توموگرافی کامپیوتری پراش اشعه ایکس

بندانگشتی|پرتو مدادی یا  پرتو باریک ، یک ساختار هندسی است که برای توصیف یک پرتو یا بخشی از یک پرتو تابش الکترومغناطیسی یا ذرات بارداراستفاده می شود ومعمولاً به شکل مخروط یا استوانه،است. 
بندانگشتی|پراش پودر یک روش علمی است که از پراش اشعه ایکس، نوترون یا الکترون بر روی نمونه‌های پودری یا میکروکریستالی برای توصیف ساختاری مواد استفاده می‌کند. ابزاری که به انجام چنین اندازه‌گیری‌های پودری اختصاص داده شده است، پراش‌سنج پودر نامیده می‌شود.
توموگرافی کامپیوتری پراش اشعه ایکس یک تکنیک تجربی است که پراش اشعه ایکس را با اطلاعات بدست آمده از توموگرافی کامپیوتری ترکیب می‌کند. توموگرافی کامپیوتری(CT) پراش اشعه ایکس(XRD) اولین بار در سال ۱۹۸۷ توسط هاردینگ و همکارانش معرفی شد. در آن از یک پراش‌سنج آزمایشگاهی و یک پرتو مدادی تک‌رنگ اشعه ایکس استفاده می‌شود. اولین کاربرد این تکنیک در تأسیسات سینکروترون در سال ۱۹۹۸ توسط کلوکر و همکارانش انجام شد.

توموگرافی کامپیوتری پراش اشعه ایکس را می‌توان با توجه به نحوه پردازش داده‌های XRD به دو دسته اصلی تقسیم کرد؛ به طور خاص داده‌های XRD را می‌توان به صورت پراش پودری یا داده‌های پراش تک کریستالی پردازش کرد و این به خواص نمونه بستگی دارد. اگر نمونه شامل کریستال‌های کوچک و با جهت‌گیری تصادفی باشد، هنگام استفاده از آشکارساز ناحیه‌ای دوبعدی، "حلقه‌ها" پراش پودری صاف ایجاد می‌کند. اگر نمونه شامل کریستال‌های بزرگ باشد، الگوهای پراش دوبعدی، "لکه" ایجاد می‌کند. مورد اخیر را می‌توان با استفاده از یک جعبه نامه، مخروط و پرتو اشعه ایکس موازی نیز انجام داد و تصاویر دو بعدی یا سه بعدی مربوط به نقشه‌های کریستال‌ها یا "دانه‌های" موجود در نمونه و خواص آنها، مانند تنش یا کرنش را ارائه داد. چندین نوع مختلف از این روش‌ها از جمله 3DXRD، توموگرافی کنتراست پراش اشعه ایکس(DCT) و میکروسکوپ پراش اشعه ایکس با انرژی بالا(HEDM) وجود دارد.

توموگرافی کامپیوتری پراش اشعه ایکس، که اغلب به اختصار XRD-CT نامیده می‌شود، معمولاً به تکنیکی اشاره دارد که توسط هاردینگ و همکارانش ابداع شده است. چیزی که فرض می‌کند داده‌های به دست آمده، داده‌های پراش پودر هستند. به همین دلیل، از آن به عنوان توموگرافی کامپیوتری پراش پودری و توموگرافی کامپیوتری پراکندگی پراش (DSCT) نیز یاد شده است؛ با این حال، هر دو به یک روش اشاره می‌کنند.
بندانگشتی|توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس صنعتی

