научная статья по теме НАБЛЮДЕНИЕ МАЛОУГЛОВОГО КОНТРАСТА В РЕФРАКЦИОННОЙ ИНТРОСКОПИИ ЗА СЧЕТ ПОЛНОГО УГЛОВОГО СКАНИРОВАНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «НАБЛЮДЕНИЕ МАЛОУГЛОВОГО КОНТРАСТА В РЕФРАКЦИОННОЙ ИНТРОСКОПИИ ЗА СЧЕТ ПОЛНОГО УГЛОВОГО СКАНИРОВАНИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 5, с. 24-27

УДК 539.1.06

НАБЛЮДЕНИЕ МАЛОУГЛОВОГО КОНТРАСТА В РЕФРАКЦИОННОЙ ИНТРОСКОПИИ ЗА СЧЕТ ПОЛНОГО УГЛОВОГО СКАНИРОВАНИЯ

© 2014 г. А. А. Калоян, Е. С. Коваленко, К. М. Подурец

НИЦ "Курчатовский институт", пл. Академика Курчатова, 1, 123182Москва, Россия

E-mail: podurets@yandex.ru Поступила в редакцию 26.06.2013 г.

В работе описаны эксперименты по интроскопии в схеме с двумя совершенными кристаллами, демонстрирующие возможность с помощью полного углового сканирования изображения кристаллом-анализатором разделять вклады поглощения, преломления и малоуглового рассеяния в формирование изображений. Обсуждается возможность определения характеристик неоднородности объектов с помощью предложенного метода.

DOI: 10.7868/S0207352814050072

ВВЕДЕНИЕ

Интроскопия с применением совершенных кристаллов [1—4], получившая в разных работах названия "рефракционная интроскопия", "дифракционно-усиленная интроскопия (DEI)", "интроскопия, основанная на анализаторе (ABI)", дала возможность вовлекать в формирование интроско-пического рентгеновского изображения не только поглощение, но и другие виды взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. Основным из них является преломление, заключающееся в угловом смещении части пучка, прошедшего через границу раздела веществ в изучаемом объекте. При съемке на максимуме отражения преломление приводит к тому, что границы раздела, его вызывающие, выглядят на изображениях как затемненные, сильно поглощающие участки. Для разделения этих эффектов была предложена съемка изображений с анализатором, отклоненным от точного брэггов-ского положения [4—6]. Это приводит к тому, что при отклонении кристалла в сторону преломленного пучка интенсивность возрастает, изменяется профиль изображения, что резко отличается от того, что наблюдается при поглощении.

Другим эффектом, наблюдаемым в интроскопии с применением совершенных кристаллов, является малоугловое рассеяние, происходящее на мелкомасштабных неоднородностях объекта. Эффекты малоуглового рассеяния в рефракционной интроскопии были зарегистрированы при рассеянии нейтронов на магнитных неоднородностях в [7] и описаны в [8]. В общем случае можно считать, что малоугловое рассеяние происходит на неоднородностях, размер которых меньше величины пространственного разрешения детектора. Многократное рассеяние на таких не-однородностях приводит не к смещению пучка, прошедшего через область неоднородности, а к его угловому уширению. При этом при съемке изобра-

жения область неоднородности может выглядеть так же, как и поглощающая область. Поскольку величина уширения и локальное поглощение в неоднородном участке заранее неизвестны, различить эффекты рассеяния и поглощения при съемке в характерных точках кривой качания невозможно. Целью данной работы является демонстрация возможности разделения эффектов малоуглового рассеяния, преломления и поглощения при полном угловом сканировании, т.е. получении серии изображений объекта, из которых можно для каждой области объекта получить кривую качания кристалла-анализатора, и таким образом полностью охарактеризовать формирование изображения.

МЕТОДИКА

Эксперименты были выполнены на станции "Медиана" Курчатовского источника синхро-тронного излучения. Была использована двухкри-стальная схема (рис. 1) с плоскими кристаллами 81 с симметричным брэгговским отражением 400. При энергии излучения Е = 25.8 кэВ дарвиновская ширина составляла 0.8 угл. с, что соответствует инструментальной кривой качания с полной шириной на половине высоты, равной 1.2 угл. с. Поворот кристалла измерялся с помощью пьезоактуатора с датчиком перемещения. Изображения регистрировали позиционно-чувствительным детектором, разрешение которого составляло 30 мкм, поле зрения составляло 30 х 30 мм. Детектор состоит из поликристаллического сцинтиллятора С81(Т1), объектива и 16-битной охлаждаемой за счет эффекта Пельтье ПЗС-матрицы. Эксперименты заключались в том, что объект располагался между кристаллами, и при повороте кристалла-анализатора с постоянным шагом в некотором диапазоне углов вблизи точного отражающего положения ре-

ко объектов. Модельный объект состоял из трех частей, обладающих разными свойствами. Это несколько слоев бумаги общей толщиной 606 мкм, рассеивающей пучок, несколько слоев фольги А1 общей толщиной 672 мкм, ослабляющей пучок, и резьба на пластиковом корпусе шариковой ручки. При съемке на пике все три части объекта дают значительный контраст, природа которого явно из полученного изображения не следует. Однако при съемке серии изображений при различных углах поворота анализатора можно построить кривые качания для характерных участков объекта. В частности, при значительном отклонении кристалла изображение рассеивающей бумаги становится более ярким, чем изображение самого пучка. Результаты представлены на рис. 2. Здесь хорошо видны различия в формировании контраста разными частями объекта. Бумага уширяет пучок, и контраст связан с рассеянием пучка на малые углы. Фольга, напротив, оставляет угловую ширину пучка без изменений. Участки резьбы, отклоняющие пучок в разные стороны, сдвигают соответствующие кривые впра-

