度來源豐富、無需復雜的制樣和真空環(huán)境、三維成像能力等優(yōu)勢，彌補了其它顯微術(shù)的不足(如光學顯微鏡和電鏡)，在生物醫(yī)學、環(huán)境科學、材料科學和工業(yè)上有著廣泛的應用前景。國家同步輻射實驗室成功建造了一條高分辨率全場透射式X射線成像線站，空間分辨率

2、達到50納米。在此實驗平臺基礎(chǔ)上，本論文主要開展了以下幾個方面的工作：
　　 1.高分辨率X射線成像線站的建設(shè)、測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)的光學設(shè)計。測試得到了光束線的能量分辨率、光子通量和實驗站的成像空間分辨率等重要實際性能參數(shù)，測試結(jié)果表明高分辨率X射線成像線站的性能達到了設(shè)計指標。對高分辨率全場透射式X射線成像技術(shù)的工作原理進行了系統(tǒng)的研究。結(jié)合成像線站的設(shè)計，對系統(tǒng)的光路傳播

3、進行了分析，給出了光路傳播方程的數(shù)學描述，簡化了光路模擬過程。同時通過成像實驗、理論分析和計算機模擬，分析成像系統(tǒng)的空間分辨與光學元件、照明光源、噪音和CCD探測器之間的關(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)的兩個重要參數(shù)。提高系統(tǒng)的襯度，特別是對于生物樣品或輕元素樣品來說，具有非常重要的意義。因為輕元素折射率中的吸收項太小，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比吸收項大三到四個量級，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)上實現(xiàn)了Zernike相位襯度成像實驗方法，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)和大視場三維成像技術(shù)研究
　　 結(jié)合計算機輔助斷層成像技術(shù)(computerized tomography，簡稱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)的分辨率同時也降低了視場。大多數(shù)樣品在具備納米結(jié)構(gòu)特征的同時，其尺寸大多超過系統(tǒng)的視場(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驗數(shù)據(jù)，頗為重要。結(jié)合系統(tǒng)的性能參數(shù)，通過電機掃描對樣品等間隔角度進行大視場成像，利用迭代算法和標準濾波反投影算法進行三維重構(gòu)，發(fā)展了大視場三維成像技術(shù)。實驗

6、結(jié)果表明該方法達到了預期要求。
　　 4.定量計算方法
　　 發(fā)展了對X射線三維數(shù)據(jù)進行定量計算的方法。根據(jù)Beer定律，X射線穿過物體后，物體對入射X射線的吸收效應是線性的。采集到得投影圖的光強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。通過對斷層數(shù)據(jù)進行取直方圖、分析歸類和統(tǒng)計計算等步驟，可以對樣品的三維數(shù)據(jù)進行定量計算。

7、　　 5.納米材料的三維結(jié)構(gòu)表征研究
　　 設(shè)計、建模和表征始終是納米材料科學設(shè)計流程中聯(lián)系最緊密的三個環(huán)節(jié)。其中設(shè)計和建模最終指導制造，而表征(如成像)則是提供數(shù)據(jù)，證實設(shè)計和建模環(huán)節(jié)的可行性，或為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)?？梢姳碚魇侄蔚闹匾浴１竟ぷ魇状螌⒏叻直媛蔢射線三維成像技術(shù)成功應用到納米材料科學中。通過對‘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行了三維成像，得到了獨特的樣品三維信息。<

8、br>　　 6.酵母細胞的三維結(jié)構(gòu)表征研究
　　 新的成像方法，極大推進了我們對細胞的結(jié)構(gòu)和功能的理解。每種成像方法都有其優(yōu)缺點，沒有一個成像方法能得到細胞的全部信息。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