（核科学与技术专业论文）同步辐射x射线三维显微成像技术研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 f fx 射线显微学填补了光学与电子显微学之间的一卜空白。使甩软x 射线，可以得到大 、 大高于可见光的分辨率。而与电子显微镜相比，厚一些的、含水的、未染色的样品都可以 用于x 射线成像当中。制样简单的特点使其特别适用于生命科学的研究。 人们在进行显微成像研究时，已不仅仅满足于得到二维图形。三维图像更能反映样品 内部结构的空间分布情况，为科学研究提供更为详细的信息。在各种成像技术中，全息成 像能够再现物波的波前，包含着物波在空间中传播的三维信息。然而，在x 射线波段，由 于光源及光学元件等条件的限制，全息图的数值孔径很小，导致了再现图形中纵向分辨率 很低。c t 技术是利用样品在不同角度下的投影数据对内部结构进行三维重建。经过数十年 的发展，它已经成为一门成熟的技术，并在医疗诊断、工业探伤等领域广为应用。c t 技术 的原理应用于显微成像时，就可以得到微小样品的三维分布。然而，由于x 射线衍射现象 的存在，利用软x 射线进行c t 成像时难以获得较高的分辨率，不能满足实际应用的要求。 如果将全息与c t 技术结合起来，就可以充分发挥两者的优点，得到高分辨率的三维图形。尹一、，7 本文研究了利用x 射线全息、c t 技术及两者的结合( 全息c t ) 进行生物样品高分辨 率三丝盛像的有关理论与实验技术，讨论了影响分辨率的各种因素。在国家凰蒸疆射实验 室软x 射线实验站记录了生物样品的x 射线同轴全息图，通过数字方法进行了再现，并利 用迭代相位恢复及数字滤波技术对“双生像”噪声进行消除，得到质量良好的全息再现图 像：设计并制造了旋转样品架，进行了显微c t 的有关实验，得到了不同角度下的样品投 影图；利用代数重建技术( a r t ) 对投影图进行了重建，得到了样品的断面图；并将全息 与c t 技术相结合，首先利用全息再现方法对投影图进行处理，提高投影图的分辨率，再 利用c t 技术进行三维重建，解决了显微c t 中x 射线衍射效应对分辨率的影响，得到了 横向、纵向分辨率都达到微米量级的高分辨率三维重建图形。 本文还对塑丕盟彗光束线的单色仪进行了标定测量工作。( 计算了吸收限附近的透射光 谱与光谱宽度的关系；采用荧光探测的方法测量了c a 元素k 吸收限附近的x 射线透射谱， 计算了以波带片为色散元件的直线型单色仪的光谱宽度：通过理论估算得到了光束线出口 处的光子通量谱，利用a x u v 硅光电二极管测量了采用c z p 3 2 波带片+ 3 0 微米针孔时的 光子通量数据，得到了光子强度的绝对数值：计算了生物样品成像时的吸收剂量与深度的 关系以及表面剂量曲线，为生物样品的研究提供了重要的参考数据。上 ， j 一 ! 里型兰垫查查兰壁主兰堡堡苎! ! 兰 a b s t r a c t t h ex r a ym i c r o s c o p yf i l l sag a pb e t w e e no p t i c a la n de l e c t r o nm i c r o s c o p y w i t hs o f tx r a y s ， ar e s o l u t i o nh i g l e rt h a nt h a tw i t hv i s i b l el i g h tc a nb eo b t a i n e d i nc o m p a r i s o n t oe l e c t r o n m i c r o s c o p y , t h i c k w e t a n du n s t a i n e ds p e c i m e n sc a nb ee x a m i n e d t h i si se s p e c i a l l ya d v a n t a g e o u s f 0r l i f es c i e n c er e s e a r c h p e o p l ea r en o tm e r e l y c o n t e n tw i t ht h e2 d p i c t u r ei nt h e i rm i c r o i m a g i n gr e s e a r c h 3 di m a g e w o u l dr e f l e c tt h ei n n e rs t r u c t u r eo f t h es p e c i m e n sm o r ec l e a r l y , a n dc a np r o v i d em o r ei n f o r m a t i o n f o rr e s e a r c hw o r k a m o n gt h o s ei m a g i n gt e c h n i q u e s ，h o l o g r a p h yc a r lr e c o n s t r u c tt h ew a v e f r o n to f a no b j e c t ，w h i c hc o n