포물선 격자가 X를 향상시킵니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9624(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

격자 기반 X선 Talbot 간섭계에서는 X선 방사선의 파동 특성을 활용하여 X선 흡수에 의존하는 기존 X선 영상에서 충분한 대비를 생성하지 못하는 물체의 위상차 영상을 생성합니다. 이 간섭계 기술의 위상 감도는 간섭계 길이에 비례하고 격자 주기에 반비례합니다. 그러나 X선의 공간적 일관성이 제한되어 간섭계의 최대 길이가 제한되고 주기가 짧은 격자를 얻는 능력도 제조 공정에 따라 제한됩니다. 여기서는 이진 위상 격자 대신 수렴 포물선 마이크로 렌즈 어레이와 발산 마이크로 렌즈 어레이의 조합을 사용하는 새로운 광학 구성을 제안합니다. 격자 주기나 간섭계 길이를 변경하지 않고도 샘플에 의한 빔 편향이 수렴-발산 마이크로 렌즈 쌍 배열을 통해 증폭되므로 위상 신호가 향상됩니다. 우리는 제안된 설정에 의해 감지된 차동 위상 신호가 동일한 이진 흡수 격자를 사용하고 전체 격자 간 거리가 동일한 Talbot 간섭계의 두 배임을 입증합니다.

18951년 최초의 X선 이미지가 촬영된 이후 X선 흡수-대비 이미징은 진단 의료 영상 및 비파괴 검사를 위한 표준 도구가 되었습니다. 널리 사용됨에도 불구하고 X선 흡수 이미징에서 생성된 대비는 원자 Z 번호가 낮은 물질과 같이 약하게 흡수되는 물질의 경우 낮습니다2. X선 위상차 이미징3의 실험적 실현은 위상 변화의 원자 상호 작용 단면적이 흡수 단면적보다 약 1000배 더 크다는 사실을 기반으로 흡수 대비에 보완적인 정보를 제공했습니다.

X선 위상 이미징 방법은 2빔 간섭계3, 회절 강화 이미징4, 전파 기반 이미징5, 응집성 회절 이미징6 및 격자 간섭계7,8로 분류됩니다. 그중에서도 격자 간섭계를 사용한 X선 위상 이미징, 특히 X-ray Talbot 간섭계는 실험실 X선 소스에서도 사용할 수 있는 유연성으로 인해 주목을 받았습니다. 이는 위상 격자(G1이라고 함)에 의해 생성된 자체 이미징 효과(또는 부분 Talbot 효과)를 활용합니다. 샘플을 G1 앞이나 뒤에 배치하면 샘플의 굴절로 인해 자체 이미지가 측면으로 변위됩니다. 변위는 흡수 격자(G2라고 함)인 두 번째 격자에 의해 분석되며 부분 Talbot 효과의 조건이라고 불리는 특히 가시성이 높은 셀프 이미지 위치에 배치됩니다. G2 뒤에 위치한 이미지 검출기는 셀프 이미지와 G2의 전송 기능이 중첩된 결과인 모아레 이미지를 기록합니다.

굴절에 대한 Talbot 간섭의 감도는 격자의 주기에 반비례합니다. 그러나 특히 G2에는 높은 종횡비 구조가 필요하기 때문에 격자 제조 기능으로 인해 달성 가능한 최소 기간이 제한됩니다9,10. 셀프 이미지의 변위는 격자 간 거리에 비례하므로 위상 신호는 G1과 G2 사이의 거리에도 비례합니다. 그러나 격자 간 거리를 늘리려면 X선을 비추는 데 더 높은 가로 간섭이 필요합니다8. 또한 컴팩트한 설정의 기하학적 제약으로 인해 최대 격자 간 거리가 제한됩니다.

여기서는 Talbot 간섭계 설정에서 이진 격자(G1) 대신 수렴 및 발산 포물선형 마이크로 렌즈 배열을 사용하는 광학 배열을 제안합니다. 목표는 격자 주기를 줄이거나 격자 간 거리를 늘리지 않고 Talbot 간섭계의 감도를 향상시키는 메커니즘을 도입하는 것입니다. 설정에서 수렴하는 오목 포물선 마이크로 렌즈 어레이(L1)는 관심 샘플 뒤에 배치되고 발산하는 볼록 포물선 마이크로 렌즈 어레이(L2)는 L1의 초점 거리 내에 위치합니다. L1과 L2의 조합 기능은 Talbot 간섭계의 G1에 해당하지만 추가로 샘플의 굴절로 인한 빔 편향 각도가 증폭됩니다. 측면 이동이 증폭된 셀프 이미지는 Talbot 간섭계와 동일한 방식으로 G2에 의해 분석됩니다.