微尺度颗粒物中元素三维成像的方法和系统技术方案

本说明书提供一种微尺度颗粒物中元素三维成像的方法和系统，方法包括：在各个照射角度，采用第一波长的X射线照射微尺度颗粒物而形成第一特征图像，以及采用第二波长的X射线照射微尺度颗粒物而形成第二特征图像；比较同一照射角度获取的第一特征图像和第二特征图像，获得灰度差异图像；基于各个照射角度对应的灰度差异图像，采用三维重构技术获得目标元素的三维图像；其中：第一波长的X射线的能量大于或等于目标元素的吸收边处能量，所述第二波长的X射线的能量为所述目标元素的吸收边前能量；所述第一波长的X射线和所述第二波长的X射线为软X射线、中能X射线或者硬X射线。

The method and system of three-dimensional imaging of elements in microscale particles

【技术实现步骤摘要】
微尺度颗粒物中元素三维成像的方法和系统
本专利技术涉及高能物理技术和核分析
，尤其涉及微尺度颗粒物中元素三维成像的方法和系统。
技术介绍
诸如雾霾颗粒等成分复杂的微尺度颗粒由多种元素(元素还可能呈现不同的相态)组成，各种元素在微尺度颗粒物中呈现复杂的三维空间分布。透镜电子显微镜(TransmissionElectronMicroscope，TEM)和能量分布X射线能谱(EnergyDispersiveSpectroscopy，EDS)连用的方法仅能实现成分复杂微尺度颗粒物二维形貌特征的高分辨率成像和元素组成的分析，并不能获取元素在成分复杂颗粒中的三维空间分布信息。类似的，红外或拉曼显微成像与扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)结合的方法，也仅能获得成分复杂微尺度颗粒物中元素的二维分布图像，也不能实现微尺度颗粒物中元素的三维空间分布成像；并且，此种方法的分辨精度也不足以表征亚微米级微尺度颗粒物的元素分布特征。为解析成分复杂颗粒的三维空间分布，行业内已开始采用二维离子质谱法(secondaryionmassspectroscopy，SIMS)。这一方法能够同时获得成分复杂颗粒中多种无机元素和有机官能团的含量，便于进行元素间相互关系和元素间结合状态的分析，其还可以获得微尺度颗粒物中元素的大致三维图像。但是，SIMS方法的成像分辨率尚不足以清晰地表征元素在成分复杂颗粒上的细节分布，采用其获得的大致三维图像并不能直接用于追踪和理解微尺度颗粒物的形成和反应机理。此外，因为质谱分析的原理性限制，SIMS方法对微尺度颗粒物样品具有破坏性，采用此种方法处理后的微尺度颗粒物结构特性已经发生变化。
技术实现思路
本说明书提供一种成像方法和成像系统，能够无损地获得微尺度颗粒物中目标元素的三维图像，并且三维图像可以较为精准地再现目标元素分布细节特征。本说明书提供一种微尺度颗粒物中元素三维成像的方法，用于获取所述微尺度颗粒物中目标元素的三维图像，包括：在各个照射角度，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一特征图像，以及采用第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第二特征图像；比较同一照射角度获取的第一特征图像和第二特征图像，，获得灰度差异图像；基于各个照射角度对应的所述灰度差异图像，采用三维重构技术获得所述目标元素的三维图像；其中：所述第一波长的X射线的能量大于或等于所述目标元素的吸收边处能量，所所述第二波长的X射线的能量为所述目标元素的吸收边前能量；所述第一波长的X射线和所述第二波长的X射线为软X射线、中能X射线或者硬X射线。可选的，所述方法还包括：基于各个照射角度获取的所述第一特征图像或者所述第二特征图像，采用三维重构技术获得所述微尺度颗粒物的三维图像；基于所述目标元素的三维图像和所述微尺度颗粒物的三维图像，获得表征所述目标元素在所述微尺度颗粒物中分布特征的三维图像。可选的，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一波长图像，以及采用第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第二特征图像前，还包括：调整所述微尺度颗粒物在样品载物台上的状态，以使所述微尺度颗粒物以单颗粒形式分散。可选的，在各个照射角度，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一波长的X射线图像，以及采用第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一特征图像和第二特征图像，包括：在第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物的情况下，使所述样品载物台绕固定转轴旋转，获得各个照射角度对应的第一特征图像；以及，在第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物的情况下，使所述样品载物台绕固定转轴旋转，获得各个照射角度对应的第二特征图像。可选的，根据所述微尺度颗粒物的物质特性，确定减少所述微尺度颗粒物受辐射损伤的低温环境；在所述低温环境下，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物，以及，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物。另一方面，本说明书提供一种微尺度颗粒物中元素三维成像的系统，包括：成像装置，用于在各个照射角度，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一特征图像，以及采用第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第二特征图像；图像处理装置，用于比较同一照射角度获取的第一特征图像和第二特征图像，获得灰度差异图像；以及，基于各个角度对应的所述灰度差异图像，采用三维重构技术获得所述目标元素的三维图像；其中：所述第一波长的X射线的能量大于或等于所述目标元素的吸收边处能量，所述第二波长的X射线的能量为所述目标元素的吸收边前能量；所述第一波长的X射线和所述第二波长的X射线为软X射线、中能X射线或者硬X射线。可选的，所述图像处理装置还用于，基于各个照射角度获取的所述第一特征图像或者所述第二特征图像，采用三维重构技术获得所述微尺度颗粒物的三维图像；以及，基于所述目标元素的三维图像和所述微尺度颗粒物的三维图像，获得表征所述目标元素在所述微尺度颗粒物中分布特征的三维图像。可选的，所述系统还包括组分分析装置，用于确定所述微尺度颗粒物中的主要元素；所述成像装置还用于，在各个照射角度，采用第三波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第三特征图像；所述第三波长的X射线的能量等于所述主要元素的吸收边能量；所述图像处理装置还用于，基于各个角度对应的所述第三特征图像，采用三维重构技术获得所述微尺度颗粒物的三维图像；以及，基于所述目标元素的三维图像和所述微尺度颗粒物的三维图像，获得表征所述目标元素在所述微尺度颗粒物中分布特征的三维图像。可选的，所述成像装置还包括制冷子装置；所述制冷子装置用于使所述微尺度颗粒物在低温环境下被所述第一波长的X射线和所述第二波长的X射线照射。本说明书提供的方法基于目标元素的吸收边，采用两种不同波长的的X射线在各个照射角度照射微尺度颗粒物，形成两种不同条件下的特征图像；基于两种不同条件下的特征图像，确定目标元素在各个照射角度的成像差异，并基于成像差异合成了目标元素的三维图像。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1是实施例一提供的微尺度颗粒物中元素三维成像方法的流程图；图2是实施例四在各种照射角度获得的二维图像；图3是实施例四形成的雾霾颗粒物外观三维图像；图4是实施例五提供的微尺度颗粒物中元素三维成像的系统的结构示意图；其中：11-成像装置，12-图像处理装置。具体实施方式下面结合附图来本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微尺度颗粒物中元素三维成像的方法，用于获取所述微尺度颗粒物中目标元素的三维图像，其特征在于，包括：/n在各个照射角度，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一特征图像，以及采用第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第二特征图像；/n比较同一照射角度获取的第一特征图像和第二特征图像，获得灰度差异图像；/n基于各个照射角度对应的所述灰度差异图像，采用三维重构技术获得所述目标元素的三维图像；/n其中：所述第一波长的X射线的能量大于或等于所述目标元素的吸收边处能量，所述第二波长的X射线的能量为所述目标元素的吸收边前能量；所述第一波长的X射线和所述第二波长的X射线为软X射线、中能X射线或者硬X射线。/n