t a i n i n gt h ep r o p a g a t i o ni n f o r m a t i o ni n3 ds p a c e i nx r a yb a n d ，h o w e v e r , b e c a u s eo f t h ec o n s t r a i n t sb yt h el i g h ts o u r c e sa n do p t i c a le l e m e n t s ，t h en u m e r i c a la p e r t u r ei sv e r y s m a l l ，w h i c hl e a d st ot h el o wl o n g i t u d i n a lr e s o l u t i o ni nt h er e c o n s t r u c t e di m a g e t h et e c h n i q u e o f c ti st or e c o n s t r u c tt h e3 ds t r u c t u r eo f s p e c i m e nb yt h ep r o j e c t i o n si nd i f f e r e n ta n g l e s i th a sb e e n g r e a t l yd e v e l o p e da n di s n o ww i d e l yu s e di nm e d i c a l ，i n d u s t r i a la n do t h e rf i e l d s w h e nc ti s a p p l i e di nm i c r o s c o p y , 3 d s t r u c t u r eo f m i c r os p e c i m e nc a nb eo b t a i n e d b u tt h ed i f f r a c t i o no f t h e x - r a y sw i l ld e g r a d et h er e s o l u t i o n t h o s el i m i t a t i o n sc a nb eo v e r c o m eb yi n t e g r a t eh o l o g r a p h y w i t hc t t e c h n i q u e s ，a n d3 di m a g e w i t hh i g hr e s o l u t i o nw i l lb ea c h i e v e d i nt h i sp a p e r , w eh a v es t u d i e dt h et h e o r i e sa n de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e so f t h eh i g hr e s o l u t i o n 3 di m a g i n gw i t hb i o l o g i c a ls p e c i m e n sb yx - r a yh o l o g r a p h y ，c t ，a n dt h ec o m b i n a t i o no ft h e s e t w ot e c h n i q u e s x r a yi n - l i n eh o l o g r a m so fb i o l o g i c a ls a m p l e sa r er e c o r d e da tt h es o f t x - r a y e x p e r i m e n t a l s t a t i o ni nn a t i o n a l s y n c h r o t r o n r a d i a t i o nl a b o r a t o r y , a n dt h eh o l o g r a m sa r e r e c o n s t r u c t e db yd i g i t a lm e t h o d ；i t e r a t i v ep h a s er e t r i e v a la l g o r i t h ma n dd i g i t a lf i l t e ra l g o r i t h ma r e u s e dt os u p p r e s st h e “t w i n - i m a g e ”n o i s e ，a n dh i g hq u a l i t yr e c o n s t r u c t i o ni so b t a i n e d w eh a v e d e s i g n e da n df a b r i c a t e dar o t a t i o ns p e c i m e nh o l d e r t h em i c r oc te x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ta n d p r