衍射增强成像原理

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1、衍射增强成像原理! 朱佩平!） “） #袁清习!） “）黄万霞!） “）王越!） “）舒航!） “）吴自玉!） “） $冼鼎昌 !） !） （中国科学院高能物理研究所同步辐射室， 北京!%;,? $ 234567：:8A,? !B 引言 自从 C95;45? !0 年提出衍射增强 成 像 （D6EF5G6H? =?95?=D 645I6?I， J2K） 的命名和简单数学 描述之后， 衍射增强成像方法被广泛接受， 成为三种 主要的相位衬度投影成像方法 “!0之一,与传统的 吸收衬度成像相比， 衍射增强成像可以通过一种或 几种衬度的结合更清楚地显示样品的内部结构,在 衍射增强成像过程中， 对成像衬

2、度有贡献的相互作 用主要有三种， 它们是吸收， 小角散射和折射， 分别 得到吸收衬度， 消光衬度和折射衬度,虽然 C95;45? 在讨论衍射增强成像过程中， 考虑了吸收， 小角散射 和折射三种相互作用， 但是他却没有给出吸收衬度 和消光衬度的数学表达,此外，C95;45? !只考虑了 分析晶体滤除小角散射获得消光衬度， 而忽略了分 析晶体反射小角散射引起的噪声,本文拟对这些问 题展开讨论， 并解决这些问题,这对深刻认识衍射增 强成像的物理过程， 将衍射增强成像应用于医学， 生 物和材料体系具有重要意义, 本文描述了衍射增强成像的基本装置； 简述前 人提出的衍射增强成像的基本原理； 分析描述 +

3、 射 线和单色器晶体， 样品之间的相互作用； 建立了更普 遍的衍射增强成像方程， 并利用该方程讨论了摇摆 曲线峰位成像， 腰位成像， 表观吸收像和折射像, 图 ! 衍射增强成像基本光路 “B 衍射增强成像基本装置 完整晶体是构成衍射增强成像装置的关键元 件， 虽然不同的衍射增强成像装置所用的晶体数目 不同， 但是起关键作用的是位于样品前后的两块晶 体， 其他晶体的作用是准直， 消除高次谐波， 减小热 膨胀的影响,为简明起见， 本文将基于两块晶体衍射 增强成像装置讨论衍射增强成像原理,衍射增强成 像基本光路如图 ! 所示， 它由同步辐射光源， 单色器 晶体， 样品转台， 分析晶体以及探测器 （像

4、平面） 五个 主要部分组成,设晶体转轴平行于 ! 轴， “ 轴位于子 第 ( 卷 第 ) 期 “%* 年 ) 月 !%3)“%L“%*L( （%)） L!%/3!% 物理学报 MCNM OPQRKCM RKSKCM TH7,(， SH,)， U5F9， “%* ! “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “%* C96?,O9AV,RH, 午面内， 光束沿 ! 轴传播!不放置样品时， 衍射

5、增强 成像光路与通常使用的双晶单色器光路完全相同! 白光 “ 射线照射在单色器晶体上， 单色器晶体 对白光是波长滤波器， 只有满足布拉格方程 #“$%， 分析晶体将落在接 收角外的大部分小角散射滤除!因为样品的折射， 引 起从样品出射的 “ 射线偏离原入射方向， 所以调整 分析晶体角度， 可以增强或抑制某一方向的折射!由 此可知， 衍射增强成像的衬度来源主要有三个， )） 样 品对 “ 射线的吸收； #） 分析晶体滤除样品的小角散 射； /） 分析晶体对样品折射的增强和抑制!由于晶体 反射只对子午面内的入射角度变化敏感， 而对弧矢 *;*) 物理学报66 卷 面内的入射角度变化不敏感 !“，

6、所以只须考虑样品 在子午面内的小角散射角度和折射角度， 而不必考 虑弧矢面内的小角散射角度和折射角度#综合三种 衬度机理， $% * !9 # 从图 / 可知， 在 摇摆曲线腰位 （半高宽处） ， 为线性区域， 成像光束的 反射率与折射角成正比#将!+,“!9:! 代入 （*） 式， 并做泰勒展开， 得 ! , !-“ “! 9 ! .!() # !- “ “! 9 () ! . 4“ 4! “! 9 () ! !# #（7） 腰位成像中， 成像衬度也来源于三个方面： *） 吸收引 起光强衰减， 得到吸收衬度 （隐含在 !-中） ； !） 分析 晶体滤除小角散射引起光强衰减， 得到消光衬度 （

7、隐 含在 !-中） ； /） 分析晶体对样品折射的增强和抑制， 得到与折射角成正比的衬度# 将腰位成像时， 摇摆曲线半高宽对应的低角坐 标!） 和高角成像公式为 ! !9 () ! , ! - “ !9 () ! . 4“ 4! !9 () ! !# , ! - * ! 2! # ! 9 #（?） 将低角像和高角像相加得到 $% (提出的衍射增强成像方程， 而 （4-） 式 和 （46） 式右边第二项则是 7890:9; (忽略的， 分析 晶体在接收角内反射的小角散射引起的本底噪声! 第三节已经介绍过， 在衍射增强成像中， 有两种 基本的成像方式： 峰位成像和腰位成像； 两种合成 像： 表观吸

8、收像和折射像!下面根据 （46） 式分别讨论 这四种像的特点! !“$“ 峰位成像 峰位成像时， 双晶平行， 即!,% -!根据 （46） 式， 考虑了小角散射本底噪声的峰位成像方程为 “ ! （-）% !-./0 （1“ # 1 #） $ （!%） 2 ! - !$ 4$5 ./0 （ 1“ #） ( 1 ./0 （1#） ! （4： ?$N= :，Q$.$# ，.( E“% &(ML#%(&MM.&E&I(.L (I&B% E%C GK BC.LL .()L% B#，.( CI% )%(%.L 6QR %S#.E&I( %BE.GL&B“%，G#E .LBI %TD%BB&I(B IM .GBIDE&I( L% BLID% &C.)%O 2&E“ E“% (%J 6QR %S#.E&I(， E“% B IM %B#LE.(E &C.)%B（.DD.%(E .GBIDE&I( &C.)% .( %M.&BO “#$%&()：D“.B% E“% (IJL%)% R(I=.E&I( X#( IM R1Q$ , QC.&L：N“#DD&“%DO.O( 5 QC.&L：J#NK&“%DO.O( Y:8* 物理学报AA 卷