【技术特征摘要】
1.一种微尺度颗粒物中元素三维成像的方法，用于获取所述微尺度颗粒物中目标元素的三维图像，其特征在于，包括：
在各个照射角度，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一特征图像，以及采用第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第二特征图像；
比较同一照射角度获取的第一特征图像和第二特征图像，获得灰度差异图像；
基于各个照射角度对应的所述灰度差异图像，采用三维重构技术获得所述目标元素的三维图像；
其中：所述第一波长的X射线的能量大于或等于所述目标元素的吸收边处能量，所述第二波长的X射线的能量为所述目标元素的吸收边前能量；所述第一波长的X射线和所述第二波长的X射线为软X射线、中能X射线或者硬X射线。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
基于各个照射角度获取的所述第一特征图像或者所述第二特征图像，采用三维重构技术获得所述微尺度颗粒物的三维图像；
基于所述目标元素的三维图像和所述微尺度颗粒物的三维图像，获得表征所述目标元素在所述微尺度颗粒物中分布特征的三维图像。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
确定所述微尺度颗粒物中的主要元素；
在各个照射角度，采用第三波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第三特征图像；所述第三波长的X射线的能量等于所述主要元素的X射线吸收边能量；
基于各个角度对应的所述第三特征图像，采用三维重构技术获得所述微尺度颗粒物的三维图像；
基于所述目标元素的三维图像和所述微尺度颗粒物的三维图像，获得表征所述目标元素在所述微尺度颗粒物中分布特征的三维图像。


4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一波长图像，以及采用第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第二特征图像前，还包括：
调整所述微尺度颗粒物在样品载物台上的状态，以使所述微尺度颗粒物以单颗粒形式分散。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
在各个照射角度，采用第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一波长图像，以及采用第二波长的X射线照射所述微尺度颗粒物而形成第一特征图像和第二特征图像，包括：
在第一波长的X射线照射所述微尺度颗粒物的情况下，使所述样品载物台绕固定转轴旋转，获得各个照射角度对应的第一特征图像；以及，
在第二波长的X射线照射所述微尺...

【专利技术属性】
技术研发人员：王黎明，陈春英，赵宇亮，丁洁，关勇，陈亮，李玉锋，丛亚林，田扬超，刘刚，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11