o j e c t i o n si nd i f f e r e n ta n g l e sa r er e c o r d e d a r ta l g o r i t h mi su s e d t or e c o n s t r u c tt h ec r o s ss e c t i o n o f s a m p l e s t h e nw e h a v ec o m b i n e dt h eh o l o g r a p h yw i t hc t t e c h n i q u e f i r s tt h er e s o l u t i o no f t h e p r o j e c t i o n sw a si m p r o v e db yh o l o g r a p h i cr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t h e nt h er e v i s e dp r o j e c t i o nd a t a w e r eu s e dt or e c o n s t r u c tt h e3 ds t r u c t u r e t h el i m i t a t i o nc a u s e db yd i f f r a c t i o nh a sb e e nc a n c e l e d a n dh i g hr e s o l u t i o n sb o t hi nl a t e r a la n dl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o nh a v e b e e na c h i e v e d b e s i d e st h ew o r km e n t i o n e da b o v e ，w eh a v ec a l i b r a t e dt h em o n o c h r o m a t o ri ns o f tx r a y s t a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et r a n s m i t t a n c es p e c t r u mn e a rt h ea b s o r p t i o ne d g ea n dt h e b a n d w i d t ho ft h ei n c i d e n tx - r a y sa r ef o u n d w eh a v em e a s u r e dt h et r a n s m i t t a n c es p e c t r u mn e a r t h el 3a b s o r p t i o ne d g eo fc a l c i u mu s i n gf l u o r e s c e n c ed e t e c tm e t h o d w eh a v ec a l c u l a t e dt h e b a n d w i d t ho ft h el i n e a rm o n o c h r o m a t o rw i t hc o n d e n s e rz o n ep l a t ea st h ed i s p e r s i v ee l e m e n tt h e p h o t o nf l u xs p e c t r u mi nt h ee x i to ft h eb e a ml i n ea r ee s t i m a t e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r e o b t a i n e du s i n ga x u vs i l i c o np h o t od i o d ew h e nc z p 3 2z o n ep l a t ea n d3 0m i c r o n sp i n h o l ea r e u s e d ，a n dt h ea b s o l u t ei n t e n s i t yo ft h ep h o t o ni sa c q u i r e dw eh a v ea l s oc a l c u l a t e dt h er e l a t i o n b e t w e e nt h ea b s o r b e dd o s a g ew i t hd e p t hi n b i o l o g i c a ls p e c i m e n sa n dt h es u r f a c ed o s a g ec u r v e ， w h i c hp r o v i d e dab a s i cd a t af o rr e s e a r c hw o r kw i t hb i o l o g i c a ls a m p l e s ! 里型兰垫查查堂堕主兰竺堡苎! 堕 前言 人们对自然界的认识是从对各种事物的观察开始的。