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基于鉭掩模的霍夫曼序列高分辨率 X 射線掃描技術(shù)及其輻射損傷抑制研究
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引言 在高分辨率 X 射線掃描成像領(lǐng)域，聚焦光束雖能夠提供精細(xì)的圖像細(xì)節(jié)，然而其帶來的局部高強(qiáng)度能量沉積問題卻極為棘手。在有機(jī)樣本組織方面，這種高強(qiáng)度能量沉積可能致使組織損傷；對于無機(jī)材料而言，會引發(fā)結(jié)構(gòu)改變。為有效攻克這一難題，本研究開創(chuàng)性地提出采用漫射霍夫曼圖案探頭。其實(shí)現(xiàn)方式為在二氧化硅晶片上沉積鉭（Ta）層來制造掩模，如此一來，可將入射光束的能量分散至更為寬泛的區(qū)域。同時，巧妙利用霍夫曼序列獨(dú)特的類 δ 自相關(guān)特性（即在非周期性卷積的情形下，其自相關(guān)近似于 δ 函數(shù)），通過去卷積的手段重建高分辨率圖像�；舴蚵蛄兴O(shè)計(jì)的 2D 陣列具備空間均勻的強(qiáng)度分布，其自相關(guān)特性有力確保了解碼過程對于噪聲具備較高的魯棒性。而選擇鉭作為掩模材料，是因?yàn)槟軌蛲ㄟ^精確調(diào)控其厚度來實(shí)現(xiàn)對 X 射線透射率的精準(zhǔn)控制，這無疑為兼顧分辨率與輻射損傷控制開辟了全新的路徑。 實(shí)驗(yàn)與方法 鉭掩模制造 二元掩模 在尺寸為 2cm×2cm 的 SiO₂基片之上，借助濺射技術(shù)沉積一層厚度為 5μm 的 Ta 層，隨后歷經(jīng)光刻與蝕刻工藝促使圖案成型。將每個像素細(xì)致劃分為 3×3 子像素，通過面積加權(quán)的方式來模擬多灰度級透射效果�；习� 12 個二進(jìn)制類霍夫曼掩模，尺寸范圍涵蓋 11×11 至 43×43，分辨率分別有 8μm、10μm 和 15μm。在光學(xué)圖像中所呈現(xiàn)出的條紋偽影，實(shí)則是光致抗蝕劑的殘留，不過其在 X 射線環(huán)境下是透明的，因而不會對 X 射線的透射性能產(chǎn)生任何干擾。 四元掩模 通過三層光刻與蝕刻工藝，在 SiO₂晶片上構(gòu)建起四級 Ta 厚度，以此對應(yīng)不同級別的 X 射線透射率。依據(jù) X 射線透射率公式 t=−ln(T)/μ （其中 μ 為 Ta 在 12.4keV 時的線性衰減系數(shù)，數(shù)值為 0.3605 μm⁻¹），能夠精確計(jì)算出各級別 Ta 的厚度。以 15×15 四元掩模為例，在其光學(xué)圖像中，L0 至 L3 分別代表不同 Ta 厚度所對應(yīng)的透射級別，0 級對應(yīng)的是 5μm 厚的 Ta 基板，通過對蝕刻時間的精準(zhǔn)把控來實(shí)現(xiàn)厚度的精確調(diào)控。 實(shí)驗(yàn)裝置與程序 實(shí)驗(yàn)在同步加速器 MCT 光束線展開。具體裝置如下：單色 X 射線束（在二元掩模實(shí)驗(yàn)中采用 20keV，四元掩模實(shí)驗(yàn)采用 12.4keV）經(jīng)過鉭掩模后轉(zhuǎn)變?yōu)槁涔馐�，樣品被安裝在可移動的工作臺上進(jìn)行光柵掃描，2D 像素化檢測器負(fù)責(zé)收集透射強(qiáng)度，進(jìn)而形成 “桶信號”。測試對象涵蓋多種類型，例如直徑處于 5 - 20μm 的鉭針孔、二進(jìn)制蜜蜂圖案以及四象限各自具有不同 Ta 厚度的灰度級圓盤。在掃描過程中，物體需要過掃描掩模寬度至少一個像素。桶信號首先要經(jīng)過平場校正以及歸一化處理，之后通過與理想霍夫曼陣列進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)圖像的重建。 結(jié)果與討論 掩模驗(yàn)證 二進(jìn)制掩模 以 15×15 二進(jìn)制掩模為例，其正掩模（P）、負(fù)掩模（N）以及重組后的 P - N 陣列情況如下：X 射線透射直方圖呈現(xiàn)出 - 1、0、+1 三級強(qiáng)度分布，這與預(yù)先設(shè)計(jì)的值高度吻合。在對 20μm 針孔的重建結(jié)果中，互相關(guān)表面圖呈現(xiàn)出尖銳的 δ 狀，這充分證實(shí)了寬光束經(jīng)過去卷積操作之后，能夠?qū)崿F(xiàn)像素級別的聚焦效果，進(jìn)而有效驗(yàn)證了鉭掩模所具備的類 δ 自相關(guān)特性。 