 به دست آوردن اطلاعات 
XRD-CT از یک روش اسکن پرتو مدادی تک رنگ استفاده می‌کند و سیگنال پراش را در هندسه عبوری ثبت می‌کند و یک مجموعه داده از تصویر پراش ایجاد می‌کند. در این چیدمان، نمونه در امتداد محوری عمود بر جهت پرتو حرکت می‌کند. با یک پرتو اشعه ایکس تک رنگ "مداد" که به طور دقیق متمرکز شده است، روشن می‌شود. سپس یک آشکارساز ناحیه‌ای دوبعدی، پرتوهای ایکس پراکنده را ثبت می‌کند و بهینه سازی برای آمار و سرعت،  انجام می‌دهد. اندازه اسکن انتقالی از قطر نمونه فراتر می‌رود و پوشش کامل آن را در تمام زوایای اندازه گیری شده تضمین می‌کند. اندازه انتقال معمولاً با اندازه افقی پرتو اشعه ایکس به یک میزان است. در یک طرح ایده‌آل برای هر روش توموگرافی اسکن پرتو مدادی، زوایای اندازه‌گیری شده باید با تعداد مراحل انتقال ضربدر π/۲ مطابقت داشته باشند، که از نظریه نمونه‌برداری نایکوئیست پیروی می‌کند. به هر حال این تعداد اغلب می‌تواند در عمل کاهش یابد و به تعداد مراحل انتقال برسد، بدون اینکه کیفیت تصاویر بازسازی‌شده به طور قابل توجهی کاهش یابد. محدوده‌ی معمول زاویه از ۰ تا π متغیر است.

 بازسازی اطلاعات 
دراغلب مطالعات، رویکرد غالب بازسازی داده‌ها "تحلیل معکوس" است که توسط بلوئت و همکارانش معرفی شده است. در آن هر سینوگرام به طور مستقل پردازش می‌شود و یک تصویر سی‌تی جدید به دست می آید. اغلب از روش بازسازی تصویر برگشتی فیلتر شده برای بازسازی تصاویر XRD-CT به کار گرفته می‌شود. نتیجه، تصویری است که در آن هر پیکسل، یا به طور دقیق‌تر، هر واکسل، معادل یک الگوی پراش محلی است. داده‌های بازسازی‌شده را می‌توان به صورت مجموعه‌ای از تصاویر مربعی دوبعدی نیز مشاهده کرد که در آن هر تصویر مشابه با یک زاویه پراکندگی پرتو ایکس است.

 مصنوعات بازسازی 
XRD-CT مفروضات زیر را مطرح می‌کند:

 نمونه کوچک است و هیچ اختلاف نظر قابل توجهی در داده‌های پراش به‌دست‌آمده وجود ندارد؛ وقتی این فرض درست نباشد، الگوهای بازسازی‌شده شامل طیف وسیعی از نتایج، مانند موقعیت‌های نادرست پیک، شکل‌های پیک و حتی تقسیم مصنوعی پیک هستند.
 اطلاعات XRD به دست آمده شبیه پراش پودر هستند و حاوی اطلاعات نقطه‌ای نیستند.
 نمونه، پرتوهای ایکس را به شدت جذب نمی‌کند و هیچ مشکل خودجذبی قابل توجهی در اطلاعات به‌دست‌آمده وجود ندارد.
 ترکیب شیمیایی نمونه در طول اسکن XRD-CT Ø تغییر قابل توجهی نمی‌کند. 

بندانگشتی|بازسازی توموگرافی نوعی مسئله معکوس چندبعدی است مبنای ریاضی تصویربرداری توموگرافی توسط یوهان رادون مطرح شد. یک نمونه قابل توجه از کاربردها، بازسازی توموگرافی کامپیوتری (CT) است که در آن تصاویر مقطعی از بیماران به دست می‌آید.
در عمل، یک یا چند مورد از این فرضیات معتبر نیستند واطلاعات دچار خطا می شود. روش هایی برای حذف وجود دارد:

