专利名称：非相干x射线衍射成像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及X射线衍射成像，是一种非相干X射线衍射成像装置，它可应用于X射线衍射成像技术领域。
背景技术：
现有的X射线傅里叶变换衍射成像方法，只有X射线相干衍射成像(X⑶I) 一种， 它是采用相干X射线，照射在待测物体上，利用物光场的夫琅和费衍射强度分布，得到该物体透过率函数的傅里叶变换强度分布，再采用迭代算法恢复待测物体的振幅或位相信息。 这种X射线相干衍射成像技术主要有以下几个局限1)成像光束必须是相干X射线，待测样品尺寸受X射线横向相干尺度的限制。对第三代同步辐射X射线成像装置而言，最大待测样品尺寸仅为10微米量级；对于采用X光管的常规小型X射线成像装置，由于其空间相干性较差，完全无法进行X射线相干衍射成像。2)成像光束经过物体后必须传输较长的距离(满足夫琅和费条件)，才能探测到物体透过率函数的傅里叶变换强度信息。对第四代同步辐射X射线成像装置而言，虽然能满足光束大面积相干的条件，但待测样品尺寸受夫琅和费条件限制，如采用波长Inrn的相干X射线对尺寸的样品进行衍射成像，所需的探测距离达到3公里。3)由于X射线具有极高的穿透性，进行X射线相干衍射成像时在探测器中央对应位置存在高强度透射光，实际成像装置中往往采用beam stop将其吸收，因此，所得到的衍射强度分布中存在图像的直流和低频成分缺失。中国科学院上海光学精密机械研究所的魏青等人提出了一种基于关联分束的强度关联衍射成像方法，并且利用可见光完成了强度关联衍射实验(Phys.Rev.A 75， 021803(2007)) 0这种成像方法不需要相干光源就可以实现傅立叶变换衍射成像，但装置的关键是需要采用分束器对热光源发出的光进行关联分束，得到两束空间分布完全关联的光。然而，对于X射线而言，由于其极高的穿透性，不存在类似可见光分束器的关联分束光学元件，通常是采用晶体衍射分光来实现X射线的分束。但是，这种晶体衍射分光并不具有类似可见光分束器的关联分光性质，采用这种晶体衍射分光方法得到的两束X光空间关联性较差，难以直接用于关联成像。因此，这种基于可见光关联分束的强度关联成像方法并不适用于X射线成像领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的缺陷，提供一种基于无分束强度关联的非相干X射线衍射成像装置，可以利用非相干X射线对常规尺寸待测样品实现衍射成像。主要解决下列技术问题1)本发明利用非相干X射线成像，可以解决现有相干X射线衍射成像技术中X射线横向相干性对样品尺寸的限制问题；
2)本发明可以在离物体较近的位置(满足傍轴近似条件)，探测到物体透过率函数的傅里叶变换强度信息，可以解决现有相干X射线衍射成像技术中探测距离(满足夫琅禾费条件)对样品尺寸的限制问题；3)本发明不需要在成像装置中使用beam stop来吸收透射X射线，可以解决现有相干X射线衍射成像技术所得衍射图像的直流和低频成分缺失的问题；4)本发明不需要进行关联分束，可以解决X射线无类似可见光分束器的关联分束光学元件，采用常规X射线衍射分光方法无法实现关联分束的问题。本发明的技术解决方案如下一种非相干X射线衍射成像装置，其特征在于<1>包括置于防辐射外壳内的X射线源、电子光闸、校准器、待测物体、底盘、电控平移台、X射线面探测器和置于防辐射外壳外的计算机；所述的校准器由入射窗和出射窗构成；<2>所述的X射线源、电子光闸、校准器、待测物体、底盘、X射线面探测器同轴；<3>所述的校准器出射窗和待测物体固定于同一底盘上，该底盘固定于所述的电控平移台上，在计算机的控制下，电控平移台带动所述的校准器出射窗和待测物体在垂直于光路的方向横向移动；<4>所述的置于防辐射外壳外的计算机与防辐射外壳内的电子光闸、电控平移台、 X射线面探测器以电缆相连，所述的计算机具有对关联成像序列进行关联运算的程序。所述的X射线源是真实热X射线源，或赝热X射线源。