專利名稱：電磁放大x射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是關(guān)于X射線相襯成像裝置，特別是涉及一種電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置。
背景技術(shù)：
X射線用于成像已有100年的歷史，已成為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及材料科學(xué)中不可缺少的診斷工具。早期的X射線成像技術(shù)，是根據(jù)樣品的密度分布差異、組成以及厚度的不同，來獲得像的襯度。但在硬X射線范圍，諸如生物體軟組織、聚合物及碳纖維等以輕元素為主的物體吸收極小，產(chǎn)生的對比度也很小。對于這類弱吸收物體，硬X射線的位相移動(dòng)卻很大。近年來，隨著高亮度同步輻射光源及X射線激光的迅猛發(fā)展，位相襯度成像已經(jīng)成為國際上成像領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)診斷、生物和材料研究等領(lǐng)域有顯著的優(yōu)越性，極具推廣應(yīng)用的潛力。
當(dāng)X射線穿透物質(zhì)時(shí)，它的位相變化給出了產(chǎn)生位相襯度的可能性。目前世界上幾個(gè)研究小組探討新的X射線成像方法，主要可分為三類干涉法、衍射法及類同軸全息成像法分別對、和2進(jìn)行測量。其中，Wilkins等人給出的一種非常簡單的、基于菲涅爾衍射的X射線相位成像方法特別引人注意，它實(shí)質(zhì)上就是X射線同軸蓋柏全息的記錄，亦稱之為X射線相位直接成像(參見在先技術(shù)S.W.Wilkins，T.E.Gureyev，D.Gao et al.，Nature，1996，384，335-338)。
我們知道，當(dāng)光波通過物體時(shí)，要產(chǎn)生散射和吸收，在離樣品適當(dāng)距離將獲得清晰的樣品吸收襯度像，這是常規(guī)顯微和層析的成像基礎(chǔ)。
從X射線光學(xué)，我們已經(jīng)知道X射線的折射率nx＝1-δ，δ＝r0λ2Natf/2π，式中，λ為X射線波長，r0為經(jīng)典電子半徑，Nat為單位體積內(nèi)原子數(shù)密度，f為原子散射因子。盡管1-δ和1的差值只有10-5，但當(dāng)使用非常小的λ值時(shí)，即使是不太大的厚度或密度的變化，也可能產(chǎn)生相當(dāng)大的位相畸變。如果采用相干光或部分相干光通過物體時(shí)，除了吸收以外，還要產(chǎn)生位相變化，即發(fā)生波前的畸變。這種波面畸變導(dǎo)致部分波面的傳播方向發(fā)生變化，使波面重疊而形成干涉，這樣，位相變化轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度變化，這是相襯成像的物理基礎(chǔ)，也是相襯層析的物理基礎(chǔ)，更為重要的是，這種圖像不經(jīng)任何重構(gòu)技術(shù)，可直接獲得位相變化圖像。
在標(biāo)量近似的前提下，對樣品的光學(xué)復(fù)傳遞函數(shù)F有w(x，y)＝F(x，y)w(x，y)(1)
其中，w和w0分別表示通過薄樣品前后在物平面上點(diǎn)(x，y)處的單色場。包含有折射率實(shí)部和虛部的傳遞函數(shù)F可表示為 其中，M代表吸收，而表示相位變化M(x,y)=exp(-12∫μ(x,y,z)dz)]]> μ為線性吸收系數(shù)，且n為折射率的實(shí)部。上兩式中的積分路徑均沿光束的傳播方向z。
通常折射率與1相差很小(在10-5量級)。對于成像過程可以用兩種方法分析一是將光波穿過樣品之后的傳播看作球面波，用菲涅爾—基爾霍夫積分方法分析；一是將入射光平面波傳播穿過樣品視為通過一濾波器，其后的空間傳播都采用傅立葉光學(xué)的方法分析。
