ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, № 10, с. 66-70
УДК 539.1.06
МНОГОМОДОВАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ НА СТАНЦИИ "МЕДИАНА" КУРЧАТОВСКОГО ИСТОЧНИКА СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2012 г. К. М. Подурец, Д. К. Погорелый, А. А. Калоян, Е. С. Коваленко, В. Г. Кон
НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия Поступила в редакцию 12.01.2012 г.
Применение синхротронного излучения в рентгеновской томографии позволяет в широких пределах варьировать условия съемки благодаря непрерывному спектру, высокой яркости и коллимации пучка. В данной работе описаны возможности многомодовой рентгеновской томографии на станции "Медиана" Курчатовского источника синхротронного излучения, включающие в себя томографию и микротомографию в белом и "розовом" пучках, съемку в монохроматическом пучке, а также съемку с применением осевого и рефракционного фазоконтрастных методов. Представлены результаты, полученные для разных объектов и разных условий съемки.
ВВЕДЕНИЕ
Рентгеновская томография как метод получения трехмерных изображений объектов широко используется в таких областях исследований, как неразрушающий контроль изделий, биология и медицина, минералогия и палеонтология и многих других. Томографическая съемка заключается в регистрации с помощью одно- или двухкоорди-натного детектора серии картин от объекта на просвет при повороте объекта вокруг оси, перпендикулярной пучку, в угловом диапазоне от 0 до 180 градусов с последующей математической обработкой — восстановлением объемного изображения. В рентгеновской томографии всегда существует задача выбора оптимальных условий съемки, таких как пространственное разрешение, поле зрения, энергия излучения, а также применения фазочувствительных методов для усиления контраста. Проведение измерений на синхротронном излучении позволяет в широких пределах варьировать условия съемки благодаря непрерывному спектру, высокой яркости и коллимации пучка. В данной работе описаны и иллюстрированы примерами возможности многомодовой рентгеновской томографии на станции "Медиана" Курчатовского источника синхротронного излучения.
МЕТОДИКА
Особенностью станции "Медиана" является то, что в экспериментальную зону выведен белый пучок из накопителя. Спектр излучения из источника при номинальной энергии электронов 2.5 ГэВ с учетом бериллиевых окон имеет максимум около 13 кэВ, а его высокоэнергетическая часть распространяется до значений 80 кэВ и больше, быстро спадая в этом диапазоне. Изменение спектра из-
лучения, падающего на образец, возможно за счет монохроматизации его кристаллами, применения фильтров и зеркал, однако возможно и изменение спектра за счет изменения параметров источника. Так, при энергии электронов в накопителе 1.6 ГэВ вместо номинального значения 2.5 ГэВ количество высокоэнергетических фотонов резко сокращается. Мягкая составляющая спектра подавляется бериллиевыми окнами канала вывода и дополнительными алюминиевыми фильтрами, в результате спектр пучка СИ имеет вид пика с энергией максимума 12 кэВ и с шириной на половине высоты около 6 кэВ. Несмотря на потерю максимальной интенсивности на два порядка величины, оценка интегрального выигрыша при работе с таким "розовым" пучком дает величину примерно 300 раз по сравнению с монохроматическим пучком, сходный вид спектра дает отражение пучка от зеркала. На рис. 1 показаны расчетные спектры излучения для пучка из накопителя, пучка после медного фильтра и "розового" пучка.
По ходу пучка в домике расположены оптическая скамья, предназначенная для оперативного монтажа щелей, устройств позиционирования образцов и детекторов, и установка для рефракционной интроскопии [1] (рис. 2). Простота изменения экспериментальной схемы вместе с управлением пучком дают возможность использовать разные способы подготовки пучка для эксперимента и, соответственно, варьировать параметры эксперимента. В абсорбционной томографии можно использовать белый, фильтрованный, "розовый" и монохроматические пучки, в осевой фазо-контрастной томографии — "розовый" и монохроматические пучки, в рефракционной — только монохроматический пучок.
Рис. 1. Расчетные спектры излучения пучка из окон накопителя (1), пучка после медного фильтра толщиной 2 мм (2) и "розового" пучка (3).
Пучок синхротронного излучения имеет небольшую высоту (около 2 мм), и, соответственно, для изучения крупных объектов нужно сканирование, за исключением использования рефракционной схемы с асимметричным кристаллом, где высота поля зрения возрастает пропорционально степени асимметрии и составляет 3—5 см. Для регистрации экспериментальных данных, т.е. проекций, используются двухкоординатные детекторы на базе поликристаллических (Св1) и монокристаллических (В1^е3012) сцинтилляторов и ПЗС-камер размерностью 1024 х 1024 элемента, пространственное разрешение варьируется от 2 до 10 мкм. Как правило, съемка заключалась в регистрации 360 проекций, пустого пучка и темно-вого тока детектора. Первичная обработка проекций (очистка от шума, учет фона и неоднородно-стей пучка, нормировка) проводилась с помощью макросов программы ImageJ [2], восстановление срезов по проекциям выполнялось методом свертки и обратного проектирования с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье и стандартного радиального фильтра [3].