所述的置于防辐射外壳外的计算机，通过电缆控制防辐射外壳内的电控平移台平移，电子光闸开关，X射线面探测器数据采集，并完成对关联成像序列的关联运算，获取物体的傅立叶衍射像。所述的非相干X射线衍射成像装置，具有以下两种工作状态<1>所述的校准器出射窗和待测物体在光路上，X射线源产生的空间非相干X射线沿光束前进方向依次经过电子光间、校准器入射窗、校准器出射窗、待测物体，最终到达X 射线面探测器，为探测状态；<2>所述的校准器出射窗和待测物体不在光路上，X射线源产生的空间非相干X射线沿光束前进方向依次经过电子光间和校准器入射窗后，不经过待测物体直接到达X射线面探测器，为参考状态。利用所述的非相干X射线衍射成像装置进行成像的方法，其特征在于该成像方法包括以下步骤<1>计算机控制电控平移台平移，使校准器的出射窗和入射窗对准，进入探测状态，打开电子光闸，在X射线面探测器上获得探测图像Itl，为一次探测成像；<2>计算机控制电控平移台平移，使校准器的出射窗和待测物体一起离开光路，进入参考状态，在X射线面探测器上获得参考图像Iri为一次参考成像，关闭光闸；所述的探测图像Itl和参考图像Iri构成一组关联成像，一组关联成像中获得探测图像和获得参考图像的时间间隔必须小于X射线源的相干时间，由所述的计算机控制；<3>多次重复步骤<1>、<2>，依次循环执行探测成像和参考成像，获取探测图像 It2, It3···，Itn,…，和对应的参考图像序列Ir2，Ir3···，Irn,…，即获得关联成像序列Itl，It2,It3..., Itn'…，禾口 Irl，Ir2，Ir3...，Irn，…，其中 n=l， ···, N ；<4>对关联成像序列进行关联运算，其具体方法是①将某一组关联成像中获得的探测图像Itn上某一固定点&的光强值Itn(Xt)和参考图像Im上不同位置\处的光强值Im(X》进行相关运算，得到关联成像序列中某一时刻的强度关联分布Itn(Xt)ImOO,再将不同时刻的强度关联分布进行统计平均，得到关联成像的互相关强度关联分布<ItnUt)Im(x》> ；②计算探测图像序列Itl，It2, It3-, Itn, -,η = 1，…，N，的平均值<Itn(xt) >，计算参考图像序列Irl，Ir2，Ir3'"，Im，…，η = 1，…，N，的平均值<Irn(xr)>，最后计算<Itn(xt) Im(X》-<Itn(Xt)><ImOO>，得到待测物体复透过率函数傅里叶变换的模的平方，即物体的傅立叶衍射像。本发明的技术效果如下1)本发明可以利用非相干X射线，实现目前只有采用相干X射线才能完成的X射线傅立叶变换衍射成像，这是本发明最重要的技术效果；2)本发明克服现有相干X射线衍射成像技术只能对极小(10微米以下)样品成像的局限，可以对常规尺寸(毫米量级)样品实现X射线傅立叶变换衍射成像；3)本发明不受夫琅禾费衍射条件限制，可以在离物体较近的位置(满足傍轴近似条件)，探测到物体透过率函数的傅里叶变换强度信息；4)本发明不需要在成像装置中使用beam stop来吸收透射X射线，所得衍射图像中直流和低频成分俱在，可以克服现有相干X射线衍射成像技术所得衍射图像的直流和低频成分缺失的缺陷；5)本发明不需要进行关联分束，可以解决X射线无类似可见光分束器的关联分束光学元件，采用常规X射线衍射分光方法又无法实现关联分束的问题；6)本发明具有普适性，适用于进行各种常规X光波长(< IOOKeV)的非相干X射线衍射成像。
图1是本发明非相干X射线衍射成像装置的实施例结构示意图，图中1 :X射线源，2 电子光闸，3 校准器，301 校准器入射窗，302 校准器出射窗，4: 待测物体，5 底盘，6 电控平移台，7 :X射线面探测器(CXD)，8 防辐射外壳，9 运动控制、 时序控制、数据采集与处理计算机。图2是本发明非相干X射线衍射成像装置的实施例的探测状态结构示意图(俯视图)。图3是本发明非相干X射线衍射成像装置的实施例的参考状态结构示意图(俯视图)。
