1.简介

澳大利亚同步加速器的成像和医疗束线（IMBL）[3.0 GeV（1/γ=170µrad）；200毫安；周长216m；参见Boldeman和Einfeld（2004)对于物理设计的描述，]于2008年12月实现了“首次亮相”。本文报道了CSIRO、莫纳什大学和澳大利亚同步加速器团队的首次实验。这些实验涉及各种样品的X射线成像和层析成像研究，包括医学/生物医学和材料科学应用。本文的重点是获得的成像结果，包括一些旨在估计有效X射线源尺寸的基础实验。

实验在第二个笼子（1B）中进行，源到样本的距离最小(R（右）₁)20 m。样品到探测器的距离(R（右）₂)使用了高达3m的。当前的插入设备是一个高级光子源（APS）A类永磁摇摆器，其操作间隙为55 mm，以保护临时Be窗口免受过度热负荷的影响。鉴于小屋2B（31.7–40.0米）和卫星楼（包括小屋3A和3B；样品位置为136米）已经建成，人们对这种临时插入装置以及未来超导多极摆动器能够实现的X射线成像质量感兴趣。澳大利亚同步加速器直线段的均方根电子束尺寸水平为320µm，垂直为16µm（1%耦合），分布色散为0.1 m。这些值分别对应于754µm和38µm的高斯半高宽。与电子束尺寸相比，APS摆动器的场引起的电子束偏差较小，因此决定X射线源尺寸的是电子束尺寸。这种较大的水平源尺寸和20:1的纵横比是该光束线上X射线成像的重要因素，尤其是基于传播的相位控制成像的空间相干性。在基于分析仪的相位控制成像的情况下，如果衍射平面垂直，也会出现类似的问题。

卫星大楼中的实验终端站不仅可以使用宽X射线束对大型物体进行成像，还可以显著增加光源的去放大作用。减少光源去噪将大大限制在厨房1B水平方向上可实现的相位对比度。

在X射线成像的传统处理中，并在上述讨论中隐含，X射线源被视为在源尺寸范围内完全不相干。在现实中，特别是在同步辐射的情况下，源的空间范围内可能存在一定程度的相干。光源的这种部分相干性可能会影响图像质量，我们的目标是测量有效的光源尺寸。

2.实验

同步加速器以200 mA的电流运行，在两次注入之间的12小时内，束流衰减到约150 mA。实验在1B号机柜中进行，光束从上游机柜1A中的铍窗口通过填充He管传输。He减少了臭氧的产生，并在白光造成的恶劣环境中保护了0.5mm Be窗口（目前尚未安装单色器）。高X射线通量还需要使用抛光铝过滤器（总厚度6.0 mm）来保护CCD探测器，并将对更敏感样品的损坏降至最低。选择滤光片后，处理后的X射线图像质量不会明显受损。图1显示了所用实验配置的示意图。

图1 IMBL用于这些实验的实验布局示意图。

使用的CCD是一个10 MHz 16M FDI-VHR相机，能够进行12位和16位操作，由Photonic Science提供。它在大约241 K的温度下运行通过多级珀尔贴冷却，并配有冷却水供应，以消除珀尔贴产生的热量。CCD具有4872×3248（水平×垂直）7.4µm像素，光学连接到直光纤束（无放大），并使用（P43）掺Tb的Gadox（氧化硫化钆）输入荧光粉（5 mg cm⁻²). 它针对2-30 keV范围内的X射线进行了优化。图像与平场和暗电流图像一起进行预处理，即分别是没有物体和没有X射线的图像。在一段时间内收集的静态样本的图像帧序列的相关性表明，没有出现明显的漂移，即高相关系数和（平移）运动小于单个像素。

