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Die Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung und Optimierung der gitterbasierten Röntgen-Phasenkontrasttechnik. Die Untersuchungen gliedern sich in einführende analytische Überlegungen, vertiefende numerische Simulationen und exemplarische Testmessungen. Ausgehend von einer einleitenden analytischen Beschreibung der Kontrasterzeugung in der gitterbasierten Röntgenbildgebung wird der Einfluss der Gitterprofile auf das Messsignal evaluiert. Darauf aufbauend wird experimentell als auch analytisch gezeigt, dass ein Gitterinterferometer in drei grundlegenden Anordnungen der Gitter realisiert werden kann, welche sich in ihren Anforderungen an die Gitterherstellung und an das Interferometerdesign unterscheiden. Für die verschiedenen Anordnungen führt die Charakterisierung des Messsignals zur Identifikation einer Abhängigkeit der Signalstärke von der Position des Objekts innerhalb des Interferometers. Die anschließende Untersuchung des Einflusses dieser Positionsabhängigkeit auf Radiographien und Tomographien ermöglicht die Herleitung optimierter Rekonstruktionsalgorithmen sowie eine Korrektur der aus der Positionsabhängigkeit resultierenden Artefakte. Des Weiteren wird gezeigt, dass die simultane Messung des Absorptions- und Brechungsdekrements die Berechnung der Kernladungszahl der betrachteten Probe erlaubt, wodurch in der Phasenkontrastbildgebung neue Wege bei der Materialunterscheidung eröffnet werden. Neben diesen Studien zur Kontrasterzeugung wird der Einfluss verschiedener Imperfektionen der Messapparatur auf die Bildgebung untersucht: Das Bildrauschen in der gitterbasierten Röntgenbildgebung wird einer detaillierten statistischen Analyse unterzogen, wodurch ein grundlegendes Verständnis des Signal-zu-Rausch-Verhaltens in den drei verfügbaren Kontrasten ermöglicht wird. Die bei der Verwendung von polychromatischen Laborquellen auftretenden Strahlaufhärtungsartefakte werden charakterisiert und eine Linearisierungsmethode als Ansatz zu deren Korrektur erarbeitet. Ebenso werden Abweichungen der Gitter von ihrer Idealform untersucht und daraus resultierende Toleranzwerte für die Gitterherstellung definiert. Zusätzlich zur Untersuchung des Einflusses von Gitterimperfektionen wird in analytischen Betrachtungen gezeigt, dass Gitter mit einem Tastverhältnis von 1/3 im Vergleich zu Gittern mit einem Tastverhältnis von 1/2 Vorteile in der Bildgebung und im Interferometerdesign bieten. Insgesamt erweitern die erarbeiteten Resultate, Konzepte und Methoden das Verständnis der gitterbasierten Phasenkontrastbildgebung und liefern wertvolle Beiträge zur praktischen Umsetzung der Technik in der medizinischen Diagnostik und zerstörungsfreien Materialprüfung.
In this work, a characterization and optimization of the grating-based x-ray imaging technique is presented. The investigations are introduced by analytical considerations, are underpinned with numerical simulations and validated using exemplary experiments. A detailed examination of the image formation in a grating interferometer is given, highlighting the dependence of the measured signal on the profile of the gratings. Subsequently, it is shown analytically and in experiments that grating-based imaging can be performed using three basic grating arrangements, which differ in their requirements on grating fabrication and experimental implementation. By a characterization of the measurement signal for each arrangement, a dependence of the signal strength on the sample position within the interferometer is identified. The consecutive evaluation of the impact of this position dependence on radiographic and tomographic data leads to the derivation of optimized reconstruction algorithms and to a correction of resulting image artifacts. Additionally, it is shown that the simultaneous measurement of attenuation and phase images allows the determination of the atomic number of the sample, opening new possibilities for material discrimination. Apart from these investigations on the contrast formation, various imperfections of the technique are investigated: The properties of the image noise are examined in a detailed statistical analysis, yielding a fundamental understanding of the signal-to-noise behavior of the three available contrast channels. Additionally, beam-hardening artifacts at polychromatic x-ray sources are investigated and their correction by a linearization approach is resented. By a subsequent analysis of the influence of various different grating imperfections on the image quality, tolerance limits for grating fabrication are specified. Furthermore, analytical considerations show that gratings with a duty cycle of 1/3 are advantageous with respect to the signal-to-noise ratio in comparison to common gratings with a duty cycle of 1/2. In conclusion, the results, concepts and methods developed in this work broaden the understanding of grating-based x-ray imaging and constitute a step forward towards the practical implementations of the technique in imaging applications.