具体实施例方式本发明是一种非相干X射线衍射成像装置，如图1所示，包括置于防辐射外壳8 内的X射线源1、电子光闸2、校准器3、待测物体4、底盘5、电控平移台6、X射线面探测器 7和置于防辐射外壳8外的计算机9。校准器3由入射窗301和出射窗302构成。X射线源1、电子光闸2、校准器3、待测物体4、底盘5、X射线面探测器7同轴；校准器出射窗302 和待测物体4固定于同一底盘5上，底盘固定于电控平移台6上，在计算机9的控制下，电控平移台6带动所述的校准器出射窗302和待测物体4在垂直于光路的方向横向移动；置于防辐射外壳8外的计算机9与防辐射外壳8内的电子光闸2、电控平移台6、X射线面探测器7以电缆相连，所述的计算机(9)具有对关联成像序列进行关联运算的程序。在成像过程中计算机9控制电子光闸2的开关、电控平移台6的平移、X射线面探测器7的数据采集，并完成对关联成像序列的关联运算以获取物体的傅立叶衍射像。本实施例非相干X射线衍射成像装置，包括以下两种工作状态(1)探测状态(如图2所示)校准器出射窗302和待测物体4在光路上，X射线源1产生的空间非相干X射线沿光束前进方向依次经过电子光闸2、校准器入射窗301、校准器出射窗302、待测物体4后，到达X射线面探测器7 ；(2)参考状态(如图3所示)校准器出射窗302和待测物体4不在光路上，X射线源1产生的空间非相干X射线沿光束前进方向依次经过电子光闸2和校准器入射窗301 后，不经过待测物体4直接到达X射线面探测器7。利用本实施例的非相干X射线衍射成像装置进行成像，其成像方法包括以下步骤<1>计算机9通过电缆控制电控平移台6平移，使校准器3的出射窗302和入射窗 301对准，进入探测状态，打开电子光闸2，在X射线面探测器7上获得探测图像Itl，为一次探测成像；<2>计算机9通过电缆控制电控平移台6平移，使校准器3的出射窗302和待测物体4 一起离开光路，进入参考状态，在X射线面探测器7上获得参考图像Iri，为一次参考成像，关闭光间2，完成一组关联成像；本实施例的X射线源1为赝热光源(相干时间Ttl为30秒)。在计算机9控制下， 电控平移台6每次平移时间为10秒，X射线面探测器7每次曝光采集时间为5秒。因此， 一组关联成像中获得探测图像和获得参考图像的时间间隔T为20秒，满足关联成像条件 T<T0。<3>多次重复步骤<1>、<2>，依次循环执行探测成像和参考成像，获取探测图像 It2,It3-,Itn,…，和对应的参考图像I⑴Iri…，Im，…，即获得关联成像序列Itl，It2，It3…， Itn,...,禾口 Irl, Ir2, Iri..., Irn,...，其中11 = 1, ".,N;<4>对关联成像序列进行关联运算，获取待测物体的傅立叶衍射像，其具体方法是①将某一组关联成像中获得的探测图像Itn上某一固定点&的光强值Itn(Xt)和参考图像Im上不同位置\处的光强值Im(X》进行相关运算，得到关联成像序列中某一时刻的强度关联分布Itn(Xt)ImOO,再将不同时刻的强度关联分布进行统计平均，得到关联成像的互相关强度关联分布<Itn0ct)Im(X》> ；②计算探测图像序列Itl，It2, It3-, Itn, -,η = 1，…，N，的平均值<Itn(xt) >，计算参考图像序列Irl，Ir2，Ir3'"，Im，…，η = 1，…，N，的平均值<Irn(Xr)>;最后计算<Itn(xt) Irn(Xr) >-<Itn(xt) XIrn(Xr) >ο互相关强度关联分布函数与物体透过率分布函数(包括振幅和位相)之间的关系可以用以下的公式来表示(Phys. Rev. Lett. 92,093903, 2004)
权利要求