APS摆动器的周期为28×8.5 cm，总长度为2.4 m。在55 mm的间隙处，磁场约为0.24 T，偏转参数为K（K）为1.9（见赖等。, 1993;https://aps.anl.gov/Science/Publications/techbullins/TB-11.pdf). 这个相当小K（K）-值意味着该插入装置具有相当大的波动特性（参见Clarke，2004第43页）。这个临界能量为1.4 keV，一次谐波能量为0.36 keV。程序光谱8.0（田中和北村，2001年;https://radiant.harima.riken.go.jp/spectra/index_e.html)用于计算光谱亮度（磨机等。, 2005)作为能量的函数，步长为0.1 keV，使用存储环参数值https://radiant.harima.riken.go.jp/spectra/asp.prm网站。此光谱被转换为通量密度1毫米以内²位于光束中心，距离光源20米。然后，考虑到光束路径中存在的各种过滤器、窗户和材料的影响，以及量子效率探测器。对摆动器和波动器进行了频谱计算；最终结果如图2所示已经通过在11个数据点上使用“运行平均值”进行了平滑。正如预期的那样，波荡器计算产生了一个具有相当谐波结构的（最终）频谱峰值。表1显示了在包含各种因素（不应用运行平均值）后表征每个阶段（wiggler）谱的参数值。表1也给出了相应波动器计算的最终结果.

表1 在包括窗口、滤光片和光束路径中存在的其他材料的影响后，用于表征X射线光谱的参数值（基于wiggler的计算） 最后一行（斜体）对应于基于波动器的频谱计算。铝过滤器厚度包含CCD中的12µm铝窗口，用于排除光线。我们还注意到，CCD中产生的可见光子数量不仅是X射线光子数量的函数，而且也是其能量的函数。然而，考虑到这种能量依赖性，在当前情况下几乎没有影响，例如加权平均能量的最终值变为21.6 keV。NA=不适用。 因子† 最大通量密度[光子s−1（0.1%带宽）−1毫米−2] 最大通量密度的能量（keV） 半高宽（keV） 加权平均能量（keV） 无 3.4 × 1013 1.9 不适用 不适用 +He（6.5米） 2.3 × 1013 2.9 3.6 4.3 +Be（0.5毫米） 9.4 × 1012 4.5 3.8 5.8 +西格拉杜尔（0.1毫米）‡ 6.8 × 1012 5 3.9 6.2 +卡普顿（0.1 mm） 5.0 × 1012 5.5 4 6.7 +石墨（1 mm） 9.3 × 1011 7.8 4.5 8.9 +铝（6.0毫米） 9.1 × 106 21.3 6.7 22.2           +Gd公司2O（运行）2S： Tb（5毫克厘米−2)§ 1.4 × 106 19.9 6.2 21.2 +Gd公司2O（运行）2S： Tb（涡轮机） （5毫克厘米−2)§ 8.3×106 22.5 4 21.3 †所有吸收系数均使用总横截面进行计算（Zschornack，2007年). 玻璃碳CCD窗口。 §CCD量子效率计算为1−exp（−μ米ρ秒)，其中μ米是与能量相关的质量吸收系数和ρ秒是“表面密度”（或“磷浓度”）；将在别处报告的对能量相关CCD响应的更严格计算在当前情况下没有任何显著影响

图2 用于X射线成像和层析成像实验的计算光谱。短实线表示峰值位置（19.9 keV），短虚线表示平滑曲线的加权平均能量（21.2 keV）（基于摆动器的计算）。锯齿曲线用于基于波动器的计算。

3.结果

图3显示为收集的X射线图像(一)口香糖叶子(R（右）₁=20.8米；R（右）₂=155厘米）和(b条)粗纤维纸样品(R（右）₁=20.3米；R（右）₂=159厘米）。实验放大倍数M（M）= (R（右）₁+R（右）₂)/R（右）₁约为1.08。这些样品几乎没有X射线吸收，主要的对比机制是相位对比。这些图像边缘附近的“盐和胡椒”噪音是由于光束快速下降造成的通量这里，平场修正加剧了这种影响。