以一維情況下的單色波exp{-ikz}為例(不失一般性)，考慮一弱吸收的位相物體，我們可以得到方程I(x)≈1-λ22πrezρn(x)]]>在一個(gè)特定的物—像平面距離有I(x)＝1-2reλρe(x)在傍軸近似條件下，相位本身出現(xiàn)在光強(qiáng)分布的表達(dá)式中，從上式還可以看到，波長λ以一個(gè)一次因子出現(xiàn)在第二項(xiàng)中，其對成像的影響很小，也就是說，相襯成像對時(shí)間相干性的要求不是很高，這就提供了采用微聚焦X射線管進(jìn)行成像的可能。當(dāng)然采用單色性好的同步輻射源，將能獲得清晰度較高的圖像。
這種硬X射線相襯成像分辨率常常受記錄介質(zhì)分辨率的影響，分辨率為10μm的量級。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型針對上述在先技術(shù)中所存在的缺點(diǎn)，提出一種新的裝置，即電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置。
當(dāng)硬X射線穿透樣品以后，如果將探測器直接放在樣品后面，記錄的是一張基于吸收襯度機(jī)制的X射線投影圖。如果探測器和樣品距離滿足以下公式時(shí)
Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>就可以獲得物體的位相襯度像，式中λ是X射線波長，U是物體空間頻率，Z1是待測樣品和X射線源的距離。
特別要指出的是，這種相襯像反映的是物體折射率發(fā)生突變的地方。
具體地說，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，它包含X射線源，其特征在于沿x射線前進(jìn)方向依次是待測樣品、光電子轉(zhuǎn)換器、加速陽極、電磁放大透鏡組、CCD，該CCD的輸出連計(jì)算機(jī)，而光電子轉(zhuǎn)換器位于待測樣品之后，與待測樣品的距離Z2為Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>式中λ-X射線波長，U-物體空間頻率，Z1-待測樣品和X射線源的距離。
所述的光電子轉(zhuǎn)換器、加速陽極、電磁放大透鏡組和CCD都裝在一真空系統(tǒng)之內(nèi)。
所述的X射線源是一臺(tái)微聚焦的X射線管或者是一個(gè)同步輻射源。
所述的待測樣品是安放在一具有上下、前后調(diào)節(jié)功能的樣品平臺(tái)的。
所述的光電子轉(zhuǎn)換器，它能將硬X射線轉(zhuǎn)換成電子，例如光陰極。
本實(shí)用新型的電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，與在先技術(shù)相比，它既有硬X射線穿透能力很強(qiáng)的優(yōu)勢，又具有光電子能被高倍放大的功能，能高分辨率地觀察到樣品中折射率突變部分的細(xì)節(jié)。


圖1為本實(shí)用新型電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包含8個(gè)部分X射線源1，樣品臺(tái)2，光電子轉(zhuǎn)換器3，加速陽極4，電磁放大透鏡組5，CCD6，計(jì)算機(jī)7，真空系統(tǒng)8。
所說的X射線源1是一臺(tái)微聚焦的X射線管或者是一個(gè)同步輻射源。
所說的待測樣品2放置一樣品平臺(tái)上，該樣品平臺(tái)具有上下、前后調(diào)節(jié)功能。
所說的光電子轉(zhuǎn)換器3，它能將硬X射線轉(zhuǎn)換成電子，例如光陰極。光陰極的材料通常有三類(1)金屬類，主要有金、銅、鎂、鉭等，其特性是閾值功率高，量子效率低，由于大部分入射光能轉(zhuǎn)換成熱能，對高重復(fù)率運(yùn)轉(zhuǎn)的光陰極需要冷卻；優(yōu)點(diǎn)是容易制備，使用壽命長，對真空度要求低，一般為10-5～10-8。(2)金屬化合物及合金，典型的有LaB6，有較高的量子效率，對紫外波段有較高的靈敏度，對真空度要求也低。(3)半導(dǎo)體光陰極。主要是多堿銻化物材料。如Cs3Sb，CsK2Sb和GaAs等。半導(dǎo)體光陰極的量子效率最高，可達(dá)2～8％；閾值功較低，可以獲得較高的電流密度。唯一的缺點(diǎn)是壽命短，只有幾十個(gè)小時(shí)。(參見文獻(xiàn)陳建文、歐陽斌、王之江，強(qiáng)激光技術(shù)進(jìn)展，1992年，第3輯，1-5)。
