ДИФРАКЦИЯ В БЛИЖНЕМ ПОЛЕ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ТАЛЬБОТА ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
TALBOT EFFECT BASED NEARFIELD DIFFRACTION FOR SPECTRAL FILTERING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к компоновке на основе решетки и способу спектральной фильтрации рентгеновского пучка.
Уровень техники
Эффект Тальбота в рентгеновских лучах используется при формировании дифференциальных фазово-контрастных изображений для измерения сдвигов в поперечном направлении интерференционных полос, вызванных фазовыми сдвигами в рентгеновском поле, создаваемыми градиентами коэффициента преломления рентгеновских лучей. Этот фазовый сдвиг зависит от значения энергии, так что сдвиг по фазе рентгеновской волны в монохроматической компоненте, соответствующей энергии E, при малом клине задается как:
0
14
18
где  обозначает фазовый сдвиг в монохроматической компоненте, соответствующей энергии E. В целом это аналогично хорошо известному дисперсионному эффекту призмы в оптической полосе частот, который можно использовать для анализа спектрального состава света. В видимой области в окрестности 5,0⋅10 Гц преломление света достаточно велико (для воды: n=1,33), чтобы можно было использовать угловую дисперсию непосредственно для выделения данной монохроматической компоненты из полихроматического спектра с использованием одной щели. В рентгеновской области коэффициент преломления гораздо ближе к единице (но в действительности меньше единицы), например, для рентгеновских лучей с энергией 30 килоэлектронвольт (7,25⋅10 Гц) коэффициент преломления составляет 0,9999997, что приводит к малым дифракционных углам и соответствующим слабым дисперсионным эффектам.
В патенте US5812929 описаны устройство и способ для рентгенографических приложений. Работа описанного устройства основана на использовании фильтров Тальбота с двумя дифракционными решетками, изготовленными микротехнологическими методами.
В заявке US2013/0028378 А1 описана система дифференциального формирования фазово-контрастных рентгеновских изображений, включающая в себя систему рентгеновского излучения, делитель пучка, скомпонованный в системе на оптической траектории для обнаружения рентгеновских лучей после их прохождения через делитель пучка. В заявке W02007/125833 А1 описано устройство фиксации рентгеновских изображений и способ непрерывного генерирования рентгеновского излучения для фиксации изображения с высокой чувствительностью на основе информации о фазе рентгеновского луча.
В заявке WO2009/104560 А1 описан источник рентгеновского излучения, позволяющий избежать установку множества щелей при использовании высокочувствительного способа формирования рентгеновских изображений с применением рентгеновского интерферометра Тальбота-Лау, а также устройство формирования рентгеновских изображений, в котором используется указанный источник рентгеновского излучения.
В патенте US4578803 описана система селективного по энергии формирования рентгеновских изображений, в которой изображения создаются с использованием двух сцинциллирующих экранов, разделенных рентгеновским фильтром. В описанной системе фоточувствительные поверхности по отдельности воспринимают световые изображения от каждого экрана. В случае использования описанной системы селективного по энергии формирования рентгеновских изображений, результирующие значения светопропускания изображения считываются оптическим путем с использованием частично отражающего зеркала между светопропусканиями и обнаружения отраженного и пропущенного света. Рентгеновское спектральное разделение между двумя полученными изображениями может быть дополнительно увеличено путем использования фильтра рентгеновского источника в вышеописанной системе селективного по энергии формирования рентгеновских изображений, с границей K-полосы поглощения в окрестности области перекрытия этих двух спектров.
Сущность изобретения
Таким образом, имеется потребность в повышении точности селективных по энергии рентгеновских фильтров. Также имеется потребность в улучшении рабочих характеристик селективных по энергии рентгеновских фильтров.
Эти потребности удовлетворяются содержанием независимых пунктов формулы изобретения. Кроме того, примерные варианты осуществления изобретения очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения и нижеследующего описания.
Один аспект изобретения относится к решетчатой конфигурации для спектральной фильтрации рентгеновского пучка, содержащей:
дисперсионный элемент, содержащий призму, сконфигурированную для дифрагирования рентгеновского пучка на первую компоненту пучка, имеющую первое направление, и вторую компоненту пучка, имеющую второе направление, отклоненное от первого направления;
первую дифракционную решетку, сконфигурированную для создания первой дифракционной диаграммы упомянутой первой компоненты пучка и второй дифракционной диаграммы упомянутой второй компоненты пучка, где вторая дифракционная диаграмма сдвинута относительно первой дифракционной диаграммы; и
вторую дифракционную решетку, содержащую по меньшей мере одно отверстие, установленное на линии от максимальной до минимальной интенсивности первой дифракционной диаграммы или второй дифракционной диаграммы.
