使用Timepix3进行单掩模相位对比成像的虚拟亚像素方法

摘要： X射线相位衬度成像提供了一种区分密度和有效原子序数相近材料的方法，而传统X射线吸收衬度成像对此往往难以实现。近年来，多种利用非相干实验室光源获取X射线相位衬度图像的技术相继问世。单掩模边缘照明方案因其对纵向相干性和掩模对准的要求较低，且能在单次样品曝光中实现双向相位衬度成像，被证明是大范围应用的潜在候选方案。然而该方案的折射灵敏度（进而影响信噪比）受限于探测器伪影，且需要多次曝光才能完成暗场成像——这种能观测小于图像分辨率微结构的技术。我们提出采用搭载Timepix3像素读出芯片的Advapix探测器改进单掩模成像方案，通过利用Timepix3芯片同步获取单光子事件的快速到达时间和超过阈值时间测量能力，实现亚像素级单光子识别，从而提升相位衬度图像的信噪比。本文实验证明：与传统采集方法相比，采用单光子亚像素识别技术可使信噪比至少提高67±5%，大幅降低所需的样品辐射剂量。这表明Timepix3芯片在提升X射线相位衬度成像方面具有巨大潜力。此外，研究结果还显示单掩模边缘照明方案中采用Timepix3芯片有望实现单次样品曝光的暗场成像。