實(shí)際中必須根據(jù)X射線光子的波長、所需光陰極的閾值功及量子效率等各方面的綜合性能，從三類材料中作出選擇。這里我們選擇使用壽命長的金屬作光陰極。
所說的加速陽極4，它能將光電子加速。
所說的電磁放大透鏡組5，它用來將加速電子進(jìn)行放大。
所說的CCD6，是用來記錄放大了的含有物體位相信息的圖像。
所說的計(jì)算機(jī)7，是用來顯示CCD6接收到由樣品產(chǎn)生的位相襯度的圖像。
所說的真空系統(tǒng)8，是用來給光電子有一個(gè)正常運(yùn)行的環(huán)境。
當(dāng)硬X射線1和置于樣品臺(tái)上的樣品相互作用，并傳播到Z2距離之后，此時(shí)的X射線強(qiáng)度分布中含有位相信息，即包含的是相襯圖像，在這一位置放有光電轉(zhuǎn)換器3，即相襯圖像變成電子相襯圖像，由于電子能被加速陽極4和電磁放大透鏡組5放大，并被CCD6和計(jì)算機(jī)7接受和顯示，圖像可以放大到100萬倍，能觀察到很微小的細(xì)節(jié)。
本實(shí)用新型的硬電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，既具有硬X射線高穿透性能，又兼?zhèn)淞斯怆娮幽苡行Х酱蟮奶匦?，可以?shí)時(shí)地、快速地觀察自然活體狀態(tài)下生物體、各種材料的位相分布，特別是折射率發(fā)生突變部分，是通?；谖諜C(jī)制X射線投影成像以及電子顯微成像所不能完成的工作，對于人體各種病變以及早期癌癥診斷方面將有潛在的巨大的用途！
權(quán)利要求1.一種電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，它包含X射線源(1)，其特征在于沿x射線前進(jìn)方向依次是待測樣品(2)、光電子轉(zhuǎn)換器(3)、加速陽極(4)、電磁放大透鏡組(5)、CCD(6)，該CCD(6)的輸出連計(jì)算機(jī)(7)，而光電子轉(zhuǎn)換器(3)位于待測樣品(2)之后，與待測樣品(2)的距離Z2為Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>式中λ-X射線波長，U-物體空間頻率，Z1-待測樣品(2)和X射線源(1)的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，其特征在于所述的光電子轉(zhuǎn)換器(3)、加速陽極(4)、電磁放大透鏡組(5)和CCD(6)都裝在一真空系統(tǒng)(8)之內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，其特征在于所述的X射線源(1)是一臺(tái)微聚焦的X射線管或者是一個(gè)同步輻射源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，其特征在于所述的待測樣品(2)是安放在一具有上下、前后調(diào)節(jié)功能的樣品平臺(tái)上的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，其特征在于所述的光電子轉(zhuǎn)換器(3)能將硬X射線轉(zhuǎn)換成電子，例如光陰極。
專利摘要一種電磁放大X射線誘導(dǎo)光電子相襯成像裝置，它包含X射線源，其特征在于沿x射線前進(jìn)方向依次是待測樣品、光電子轉(zhuǎn)換器、加速陽極、電磁放大透鏡組、CCD，該CCD的輸出連計(jì)算機(jī)，光電子轉(zhuǎn)換器位于待測樣品之后，與待測樣品的距離Z
文檔編號(hào)G01N23/04GK2729711SQ20042008261
公開日2005年9月28日 申請日期2004年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月7日
發(fā)明者高鴻奕, 陳建文, 朱化鳳, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所