Еще один аспект изобретения относится к рентгеновской системе с источником рентгеновского излучения, который адаптирован для создания полихроматического спектра рентгеновских лучей, детектором и по меньшей мере одной компоновкой на основе решетки.
Следующий аспект изобретения относится к способу спектральной фильтрации рентгеновского пучка, содержащему следующие шаги:
дифрагирование рентгеновского пучка на первую компоненту пучка, имеющую первое направление, и вторую компоненту пучка, имеющую второе направление, отклоненное от первого направления, посредством дисперсионного элемента, содержащего призму;
создание первой дифракционной диаграммы упомянутой первой компоненты пучка и второй дифракционной диаграммы упомянутой второй компоненты пучка посредством первой решетки, где вторая дифракционная диаграмма сдвинута относительно первой дифракционной диаграммы; и
расположение второй решетки по меньшей мере с одним отверстием таким образом, чтобы упомянутое по меньшей мере одно отверстие располагалось на линии от максимальной до минимальной интенсивности первой дифракционной диаграммы или второй дифракционной диаграммы.
Еще один аспект изобретения относится к компьютерной программе, которая, при исполнении ее процессором рентгеновской системы согласно третьему от конца аспекту инициирует выполнение рентгеновской системой шагов способа согласно предшествующему аспекту.
Эффект Тальбота имеет полезное свойство, состоящее в том, что частота интерференционных полос не зависит от длины волны излучения, а зависит только от фазовой дифракционной решетки или поглощательных дифракционных решеток и сходимости пучка. В отсутствие объекта перед фазовыми решетками, интерференционные полосы, соответствующие всем квазимонохроматическим компонентам в основном спектре, будут создаваться в одном и том же месте, то есть, будут наблюдаться интерференционные полосы белого рентгеновского пучка. При добавлении дисперсионного элемента на пути рентгеновского пучка, такого как призма или т.п., интерференционные полосы, соответствующие другим квазимонохроматическим компонентам, будут слегка сдвинуты друг относительно друга. Таким образом, рентгеновское волновое поле в месте расположения дифракционной решетки анализатора будет представлять собой сложную суперпозицию полос, соответствующих разным значениям энергии, но с одной и той же частотой. Таким образом, можно использовать маску для выбора определенных монохроматических компонент для пропускания, а других для подавления с помощью дифракционной решетки анализатора/фильтра просто путем установки решетки, например, размещения по меньшей мере одного отверстия на линии от максимальной до минимальной интенсивности первой дифракционной диаграммы или второй дифракционной диаграммы.
Преимуществом изобретения является возможность фильтрации излучения, осуществляемого источником рентгеновского излучения в виде полихроматического спектра, с помощью дисперсионного элемента, такого как рентгеновская призма или клин, и интерферометра Тальбота, содержащего фазовую решетку и решетку анализатора. Требования к поперечной когерентности заключаются в том, что один период фазовой дифракционной решетки может облучаться источником когерентно. В том случае, когда поперечная когерентность источника недостаточна, может быть добавлена дифракционная решетка источника для увеличения поперечной когерентности источника. Альтернативой является увеличение расстояния между источником и фазовой решеткой.
