金属元素是自然体系的重要组成部分,对体系内部的结构分布、金属元素种类以及动态迁移过程展开研究是探索自然体系内部组成以及自然规律背后原理的关键环节。根据自然体系中各组分之间的相对作用关系以及作用机理的不同,可以基本分为简单体系和复杂体系两大类。简单体系是指各组分之间的相互作用依赖关系相对较为简单的体系,探明其中的金属元素种类组成以及含量分布对于评估体系性能和应用范围等至关重要;复杂体系内部各组分之间往往存在着各类复杂的相互作用或相互依赖关系,对其中的金属元素迁移转化过程进行探测也是开展复杂体系研究的关键。相比化学成分检测和谱学分析,基于成像学的表征手段可以更加直观地对自然体系展开分析,X射线成像可以兼顾高穿透性和高时间、空间分辨率成像,同时满足对体系非侵入性表征的需求。研究金属元素定量分布和迁移对合金材料特性、电池充放电性能、集成电路使用寿命、地质勘探、环境污染和修复等具有至关重要的作用,现有方法很难同时实现金属元素分布及其迁移的高效高灵敏测试。本文拟通过优化X射线KES成像及运动衬度成像方法,实现合金材料和电化学反应过程的金属元素分布和离子迁移的高效高灵敏大视场成像。由于采用了全场成像方法,且视场可拓展,相较已有方法,可望大幅提升元素分布和迁移测量的效率。基于上海光源X射线成像线站（BL13W）开展实验研究和理论分析,取得的主要研究成果如下:（1）发展和建立了KES图像衬噪比和目标元素含量线性关系的校准方法,实现了元素分布大视场高效率高灵敏测试。针对单次测试中的噪声、入射光场分布不均匀、不同样品吸收不一致等导致的元素含量测量精度和灵敏度低的问题,基于标准样品研究了图像衬度和元素含量的线性关系,通过图像背景归一化并引入衬噪比,成功实现了元素含量的高效高灵敏测量。针对多次测试实验条件不一致导致的测量误差,发展了基于衬噪比的图像归一化方法,成功拓展了元素分布测量视场。原则上该方法通过样品扫描可适用于任意尺寸样品测量,从而进一步提高了元素分布测量效率。实验结果表明,KES-CT成像的切片图像灰度与目标元素含量呈线性关系,可用于元素三维空间分布测量。（2）基于KES图像衬度与元素含量的线性关系,通过引入吸收图像的灰度分布成功消除了样品厚度对测量结果的影响,成功实现了合金样品元素分布的高效高灵敏成像。合金样品对X射线的强散射会严重影响元素含量分布成像的精度和灵敏度,实验结果表明,通过引入衬噪比可显著降低噪声对测量精度的影响。测试样品厚度分布不均匀会直接影响测量结果,通过引入单能吸收衬度图像成功消除了样品厚度对测量结果的影响,原则上该方法使用于任意厚度分布的样品。通过扫描待测样品、图像拼接的方式扩展了测量视场,实验结果表明,该方法可实现元素分布的大视场测量,从而进一步提高了测量效率。基于发展的方法,定量分析了无铅焊料中Ag元素分布,发现了其中的Ag元素的异常聚集分布现象。实际样品的测试结果表明,发展的KES成像方法可用于合金材料内部元素分布的高效高灵敏原位无损测试,特别适合于高效、大视场测试场合。（3）首次将运动衬度X射线成像引入到金属离子迁移过程观测中,实验结果表明,该方法可大幅提升元素迁移成像的灵敏度,实现了传统方法无法观测到有效信号的金属元素迁移成像。引入X射线运动衬度成像以提高成像灵敏度,基于电解池模型通过调节电解池电压调节电解池内离子浓度和电化学反应强度,同时利用传统时间减影成像的比对分析直观判断运动衬度成像的灵敏度和信号提取能力。基于运动衬度X射线成像首次成功观测到电解初期电化学反应的空间分布,发现电解池通电最初阶段电化学反应在整个电解池内同时发生,其中电极区域较强,而不是通常理解的在电场作用下金属离子在电场力作用下在电极间迁移。当电解池电压低到一个临界值,传统方法无法获取离子迁移有效信号时,运动衬度成像仍可以获取离子迁移的清晰路径。实验结果表明,X射线运动衬度成像可大幅提升电化学反应过程中电化学反应和离子迁移的观测灵敏度,为电池、电解池工作状态氧化还原反应和离子迁移研究提供一个全新的手段。（4）基于X射线运动衬度成像对动态过程观测的优势,定量研究了电化学反应过程中金属离子迁移特性,揭示了电解反应的系列新现象。电池、电解池的电化学反应过程中的电解质迁移过程、电极材料氧化还原反应和还原金属原子的沉积效应等的观测和定量分析,对电池结构设计、电极材料选择、电解效率优化等方面具有重要指导意义。基于电解池电化学反应过程的X射线运动衬度成像研究结果表明,电解过程中除观察到金属离子自阳极向阴极方向迁移、其轨迹受多重因素的影响随时间变化。随着大量金属离子在阴极被还原成不带电的原子,对阴极产生电场屏蔽,从而影响离子迁移轨迹。还原金属原子发生团聚、并受重力影响向底部沉积,受其影响离子可绕过电极到阴极外侧接收电子发生还原反应。利用运动衬度成像的相位信息进一步给出了离子迁移和原子沉积的运动方向和运动速度的矢量场分布,从而实现了电化学反应过程的动态定量分析。因此,X射线运动衬度成像的大视场动态定量特性,为离子迁移研究提供了一种高效高灵敏观测手段。