四元掩模 將 32×32 四元掩模的理想灰度圖像與實(shí)測的 X 射線透射直方圖進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，直方圖中的五個峰恰好對應(yīng) - 2 至 + 2 的灰度級別，二者的匹配度高達(dá) 92%。觀察 15×15 四元掩模在 10μm 和 20μm 像素下的 X 射線透射圖像，會發(fā)現(xiàn) 20μm 像素的邊緣均勻性要優(yōu)于 10μm 像素。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于 Ta 層蝕刻工藝的穩(wěn)定性，較厚 Ta 層的均勻沉積有力確保了透射率的一致性。 成像結(jié)果 針孔成像 利用 32×32 四元掩模對 20μm 針孔進(jìn)行重建，所得到的圖像與理想陣列近乎完全重合�；ハ嚓P(guān)中心峰值達(dá)到了 100%，并且旁瓣值均小于 5%。這一結(jié)果清晰表明，即便寬光束覆蓋了多達(dá) 1024 個像素，經(jīng)過去卷積處理后依然能夠精準(zhǔn)聚焦至單點(diǎn)，充分驗(yàn)證了該技術(shù)在高分辨率成像方面的巨大潛力。 復(fù)雜對象成像 對于蜜蜂圖案的重建圖像，其與原始射線照片在細(xì)節(jié)方面保持高度一致，邊緣清晰銳利；在對灰度級圓盤的重建圖像中，四象限 Ta 厚度的差異清晰可辨，不同的灰度級別準(zhǔn)確對應(yīng)著不同 Ta 厚度的透射率。進(jìn)一步通過四元掩模對蜜蜂圖像和多層鋁帶對象進(jìn)行重建，無論是 10μm 像素還是 20μm 像素的結(jié)果，均能夠精準(zhǔn)還原物體的結(jié)構(gòu)，這有力證實(shí)了鉭掩模對于不同復(fù)雜度對象的良好適應(yīng)性。 結(jié)論 本研究借助鉭掩模成功實(shí)現(xiàn)了基于霍夫曼序列的寬光束 X 射線掃描技術(shù)，出色地兼顧了高分辨率成像與輻射損傷抑制這兩大關(guān)鍵目標(biāo)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，鉭作為掩模材料展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，其厚度能夠被精確調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對 X 射線透射率的精準(zhǔn)控制（例如在 12.4keV 時，4.8μm 厚的 Ta 對應(yīng)的透射率約為 17.5%）。通過光刻蝕刻工藝制造出的二元與四元掩模，均能夠良好地保持類 δ 自相關(guān)特性，這為實(shí)現(xiàn)高分辨率（≤10μm）圖像重建提供了堅(jiān)實(shí)保障。當(dāng)寬光束將入射能量分散至 10×10 像素區(qū)域時，能量沉積速率相較于聚焦光束降低了 100 倍，從而極為有效地抑制了輻射損傷，在針孔、二進(jìn)制及灰度級對象的重建圖像中均未出現(xiàn)明顯的損傷偽影。此外，鉭層均勻的沉積工藝保證了掩模的穩(wěn)定性，其中 20μm 像素掩模的透射均勻性優(yōu)于 10μm 像素掩模，使其在工程化應(yīng)用方面更具優(yōu)勢。展望未來，可進(jìn)一步對鉭層厚度與掩�；叶燃墧�(shù)展開優(yōu)化工作，同時將該技術(shù)積極拓展至 X 射線熒光成像等其他領(lǐng)域，致力于為材料科學(xué)與生物學(xué)研究提供低劑量、高分辨率的優(yōu)質(zhì)成像方案。 |
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tzynew2樓
2025-07-18 14:05
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nono20093樓
2025-07-18 14:41
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2025-07-18 15:12
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庚辰辛丑5樓
2025-07-18 15:18
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2025-07-18 18:30
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