通过人的眼睛对可以对事物的形 状、大小、颜色等属性得到一个直接的观察结果。随着科学技术的发展，各种观测仪器的 发明与使用大大扩展了人们的观察范围。 显微镜的发明使人们的观察对象进入到微观领域，通过光学显微镜可以分辨出物体小 于1 微米的细节，达到了波动光学的理论极限。x 射线的发现，为人们的显微成像研究提 供了新的光源。x 射线波长比可见光短得多，因而在理论上可以达到更高的分辨率。此外， x 射线与物质作用时的性质与可见光也有所不同，用x 射线成像可以获得许多丰富的信息。 而波长较长的软x 射线，由于其与蛋白质、d n a 等生物物质作用时的特殊性，使其成为 x 射线显微成像的常用波段。 通常的成像过程总是将物体在空间中分布的某种属性转换为二维图形记录下来。例如 光学照像中记录的是物体表面各点的光强，而x 光透视则是物体对x 射线吸收情况的分布。 由于实际物体都是三维的，成像过程中深度方向的信息重叠到一块而无法分辨。为了得到 物体内部结构的三维分布，需要探求新的方法与技术。 全息技术通过光学干涉的方法可以恢复物体发出的光波波前，从而得到三维的再现图 像。这一技术随着激光器的发明而在光学波段取得巨大的成功。当它应用于同为电磁波的 x 射线时，从理论上来说是没有问题的。然而，由于x 射线相干光源的缺乏及光学元件制 造上的困难，从二十世纪五十年代开始的实际工作进展并不顺利。这一状况一直持续到七 十年代，随着高亮度的x 射线源同步辐射光源的建成并投入使用，才有了大幅度 的进展。除了全息技术以外，人们于七十年初提出了另一种三维成像方法。它是根据物体 在不同角度下的投影数据采用数值方法进行三维重建，称为计算机辅助层析( c t ) 技术。 这两种方法都能够应用于三维x 射线显微成像研究当中。然而。在实际工作中还存在 着不少问题。由于x 光源相干性及光学元件的限制，x 全息常常采用同轴记录的方式。在 再现时互为共轭的两个像与0 级光的干涉将产生“双生像”噪声，必须采取适当措施消除 或减轻其对再现质量的影响。此外，光源的眭质与荐现图像分辨率之间的关系也必须加以 考虑。c t 成像时往往需要记录数十甚至上百个不同角度下的投影，这不仅增加了实验的难 度，还使样品承受了过多的辐射剂量。是否能够利用较少的投影数据得到较好的重建图像 对生物样品有着重要的意义。在c t 显微成像中，x 射线的衍射将使投影数据变得模糊， 从而严重地影响到重建图像的分辨率。如果能将全息与c t 这两种方法结合起来，就有可 能扬长避短，得到高分辨率的x 射线三维图像。 我们在本文中对生物样品的x 射线高分辨率三维成像的相关问题进行了研究与探讨， 全文共分七章。第一章对x 射线与物质相互作用时的各种性质及规律作了简介：第二章介 绍了与x 射线成像有关的光源及光学元件；在第三章中，除了介绍合肥光源及软x 射线显 微术实验站的基本参数外，还对光束线单色仪的仪器性能进行了测量，为以后的工作提供 了必要的参数：在第四章中讨论了x 射线全息的理论与实验方法，以及在国家同步辐射实 验室所做的相应实验及数值再现结果：第五章是关于c t 技术在显微成像中的应用与实验 结果：在第六章中，我们将全息与c t 技术相结合，对生物样品进行了高分辨率三维重建； 最后一章是关于生物样品成像过程中所受辐照剂量的估算与实验测量的光子通量。 致谢 在本论文完成之际，我首先要衷心地感谢我的导师张新夷教授。在我这几年的学习和 工作期间，张老师给了我无微不至的关怀和耐心细致的教导。他知识渊博，治学严谨，诲 人不倦。他特别注重对我的独立思考和科研工作能力的培养，使我在过去的几年中掌握了 从事科研工作必须具备的基本素质，带领我进入到科学研究的神圣殿堂。张老师为人师表 的求实作风和刻苦治学的精神不仅给我留下深刻的印象，更时时刻刻激励着我，将使我终 生受益。 我还要对蒋诗平老师表示深深的感谢。我所有的这些工作都与他的指导、合作及鼓励 密不可分。我们之间经常性的探讨和默契的实验配合是我的论文得以完成的重要前提。 国家同步辐射实验室光学元件组的付绍军老师、洪义麟老师、陶晓明老师、徐向东老 师为软x 射线光束线的光学元件提供了技术上的保障，使得实验站得以正常运行。此外， 他们还为本论文提供了部分实验样品，在此向他们表示由衷的谢意。 我也要感谢姚传荣、徐军两位老师，是他们对实验站电气与机械设备的及时维护和保 养保证了我的实验能够顺利完成。 韩正甫老师与夏安东老师对我的学习和科研给予了很大的帮助。与他们的讨论极大地 开拓了我的眼界，增长了我的见识。他们那种富于创新的精神值得我永远学习。 东南大学吴建雄实验室的朱纪军博士、王静同学为光刻胶提供了原子力显微镜的读出 图像，在此表示感谢。此外，还要向所有为我的实验、论文提供过帮助的人表示衷心的感 谢。 感谢麦汝奇、王炜、张丹红、檀平、单晓斌等各位老师对我的学习与生活的关心和帮 助。感谢孙玉明、樊宽军、束嵘、叶为全、汪东升和实验室里其他所有关心、帮助过我的 同学，与他们相处的这段时间将成为我终生难忘的记忆。特别是孙玉明同学，为本论文中 的程序调试与数据处理提供了巨大的帮助，在此特别表示感谢。 最后，我要感谢我的父母，是他们的殷切期望和支持使我能全心全意地投入到论文的 完成之中。 ， 报送博士学位论文简况表 论文题目 同步辐射x 射线二维显微成像技术研究 授予学位的 作者姓名张玉妞核技术及应h j 学科、专业 中国科学技术大学 作者单位地址安徽合肥6 0 2 2 信箱，2 3 0 0 2 9 国家同步辐射实验室 专业 导师姓名张新夷 研究员 技术职务 中国科学技术大学 导师单位地址交徽台肥6 0 2 2 信箱，2 3 0 0 2 9 国家同步辐射实验室 论文隶属学科分类号4 1 0 8 2 70 3 论文关键词“同步辐射三维成像显微x 射线全息c t 论文文摘( 约4 0 0 一50 0 字，中文) 本文研究了利用x 射线牟息、c t 技术及两者的结合( 令息c 1 ) 进行生物样一 f ，高分辨率三维成像的钉 关理论与实验技术。讨论r 影响分辨率的各种因素。在国家同步辐射实验室软x 射线实验站记录了生物样 品的x 射线同轴全息凹，通过数字方法进行丁再现，并利用迭代相位恢复及数字滤波技术对“双生像”噪 声进行消除，得到质量良好的全息再现图像：设计并制造了旋转样l f 2 l 架，进行j 垃微c 1 的有关实验，得到 r 小川角度下的样品投影圈；利用代数重建技术( a r t ) 对投彤幽逍行垂建，得到了样品的断面图；并将 全息与c t 技术相结合，首先利用全息再现方法对投影幽进行处理，提高投彬斟的分辨率，再利用c t 技术 进行三维重建，解决了显微c t 中x 射线衍射效应对分辨率的影响，得到j 横向、纵向分辨率都达到微米量 级的高分辨率三维重建图形。 本文还对软x 射线光束线的单色仪进行了标定测量工作。计算r u 殷收限附近的透射光谱与光嘴宽叟的 关系；采用荧光探测的方法测量了c a 元素l 1 吸收限附近的x 射线透身f i ： ，i 十算了以波带片为色散元件的 直线型单色仪的光谱宽度；通过理论估算得到了光束线出【j 处的光于通量谱，利用a x u v 硅光电二极管测 量了采用c z p 3 2 波带片+ 3 0 微米针孔时的光子通量数据得到了光予强度的绝对数值；计算了生物样品成 像时的吸收剂量与深度的关系以及表面剂量曲线，为生物样品的研究提供r 重要的参考数据 ( 可另附页) 论文在何时何地以何种方式发表 20 0 0 年6 月，中国科学技术大学 报送日 获得学位日期 20 0 0 年9 月4h名旺 期 收藏单位：北京幽持馆( 中国国家图，悖咐) 。菇。部fj ：国内资料组。 注1 一般应注明中国图- 括资料分类法的类号 2 为了文献标s l - - 作i 从沦文中滞”m r d p 、全文土题内容信息款目的单词域术语。每 篇论文洗耵1 一月笋键唰。妒 际交流，麻标注与中文对应的英文关键词。 璺型兰垫查盔堂竖主兰竺堡苎 第一章绪论 1 1x 射线成像技术的发展 德国科学家伦琴( w i l h e l mr o n t g e n ) 在1 8 9 5 年于无意之中发现了种肉眼不可见却 可以使荧光物质发出可见光的射线( i ，在当时条件下人们不清楚这种射线的本质，于是以 代数学中表示未知数的常用符号x 为之命名。那时的人们也许没有意识到，在将来的某一 天x 射线的应用会如此广泛。如今x 射线在研究物质的微观结构、内部组成等方面发挥着 重要的作用。各种利用x 射线作为光源的科学仪器成为现代物理学、生物学、医学及材料 科学等各门学科必不可少的研究工具。 在各种利用x 射线进行科学研究的方法中，x 射线衍射技术成为物理学家探寻物质结 构的有力手段。它使人们了解到晶体中各种原子、分子与离子是如何有序排列的，它们的 空间结构又是怎样的。生物学家利用这一技术发现了脱氧核糖核酸( d n a ) 的双螺旋结构， 成为二十世纪科学研究中的重大发现之。x 射线光谱及光电子能谱技术能够使人们了解 原子的芯电子能级结构，用于芯电子的能量分析及价电子态密度研究。一种新型x 射线吸 收光谱技术的发展更将研究对象推广到了各种非晶材料如液体、玻璃状固体等。它是利 用x 射线近边吸收谱在吸收限附近的振荡现象测定多原子气体或凝聚态物质吸收原子周围 的局域结构，成为结构分析的一种新技术口】。 x 射线的另外个重要的应用是成像研究。这一应用早在x 射线刚被发现时就被广泛 应用。在发现x 射线的当年，它就被应用于医学，工业探伤和荧光检测。x 射线成像最早 的应用是利用其很强的穿透性，以x 光照射被探测物体，并用对x 射线敏感的感光胶片记 录透过的x 射线。这种方法记录的是样品中吸收强烈部分的投影图。投影图中的各部分的 黑度表示到达此处的x 射线强度。不同区域强度的差别是由x 射线从产生处到接收点所经 历的光程中穿透的样品的密度分布与原子序数的变化而产生的。这种投影图象是对三维物 体的一种二维描述，实际物体的沿投影方向的深度信息全部重叠在一起而无法分辨。尽管 如此，x 射线透视技术仍然为科学研究与日常生活工作带来了许多便利。因为它提供了一 种无损的检测物体内部结构的方法。在以后的几十年里，这种技术直被广泛使用着，而 相应的探测器与光源也有了巨大的发展。 为了获得物体内部结构的三维信息，人们于二十世纪七十年代起发展了一种新型成像 技术。利用它能够无损地得到物体的断面图，称为x 射线层析技术i ”。