X-ray phase-contrast imaging has seen rapid development in recent decades due to its superior performance in imaging low-absorption objects, compared to traditional attenuation x-ray imaging. Having higher demand on coherence, x-ray phase-contrast imaging is performed mostly at synchrotrons. With the development of different imaging techniques, and the development of laboratory sources and x-ray optics, x-ray phase-contrast imaging can now be implemented on laboratory systems, which is promising and practical for broader range of applications. The subject of this thesis is the implementation, development and comparison of different laboratory phase-contrast methods using a liquid-metal-jet source. The three x-ray phase-contrast imaging methods included in this thesis are the propagation-, grating-, and speckle-based techniques. The grating-based method has been implemented on a laboratory system with a liquid-metal-jet source, which yields several times higher brightness than a standard solid-anode microfocus source. This allows shorter exposure time or a higher signal-to-noise ratio. The performance of the grating-based method has been experimentally and numerically compared with the propagation-based method, and the dose required to observe an object as a function of the object’s diameter has been investigated with simulations. The result indicates a lower dose requirement for the propagation-based method in this system but a potential advantage for the grating-based method to detect relatively large samples using a monochromatic beam. The speckle-based method, both the speckle-tracking and speckle-scanning techniques, has been implemented on a laboratory system for the first time, showing its adaptability to radiation of low temporal coherence. Tomography has been performed and shows the potential applications of this method on quantitative analysis on both absorption and phase information of materials. As a basis for further optimization and comparisons to other methods, the noise properties of the differential phase contrast of the speckle-based method have been studied and an analytical expression for the noise variance introduced, showing a similarity to the grating-based method. / Faskontrastavbildning med röntgenstrålning är en teknik som har utvecklats kraftigt de senaste årtiondena, eftersom den fungerar bättre än traditionella, absorptionsbaserade röntgenundersökningar för objekt med låg absorption. Den har dock höga krav på koherens, vilket gjort att den huvudsakligen används vid stora synkrotron-anläggningar. Tack vare utveckligen av nya avbildningstekniker, laboratoriekällor och röntgenoptik kan numera faskontrast användas även med laboratoriesystem, vilket är lovande då tekniken kan användas vid ett större antal olika tillämpningsområden Denna avhandling syftar till att tillämpa, utveckla och jämföra olika faskontrastmetoder i laboratoriemiljö, med en metallstråleröntgenkälla. De tre faskontrastmetoderna som behandlas i denna avhandling är propogation, gitter och speckelbaserad faskontrast. Den gitterbaserade metoden har implementerats i ett laboratoriesystem med en metallstrålekälla som ger flera gånger högre radians än en vanlig, fast mikrofokuskälla. Den högre radians en möjliggör kortare exponeringstider eller högre signal-brusförhållande. Den gitterbaserade tekniken har jämförts experimentellt och numeriskt med den propageringsbaserade metoden. Den strålningsdos som krävs för observera ett objekt, som funktion av dess diameter, har jämförts för de båda teknikerna, den här gången via simuleringar. Resultaten visar på en lägre strålningsdos för den propagationsbaserade tekniken i detta fall, men även att det finns en potentiell fördel för den gitterbaserade tekniken för något större objekt med monokromatisk röntgenstrålning. Speckelbaserade tekniker, nämare bestämt den som bygger på att spåra speckel och den som bygger på att scanna diffusorn, har för första gången implementerats i laboratoriemiljö. Därmed har visats att de fungerar även för strålning med låg tidskoherens. Tekniken har även använts för tomografi och visar möjliga tillämpningar inom kvantitativ analys av material. För att förenkla framtida optimeringar och jämförelser av tekniken med andra metoder, har brusegenskaperna för den speckelbaserade metoden studerats och visat sig likna den gitterbaserade metoden. / <p>QC 20160921</p>