Когда рентгеновские лучи попадают на призму, создается небольшое отклонение, приводящее к энергозависимому сдвигу в поперечном направлении интерференционной диаграммы по сравнению со случаем, когда дисперсионный элемент отсутствует. Чем больше угол призмы и чем больше коэффициент преломления материала призмы, то есть, чем больше фазовый сдвиг между соседними позициями в волне в поперечном направлении, тем шире спектр между соответствующими максимумами в интерференционных диаграммах любых двух отдельных квазимонохромных компонент. Если теперь разместить дифракционную решетку анализатора таким образом, чтобы заблокировать первую квазимонохромную компоненту при пропускании этой дифракционной решеткой второй квазимонохромной компоненты, система действует как высокоэффективный селективный по энергии фильтр.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения упомянутые первое направление и второе направление отклонены друг от друг, образуя угол отклонения.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первая решетка сконфигурирована для сдвига второй дифракционной диаграммы относительно первой дифракционной диаграммы в направлении, соответствующем направлению упомянутой линии.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первая решетка и вторая решетка расположены почти параллельно друг другу. «Почти параллельно» означает, что первая решетка и вторая решетка размещены параллельно с отклонением менее 10°, менее 5° или менее 1°. Кроме того, термин «почти параллельный» может отражать то обстоятельство, что по меньшей мере некоторая часть первой дифракционной решетки и некоторая часть второй дифракционной решетки размещены параллельно.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первая компонента пучка и/или вторая компонента пучка содержат квазимонохроматическое рентгеновское излучение.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первая дифракционная решетка сконфигурирована для создания первой дифракционной диаграммы первой компоненты пучка и второй дифракционной диаграммы второй компоненты пучка в качестве дифракционного эффекта в ближнем поле. Другими словами, обе дифракционные диаграммы основаны на дифракционном эффекте в ближнем поле.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения вторая дифракционная диаграмма сдвинута относительно первой дифракционной диаграммы путем энергозависимого сдвига в поперечном направлении.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первая решетка и/или вторая решетка содержат периодическую структуру.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первая решетка и/ли вторая решетка сконфигурирована с возможностью перемещения таким образом, чтобы по меньшей мере одно отверстие могло перемещаться по линии от максимальной до минимальной интенсивности первой дифракционной диаграммы или второй дифракционной диаграммы.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения дисперсионный элемент и первая решетка интегрированы таким образом, что они образуют дисперсионную решетку. Дисперсионная решетка, которая объединяет в себе вышеупомянутый дисперсионный элемент и первую решетку, сконфигурирована для дифрагирования рентгеновского пучка на первую компоненту пучка, имеющую первое направление, и вторую компоненту пучка, имеющую второе направление, где второе направление отклоняется относительно первого направления, а также для последовательного создания первой дифракционной диаграммы первой компоненты пучка и второй дифракционной диаграммы второй компоненты пучка, где вторая дифракционная диаграмма сдвинута относительно первой дифракционной диаграммы. Включение дисперсионного элемента и первой решетки в дисперсионную дифракционную решетку вызывает эффекты уменьшения на единицу количества компонент для компоновки на основе решетки. Таким образом, этот вариант осуществления имеет преимущество, состоящее в смягчении требований выравнивания.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения дисперсионный элемент содержит периодическую структуру из призм, где каждая из указанных призм сконфигурирована для дифрагирования рентгеновского пучка (В) на первую компоненту (ВС1) пучка, имеющую первое направление (D1), и вторую компоненту (BC2) пучка, имеющую второе направление (D2), и где указанное второе направление отклонено относительно первого направления. Этот вариант осуществления предоставляет возможность уменьшения (пропорционально периодичности периодической структуры призм) высоты дисперсионного элемента без потери его дисперсионных качеств. Например, но не как ограничение, если периодическая структура содержит 2, 3, 4, 10 или 25 призм, то высота дисперсионного элемента уменьшается соответственно в 2, 3, 4, 10 или 25 раз по сравнению с дисперсионным элементом, не имеющим указанную периодическую структуру. Вследствие этого данный вариант осуществления имеет преимущество, заключающееся в возможности выполнения более компактной компоновки на основе решетки. Кроме того, этот вариант осуществления имеет преимущество, состоящее в уменьшении затухания рентгеновского пучка со стороны дисперсионного элемента.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения периодическая структура дисперсионного элемента имеет период Td, где первая дифракционная решетка имеет период Tg, где период Td равен периоду Tg первой дифракционной решетки, если первая дифракционная решетка представляет собой дифракционную решетку из микролинз, и где период Td равен половине периода Tg в противном случае.
Согласно примерному варианту осуществления изобретения первая решетка представляет собой дифракционную решетку из микролинз. В этом тексте дифракционная решетка из микролинз основана на решетке, в которой периодическая структура решетки не является двоичной. Примером указанной недвоичной периодической структуры является последовательность взаимно смежных элементов из семейства призм, имеющих форму треугольника, полуокружности или параболы. Дифракционная решетка из микролинз создает непрямоугольную амплитудную модуляцию. Таким образом, этот вариант осуществления имеет преимущество, состоящее в возможности более эффективной фильтрации второй дифракционной решеткой в некотором диапазоне энергий, а не для одной выделенной энергии.