这种技术是通过记 录物体在不同角度下的x 射线投影，再根据投影数据采用数值方法重构物体横断面的二维 密度分布。由于再现时数值计算的计算量很大，必须依靠计算机来完成，因此这种技术常 常被称作计算机辅助断层成像技术( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) ，简称为c t 。现代科学技术的 发展使得c t 技术日臻完善，商用的c t 设备早已被广泛使用。医疗用的c t 设备能诊断出 人体大脑内部毫米量级的肿瘤，而工业用c t 设备能够检测大型金属制品内部的细微缺陷。 x 射线是电磁波的一种，它在空间的传播方式与可见光相类似。当人们认识到这一点 时，便想到利用可见光的成像原理进行x 射线成像的可能性。然而在这一方面人们的早期 第一章绪论 努力没有取得多少进展。困难主要来自于x 射线光学器件的缺乏。所有可见光波段的常用 光学材料的光学性质在x 射线波段都有巨大的变化，如反射率、折射率及透射率等。因此， 传统的光学成像技术无法直接应用。随着x 射线天文学、等离子体束流诊断及同步辐射应 用研究的发展，x 射线光学及其器件发展为一个专门的学科【4 1 。新概念的产生和新技术的 引入使得从前无法做到的事情变得可行。例如，基于掠入射的反射镜可以高效率地反射x 射线，使得x 射线光路的布置成为可能【：i ；根据波动光学原理设计的菲涅耳( f r e s n e l ) 波 带片能够象普通光学透镜一样对x 射线进行聚焦，用来产生精细的x 射线光束或者直接用 来进行成像【6 - 8 l ：以精密加工的光栅及晶体为单色元件的单色器能够使人们获得单色性能极 好的x 射线，为高分辨率的实验提供了良好的条件【9 j 。 在成像原理方面，一些新的方法被提出。如利用光学元件将x 射线精密聚焦后扫描样 品可以得到扫描图象【78 1 ，或者根据光学衍射原理记录下x 射线全息图象再以合适的手段 再现之m 】。利用x 射线与物质作用的产物进行成像可以得到许多利用透射x 射线成像不能 获得的关于样品的组成与性质的信息。例如利用x 射线激发的荧光【5 1 或者利用二次电子进 行成像【“1 。 由于x 射线的波长比可见光要短得多，用来进行成像时的分辨率极限在理论上也高许 多，因而有可能利用x 射线进行高分辨率显微学的研究。这一技术在近几十年里，特别是 性能优异的x 射线光源同步辐射的出现而得到迅速发展。由此开拓了x 射线成像技术 的一个新的分支x 射线显微术【”】。 利用x 射线的波动特性，可以将相干光学的成像原理应用于x 射线成像技术中。对于 许多人工制作地或自然样品，都已经能够清晰地记录它们的x 射线全息图，并以光学或数 字的方式进行再现f n1 3 , “】。 o 1 2x 射线的本质( 5 1 如今x 射线的发现已经历百年，人们对其性质及其产生机理都已经完全了解。x 射线 的本质和可见光一样都是电磁辐射。所不同的是x 射线的能量较高，波长较短。 同一切电磁辐射和微观粒子一样，x 射线也具有波粒二象性，有时将它考虑为波较好， 有时则更适直于把它看成一种粒子。根据量子力学的理论，x 射线是种光量子，每个光 子的能量为 e = h v = 矗( 1 1 ) 其中h 为普朗克常数( 6 6 2 6 1 0 3 4j s ) ，沩振动频率，c 为光速( 3 x 1 0 8m s ) ，五为波长。 以电子伏和纳米作单位时，可以将上式改写为 ， e ( e v ) = 面1 2 4 0 ( 1 2 ) 、7 旯( n m 、 ”1 x 射线的能量范围从几百电子伏( 1 0 2 e v ) 到几十干电子伏( 1 0 s e v ) ，在电磁波谱中x 射线波段介于紫外线和瑚j 线之间，而且在两端分别与真空紫外区和谢线区相重叠。一般 ! 璺型兰垫查查兰竖主兰垡堕壅 认为x 射线是处在0 0 0 l n m 到5 0 r i m 之间 的电磁辐射，对应的能量范围从2 5 e v 到 1 0 0 0 k e v 。有时人们将能量较高的x 射线 称之为硬x 射线，相应的低能x 射线称为 软x 射线。当然这种分类不是绝对的，只 是为了适用实际需要而提出的。 1 3 x 射线的性质m j x 射线的一般性质可以概括为：1 与 可见光比较，它的波长很短，是一种人眼 不可见的光线；2 同可见光一样，在真空 中x 射线以光的速度传播，并沿直线方向 前进：3 在电场和磁场中都不发生偏转； 4 它以连续光谱或线状光谱( 或标识吸收 光谱) 的形式表现出来。 在x 射线和物质相互作用时，它会表 现出以下的各种特性： ( 1 ) 在同物质相遇时，x 射线可能发生 下列的任一现象：透射，反射，折 射，偏振，相干和不相干散射，衍 射，光电吸收，以及电子一正电子 偶的产生( 在x 射线能量大于 l0 2 2 m e v 时) 。 e n e r g yw a v e l t n i i h ( e l t m r r ( c e t j - 1 一广型l 衄ls i z e 1 0 s 1 0 - 8 1 - r a 哺o it r a n s o mi一1 0 4 1 一l 恤“： & ：h 0 e _ j1 0 3 1 0 一卜f m t u b e s 一1 0 2 ：=：05 1_然radio,v j 1 0 ：嘲搿1 0 - i ，一 然 闷霉” = 。