Since Wilhelm C. Röntgen discovered the x-rays in 1895 little has been done to improve the x-ray technology. In 2003 a group of scientists at KTH Royal Institute of Technology suggested a new type of x-ray source, namely a liquid metal jet x-ray source. The solid anode in the original source was changed to a liquid metal jet anode. This concept was commercialized by Excillum AB as the MetalJet in 2007. It is important that the x-ray beam is stable to obtain clear x-ray pictures demanding that the metal jet is non-fluctuating. The nozzle and the pump are the two parts in the system affects the metal jet the most. Today a diaphragm pump is used which give rise to a pulsating flow in the liquid. This report will investigate what different pump types exist and what pump types are suitable to pump a liquid metal for this application. A smaller investigation will take place to see if there is an off-the-shelf pump which can be put in the system directly. From the weighted evaluation of pump types it was found that all but one type of electromagnetic pumps, thermoelectric pumps and canned motor pumps are the most suitable pump types to be used in this application. From the smaller investigation into off-the-shelf pump it was concluded that some customization of the considered pump is necessary before the pump can be integrated into the system directly. Mostly, the customization regards material choice. / Lite har gjorts för att utveckla röntgenkällor sedan Wilhelm C. Röntgen upptäckte röntgenstrålning 1895. År 2003 föreslog en grupp med forskare på KTH en ny typ av röntgenkälla, nämligen en flytande metall röntgenkälla. Den solida anoden som vanligen används i röntgenkällor är utbytt mot en jetstråle av flytande metall istället. Detta koncept kommersialiserades av Excillum AB 2007. För att kunna ta tydliga röntgenbilder är det nödvändigt att röntgenstrålen är stabil vilket betyder att jetstrålen inte kan fluktuera. Två delar i systemet påverkar jetten mer än andra och de är munstycket och pumpen. I dagsläget används en membranpump som ger upphov till ett pulserade flöde i metallen. Den här rapporten undersöker vad det finns för olika pumptyper och vilka pumptyper som är mest lämpade för en denna applikation. En mindre undersökning kommer också göras för att undersöka om det finns en pump som kan plockas direkt från hyllan och integreras i systemet. Utifrån en viktad utvärdering av de funna pumptyperna kunde slutsatsen att alla utom en typ av elektromagnetiska pumpar, termoelektriska pumpar och ”canned motor” pumpar är mest lämpade för den här applikationen. Från den mindre undersökning stod det klart att det inte fanns en pump som kunde plockas från hyllan för att integreras i systemet direkt. Mestadels var det materialvalet som var den begränsande faktorn och måste ändras.

Investigating and mapping fundamental processes in nature is a driving force for breakthroughs in research and technology. Doing so, requires knowledge of the smallest scales of the world. One way of performing measurements on these scales is through intense x-ray sources, which have improved greatly over the last decades. By combing these sources with state of the art optics, even higher flux densities can be reached, allowing for faster measurements and ground-breaking discoveries.  This study aims to explore the performance of polycapillary optics, when aligned to one of the most intense x-ray micro sources in the world, the liquid-metal-jet D2+. Knife edge scans were performed together with a photon-counting medipix x-ray camera to quantify focus properties such as, flux, flux density, transmission, gain and beam width. Measurements were conducted with a 20 μm source spot that was compared to a simulated 200 μm source spot, both at 260 W electron beam power. The data from vertical and horizontal scans were combined to reconstruct the 2D functionality of the polycapillary optic. The flux density were almost four times higher with the 20 μm spot compared to the simulated 200 μm spot. This result correlated with the condition for total external reflection and the local divergence. The conclusion is that the small source spot of the liquid-metal-jet source improves the efficiency of the polycapillary optic.  The efficiency could still be improved, if the deviation in the pointing accuracy could be minimized. Furthermore, the combination of liquid-metal-jet x-ray source and the polycapillary optic, achieved extremely high flux densities. This was specially compared to an x-ray source used for confocal micro XRF, where the flux was almost nine times higher with the liquid-metal-jet x-ray source. This allows for faster measurements within confocal micro XRF and other techniques demanding very high flux densities, but with low demands on beam divergence and spectral purity.