Краткое описание чертежей
Более полное представление об изобретении и присущих ему преимуществах можно будет получить, обратившись к нижеследующим схематическим чертежам, на которых не соблюден масштаб, и где:
Фиг. 1 – схематическое представление компоновки на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения;
Фиг. 2 – схематическое представление компоновки на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения;
фиг. 3 – схематическое представление рентгеновской системы согласно примерному варианту осуществления изобретения;
Фиг. 4 – схематическое представление компоновки на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения;
фиг. 5 – набор спектров рентгеновского пучка после спектральной фильтрации, поясняющий настоящее изобретение;
фигуры 6А, 6В и 6С – схематические представления компоновок решеток согласно примерным вариантам осуществления изобретения, где дисперсионный элемент и первая решетка интегрированы в дисперсионной решетке;
фигуры 7А и 7В – схематические представления компоновок решеток согласно примерным вариантам осуществления изобретения, где первая решетка является дифракционной решеткой из микролинз;
фиг. 8 - схематическое представление компоновки на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения; и
фиг. 9 – блок-схема способа спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
Иллюстрации на чертежах носят схематический характер без соблюдения масштаба. На разных чертежах подобные или идентичные элементы снабжены одинаковыми ссылочными позициями. В общем случае на представленных чертежах одинаковыми ссылочными позициями снабжены идентичные части, блоки, объекты или шаги.
Очевидно, что описанные здесь варианты осуществления являются лишь некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, а не всеми вариантами осуществления. На основе этих вариантов осуществления настоящего изобретения все другие варианты, полученные специалистами в данной области техники без приложения каких-либо творческих усилий, не должны выходить за рамки объема защиты настоящего изобретения.
Компоновка на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка может быть установлена на траектории пучка рентгеновской трубки томографической системы либо любой другой медицинской системы формирования рентгеновских изображений.
На фиг. 1 схематически представлена компоновка на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Эффект Тальбота представляет собой дифракционный эффект в ближнем поле. Когда плоская волна падает на периодическую дифракционную решетку, изображение этой решетки повторяется с регулярными интервалами, удаляясь от плоскости решетки.
Первая решетка 20 представляет собой периодическую дифракционную решетку; при этом на фиг. 1 наглядно представлены две плоские волны первой компоненты BC1 пучка и второй компоненты BC2 пучка. Первая компонента BC1 пучка и вторая компонента BC2 пучка отклоняются друг от друга, образуя угол α+ отклонения.
Talbot
На некотором расстоянии за решеткой воспроизведена пространственная модуляция с периодом А плоской волны, например, плоской волны, падающей на решетку. Это расстояние называют длиной Тальбота, L, а повторяющиеся изображения называют собственными изображениями или изображениями Тальбота. Распределение интенсивности в любой точке за решеткой называют дифракционной диаграммой. На фиг. 1 показаны две дифракционные диаграммы DP1 и DP2 первого порядка. Кроме того, само изображение появляется также на половине длины Тальбота, но сдвинутое по фазе на половину периода (физический смысл этого состоит в том, что изображение сдвинуто в поперечном направлении на половину ширины периода решетки). Также можно наблюдать субизображение на более мелких долях длины Тальбота.
Talbot
Если решетка представляет собой π-фазовую решетку, то тогда после нечетных кратных L/16 появляется интерференционная диаграмма, то есть, модуляция интенсивности с двойной пространственной частотой решетки. Также может быть рассмотрена так называемая π/2–фазовая решетка, но тогда интересующая интерференционная диаграмма появится на другом расстоянии и с другой пространственной частотой.
На расстоянии Тальбота присутствует волновой фронт просто с фазовой модуляцией. На дробных расстояниях фазовая модуляция трансформирована в модуляцию интенсивности, которая и используется. Первая дифракционная диаграмма DP1 и вторая дифракционная диаграмма DP2 содержат каждая максимальное MA и минимальное MI значения интенсивности. Вторая решетка может иметь возможность перемещения по линии d от одного максимума MA до одного минимума MI интенсивности первой дифракционной диаграммы DP1 или второй дифракционной диаграммы DP2.
На фиг. 2 схематически показана компоновка на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения.
