X-ray phase contrast imaging at the Mainz microtron MAMI [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mahmoud el Ghazaly
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Description

X-RAY PHASE CONTRAST IMAGINGAT THEMAINZ MICROTRON MAMIDissertationzur Erlangung des Grades"Doktor der Naturwissenschaften"am Fachbereich Physikder Johannes Gutenberg{Universit˜atMainzVorgelegt vonMahmoud El Ghazaly˜geboren in AgyptenMainz, im Oktober 2005Tag der Mundlic˜ hen Prufung:˜ Mittwoch 7-12-2005AbstractExperiments have been performed to explore the potential of the low emittance 855MeV electron beam of the Mainz Microtron MAMI for imaging with coherent X-rays.Transition radiation from a micro-focused electron beam traversing a foil stack servedas X-ray source with good transverse coherence.In a flrst series of experiments a polychromatic transition radiation X-ray source withtypical photon energies in the range of 8-30 keV and a spot size of standard deviation? = (8:6§0:1) „m in horizontal and ? = (7:5§0:1) „m in vertical direction wash vused to record refraction contrast radiographs of low absorbing materials, in particularpolymer strings with diameters between 30 and 450 „m. As detectors X-ray fllmswere used. The source-to-detector distance amounted to 13 m. The edge enhancementcontrast C = (I ¡ I )=(I + I ) was investigated as a function of theref max min max mindistance between the object and the X-ray fllm which was varied between 0.5 and 5.5m. The measured contrast C of up to 20% can well be explained in the frameworkrefof a geometrical and a wave optical model.Inasecondseriesofexperimentshologramsofstringsweretakenwithabeamspotsize?

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Publié par
Publié le 01 janvier 2005
Nombre de lectures 97
Langue English
Poids de l'ouvrage 11 Mo

Exrait

YX-RA

CONTRASTPHASE

THETA

GINGIMA

MAINZMAMIONOTRMICR

DissertationGradesdesErlangungzurhaften”Naturwissenscder”DoktoramFachbereichPhysik
derJohannesGutenberg–Universit¨at
Mainz

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onvorgelegtVMahmoudGhazalyEl¨Agypteninorengeb

Mainz,

im

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2005

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7-12-2005

Abstract

Experimentshavebeenperformedtoexplorethepotentialofthelowemittance855
MeVelectronbeamoftheMainzMicrotronMAMIforimagingwithcoherentX-rays.
Transitionradiationfromamicro-focusedelectronbeamtraversingafoilstackserved
asX-raysourcewithgoodtransversecoherence.
InafirstseriesofexperimentsapolychromatictransitionradiationX-raysourcewith
typicalphotonenergiesintherangeof8-30keVandaspotsizeofstandarddeviation
σh=(8.6±0.1)µminhorizontalandσv=(7.5±0.1)µminverticaldirectionwas
usedtorecordrefractioncontrastradiographsoflowabsorbingmaterials,inparticular
polymerstringswithdiametersbetween30and450µm.AsdetectorsX-rayfilms
wereused.Thesource-to-detectordistanceamountedto13m.Theedgeenhancement
contrastCref=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)wasinvestigatedasafunctionofthe
distancebetweentheobjectandtheX-rayfilmwhichwasvariedbetween0.5and5.5
m.ThemeasuredcontrastCrefofupto20%canwellbeexplainedintheframework
ofageometricalandawaveopticalmodel.
Inasecondseriesofexperimentshologramsofstringsweretakenwithabeamspotsize
σv=(0.50±0.05)µmandamonochromaticX-raybeamof6keVenergy.Thegood
longitudinalcoherencehasbeenobtainedbythe(111)reflectionofaflatsiliconsingle
crystalinBragggeometry.IthasbeendemonstratedthatadirectexposureCCDchip
withapixelsizeof13×13µm2providesahighlyefficienton-linedetector.Contrast
imagescaneasilybegeneratedwithacompleteeliminationofallparasiticbackground.
Theon-linecapabilityallowsaminimizationofthebeamspotsizebyobservingthe
smallestvisibleinterferencefringespacingsorthenumberofvisiblefringes.
InathirdseriesofexperimentsitwasdemonstratedthatX-rayfilmsareveryuseful
detectorsforthemicro-focusedandmonochromizedtransitionradiationX-raysource
atMAMI.ThemainadvantageincomparisonwiththedirectexposureCCDchipis
theresolution.FortheX-rayfilmStructurixD3(Agfa)thestandarddeviationof
theresolutionwasmeasuredtobeσf=(1.2±0.4)µm,whichisaboutafactorof6
betterasforthedirectexposureCCDchip.WiththesmalleffectiveX-rayspotsizein
verticaldirectionofσv=(1.4±0.5)µmandageometricalmagnificationofupto7.24
highqualityhologramsoftinytransparentandopaquestringsweretakeninwhichthe
holographicinformationiscontainedinupto18interferencefringes.
X-rayradiographyusingcoherentX-raysenhancesalsothevisibilityofhighlyabsorbing
materialsviadiffractionatedges.Thiswasdemonstratedwithtungstenwiresofvarious
thicknessesbetween4and40µmdiameter.Incombinationwithahighgeometrical
magnificationthiseffectallowstheobservationofsmallhighlyabsorbingfeatureswith
micrometersizeintheinvestigatedobject.

