专利名称：电磁放大x射线诱导光电子相衬成像装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于X射线相衬成像装置，特别是涉及一种电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置。
背景技术：
X射线用于成像已有100年的历史，已成为医学、生物学及材料科学中不可缺少的诊断工具。早期的X射线成像技术，是根据样品的密度分布差异、组成以及厚度的不同，来获得像的衬度。但在硬X射线范围，诸如生物体软组织、聚合物及碳纤维等以轻元素为主的物体吸收极小，产生的对比度也很小。对于这类弱吸收物体，硬X射线的位相移动却很大。近年来，随着高亮度同步辐射光源及X射线激光的迅猛发展，位相衬度成像已经成为国际上成像领域的一个研究热点，在医学诊断、生物和材料研究等领域有显著的优越性，极具推广应用的潜力。
当X射线穿透物质时，它的位相变化给出了产生位相衬度的可能性。目前世界上几个研究小组探讨新的X射线成像方法，主要可分为三类干涉法、衍射法及类同轴全息成像法分别对、和2进行测量。其中，Wilkins等人给出的一种非常简单的、基于菲涅尔衍射的X射线相位成像方法特别引人注意，它实质上就是X射线同轴盖柏全息的记录，亦称之为X射线相位直接成像(参见在先技术S.W.Wilkins，T.E.Gureyev，D.Gao et al.，Nature，1996，384，335-338)。
我们知道，当光波通过物体时，要产生散射和吸收，在离样品适当距离将获得清晰的样品吸收衬度像，这是常规显微和层析的成像基础。
从X射线光学，我们已经知道X射线的折射率nx＝1-δ，δ＝r0λ2Natf/2π，式中，λ为X射线波长，r0为经典电子半径，Nat为单位体积内原子数密度，f为原子散射因子。尽管1-δ和1的差值只有10-5，但当使用非常小的λ值时，即使是不太大的厚度或密度的变化，也可能产生相当大的位相畸变。如果采用相干光或部分相干光通过物体时，除了吸收以外，还要产生位相变化，即发生波前的畸变。这种波面畸变导致部分波面的传播方向发生变化，使波面重叠而形成干涉，这样，位相变化转化成强度变化，这是相衬成像的物理基础，也是相衬层析的物理基础，更为重要的是，这种图像不经任何重构技术，可直接获得位相变化图像。
在标量近似的前提下，对样品的光学复传递函数F有w(x，y)＝F(x，y)w(x，y)(1)
其中，w和w0分别表示通过薄样品前后在物平面上点(x，y)处的单色场。包含有折射率实部和虚部的传递函数F可表示为 其中，M代表吸收，而表示相位变化M(x,y)=exp(-12∫μ(x,y,z)dz)]]> μ为线性吸收系数，且n为折射率的实部。上两式中的积分路径均沿光束的传播方向z。
通常折射率与1相差很小(在10-5量级)。对于成像过程可以用两种方法分析一是将光波穿过样品之后的传播看作球面波，用菲涅尔—基尔霍夫积分方法分析；一是将入射光平面波传播穿过样品视为通过一滤波器，其后的空间传播都采用傅立叶光学的方法分析。
以一维情况下的单色波exp{-ikz}为例(不失一般性)，考虑一弱吸收的位相物体，我们可以得到方程I(x)≈1-λ22πrezρn(x)]]>在一个特定的物—像平面距离有I(x)＝1-2reλρe(x)在傍轴近似条件下，相位本身出现在光强分布的表达式中，从上式还可以看到，波长λ以一个一次因子出现在第二项中，其对成像的影响很小，也就是说，相衬成像对时间相干性的要求不是很高，这就提供了采用微聚焦X射线管进行成像的可能。当然采用单色性好的同步辐射源，将能获得清晰度较高的图像。
这种硬X射线相衬成像分辨率常常受记录介质分辨率的影响，分辨率为10μm的量级。
发明内容
本实用新型针对上述在先技术中所存在的缺点，提出一种新的装置，即电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置。
当硬X射线穿透样品以后，如果将探测器直接放在样品后面，记录的是一张基于吸收衬度机制的X射线投影图。如果探测器和样品距离满足以下公式时
Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>就可以获得物体的位相衬度像，式中λ是X射线波长，U是物体空间频率，Z1是待测样品和X射线源的距离。
特别要指出的是，这种相衬像反映的是物体折射率发生突变的地方。
具体地说，本实用新型的技术解决方案是一种电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，它包含X射线源，其特征在于沿x射线前进方向依次是待测样品、光电子转换器、加速阳极、电磁放大透镜组、CCD，该CCD的输出连计算机，而光电子转换器位于待测样品之后，与待测样品的距离Z2为Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>式中λ-X射线波长，U-物体空间频率，Z1-待测样品和X射线源的距离。
所述的光电子转换器、加速阳极、电磁放大透镜组和CCD都装在一真空系统之内。
所述的X射线源是一台微聚焦的X射线管或者是一个同步辐射源。
所述的待测样品是安放在一具有上下、前后调节功能的样品平台的。
所述的光电子转换器，它能将硬X射线转换成电子，例如光阴极。