На фиг. 2 иллюстрируется эффект фильтрации Тальбота для спектральной фильтрации рентгеновского пучка В. Две квазимонохроматические компоненты ВС1 и ВС2 рентгеновского пучка В выделены для иллюстративных целей. Эти две квазимонохроматические компоненты ВС1 и ВС2 в основном параллельны друг другу, прежде чем они попадают на дисперсионный элемент 10. Компонента ВС1 с более высокой энергией отклоняется дисперсионным элементом 10 меньше, чем компонента ВС2 с низкой энергией, и интерференционные полосы, сформированные посредством первой решетки 10 по месту расположения второй решетки 30, сдвинуты по отношению друг к другу.
2
В режиме рентгеновского излучения сдвиг полос первой дифракционной диаграммы DP1 и второй дифракционной диаграммы DP2 с их эталонных позиций (в отсутствии призмы) обратно пропорционален квадрату энергии рентгеновского излучения. Фаза интерференционной диаграммы обратно пропорциональна 1/Е. Этот эффект можно использовать вместе с конкретной решеткой анализатора для выделения одной компоненты и блокирования других компонент.
Согласно одному варианту осуществления компоновка 100 на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка В содержит дисперсионный элемент 10, первую решетку 20 и вторую решетку 30.
Дисперсионный элемент 10 сконфигурирован для дифрагирования рентгеновского пучка В на первую компоненту ВС1 пучка, имеющую первое направление D1, и вторую компоненту ВС2 пучка, имеющую второе направление D2, отклоненное от первого направления.
Первая решетка 20 сконфигурирована для создания первой дифракционной диаграммы DP1 первой компоненты ВС1 пучка и второй дифракционной диаграммы DP2 второй компоненты ВС2 пучка, причем вторая дифракционная диаграмма DP2 сдвинута относительно первой дифракционной диаграммы DP1.
Вторая решетка 30 содержит по меньшей мере одно отверстие 31, которое размещено на линии d от максимума MA до минимума MI интенсивности первой дифракционной диаграммы DP1 или второй дифракционной диаграммы DP2.
Как возможный вариант, согласно одному варианту осуществления первая решетка 20 и/или вторая решетка 30 сконфигурирована с возможностью перемещения, с тем чтобы по меньшей мере одно отверстие 31 можно было перемещать по линии d от максимума MA к минимуму MI интенсивности первой дифракционной диаграммы DP1 или второй дифракционной диаграммы DP2.
На фиг. 3 показана схема рентгеновской системы согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Эта рентгеновская система может содержать источник 210 рентгеновского излучения, который адаптирован для создания полихроматического спектра рентгеновских лучей, то есть, рентгеновского пучка В, детектор 220 и по меньшей мере одну компоновку 100 решетки.
Компоновку 100 на основе решетки можно применить во множестве областей, где требования к фильтрации рентгеновских спектров превышают требования, традиционно достижимые с использованием вставки из определенного материала и использованием затухания, соответствующего согласно линейному коэффициенту затухания этого материала. Типовым приложением может быть формирование изображений в медицинских целях, например, маммография, интервенционное формирование изображений, рентгеновская компьютерная томография (X-ray СT), создание топографических изображений, неразрушающий контроль, рентгеновская микроскопия, формирование изображений для биомедицинских исследований и многое другое.
Компоновка 100 на основе решетки может отфильтровать рентгеновский пучок В и вывести отфильтрованный рентгеновский пучок В1, содержащий модифицированный спектр.
На фиг. 4 схематически представлена компоновка на основе решетки для специальной фильтрации X пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения.
На фиг. 4 показаны относительные сдвиги интерференционных диаграмм двух квазимонохроматических компонент, соответствующие разным энергиям в рентгеновском волновом поле.
В нижней часть фиг. 4 показана вторая решетка 30. Вторая решетка 30 может содержать множество отверстий 31 и реек 32. Рейки 32 и отверстия 31 второй решетки 30 могут быть скомпонованы в виде периодической структуры.
Компонента с высокой энергией, соответствующая второй дифракционной диаграмме DP2, пропускается тогда, когда отверстия 31 второй решетки 30 выровнены по максимуму MA интенсивности для компоненты с высокой энергией.
Наоборот, компонента с низкой энергией, соответствующая первой дифракционной диаграмме DP1, пропускается тогда, когда отверстия 31 второй решетки 30 выровнены по максимуму интенсивности для компоненты с низкой энергией.
В верхней части фиг. 4 показано распределение интенсивности в поперечном направлении. По оси Y откладывается интенсивность компоненты с высокой и низкой энергией, ось X обозначает местоположение x. Две дифракционные диаграммы DF1 и DF2 наглядно представлены двумя функциями, имеющими синусоидальную форму.