ZusammenfassungAmMainzerMikrotronMAMIwurdenExperimentedurchgef¨uhrt,umdasPotentialdes
855MeVElektronenstrahlesniedrigerEmittanzf¨urdieBildgebungmitkoh¨arenterR¨ont-
genstrahlungzuuntersuchen.AlsStrahlungsquellemitgutertransversalerKoh¨arenzdiente
¨Ubergangsstrahlung,dievoneinemmikro-fokussiertenElektronenstrahlineinemFolienstapel
wurde.erzeugtIneinererstenExperimentseriewurdenmitpolychromatischer¨Ubergangsstrahlungeiner
PhotonenenergieimBereichzwischen8-30keVPhasenkontrastradiographienvonschwach
absorbierendenMaterialien-insbesonderePolymerf¨adenmitDurchmessernzwischen30und
450µm-aufgenommen.DieStrahlfleckgr¨oßeninhorizontalerundvertikalerRichtungbetru-
genσh=(8.6±0.1)µmbzw.σv=(7.5±0.1)µm(Standardabweichungen).AlsDetektoren
wurdenR¨ontgenfilmeverwendet.DerAbstandzwischenQuelleundDetektorbetrug13m.
DerPhasenkontrastanKantenvonPolymerf¨adenCref=(Imax−Imin)/(Imax+Imin)wurde
alsFunktiondesAbstandszumDetektoruntersucht,derzwischen0.05und5.5mvariierte.
DergemessenKontrastCrefvonbiszu20%kannsowohlimRahmeneineswellenoptischen
ModellsalsaucheinesModellsaufderBasisdergeometrischenOptikgutbeschriebenwerden.
IneinerzweitenExperimentseriewurdenHologrammevonPolymerf¨adenbeieinerPho-
tonenenergievon6keVaufgenommen,wobeidieStrahlfleckgr¨oßeσv=(0.50±0.05)µmbe-
trug.DienotwendigelongitudinaleKoh¨arenzwurdemitHilfedes(111)-Bragg-Reflexeseines
ebenenSilizium-Einkristallserreicht.Eskonntegezeigtwerden,dasseinoffenerCCD-Chip
miteinerPixelgr¨oßevon13×13µm2alsortsaufl¨osenderR¨ontgendetektorgutgeeignetist.
Mitihmk¨onnenrelativeinfachKontrastbildererzeugtwerden,beidenenjeglicherparasit¨arer
UntergrunddurchSubtraktioneinesBildesohneObjekteliminiertwird.DerEchtzeiteinsatz
diesesDetektorserlaubt¨uberdieBeurteilungderholographischenInterferenzstrukturendie
MinimierungderStrahlfleckgr¨oßederR¨ontgenquelle.
IneinerdrittenExperimentseriekonntegezeigtwerden,dassR¨ontgenfilmegutgeeignete
ortsaufl¨osendeDetektorenf¨urdieAufnahmevonHologrammenmitdermikrofokussierten,
monochromatisierten¨UbergangsstrahlungsquelleanMAMIsind.DerHauptvorteilimVer-
gleichzumoffenenCCD-ChipliegtinseinerdeutlichbesserenAufl¨osung.F¨urdenR¨ontgenfilm
StructurixD3(Agfa)wurdeeineAufl¨osungσf=(1.2±0.4)µm(Standardabweichung)
gemessen,wasimVergleichzumCCD-ChipumeinenFaktor6besserist.Mitderkleinen
effektivenStrahlfleckgr¨oßedesR¨ontgenstrahlesinvertikalerRichtungvonσv=(1.4±0.5)µm
undeinergeometrischenVergr¨oßerungvon7.24konntenqualitativhochwertigeHologramme
vonsehrkleinentransparentensowievollst¨andigabsorbierendenF¨adenaufgenommenwerden.
DieholographischeInformationistdabeiinbiszu18Interferenzringenenthalten.
Schließlichkonntegezeigtwerden,dassdieRadiographiemitkoh¨arentenR¨ontgenstrahlen
auchdieSichtbarkeitvonstarkabsorbierendenMaterialieninfolgederBeugungandenBe-
grenzungenerh¨oht.DieswurdeanhandvonWolframdr¨ahtenmitDurchmessernzwischen4
und40µmdemonstriert.BeihohergeometrischerVergr¨oßerungk¨onnen¨uberdiesenEffekt
starkabsorbierendeStrukturenmitGr¨oßenimMikrometerbereichineinemzuuntersuchen-
denObjektsichtbargemachtwerden.

Contents

1

2

3

4

5

ductionIntro

PrinciplesofX-rayphasecontrastimaging
2.1Complexrefractionindex..........................
2.2Refractioncontrastradiography......................
2.2.1Principles..............................
2.2.2Principleoftheexperimentalsetup................
2.3ImagingwithacoherentX-raybeam...................
2.3.1Coherence..............................
2.3.2Coherenceandvisibility......................

ThetransitionradiationX-raysource
3.1TheMainzMicrotronfacility(MAMI)..................
3.2Transitionradiation.............................
3.3Bremsstrahlung...............................

radiographycontrastRefraction4.1Basicbackground..............................
4.1.1Contactregion...........................
4.1.2Smalldistancebetweenobjectanddetector-phasecontrast..
4.1.3Refractioncontrastinthepictureofgeometricaloptics.....
4.2Experimental................................
4.2.1Set-up................................
4.2.2X-rayfilm..............................
4.3Measurements................................
4.4Determinationofthenormalizedcontrast.................
4.5Results....................................
4.6Discussion..................................
4.7Furtherexamples..............................
4.8Concludingremarks.............................

TowardshardX-rayin-lineholography
5.1BasicBackground..............................
5.2Experimentalset-upandtestmeasurements...............
5.2.1Principleoftheexperimentandoverview.............

1

446789911

14141619

2424242627292930323538404648

51515252

I

tstenCon5.2.2Theelectronbeamline.......................54
5.2.3Targetsetup.............................55
5.2.3.1Electronbeamdiagnostics................56
5.2.3.2Transitionradiationfoilstacks.............58
5.2.4Singlecrystalmonochromator...................60
5.2.5Detectorcarriage..........................60
5.3Charge-coupleddevice(CCD)asX-raydetector.............61
5.3.1Descriptionoftheback-illuminatedCCDchip..........61
5.3.2Electronicsanddataacquisition..................63
5.3.3Thedirectexposuremode.....................64
5.3.4X-rayimagingwithaluminescentscreen.............67
5.4Investigationofthefeaturesofthemonochromizedphotonbeam....70
5.4.1Energywidthandlongitudinalcoherencelength.........70
5.4.2Higherorderreflexes........................72
5.4.3Transversecoherencelengthsinhorizontalandverticaldirection74
5.4.4Streaks................................77
5.5HardX-rayin-lineholographywiththedirectexposureCCDchip...81
5.5.1Optimizationofthebeamspotsizeandmeasurements.....81
5.5.2Analysis...............................84
5.5.3Resultsanddiscussion.......................88
5.5.3.1Hologramsofhighlyabsorbingobjects.........88
5.5.3.2Hologramsoftransparentobjects............93
5.5.4Applications............................96
5.6HardX-rayin-lineholographywithhighresolutionX-rayfilms.....98
5.6.1CharacterizationoftheX-rayfilm.................99
5.6.1.1Photographicdensity...................99

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