图3 获得的X射线相位控制图像(一)一片口香糖叶子和(b条)粗纤维纸样本。

在图4中图中显示了三个固定的小鼠胫骨，每列一个[参见Cornish等。(2002)有关样品的详细信息]。图像显示胫骨具有明显的小梁微结构。第一行对应于M（M）= 1.00; 第二行到M（M）= 1.08; 第三排到M（M）= 1.15. 这些图像中存在不同程度的吸收和相位控制效应M（M）=1.00（本质上是“接触”）图像主要由吸收对比度控制。虽然影响相当细微，但X射线源的相位对比度增加和去木质化减少R（右）₂可以检测到从158厘米增加到305厘米。

图4 三个固定小鼠胫骨的X射线图像。胫骨取自对照组小鼠（左柱），α-MSH（中柱）和瘦素（右柱）。详细信息由Cornish提供等。(2002). 这些行从上到下对应于，R（右）1=22.5米和R（右）2=8厘米(M（M）= 1.00);R（右）1=20.5米和R（右）2=158厘米(M（M）= 1.08);R（右）1=20.5米和R（右）2=305厘米(M（M）=1.15）。

图5所示的蜻蜓图像是80多幅图像的合成结果，通过在光束上以2 mm的垂直步长和6 mm的水平步长扫描样本来创建蒙太奇(R（右）₁=20.8米；R（右）₂=155厘米）。右边的图像是机翼和头部的放大部分。当存在吸收对比度时，相位对比度再次成为主要机制，尤其是对于精致的机翼结构[参见Snigirev等。(1995)和威尔金斯等。(1996)以了解基于传播的X射线相位控制成像的基本原理]。

图5 一只蜻蜓的X光图像是通过将80多张单独的图像组合成蒙太奇而获得的。右侧显示了机翼和头部的放大截面。

收集另一只小鼠胫骨的断层扫描数据集。共收集900张图像，以0.2°的步长旋转180°R（右）₁=21.6米和R（右）₂=23厘米(M（M）= 1.01). 除了前面提到的常规预处理步骤外，还包括层析成像数据的相位恢复步骤。使用的算法是Paganin的算法等。(2002)，它假设一个均质物体，并基于密度传递方程（Teague，1983). 它要求值为δ/β(= −2φ/μ)对于物体，X射线折射率由提供n个= 1 −δ负极我β,φ是每单位长度的相移，以及μ是线性吸收系数（所有这些量都与能量或波长有关）。由于结果对该参数并不特别敏感，我们使用了羟基磷灰石[Ca的光谱加权平均值（180）₅（采购订单₄)_三哦；ρ=3.18克厘米⁻³]是骨组织的主要成分。使用传统的FDK公司算法（Feldkamp等。, 1984). 这些数据处理和分析操作都是使用X轨道（版本4）软件包；https://ts-imaging.net/服务/.图6(一)–6(d日)显示已重建(xy公司)在距胫骨顶部1.72、1.36、0.99和0.62 mm处垂直于胫骨轴方向的切片。图6(电子)是重建的yz公司切片和图6(（f）)是重建的x赫兹在胫骨的纵向中线进行切片。

图6 经瘦素治疗的小鼠固定胫骨的X射线断层扫描重建切片(一), (b条), (c（c）)和(d日)显示xy公司分别在距胫骨顶部1.72、1.36、0.99和0.62 mm处垂直于骨骼主轴的切片(电子)和(（f）)是yz公司和x赫兹分别在骨骼的纵向中线处进行切片。

迄今为止所呈现的图像都很显著，因为相对较大的水平源尺寸和20:1的纵横比似乎不是所采用的几何条件的重要因素。仔细检查图像，尤其是图4中胫骨的图像，确实表明精细细节在垂直方向的分辨率高于水平方向的分辨率。然而，改善的程度与对X射线源影响的简单看法不一致。考虑到这些观察是定性的，并且在一定程度上是主观的，因此决定应为塑性边缘模型收集图像。