На фиг. 5 показан набор спектров рентгеновского пучка после спектральной фильтрации для пояснения изобретения. На этой фигуре представлена экспериментальная реализация эффекта спектральной фильтрации Тальбота. Для этого эксперимента был использован спектр стандартной рентгеновской трубки с напряжением 38 кВ.
На фиг. 5 показано семейство кривых в виде набора спектров, причем каждый спектр из этого набора представлен спектром, зарегистрированным на отличном от других месте второй решетки 30. Показанные здесь спектры были записаны детекторами на сверхчистом германии (HPGe) и демонстрируют энергетическое разрешение лучше 1 кэВ. Модуляции в спектре происходят из-за описанного эффекта, проиллюстрированного на этой фигуре в соответствии с фиг. 4, то есть, различные монохроматические компоненты в спектре были в большей или меньшей степени блокированы второй решеткой 30, в зависимости от относительного положения полос по отношению к структурам поглощающей решетки. Черная стрелка указывает на эффект перемещения второй решетки 30 по линии d от максимума MA до минимума MI интенсивности первой или второй дифракционной диаграммы.
Эффективность фильтрации для излучения с данной энергией сильно зависит от видности полос с данной энергией. Таким образом, желательно обеспечить как можно более высокую видность, которую можно реализовать в интерферометре с решетками.
На фигурах 6А, 6В и 6С схематически представлены компоновки на основе решеток согласно примерным вариантам осуществления изобретения, где дисперсионный элемент смонтирован на верхней части первой решетки 20.
На фиг. 6А схематически представлена компоновка 100 на основе решетки, где дисперсионный элемент 10 смонтирован в направлении рентгеновского пучка В на верхней части первой решетки 20, образуя тем самым дисперсионную решетку 40. Дисперсионная решетка 40, которая объединяет дисперсионный элемент 10 и первую решетку 20, сконфигурирована для дифрагирования рентгеновского пучка В на первую компоненту BC1 пучка, имеющую первое направление D1, и вторую компоненту BC2 пучка, имеющую второе направление D2, где второе направление отклонено по отношению к первому направлению. Кроме того, дисперсионная решетка 40 скомпонована для создания первой дифракционной диаграммы (не показана) первой компоненты пучка и второй дифракционной диаграммы (не показана) второй компоненты пучка, где вторая дифракционная диаграмма сдвинута относительно первой дифракционной диаграммы. В этом конкретном примере дисперсионный элемент 10 представляет собой треугольную призму. Согласно конкретному варианту осуществления компоновка 100 на основе решетки кроме того, но не обязательно, может содержать вторую решетку 30.
По аналогии с фиг. 6А на фиг. 6В схематически представлена компоновка 100 на основе решетки, где дисперсионный элемент 10 смонтирован в направлении рентгеновского пучка В на верхней части первой решетки 20, образуя тем самым дисперсионную решетку 40. Однако в этом конкретном примере дисперсионный элемент 10 содержит периодическую структуру из призм 50, где каждая из этих призм сконфигурирована для дифрагирования рентгеновского пучка В на первую компоненту BC1 пучка, имеющую первое направление D1, и вторую компоненту BC2 пучка, имеющую второе направление D2, где второе направление отклонено по отношению к первому направлению. В этом конкретном примере периодические структуры дисперсионных элементов 10 и первой решетки 20 имеют периоды Td и Tg соответственно, где период Td равен половине периода Tg. Следует заметить, что наклоны граней призм 50 не обязательно равны наклонам граней дисперсионного элемента 10, содержащегося в примерном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 6А. В качестве альтернативы согласно другому примерному варианту осуществления изобретения периодическая структура из призм 50 может быть смонтирована в направлении рентгеновского пучка В в нижней части первой решетки 20 для образования дисперсионной решетки 40. Согласно другому конкретному варианту осуществления изобретения компоновка 100 на основе решетки кроме того, но не обязательно, может содержать вторую решетку 30.