扣。 一3 -i g n 日i m 口； 一 1 。f 一。 ：- 1 0 - 2 u - e ”1 0 0 慝v i d b l e 峄f | c e i l 臻 卜 l& t i 一1 一 l 哪咖p s l f o-so i i 1 骝蠹锑1 0 - 8 1 0 3 卜v i o i e l ：r 础唧! ：婴- n 一1 0 - 7 鬈卜v s ! 徽 胁 ，一 巩。；雠e # 1 0 - i 1 0 e 卜r a y s ：n u d e ”- 1 0 1 2 1 0 e 卜 ia c c e ( e r a t o r si p r o t o n 一1 0 - 1 3 、0 1 0 ；。o 帆。：_ 1 0 1 1 0 1 1 卜 ! i i q u a r k ? - 1 0 - 1 5 1 0 1 2 ；e s m i 。l i：，j 1 一 ( 2 ) 在x 射线被物质吸收时，该物质就会发生下列的现象：热效应，电离效应，光解离 或辐射解离作用，感光效应，荧光或磷光，次级标识x 射线或谱带的激发，光电子、 俄歇电子或反冲电子的激发，辐射损伤，以及对生物组织的刺激、损害直至死亡等。 ( 3 ) 在和物质相互作用时，就会产生例如下列类型的辐射：1 粒子辐射：离子，受原级 或次级x 射线激发的光电子，受可见光或紫外荧光激发的光电子，俄歇电子，反冲 电子和电子偶( 能量大于10 2 2 m e v ) 等；2 电磁辐射：对入射线的透射、反射、 折射、偏振、衍射、以及相干和不相干的散射等：由物质发射出的图表线( 或谱带) 和伴线，以及物质受光电子、俄歇电子和反冲电子激发而产生的轫致辐射等；其它 发射。 由此可见，x 射线同物质相互作用时可能产生的各种物理或化学效应是相当复杂的。 通过不同的效应进行成像就有可能得到关于物质内部的大量信息。同时，为了有效地制造 各种x 射线波段的光学元件及探测器，也需要人们了解x 射线的性质。 丝二兰堕堡一 ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ 一 1 4x 射线的衰减和吸收 一束x 射线经过物质时，其强度以三种方式受到衰减：x 射线光子被吸收，即光电吸 收或真吸收：x 射线的散射，包括相干散射与非相干散射；电子偶的形成。 1 4 1x 射线强度的衰减 实验证明，x 射线在通过物质时强 度会发生衰减，其规律性为，在同一均 匀的物质中，x 射线强度的衰减在相当 广阔的光强范围内与它穿过物质的距离 成正比。 设一束单色平行的x 射线沿x 方 向通过均匀媒介。在穿过厚度为出的 一层物质后强度由，衰减为i - e l i 。x 射 线的衰减是由物质的吸收和散射两种因 素造成的，因此，讲不仅与入射线的强 叫d x 卜_ 图1 2x 射线在物质中的衰减 度及物质的厚度度出正比，而且还取决于吸收体的质量d i n 或单位截面上的原子数幽。如 以“、，鸬分别表示它们的比例系数，则它们之间的关系为 e l i o i a ，出 ( 1 3 ) d o = - i 。d m ( 1 4 ) d o = 一，儿d n ( 1 5 ) 其中脚、比分别称为线性衰减系数、质量衰减系数和原子衰减系数，其物理意义在于： 在单位路程、单位质量、和在单位截面上遇到一个原子时所发生的x 射线强度的相对变化。 这些系数之间的关系为 z ，= 。p = z 。o a ( 1 6 ) 式中p 为物质的密度，n o 为阿伏加德罗常数，爿为有关元素的原子量。将d 积分后可以得 到 对于质量衰减系数有 l = l o e 一“ 由于质量衰减系数只与入射线的波长和物质的原子序数有关 在实际分析工作中最常使用。 ( 1 7 ) ( 1 8 ) 而与物质的密度无关，因此 爿 卜j _ f 中国科学技术大学博士学位论文 1 4 2 质量衰减系数和质量吸收系数 当吸收物质为单质时，其质量吸收系数对一定波长的x 射线是一个常数，常以，咖表 示，常用的单位是c m ：g 。在一些手册上可以查到各种元素的在不同波长下的质量衰减系 数【”1 。 当吸收物质为数种元素所组成的化合物或混合物时，对一定波长的x 射线在此物质中 的质量衰减系数是构成这种物质的所有元素质量衰减系数的加权和，加权因子为各种元素 的质量百分1 t ：。若以彬表示元素的质量含量，则此物质的总质量衰减系数为 以= 彬十儿：+ + 心， ：杰，形 a 9 实际上，x 射线在物质中强度的衰减是由物质的吸收和散射两方面原因造成的，因此 可以将表示为质量真吸收系数或质量光电吸收系数卅和质量散射系数之和，即 。= 卅+ d 0 ( 1 1 0 ) 在实际工作中，质量衰减系数比质量真吸收系数更容易从实验中测得，因而文献中 一般给出的也只有的值。但是由实验测量的各元素对不同波长的值数量有限，一些 数值只能采用外推法或内插法求得，其准确度随波长和原子序数的增加而降低。此外，不 同文献中给出的值有时相差很大，引用时要加以注意。 1 4 3 质量衰减系数与波长及原子序数的关系 质量衰减系数鳓是波长z 和元素的原子序数z 的函数。