之前使用基于实验室的微焦点X射线源（Gureyev）对塑性边缘体模进行了研究等。, 2008). 它提供了一种获取定量对比度和分辨率值，同时检查垂直和水平方向的方法。这个简单的模型由两块100µm厚的聚乙烯板组成，部分重叠，边缘垂直和水平。考虑到我们的实验条件，特别是X射线能量范围，该模型提供了具有吸收和相位对比度的图像，但以特征性的单一黑白条纹的形式为主。对图像进行分析，以提供对比度和分辨率值。观察到的（实验）对比度值是由最大和最小强度值之间的差值除以它们的总和得到的。观察到的分辨率值是从这些特征的空间分离中获得的，参考对象平面。表2中列出了分别受水平和垂直源尺寸影响的垂直和水平边缘的观测数据值作为的函数R（右）₂(R（右）₁=21.6米）。对比度值的估计标准偏差（e.s.d.s）为0.3%，分辨率值为2µm（这些值小于有效像素大小，因为通过拟合从数据中提取了最大和最小强度的位置）。这些e.s.d.s与单个聚乙烯边缘和单个聚乙烯板重叠的单个聚乙烯边缘获得的对比度和分辨率值之间的一致性一致。

可以看出，高斯模糊边缘的对比度可以表示为

决议如下

哪里

Gureyev详细介绍了这些公式的推导以及相关的有效性条件等。(2008).R（右）′ =R（右）₁R（右）₂/(R（右）₁+R（右）₂) =R（右）₂/M（M）是有效传播或“散焦”距离，λ是X射线波长，t吨是聚乙烯的厚度，以及σ_b条,σ_秒和σ_d日分别是与边缘模糊、源发射率分布（“源尺寸”）和探测器PSF相关的标准偏差。（2）右侧的第二项与衍射有关，通常相对较小，但在某些情况下可能很重要。这些方程只与相控效应有关：在这种情况下，忽略吸收是合理的，即聚乙烯板在20 keV时仅吸收0.4%。

非线性最小二乘精炼程序[参见Gureyev等。(2008)更多细节]用于拟合表2中给出的实验数据使用上述方程式。可以细化的参数有σ_b条,σ_秒（水平），σ_秒（垂直），σ_d日,t吨和有效X射线能量电子.鉴于实验数据数量有限，某些参数之间存在显著相关性(t吨和电子例如），优化的参数为σ_秒（水平），σ_d日和电子。的值φ在最小二乘期间动态变化精炼作为电子调整并使用0.923 g cm的密度进行计算⁻³。的值σ_b条根据Gureyev的研究结果，固定在4µm等。(2008)对于相同的塑料边缘。一些初步改进表明σ_秒正如预期的那样，（vert）的贡献很小，因此它在（3）中的贡献也很小，与涉及的术语相比σ_d日，微不足道。σ_秒因此，在随后的改进中，（vert）被固定为零。的价值t吨设置为100µm。其余参数的精确值，对所有16个实验数据点给予同等权重，如下所示：σ_秒（水平）=361（9）µm，σ_d日=18.9（0.3）µm和电子=18.4（1.0）千伏。实验数据的最终拟合是合理的，如R（右）-因子（汉密尔顿，1965)3.30%的值（另见表2中对比度和分辨率的计算值)，以及最大值相关系数精炼参数之间只有0.40σ_秒（水平）和σ_d日]. 获得的结果非常稳健，因为细化参数的初始值发生较大变化时，最终值没有变化。图7显示了与M（M）=1.08数据汇总于表2中固体曲线使用X射线波函数的基尔霍夫公式计算，包括上述参数值。这些理论曲线包括聚乙烯板中的吸收效应，从实验数据点可以看出这种效应。

图7 实验和计算（基尔霍夫公式）的强度分布M（M）=1.08数据汇总于表2中.固体数据点和相关理论曲线对应于水平塑料边缘的剖面；开放数据点和相关曲线对应于垂直塑性边缘。

A最小平方精炼也使用基于上述e.s.d.s的加权方案执行，给定的权重是相关e.s.d平方的倒数。这具有实际效果，即相对于分辨率值，对比度值的权重要大得多。相应的优化参数值为σ_秒（水平）=346（14）µm，σ_d日=19.2（0.5）µm和电子=18.0（0.5）千伏。虽然这些值没有明显变化，但（加权）R（右）-因子现在为5.53%，表明与数据的拟合较差（标准goodness-of-fit参数的值为1.13，最佳值为unity）。最大值相关系数现在为0.78（介于σ_d日和电子).