По аналогии с фиг. 6В на фиг. 6С схематически представлена компоновка 100 на основе решетки, где дисперсионный элемент 10 смонтирован в направлении рентгеновского пучка В на верхней части первой решетки 20, образуя дисперсионную решетку 40, и где дисперсионный элемент 10 содержит периодическую структуру из призм 50. Однако в этом конкретном примере дисперсионный элемент 10 и первая решетка 20 интегрированы в дисперсионной решетке 40, где призмы 50 (которые в целях пояснения идентичны призмам из конкретного примера, показанного на фиг. 6В) наложены на периодическую структуру первой решетки 20. В результате, в отличие от конкретного примера, показанного на фиг. 6В, в этом примерном варианте осуществления изобретения зазоры между призмами 50 и минимумами периодической структуры отсутствуют. По аналгии с примерным вариантом осуществления изобретения, показанным на фиг. 6В, период Td равен половине периода Tg. Согласно конкретному варианту осуществления компоновка 100 на основе решетки кроме того, но не обязательно, может содержать вторую решетку 30.
На фигурах 7А и 7В схематически представлены компоновки на основе решеток согласно примерным вариантам осуществления изобретения, где первая решетка представляет собой решетку из микролинз.
На фиг. 7А схематически представлена компоновка 100 на основе решетки, содержащая дисперсионный элемент 10 и первую решетку 20, являющуюся решеткой из микролинз. В этом конкретном примере решетка из микролинз образована в виде периодической структуры из треугольных призм. В качестве альтернативы, согласно другому примерному варианту осуществления изобретения решетка из микролинз может быть образована в виде полукруглых или параболических призм. В данном конкретном примере решетка из микролинз имеет высоту, равную (2n+1)*π/2, где n обозначает количество полос, содержащихся в решетке из микролинз. В этом конкретном варианте осуществления дисперсионный элемент 10 содержит периодическую структуру из призм 50. В данном конкретном варианте периодическая структура дисперсионного элемента 10 и первой решетки 20 имеют периоды Td и Tg соответственно, где период Td равен периоду Tg. Согласно конкретному варианту осуществления изобретения дисперсионный элемент 10 может, но не обязательно, быть смонтирован в направлении рентгеновского пучка В на верхней части первой решетки 20, образуя дисперсионную решетку. В качестве альтернативы, согласно другому примерному варианту осуществления изобретения дисперсионный элемент 10 может быть смонтирован в направлении рентгеновского пучка В в нижней части первой решетки 20, образуя дисперсионную решетку. Согласно другому конкретному варианту осуществления изобретения компоновка 100 на основе решетки кроме того, но не обязательно, может содержать вторую решетку 30. Благодаря тому, что первая решетка 20 представляет собой решетку из микролинз, рабочий цикл второй решетки 30 может быть сокращен по сравнению с примерными вариантами осуществления изобретения, показанными на фигурах 6А, 6В и 6С.
По аналогии с фиг. 7А, на фиг. 7В схематически представлена компоновка 100 на основе решетки, содержащая дисперсионный элемент 10 и первую решетку 20, являющуюся решеткой из микролинз. Однако в этом конкретном примере призмы 50 (которые в целях объяснения идентичны призмам в конкретном примере, показанном на фиг. 6В), наложены на периодическую структуру решетки из микролинз. Вследствие этого, в отличие от конкретного примера, показанного на фиг. 7А, в данном примерном варианте осуществления изобретения между призмами 50 и решеткой из микролинз отсутствуют зазоры. Таким образом, в этом примерном варианте осуществления изобретения дисперсионный элемент 10 и первая решетка 20, являющаяся решеткой из микролинз, интегрированы в дисперсионной решетке 40. Решетка из микролинз имеет высоту, равную (2n+1)*π/2, где n обозначает количество полос в решетке из микролинз. Подобно примерному варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 7А, период Td равен периоду Tg.
На фиг. 8 схематически представлена компоновка на основе решетки для спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Пространственное разделение между различными полосами, соответствующими разным монохроматическим компонентам в исходном волновом поле, увеличивается с увеличением коэффициента преломления призмы и с увеличением угла призмы. Это определяется общим градиентом фазы, наложенным на волновое поле упомянутой призмой.
Рабочий цикл первой решетки 20 и в торой решетки 30 может быть настроен таким образом, чтобы получить интерференционные полосы с более высокой видностью. Таким образом, спектральное разделение или выбор путем расщепления в пространственной области оказывается еще более эффективным при использовании вместе с подходящей второй решеткой 30, шаг которой адаптирован к конкретным требованиям приложения. Можно разработать гораздо более сложные маски, с тем чтобы можно было выделить произвольным образом заранее выбранные монохроматические компоненты. Также можно легко использовать сдвиг вторых решеток 30 для быстрой модификации спектра посредством очень маленького поперечного смещения, что легко реализовать, например, с помощью пьезоэлектрических исполнительных механизмов.
