双能X射线光栅相衬成像系统具有成像效率高、辐射小、无须步进装置、成像平台简单等优点。研究了不同X射线能量下,CsI厚度与荧光透射率、金属铋的厚度与光强透射率的关系。基于以上研究,设计了一种双能分析光栅,阐述了光栅结构及栅条的制作材料,分析了栅条厚度的计算方法。对双能分析光栅成像进行了仿真,结果表明,设计的双能分析光栅可以获得清晰的条纹图像,并具有良好的条纹对比度。将设计的双能分析光栅应用于双能X射线光栅相衬成像系统,对成像系统进行了仿真,成像系统可以获得被测物体的相位一阶导数图像,表明设计的双能分析光栅是有效的。

吸收光栅是X射线相衬成像系统的关键器件，铋吸收光栅由于其制作成本低廉且适于在普通实验室开展制作而受到青睐。提出了一种针对铋光栅X射线相衬成像条纹对比度的定量计算方法，通过建立模型，数值计算了不同铋层厚度的吸收光栅所对应的叠栅条纹对比度，并比较了π和π/2相位光栅两种情形下的结果。结果显示，随着吸收光栅铋层厚度的增加，条纹对比度逐渐增加，当源光栅和分析光栅的铋层厚度分别达到150 μm和110 μm时，利用π相位光栅在40 kV管电压下其条纹对比度可达48%，60 kV管电压下其条纹对比度只能达到22%。而在两个吸收光栅铋层厚度相同的情况下，采用π/2相位光栅所得条纹对比度略优于π相位光栅的结果。对铋光栅X射线相衬成像条纹对比度的计算分析，可作为X射线相衬成像系统设计的参考依据，推动该成像技术走向实用化。

飞秒激光加工是一种冷加工技术，能克服热效应的影响，使加工材料的边缘非常整齐和精确，对高熔点和硬脆材料的微细加工具有显著优势。为制备一种由金属靶和金刚石构成的X射线源微结构阵列阳极，提出采用飞秒激光加工技术加工金刚石微结构阵列，通过实验研究了飞秒脉冲激光加工多晶金刚石材料的工艺参量，重点分析了激光聚焦物镜、激光脉冲能量、重复扫描次数对金刚石微结构形貌和尺寸的影响，得到了符合制作要求的加工参量，并依据加工参量制作出了槽宽为20 μm，槽深达45 μm的高质量多晶金刚石微结构阵列，测得其表面可承受电子束轰击的最大功率密度为12 W/mm2。该阵列将可用于制备微阵列阳极X射线源，为实现X射线大视场相衬成像提供关键的光源器件。

阐述了冷冻靶类球面物体X射线相衬成像机理; Tracepro软件模拟研究证明了X射线相衬成像法能用于冷冻靶燃料层参数的表征; 研制了在线表征冷冻靶的X射线相衬成像实验装置, 利用该装置开展了二乙烯基苯泡沫球壳及实际氘氘冷冻靶的X射线相衬成像实验研究, 获得了玻璃微球内氘氘冷冻层X射线相衬图像, 成像分辨力达1.5 μm; 利用X射线相衬成像法可同时表征烧蚀球壳及冷冻燃料层, 为惯性约束聚变实验提供冷冻靶参数。

理论分析了利用X射线同轴离焦相衬成像法测量金黑腔内塑料中心微球位置的可行性, 在此基础上进行了实验研究。实验结果证明, 由于低Z低密度材料对高能X射线有相位调制作用, 因此仍能够形成一定的图像反差, 这种效应并不依赖X射线的能量, 因此在一定的尺度范围内, 可以实现高Z高密度材料与低Z低密度材料在高能X射线下同时成像, 克服了传统吸收成像的不足, 最终实现了内爆靶装配参数的精密检测。

阐述了利用X射线相衬成像技术研究高分子有机泡沫材料微观结构的原理及方法,理论分析及实验结果表明, X射线相衬成像方法可以在相当大的程度上提高低Z聚合物泡沫材料的成像衬度。将相衬成像技术与计算机层析成像技术相结合, 获得了泡沫样品的3维骨架结构分布, 同时, 提出利用统计切片骨架“粒子”质心分布的方法来表征其密度分布均匀性。结果说明, 该方法能够在微观层次上实现对泡沫样品3维密度分布的完备表征。

根据Fresnel-Kirchhoff衍射理论，结合临床实际，考虑振幅近似和相位缓变条件，由傅里叶变换和卷积定理，导出了微聚焦X射线相衬成像（X-ray Phase-contrast Imaging，X-PCI）在像平面上焦斑尺寸范围内的能量密度分布函数.结果显示，像密度函数是吸收效应滤波函数FA(x)和相位效应滤波函数FP(x)分别与吸收项A2(x)和相位项A2(x)φ(x)作卷积运算后的和.利用mathematica软件分析讨论了该函数的分布规律，并给出了理论解释.结果表明,吸收效应对像密度的影响在焦斑范围内保持不变;相位效应对像密度的影响在焦斑范围内逐渐加强;在焦斑一定范围内，相位效应的影响远大于吸收效应.