 به جای استفاده از روش بازسازی تصویر برگشتی فیلتر شده، برای بازسازی تصاویر XRD-CT، می‌توان از رویکرد بازسازی دیگری به نام "بازسازی حداقل مربعات مستقیم" (DLSR) برای انجام همزمان برازش پیک و بازسازی توموگرافی استفاده کرد که هندسه چیدمان آزمایش را در نظر می‌گیرد و تصاویر بازسازی شده‌ی بدون اختلاف نظر ارائه می‌دهد. انجام اسکن XRD-CT بادامنه ۰ تا ۲π به جای ۰ تا π می‌تواند منجر به الگوهای بازسازی‌شده با موقعیت دقیق پیک شود.
 داده‌های XRD دو بعدی نقطه‌ای که در طول اسکن XRD-CT به دست می‌آیند، منجر به ایجاد آثار رگه یا خط در داده‌های بازسازی‌شده XRD-CT می‌شوند؛ می‌توان با اعمال فیلترها در طول روش ادغام الگوهای پراش دوبعدی خام، این آثار را حذف کرد.
 داده‌ها را می‌توان با استفاده از سی‌تی‌اسکن جذب-کنتراست اشعه ایکس از همان نمونه، از نظرمصنوعات خودجذبی اصلاح کرد.
 اگر شیمی حالت جامد نمونه در طول اسکن XRD-CT تغییر کند، می‌توان از روش های دیگر جمع‌آوری داده مانند روش درهم‌تنیده استفاده کرد که می‌تواند وضوح روش را بهتر کنند.

 تجزیه و تحلیل اطلاعات 
تحلیل الگوهای پراش محلی می‌تواند از برازش دسته‌ای متوالی تک پیک پایه تا یک تحلیل کامل یک مرحله‌ای با پروفایل کامل، معروف به "Rietveld-CT" (راگ و همکاران، ۲۰۱۵) متغیر باشد. روش دوم به دلیل کارایی‌اش نسبت به روش ترتیبی معمولی، مزیت دارد، زیرا پارامترهای سراسری در تمام مدل‌های محلی مشترک هستند. نمونه‌هایی از این پارامترها شامل خطای صفر و گسترش ابزاری است که پایداری فرآیند پالایش را افزایش می‌دهد. برای توضیح بیشتر، هر وکسل در تصاویر بازسازی‌شده از یک مدل (مانند فاکتورهای مقیاس چند فازی، پارامترهای شبکه و اندازه‌های کریستالی) ساخته شده است که برای مطابقت با الگوی پراش محلی مربوطه تنظیم شده است. این نشان می‌دهد که فقط پارامترهای کلی در مدل‌های محلی سازگار هستند. با این حال، کاربرد Rietveld-CT به تصاویر کوچک، به ویژه تصاویر 60 × 60 واکسل، محدود می‌باشد و امکان استفاده از تصاویر بزرگتر به حافظه کامپیوتر موجود بستگی دارد. اگرچه اغلب، تجزیه و تحلیل کامل الگوهای پراش محلی بر اساس نقطه به نقطه یا خط به خط با استفاده از روش‌های مرسوم تجزیه و تحلیل داده‌های XRD، مانند LeBail، Pawley و Rietveld انجام می‌شود. همه این روش‌ها از الگوهای پراش بازسازی‌شده استفاده می‌کنند. روش دیگری که از نظر محاسباتی نیز پرهزینه است، DLSR است که بازسازی داده‌های توموگرافی و برازش پیک را در یک مرحله انجام می‌دهد. صرف نظر از روش تحلیلی انتخاب شده، خروجی نهایی شامل تصاویری است که اطلاعات فیزیکوشیمیایی ارائه می دهد. هر تصویر فیزیکوشیمیایی با ویژگی‌های اصلاح‌شده‌ی موجود در مدل‌های داخلی مطابقت دارد، که ممکن است شامل نقشه‌هایی باشد که با فاکتورهای مقیاس، پارامترهای شبکه و اندازه‌های کریستالی مطابقت دارند.

 جستارهای وابسته 

 پراش اشعه ایکس
 توموگرافی کامپیوتری
 پراش پودر
 سینکروترون

 منابع 

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر