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[交流] 基于钽掩模的霍夫曼序列高分辨率 X 射线扫描技术及其辐射损伤抑制研究

引言
在高分辨率 X 射线扫描成像领域，聚焦光束虽能够提供精细的图像细节，然而其带来的局部高强度能量沉积问题却极为棘手。在有机样本组织方面，这种高强度能量沉积可能致使组织损伤；对于无机材料而言，会引发结构改变。为有效攻克这一难题，本研究开创性地提出采用漫射霍夫曼图案探头。其实现方式为在二氧化硅晶片上沉积钽（Ta）层来制造掩模，如此一来，可将入射光束的能量分散至更为宽泛的区域。同时，巧妙利用霍夫曼序列独特的类 δ 自相关特性（即在非周期性卷积的情形下，其自相关近似于 δ 函数），通过去卷积的手段重建高分辨率图像。霍夫曼序列所设计的 2D 阵列具备空间均匀的强度分布，其自相关特性有力确保了解码过程对于噪声具备较高的鲁棒性。而选择钽作为掩模材料，是因为能够通过精确调控其厚度来实现对 X 射线透射率的精准控制，这无疑为兼顾分辨率与辐射损伤控制开辟了全新的路径。
实验与方法
钽掩模制造
二元掩模
在尺寸为 2cm×2cm 的 SiO₂基片之上，借助溅射技术沉积一层厚度为 5μm 的 Ta 层，随后历经光刻与蚀刻工艺促使图案成型。将每个像素细致划分为 3×3 子像素，通过面积加权的方式来模拟多灰度级透射效果。基片上包含 12 个二进制类霍夫曼掩模，尺寸范围涵盖 11×11 至 43×43，分辨率分别有 8μm、10μm 和 15μm。在光学图像中所呈现出的条纹伪影，实则是光致抗蚀剂的残留，不过其在 X 射线环境下是透明的，因而不会对 X 射线的透射性能产生任何干扰。
四元掩模
通过三层光刻与蚀刻工艺，在 SiO₂晶片上构建起四级 Ta 厚度，以此对应不同级别的 X 射线透射率。依据 X 射线透射率公式
t=−ln(T)/μ
（其中
μ
为 Ta 在 12.4keV 时的线性衰减系数，数值为 0.3605 μm⁻¹），能够精确计算出各级别 Ta 的厚度。以 15×15 四元掩模为例，在其光学图像中，L0 至 L3 分别代表不同 Ta 厚度所对应的透射级别，0 级对应的是 5μm 厚的 Ta 基板，通过对蚀刻时间的精准把控来实现厚度的精确调控。
实验装置与程序
实验在同步加速器 MCT 光束线展开。具体装置如下：单色 X 射线束（在二元掩模实验中采用 20keV，四元掩模实验采用 12.4keV）经过钽掩模后转变为漫射光束，样品被安装在可移动的工作台上进行光栅扫描，2D 像素化检测器负责收集透射强度，进而形成 “桶信号”。测试对象涵盖多种类型，例如直径处于 5 - 20μm 的钽针孔、二进制蜜蜂图案以及四象限各自具有不同 Ta 厚度的灰度级圆盘。在扫描过程中，物体需要过扫描掩模宽度至少一个像素。桶信号首先要经过平场校正以及归一化处理，之后通过与理想霍夫曼阵列进行互相关运算，最终实现图像的重建。
结果与讨论
掩模验证
二进制掩模
以 15×15 二进制掩模为例，其正掩模（P）、负掩模（N）以及重组后的 P - N 阵列情况如下：X 射线透射直方图呈现出 - 1、0、+1 三级强度分布，这与预先设计的值高度吻合。在对 20μm 针孔的重建结果中，互相关表面图呈现出尖锐的 δ 状，这充分证实了宽光束经过去卷积操作之后，能够实现像素级别的聚焦效果，进而有效验证了钽掩模所具备的类 δ 自相关特性。
四元掩模
将 32×32 四元掩模的理想灰度图像与实测的 X 射线透射直方图进行对比，结果显示，直方图中的五个峰恰好对应 - 2 至 + 2 的灰度级别，二者的匹配度高达 92%。观察 15×15 四元掩模在 10μm 和 20μm 像素下的 X 射线透射图像，会发现 20μm 像素的边缘均匀性要优于 10μm 像素。这一现象主要归因于 Ta 层蚀刻工艺的稳定性，较厚 Ta 层的均匀沉积有力确保了透射率的一致性。
成像结果
针孔成像
利用 32×32 四元掩模对 20μm 针孔进行重建，所得到的图像与理想阵列近乎完全重合。互相关中心峰值达到了 100%，并且旁瓣值均小于 5%。这一结果清晰表明，即便宽光束覆盖了多达 1024 个像素，经过去卷积处理后依然能够精准聚焦至单点，充分验证了该技术在高分辨率成像方面的巨大潜力。
复杂对象成像
对于蜜蜂图案的重建图像，其与原始射线照片在细节方面保持高度一致，边缘清晰锐利；在对灰度级圆盘的重建图像中，四象限 Ta 厚度的差异清晰可辨，不同的灰度级别准确对应着不同 Ta 厚度的透射率。进一步通过四元掩模对蜜蜂图像和多层铝带对象进行重建，无论是 10μm 像素还是 20μm 像素的结果，均能够精准还原物体的结构，这有力证实了钽掩模对于不同复杂度对象的良好适应性。
结论
本研究借助钽掩模成功实现了基于霍夫曼序列的宽光束 X 射线扫描技术，出色地兼顾了高分辨率成像与辐射损伤抑制这两大关键目标。从实验结果来看，钽作为掩模材料展现出独特优势，其厚度能够被精确调控，进而实现对 X 射线透射率的精准控制（例如在 12.4keV 时，4.8μm 厚的 Ta 对应的透射率约为 17.5%）。通过光刻蚀刻工艺制造出的二元与四元掩模，均能够良好地保持类 δ 自相关特性，这为实现高分辨率（≤10μm）图像重建提供了坚实保障。当宽光束将入射能量分散至 10×10 像素区域时，能量沉积速率相较于聚焦光束降低了 100 倍，从而极为有效地抑制了辐射损伤，在针孔、二进制及灰度级对象的重建图像中均未出现明显的损伤伪影。此外，钽层均匀的沉积工艺保证了掩模的稳定性，其中 20μm 像素掩模的透射均匀性优于 10μm 像素掩模，使其在工程化应用方面更具优势。展望未来，可进一步对钽层厚度与掩模灰度级数展开优化工作，同时将该技术积极拓展至 X 射线荧光成像等其他领域，致力于为材料科学与生物学研究提供低剂量、高分辨率的优质成像方案。

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