Для очень больших градиентов, реализуемых, например, решеткой с очень крутой характеристикой (около 180 градусов) или при использовании очень электронно-плотного материала, рассеяние энергии может быть настолько велико, что значения энергии будут «оборачиваться», что означает, что полосы, соответствующие отдельным значениям энергии, вновь окажутся выравненными. Это может привести к квазипериодическим колебаниям пропускания фильтра в функции энергии (что приводит к появлению «гребенчатых» спектров), причем это свойство очень трудно получить для рентгеновских лучей с помощь других средств. Эти «гребенки» могут быть сдвинуты по энергии посредством продольного перемещения второй решетки 30.
Эта гребенчатая структура, естественно, может быть легко удалена путем каскадного включения двух или более предложенных фильтров с разными призмами. Каскадирование также может помочь избежать перепад затухания путем установки двух идентичных систем друг за другом, которые отличаются только тем, что в одном случае призма переориентируется.
Дополнительные элементы и ссылочные позиции на фиг. 8 были пояснены выше и описаны в связи с фиг. 4. Поэтому повторное описание этих элементов и ссылочных позиций опущено.
На фиг. 9 представлена блок-схема способа спектральной фильтрации рентгеновского пучка согласно примерному варианту осуществления изобретения.
Способ спектральной фильтрации рентгеновского пучка В может содержать следующие шаги.
Первым шагом способа (S1) является дифрагирование рентгеновского пучка В на первую компоненту DC1 пучка, имеющую первое направление D1, и вторую компоненту ВС2 пучка, имеющую второе направление D2, отклоненное по отношению к первому направлению D1, посредством дисперсионного элемента 10.
Вторым шагом (S2) способа является создание первой дифракционной диаграммы DP1 первой компоненты ВС1 пучка и второй дифракционной диаграммы DP2 второй компоненты ВС2 пучка посредством первой решетки 20, причем вторая дифракционная диаграмма DP2 сдвинута относительно первой дифракционной диаграммы DP1.
Третьим шагом (S3) способа является расположение второй решетки 30 по меньшей мере с одним отверстием 31 таким образом, чтобы по меньшей мере одно отверстие 31 располагалось на линии d от максимума MA до минимума MI интенсивности первой дифракционной диаграммы DP1 или второй дифракционной диаграммы DP2.
Согласно одному варианту осуществления изобретения на дополнительном, но не обязательном шаге способа выполняется перемещение (шаг S3) первой решетки 20 и/или второй решетки 30 по меньшей мере с одним отверстием 31 таким образом, чтобы по меньшей мере одно отверстие 31 могло перемещаться по линии d от максимума MA до минимума MI интенсивности первой дифракционной диаграммы DP1 или второй дифракционной диаграммы DP2.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и приведенном выше описании, указанные иллюстрации и описание следует рассматривать исключительно как иллюстрации или примеры, а не как ограничение; изобретение не ограничивается раскрытыми здесь вариантами его осуществления. Специалисты в данной области техники могут предложить другие версии раскрытых здесь вариантов осуществления изобретения и реализовать на практике заявленное изобретение, изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает наличие других элементов или шагов, а использование элементов в единственном числе не исключает возможность их множества. Один процессор или контроллер, либо иной блок могут выполнять функции нескольких элементов, упомянутых в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые предложения изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения не указывает на то, что не может быть успешно использована их комбинация. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует трактовать как ограничение объема изобретения.
Список ссылочных позиций
10 – дисперсионный элемент
20 – первая решетка
30 – вторая решетка
40 – дисперсионная решетка
50 – призма
31 – отверстие
32 – рейка
100 – компоновка на основе решетки
200 – рентгеновская система
210 – источник рентгеновского излучения
220 – детектор рентгеновского излучения
В – рентгеновский пучок
В1 – отфильтрованный рентгеновский пучок
ВС1 – первая компонента пучка
ВС2 – вторая компонента пучка
α+ - угол отклонения
d – линия
D1 – первое направление
D2 – второе направление
DP1 – первая дифракционная диаграмма
DP1-1 – дифракционная диаграмма более высокого порядка
DP2 – вторая дифракционная диаграмма
MA – максимум
MI – минимум
Td – период дисперсионного элемента
Tg – период первой решетки