本实用新型的电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，与在先技术相比，它既有硬X射线穿透能力很强的优势，又具有光电子能被高倍放大的功能，能高分辨率地观察到样品中折射率突变部分的细节。
图1为本实用新型电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置的结构框图。
具体实施方式
本实用新型的电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置的结构如图1所示。它包含8个部分X射线源1，样品台2，光电子转换器3，加速阳极4，电磁放大透镜组5，CCD6，计算机7，真空系统8。
所说的X射线源1是一台微聚焦的X射线管或者是一个同步辐射源。
所说的待测样品2放置一样品平台上，该样品平台具有上下、前后调节功能。
所说的光电子转换器3，它能将硬X射线转换成电子，例如光阴极。光阴极的材料通常有三类(1)金属类，主要有金、铜、镁、钽等，其特性是阈值功率高，量子效率低，由于大部分入射光能转换成热能，对高重复率运转的光阴极需要冷却；优点是容易制备，使用寿命长，对真空度要求低，一般为10-5～10-8。(2)金属化合物及合金，典型的有LaB6，有较高的量子效率，对紫外波段有较高的灵敏度，对真空度要求也低。(3)半导体光阴极。主要是多碱锑化物材料。如Cs3Sb，CsK2Sb和GaAs等。半导体光阴极的量子效率最高，可达2～8％；阈值功较低，可以获得较高的电流密度。唯一的缺点是寿命短，只有几十个小时。(参见文献陈建文、欧阳斌、王之江，强激光技术进展，1992年，第3辑，1-5)。
实际中必须根据X射线光子的波长、所需光阴极的阈值功及量子效率等各方面的综合性能，从三类材料中作出选择。这里我们选择使用寿命长的金属作光阴极。
所说的加速阳极4，它能将光电子加速。
所说的电磁放大透镜组5，它用来将加速电子进行放大。
所说的CCD6，是用来记录放大了的含有物体位相信息的图像。
所说的计算机7，是用来显示CCD6接收到由样品产生的位相衬度的图像。
所说的真空系统8，是用来给光电子有一个正常运行的环境。
当硬X射线1和置于样品台上的样品相互作用，并传播到Z2距离之后，此时的X射线强度分布中含有位相信息，即包含的是相衬图像，在这一位置放有光电转换器3，即相衬图像变成电子相衬图像，由于电子能被加速阳极4和电磁放大透镜组5放大，并被CCD6和计算机7接受和显示，图像可以放大到100万倍，能观察到很微小的细节。
本实用新型的硬电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，既具有硬X射线高穿透性能，又兼备了光电子能有效方大的特性，可以实时地、快速地观察自然活体状态下生物体、各种材料的位相分布，特别是折射率发生突变部分，是通常基于吸收机制X射线投影成像以及电子显微成像所不能完成的工作，对于人体各种病变以及早期癌症诊断方面将有潜在的巨大的用途！
权利要求1.一种电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，它包含X射线源(1)，其特征在于沿x射线前进方向依次是待测样品(2)、光电子转换器(3)、加速阳极(4)、电磁放大透镜组(5)、CCD(6)，该CCD(6)的输出连计算机(7)，而光电子转换器(3)位于待测样品(2)之后，与待测样品(2)的距离Z2为Z2=0.49Z1λU2Z1-0.49]]>式中λ-X射线波长，U-物体空间频率，Z1-待测样品(2)和X射线源(1)的距离。
2.根据权利要求1所述的电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，其特征在于所述的光电子转换器(3)、加速阳极(4)、电磁放大透镜组(5)和CCD(6)都装在一真空系统(8)之内。
3.根据权利要求1所述的电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，其特征在于所述的X射线源(1)是一台微聚焦的X射线管或者是一个同步辐射源。
4.根据权利要求1所述的电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，其特征在于所述的待测样品(2)是安放在一具有上下、前后调节功能的样品平台上的。
5.根据权利要求1所述的电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，其特征在于所述的光电子转换器(3)能将硬X射线转换成电子，例如光阴极。
专利摘要一种电磁放大X射线诱导光电子相衬成像装置，它包含X射线源，其特征在于沿x射线前进方向依次是待测样品、光电子转换器、加速阳极、电磁放大透镜组、CCD，该CCD的输出连计算机，光电子转换器位于待测样品之后，与待测样品的距离Z
文档编号G01N23/04GK2729711SQ20042008261
公开日2005年9月28日 申请日期2004年9月7日 优先权日2004年9月7日
发明者高鸿奕, 陈建文, 朱化凤, 李儒新, 徐至展 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所