的优化值σ_秒（水平）与澳大利亚同步加速器（320µm）的标称源尺寸一致。如果在源的空间范围内存在显著的一致性，我们预计精炼值将略小于设计值。获得的值σ_d日就FWHM而言，其相当于44.6（0.6）µm（单位重量），考虑到Gadox荧光粉的规格，该值略大于预期值，但并非不合理。可能是我们的模型中没有考虑的一些因素导致了探测器分辨率的明显下降，例如铝过滤器和相关散射辐射的存在（例如，参见Illers等。, 2005). 最后电子考虑到表1所示的结果，我们得出的结论是合理的和图2.

4.讨论和结论

这里显示的图像和层析成像结果表明，IMBL可以在非常简单的“基本”实验配置中生成高质量的数据。考虑到未来几年实施大量成像模式的计划，我们预计该设施将发展成为X射线成像和断层成像研究的前沿，从而在生物医学和临床前成像到材料科学等领域做出世界领先的贡献[例如，见Lewis（2005)和史蒂文森等。(2003)]。最重要的科学驱动因素是获得超导多极摆动器，安装用于高分辨率成像的定制单色器，开发光束聚焦设备，同时调试长光束线至136米。

塑性边缘体模的初步结果和分析给出了水平源尺寸等参数值，与预期相符。一个重要的发现是，对于所使用的实验配置，从图像推导出的有效源尺寸（水平）接近电子束尺寸。使用的简单方法可以扩展到包括各种X射线光学器件、滤波器、探测器和其他光束线组件。可以很容易地对不同的插入设备间隙和滤波器组合进行测试，以表征源和波束线。

虽然X射线源在水平方向上的尺寸较大，纵横比为20:1，但需要仔细考虑其他实验参数的影响，以量化成像性能。例如，如果σ_b条=4µm，σ_秒（水平）=400µm，σ_秒（垂直）=20µm，σ_d日=20µm和M（M）=1.1，方程式（3）将屈服σ_总数（水平）=41µm和σ_总数（垂直）=19µm，比率仅为2.2:1。然而，高分辨率探测器σ_d日=2µm将分别产生36µm和4.8µm的值，比率为7.7:1。在第一种情况下，探测器分辨率在垂直方向上占主导地位，而源尺寸在水平方向上占支配地位。在第二种情况下，探测器分辨率和源尺寸的贡献在垂直方向上几乎相等，而源尺寸在水平方向上甚至更占主导地位。如果我们使用σ_d日=20µm，但带有M（M）= 1.01,σ_总数（水平）：σ_总数（垂直）=20.6:20.2=1.02:1。然而，要实现M（M）=1.01，其中R（右）₁=需要20 mR（右）₂=20 cm，因此相位对比度显著降低。从上述方程式可以看出R（右）′ ≃R（右）₂（1）中的分子将显著减少。但是，如果R（右）₁=140 m（IMBL卫星大楼），则M（M）=1.01可以用R（右）₂=1.4 m，相位控制效果将增强。应该注意的是R（右）₂(R（右）′）也会增加（2）中的衍射项最后，我们还应该指出，在这些讨论中σ_b条假设非常小，聚乙烯边缘也是如此。对于“真实”对象，σ_b条可能会大大增加，并将发挥重要作用，例如它可以降低探测器的分辨率要求。

目前的调查确定了主要仪器参数和限制的有用操作条件。观察到显著的相控效应，并定量地用于确定和确认这些仪器参数的值。在不久的将来，进入卫星大楼进行实验将使成像具有较高的空间分辨率和增强的相位对比度，以及更大的视野。