硬X射线光栅微分相衬成像系统中光栅的研制

摘要

在惯性约束聚变中，作为燃料的靶丸小球在压缩后内部的密度可能不均匀，甚至存在微米级的空隙，这些不良结构将导致靶丸小球无法被点燃实行能量增益，进而导致点火失败，所以对靶丸内部结构进行检测非常有必要。X射线光栅相衬成像能对轻元素进行检测并获得吸收、折射和散射信息，显示更多的细节，比传统的吸收成像具有更大的优势，可以广泛用于生物医学，无损检测，材料科学等领域，因而逐渐成为近年来的研究热点。
　　相位光栅和分析光栅是成像系统中的核心元件，对其进行参数设计和制作工艺探究越来越有必要。基于X射线光栅相衬成像对靶丸的检测，本论文利用实验室现有条件，结合成像系统要求，对成像系统的核心元件即相位光栅和分析光栅进行参数设计，并对其制作工艺进行探究。
　　X射线光栅相衬成像在国内的系统入射光能量主要是20-30keV之间，而本论文选择的入射光能量为40 keV，光源到相位光栅间距为200mm。相位光栅的相位为π，槽深为51.67μm。根据系统的相干性要求和结构紧凑性，选定周期为5μm。根据光栅的衍射效率以及自成像距离确定占宽比为0.5，尺寸为10×10mm2。分析光栅的周期与相位光栅自成像周期一样，考虑成像系统的几何放大因子时，光栅周期为5.04μm。根据吸收率(30％)确定分析光栅槽深为51.89μm。根据光栅衍射效率，图像的衬度和信噪比确定占宽比为0.5，尺寸为15×15mm2。
　　光栅制作利用了单晶硅的各向异性湿法腐蚀。相位光栅工艺主要包括晶向对准技术，光栅掩模制备，和湿法腐蚀技术。分析光栅的制作工艺建立在相位光栅制作工艺的基础上，还包括背面开窗，正面腐蚀和电镀。难点在于背面开窗和电镀。最终我们成功制备了符合设计要求的相位光栅，同时对于分析光栅的研制取得了阶段性进展。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 X射线相衬成像方法的介绍

1．2．1 干涉仪相衬成像

1．2．2 衍射增强相衬成像

1．2．3 类同轴相衬成像

1．2．4 光栅微分相衬成像

1．3 系统参数

1．3．1 国内外研究概况

1．3．2 光栅参数

1．4 论文结构安排

第二章 光栅参数

2．1 光栅系统的选择

2．2 相位光栅参数

2．2．1 相位光栅的周期

2．2．2 相位光栅的槽深

2．2．3 相位光栅的尺寸

2．3 分析光栅参数

2．3．1 分析光栅的周期

2．3．2 分析光栅的槽深

2．3．3 分析光栅的尺寸

2．4 误差影响

2．4．1 相位光栅

2．4．2 分析光栅

2．5 本章小结

第三章 制作工艺

3．1 单晶硅腐蚀

3．1．1 腐蚀速率

3．1．2 横向钻蚀

3．1．3 条件选择

3．1．4 硅片的刻蚀与腐蚀实验

3．2 扇形对准条纹制作

3．2．1 扇形条纹的工作原理

3．2．2 工艺结果

3．3 相位光栅的制作

3．3．1 掩模的制备

3．3．2 湿法腐蚀的优化

3．3．3 实验结果与讨论

3．4 分析光栅的制作

3．4．1 镀金工艺的选择

3．4．2 工艺流程

3．4．3 替代工艺

3．4．4 实验结果与讨论

3．5 本草小结

第四章 总结与展望

4．1 论文的工作总结

4．2 实验的主要创新点

4．3 实验展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