(а)

0 20 40 60 80 100

Число шагов

Рис. 2. Изображение составного объекта в пике кривой качания (а), на склоне кривой качания (б) и кривые рассеяния для разных участков объекта (в): слева фольга (1), справа бумага (2), в центре шариковая ручка (3). Шаг по абсциссе равен 0.1 угл. с.

чок, 2 и 3 — кристаллы, 4 — объект, 5 — детектор.

гистрировалась серия изображений с равной экспозицией. Кривые качания строились путем выделения на изображениях характерных областей и усреднения интенсивности внутри этих областей с помощью программы ImageJ [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для демонстрации эффектов малоуглового рассеяния в интроскопии было использовано несколь-

КАЛОЯН и др. (а)

120

д. 100

о

в 80

о

^

т с 60

о

Я

в и 40

с

Я

о

т Я 20

8

(б)

.2

1

н£ааааш1А

2 4 6 8 10 Поворот кристалла, угл. с

12

Рис. 3. Изображение коленного сустава крысы на пике кривой качания (а). Выделены участки, в которых пучок проходит через костную ткань вблизи сустава (1) и в стороне от образца (2). Кривые качания кристалла, соответствующие этим двум участкам (б).

0

0

во и влево по шкале углов от центрального пика. Таким образом, метод полного углового сканирования в интроскопии позволяет не только увидеть детали объекта за счет преломления излучения в объекте, но и проанализировать природу видимого контраста за счет явного различия влияния абсорбции, преломления и малоуглового рассеяния на локальный угловой профиль пучка.

Был проведен эксперимент по визуализации костных тканей. В качестве образца был взят скелет задней конечности крысы в формалине (рис. 3). На полученных изображениях наблюдается как рефракционный контраст на границах плотного вещества костей, так и области пористости. Было выбрано на изображении два характерных участка: участок 1 — область пористой костной ткани вблизи сустава и участок 2 — без объекта. Методом рефракционной интроскопии с переменным углом анализатора были измерены кривые качания кристалла-анализатора, соответствующие этим двум участкам. Кривые, для наглядности нормированные на максимальную интенсивность, показаны на рис. 3б. Видно, что кривая, соответствующая прохождению пучка через участок пористой ткани (участок 1), значительно уширена по сравнению с кривой, соответствующей пучку, не проходящему через объект (участок 2). Это свидетельствует о том, что участок 1

является областью трабекулярной или губчатой костной ткани.

Третий объект представлял собой пластинку искусственного опала, подобные вещества известны своей упорядоченной структурой [10]. Поскольку заранее можно было ожидать наличие дифракционных максимумов на кривой качания, съемка производилась в широком угловом диапазоне. На кривой качания (для пучка, прошедшего через образец искусственного опала), полученной методом полного углового сканирования, в интроскопии наблюдается не только уширение центрального пика по сравнению с инструментальным, но и дифракционная картина, состоящая из центрального пика и двух пар сателлитных пиков (рис. 4). Положение пиков соответствует периодичности структуры опала, но исследование этой структуры в цель данной работы не входило. Изображение образца опала, снятое на одном из сателлитов, ярче, чем изображение пучка, т.е. наблюдается эффект темного поля.

Таким образом, в настоящей работе показано, что в методе рефракционной интроскопии при съемке серии изображений с переменным углом анализатора возможно построение кривой качания для любой интересующей области объекта и, в пределе, для каждого элемента изображения. По форме и положению кривой возможно, во-первых, качественное определение механизма формирования

(а)

(б)

ч

<0

Я 10000

н о

д1

H

о

о

«

m

S

о

«

g 1000 г 1

«

И 1 1 1 1 1 1

0 20 40 60 80 100 120 140 Поворот кристалла, угл. с

Рис. 4. Изображение образца опала, снятое на первом сателлите (а) и кривая качания образца опала (б).

контраста, будь то поглощение, преломление либо малоугловое рассеяние. Измерение параметров кривой качания, таких как положение и уширение пиков, дает возможность определения (при наличии математической модели процесса рассеяния) параметров модели, а именно концентрации неод-нородностей и вариации плотности. Наблюдение малоуглового рассеяния в костной ткани может быть использовано как индикатор состояния ткани, что даст возможность развития методов диагностики ее патологий, например, остеопороза.

Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования "Курчатовский центр син-хротронного излучения и нанотехнологий" в рамках Государственных контрактов № 16.552.11.7055 и № 14.518.11.7033.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Foerster E, Goetz K., Zaumzeil P. // Krist. Technik.

1980. B. 15. S. 937.

2. Подурец К.М., Соменков В.А., Шильштейн С.Ш. // ЖТФ. 1989. Т. 58. № 6. С. 115.

3. Подурец К.М., Погорелый Д.К., Калоян А.А., Коваленко Е.С.,

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.

Показать целиком