Implementation of a decoherer system at the ID17 beamline of the ESRF

Multilayer mirrors are widely used as X-rays monochromators. They represent an advantageous alternative to crystal monochromators because of the larger energy bandwidth, and consequent higher photon flux density they provide [1] . In the field of X-rays synchrotron radiation imaging the main disadvantage in the use of multilayers as X-rays monochromator is the intensity modulation of the reflected beam, due to the imperfection of the multilayer surface and to the high degree of spatial coherence of the source for large monochromator-source distances [2]. Because of beam instabilities this intensity pattern cannot be properly removed by flat field normalization and it is cause of artifacts in the images especially if acquired with Computed Tomography [2]. The use of a rotating random phase screen diffuser (referred as decoherer in this work) is sometimes employed to suppress the intensity modulation pattern [3]. However, the decoherer strongly affects the degree of spatial coherence of the beam, which is a fundamental requirement for certain X-rays Phase Contrast Imaging (PCI) techniques, widely employed in biomedical field [4]. In this thesis work, performed at ID17 of European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), a rotating disk constituted of several sheets of commercial SiC (P400) abrasive paper was employed to reduce the intensity modulation generated by W/B_4 C multilayer monochromator. The decoherer’s effect on the optical system was studied by changing the number of decoherer’s sand paper, its speed of rotation and the object-decoherer distance. The above-mentioned parameters were optimized in order to smooth the intensity stripes pattern caused by multilayer reflection, and at the same time preserve the phase contrast signal. The experimental results were compared to the ones obtained using a Random Phase Screen model [5], implemented in simulations. The theoretical model applied in simulations show a good agreement with the experimental results, thus it allows estimating the decoherer’s effects also for different optical system configurations. Finally, Computed Tomography images of biological samples were acquired, and the images reconstructed. The results show a strong disappearance of ring artifacts when the decoherer was used with the optimized parameters.

I multilayer sono spesso utilizzati come monocromatori di raggi X. Questi ultimi infatti rappresentano un’alternativa vantaggiosa ai cristalli monocromatori grazie all’elevata densità alla banda energetica passante piu’ elevata con conseguente aumento della densità’ fotonica diffratta [1]. Nell’imaging con luce di sincrotrone il più grande svantaggio legato all’utilizzo di mulatilayer come monocromatori è rappresentato dalla modulazione del profilo di intensità che essi generano a causa della superficie rugosa che li caratterizza ed all’elevato grado di coerenza spaziale che e’ possibile ottenere della luce di sincrotrone [2]. A causa di instabilità del fascio, questo profilo di intensità non può essere rimosso con una semplice normalizzazione per il flat field (profilo del fascio in assenza di oggetti), ed è causa di artefatti, specialmente in caso di immagini tomografiche. Uno schermo a fase casuale rotante (noto anche come decoherer) è spesso utilizzato per eliminare l’effetto di modulazione di intensità tipica del fascio riflesso dal multilayer [3]. Il principale svantaggio legato all’utilizzo del decoherer è la riduzione di coerenza spaziale del fascio da esso trasmesso, infatti la coerenza spaziale è un requisito fondamentale in alcune tecniche di Phase Contrast, il cui utilizzo è in larga espansione in ambito pre-clinico biomedicale [4]. L’ obiettivo di questa tesi, sviluppata alla linea biomedica ID17 dell’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), è stato lo studio e l’ottimizzazione dell’utilizzo di un decoherer (disco rotate costituito da fogli di carta vetro SiC (P400) sovrapposti) per ridurre la modulazione di intensità generata da un monocromatore multilayer (W/B_4 C). L’effetto del decoherer sul sistema ottico è stato analizzato al variare di diversi parametri: lo spessore del decoherer (il numero di fogli di carta vetro che lo costituivano), la velocità di rotazione, e la sua distanza rispetto al campione. Questi parametri sono stati ottimizzati in modo da eliminare la modulazione di intensità generata dal multilayer, ed allo stesso tempo preservare il segnale di contrasto di fase. I risultati delle misure sono poi stati confrontati con quelli del modello teorico del Random Phase Screen [5], tramite simulazioni. Il modello teorico si è mostrato conforme con i risultati sperimentali, permettendo di stimare l’effetto del decoherer anche per sistemi ottici differenti da quelli analizzati. Infine, un esperimento di tomografia è stato effettuato usando campioni biologici e le immagini ricostruite. I risultati mostrano una forte riduzione di artefatti ad anello grazie all’utilizzo di un decoherer, i cui parametri erano stati precedentemente ottimizzati.