实验中得到的原子吸收系数 的值为 r 。= c z 4 刀( 11 1 ) 由于r 。= ( n o a ) r 。，故在相邻的吸收限之间有 = ( n o a ) z 4 刀( 1 1 2 ) 其中c 为随吸收限改变的常数，n c a 为每克吸收物质所含的原子数。对于给定的物质， c ( n o a ) = k = 常数，因此 。= 殷4 刀+ 旦( 1 1 3 ) p 在大多数情况下，删砌的影响不大，常常可以忽略不计，于是与z 、五的关系可以用 简单的公式来表示。 在实际计算中，可以利用维克托里安( v i c t o r e e n ，j a ) 的半经验公式： “。= c 凳一d 凳+ o 。z ( n o i a )u 1 4 ) 式中c 和d 对给定的z 为常数，4 为每一电子的散射系数( 参阅1 6 节) 。应用上式计算 的结果与可靠的实验值相比，精度可达1 左右。 一 苎二兰堕笙 一 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ y m 3 0 0 差肜 咖 至 jj f 和t 与工的关系( 2 曩7 8 ，p t )h 与z 的关系( - 1 ) 图1 3 元素的x 射线吸收系数与波长及原子序数的关系 1 4 4 穿透深度 x 射线常常给人们一个穿透能力很强的印象，例如它可以穿透人体，对身体内部的骨 骼进行成像。实际上x 射线的穿透性能随波长或能量的不同存在极大的差异，这一点可以 从x 射线的衰减系数看出来。即使同样能量的x 射线遇到不同元素组成的物质时被吸收的 情况也相差很大。我们可以定义一个表示x 射线在某种物质中穿透能力的物理量一穿透深 度： 1 t o = 二 ( 1 1 5 ) l 。p t 。的量纲为长度量纲，物理意义为x 射线由初始强度衰减到# 1 时所穿过的样品厚度。 表1 1 部分元素的x 射线质量衰减系数k 。( c m 2 g ) 及其穿透深度t o ( c m ) 波长( n m ) 元素00 1o 0 5o10 51 020 02 90 4 004 52 1 21 3 76 9 h “ 3 8 6 x 1 0 428 0 x 1 0 42 4 9 x 1 0 452 8 1 0 38 1 741 6 2 3 01 3o 1 905 34 49 13 1 22 1 7 8 b e f 0 4 2 02 8 81 0 300 1 200 0 1 7 52 5 1 x 1 0 4 ，“ 0 i 40 3 1l5 41 3 9 39 7 06 7 6 0 c 岛 2 0 31 0 90 1 8 40 0 0 2 0 429 3 1 0 。44 2 0 1 0 4 o1 40 4 02 3 72 1 4 6 1 4 9 51 0 4 1 3 n 幻 5 7 1 4 32 0 0 0 03 3 7 63 7 30 5 3 50 0 7 6 8 o1 4o 5 334 53 1 2 32 1 7 51 5 1 4 9 o t o 4 9 9 5 01 3 1 942 0 272 2 40 3 2 20 0 4 6 2 0 2 61 3 2 39 23 61 0 2 97 1 7 34 6 5 6 f e “ 0 4 8 79 5 7 x1 0 。3 1 3 7 x 1 0 3l ，2 3 1 0 41 7 6 x 1 0 。52 7 2 x 1 0 5 34 14 9 7 6 6 61 0 9 87 6 4 82 2 9 9 7 p b 岛 00 2 5 5 1 7 5 1 0 。31 3 lx 1 0 。37 9 3 x1 0 51 1 4 1 0 。537 9 1 0 + 6 6 ! 里型兰垫查奎兰竖主堂垡堡壅 一一 上表中h 、n 、o 的穿透深度分别根据各元素对应的单质气体密度计算，c 元素的单质按 金刚石计算。由表1 1 及图1 4 中的数据可以看到x 射线的穿透能力在0 0 1 r a n 到2 0 n m 范 围内对不同的物质相差可达1 0 个量级以上。即使对同一种物质，穿透深度也有4 个量级的 变化。只有波长较短的x 射线才有比较长的穿透深度。对于长波x 射线来说，其在固体中 e 3 赵 憋 魁 钛 1 0 5 1 0 4 1 0 3 伯2 1 0 1 1 0 0 1 盯1 波长( n m ) 1 0 0 0 10 1 波长( n m ) 图1 4 部分元素的衰减系数及穿透深度 1 0 7 3luo一纂帐堪饿 坩心埘坩” 兰二兰堕堡 一 的穿透深度只有微米量级，在空气中也只有不到1 毫米。显然对这个波段的x 射线来说几 乎没有透明的物质，x 射线只能在真空或h ：、h e 气体中才能传播较长的距离。软x 射线 的这个特点给相应的成像实验带来了不便，限制了其应用范围，而且使软x 射线光源的制 造及光束的引出变得困难。 1 4 5 吸收限 从图13 中x 射线吸收系数与波长的关系可以看到，在某一特定波长下，吸收系数发 生突变。这样的突变在其余的波长处还会发生。吸收系数发生突变的位置称为吸收限或吸 收边，它们对应着各个原子壳层的吸收限或激发限的波长。吸收限的位置只与相应的原子 有关。