ТОМОГРАФИЯ В БЕЛОМ ПУЧКЕ
Самым простым способом съемки является использование белого пучка. В этом случае экспериментальная схема состоит из щелей, фильтров, устройства позиционирования образца и детектора. Использование белого пучка может быть целесообразным только для просвечивания сравнительно толстых объектов, при этом мягкая часть спектра не используется и может быть отсечена поглощающим фильтром. Недостатком метода является трудность достижения высокого пространственного разрешения, так как область свечения монокристаллического сцинтиллятора
2
Рис. 2. Схема установки: 1 — источник СИ; 2 — щели; 3 — фильтры. При работе с монохроматическим пучком: 4 — кристалл; 5 — образец; 6 — детектор. При работе с белым и "розовым" пучком: 7 — образец; 8—детектор. При работе с рефракционным контрастом: 9, 10 — кристаллы; 11, 12 — возможные положения образца; 13 — детектор.
при больших энергиях возрастает, а разрешение поликристаллического сцинтиллятора ограничено размером зерна.
В качестве примера такого исследования представлены результаты исследования строения аккумуляторов, используемых в компьютерах-ноутбуках. Съемка проводилась в прямом пучке синхротронного излучения с использованием набора фильтров (А1, Си) для ослабления пучка и отсекания низкоэнергетической части спектра (рис. 1, кривая 2). Съемка проводилась с пространственным разрешением 20 мкм. Один из восстановленных срезов приведен на рис. 3. Хорошо видна спиральная структура аккумулятора, состоящая из слоев электродов и электролита. Возможен контроль состояния аккумулятора по таким параметрам, как равномерность структуры, отсутствие инородных включений и так далее.
ТОМОГРАФИЯ В МОНОХРОМАТИЧЕСКОМ ПУЧКЕ
"Классическим" методом томографической съемки в синхротронном излучении является съемка с монохроматором, причем, как правило, используются двухкристальные монохроматоры. При очевидных преимуществах этих устройств, они проигрывают в гибкости выбора условий эксперимента. Поэтому для томографии на станции "Медиана" была выбрана схема с однокристаль-
68
ПОДУРЕЦ и др.
Рис. 3. Аксиальный срез объемного изображения аккумулятора.
ным монохроматором, отражающим в горизонтальной плоскости. Недостатком такой схемы является повышенный фон, но он может быть учтен при обработке проекций. Важным моментом является выбор кристалла-монохроматора.
В качестве монохроматоров для СИ наиболее часто используют кристаллы высокосовершенного кремния, однако известно, что он имеет малую отражательную способность. С другой стороны, совершенство кристалла необходимо для сохранения высокого пространственного разрешения. Исходя из этого, как близкий к оптимальному был выбран кристалл германия с механически шлифованной поверхностью, дающий равномерное без
значительных дефектов поле зрения и интенсивность, примерно в четыре раза превышающую таковую для совершенного кремния. Наилучшее пространственное разрешение, которого удалось добиться при энергии излучения Е = 12 кэВ, составляло 3 мкм, при Е = 17 кэВ оно ухудшалось до 5 мкм.
В качестве примера томографии в монохроматическом пучке представлены результаты исследования природного кристалла алмаза. Исследовался кристалл размером около 2 мм с включениями, форма и распределение которых представляли интерес. Пространственное разрешение составляло 10 мкм, время экспозиции на одну проекцию — 5 с. На рис. 4 представлены один из реконструированных срезов и произвольная проекция трехмерной модели кристалла, построенной по массиву срезов после применения функции выделения краев.
ТОМОГРАФИЯ В "РОЗОВОМ" ПУЧКЕ
При исследовании тонких слабопоглощаю-щих объектов (как правило, это биологические объекты), достаточно иметь пучок с энергией около 10 кэВ, при этом требования к монохроматичности невысоки, и оптимально использование "розового" пучка. Это, наряду со съемкой в белом пучке, является наиболее экспрессным экспериментом, время экспозиции при разрешении 2 мкм составляло 200 мс, общее время съемки в нашем случае лимитировалось скоростью считывания детектора. При расстоянии от объекта до детектора 10—100 см наблюдается фазовый контраст в виде выделенных контуров объекта [4].
Таким способом было получено трехмерное изображение головы обыкновенного комара (рис. 5). На изображениях и на восстановленных проекциях хорошо видны как внешние детали (например, усики), так и детали внутреннего строения объекта.
Рис. 4. Томографическое восстановление строения кристалла алмаза с включениями: а — одна из исходных проекций; б — одно из восстановленных сечений; в — произвольная проекция трехмерного изображения.
Рис. 5. Томографическое восстановление головы комара: а -трехмерного изображения.
одна из исходных проекций; б — произвольная проекция
(а)
5 мм
Г1 (в)
(б)
Рис. 6. Томографическое восстановление фиг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.