1.一种非相干X射线衍射成像装置，其特征在于构成包括置于防辐射外壳(8)内的X射线源(1)、电子光闸O)、校准器(3)、待测物体 (4)、底盘(5)、电控平移台(6)、X射线面探测器(7)和置于防辐射外壳(8)外的计算机(9)； 所述的校准器(3)由入射窗(301)和出射窗(302)构成；所述的X射线源(1)、电子光闸O)、校准器(3)、待测物体、底盘(5)、X射线面探测器(7)同轴；所述的校准器出射窗(30 和待测物体固定于同一底盘( 上，该底盘(5)固定于所述的电控平移台(6)上，在计算机(9)的控制下，电控平移台(6)带动所述的校准器出射窗(30 和待测物体(4)在垂直于光路的方向横向移动；所述的计算机(9)与所述的电子光闸(3)、电控平移台(6)和X射线面探测器(7)以电缆相连，所述的计算机(9)具有对关联成像序列进行关联运算的程序。
2.根据权利要求1所述的非相干X射线衍射成像装置，其特征在于所述的X射线源(1) 是真实热X射线源，或赝热X射线源。
3.根据权利要求1所述的非相干X射线衍射成像装置，其特征在于所述的计算机(9) 通过电缆控制所述的电控平移台(6)的平移，电子光闸(2)的开关，X射线面探测器(7)的数据采集，并完成对关联成像序列的关联运算，获取物体的傅立叶衍射像。
4.利用权利要求1所述的非相干X射线衍射成像装置进行成像的方法，其特征在于该成像方法包括以下步骤<1>计算机(9)控制电控平移台(6)平移，使校准器的出射窗(302)和入射窗(301)对准，进入探测状态，打开电子光闸0)，在X射线面探测器(7)上获得探测图像Itl为一次探测成像；<2>计算机(9)控制电控平移台(6)平移，使校准器的出射窗(302)和待测物体⑷一起离开光路，进入参考状态，在X射线面探测器(7)上获得参考图像Iri为一次参考成像，关闭光闸；所述的探测图像Itl和参考图像Iri构成一组关联成像，一组关联成像中获得探测图像和获得参考图像的时间间隔必须小于X射线源的相干时间，由所述的计算机(9)控制；<3>多次重复步骤<1>、<2>，依次循环执行探测成像和参考成像，获取探测图像It2， It3-, Itn，…，和对应的参考图像Ir2，Ir3···，Irn,…，即获得关联成像序列Itl，It2, It3···， Itn,...,禾口 Irl, Ir2, Iri..., Irn,...，其中11 = 1, ".,N;<4>对关联成像序列进行关联运算，其具体方法是①将某一组关联成像中获得的探测图像Itn上某一固定点A的光强值Itn(Xt)和参考图像Im上不同位置\处的光强值进行相关运算，得到关联成像序列中某一时刻的强度关联分布Itn(xt)ImOO，再将不同时刻的强度关联分布进行统计平均，得到关联成像的互相关强度关联分布<Itn(xt)ImOO> ；②计算探测图像序列Itl，It2,It3···，Itn,…，η = 1，…，N，的平均值<Itn(xt)>，计算参考图像序列Irl，Ir2, Ir3···，Irn,…，η = 1，…，N，的平均值<Irn(xr)>，最后计算<Itn(xt) ImOO >-<Itn(Xt) XImOO >，得到待测物体复透过率函数傅里叶变换的模的平方，即物体的傅立叶衍射像。
全文摘要
一种非相干X射线衍射成像装置，包括置于防辐射外壳内的X射线源、电子光闸、校准器、待测物体、底盘、电控平移台、X射线面探测器和置于防辐射外壳外的计算机。校准器由入射窗和出射窗构成。X射线源、电子光闸、校准器、待测物体、底盘、X射线面探测器同轴；校准器出射窗和待测物体固定于同一底盘上，底盘固定于电控平移台上，在计算机的控制下，电控平移台带动校准器出射窗和待测物体在垂直于光路的方向横向移动；计算机与电子光闸、电控平移台、X射线面探测器以电缆相连，具有对关联成像序列进行关联运算的程序。本发明利用非相干X射线，可以在菲涅尔区实现目前只有采用相干X射线，在夫琅禾费区才能完成的X射线傅立叶变换衍射成像。
文档编号G01N23/207GK102353689SQ20111014847
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月3日 优先权日2011年6月3日
发明者喻虹, 朱文选, 谢红兰, 韩申生 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所