复杂体系的特点包括两个方面,组分自身的复杂性,例如化学成分复杂,空间结构复杂,以及各组分之间联系的复杂性,例如存在组分间的相对运动、化学反应等。在如此复杂的体系内提取出目标组分的时空演化过程,对成像方法的空间分辨率、时间分辨率、成像深度以及对体系的非侵入性提出了更高的要求。现在常见的成像方法中,相对于基于可见光、核磁共振以及中子的成像方法,X射线成像可以在保留高穿透性的前提下,兼顾优异的时间、空间分辨率,因此非常适合对复杂体系进行三维定量分析。然而,由于X射线对于轻元素的弱吸收效应,限制了其在低Z材料中的应用。目前针对低Z材料复杂体系的解决办法主要分为两种,一种是使用造影剂和金属染色技术来提高目标组分相对于周围背景的衬度,但是这种介入无疑会打破原复杂体系的自然工作状态,影响结论的可靠性。另一种方法是X射线相位衬度成像,相较于吸收衬度,相位衬度具有更高的密度分辨能力。然而,在实际复杂样品中,高密度分辨率通常需要牺牲空间分辨率来实现,导致结果中空间信息的损失。此外,依然存在着部分复杂体系,现有的X射线衬度机制无法有效提取其中的目标结构,亟需提出一种新的衬度机制。基于以上的研究背景,本论文将低Z复杂体系分为静态复杂体系和动态复杂体系,提出不同的研究目标:对于静态复杂体系,通过优化实验参数,提高X射线相位衬度在复杂体系成像中的空间分辨率和密度分辨率,并通过新的定量分析方法获得其他表征方法无法获得的结构信息;对于动态复杂体系,建立新的X射线衬度机制体系,从复杂体系中提取到极弱的结构信息和时间信息。本论文选取了两个静态复杂体系和两个动态复杂体系作为研究对象,研究内容和结果如下:（1）硅通孔技术（TSV）作为三维集成电路加工过程中一项基础而重要的步骤,其刻蚀工艺的好坏直接影响到最终器件的可靠性。对于结构复杂的TSV刻蚀孔体系,传统的二维表征方法需要对样品进行破坏性测量,本论文提出一种基于衍射校正的X射线同轴相衬显微CT（In-line PCMT）方法,通过投影线性插值的方法消除了单晶硅样品的衍射效应对于高精度测量的影响。并且建立了TSV刻蚀工艺的综合表征方法,对刻蚀工艺的一致性和均匀性进行了评估。定量分析的结果有利于TSV刻蚀工艺的进一步改进和提升。（2）密集排列碳纤维/热解石墨复合材料（或C/C复合材料）因其优越的机械性能以及抗腐蚀性,有望成为第四代反应堆中直接与熔盐接触的结构材料。但其中密集排列的纤维以及纤维和基底之间极为相近的密度,对现有的三维表征方法提出了巨大的挑战。本论文提出了一种针对密集排列碳基纤维增强材料的高效三维定量表征方法,根据探测器的点扩散函数以及样品的特征结构尺寸,优化了In-line PCMT的最佳成像距离,兼顾了空间分辨率、密度分辨率以及实验简便性。通过三维定量分析,发现了连通孔位置与周围纤维取向的关系,有助于改进复合材料加工过程中的浸渍工艺。（3）植物空穴化及其恢复的机理对于植物学研究具有重要意义。对于组成成分和结构更加复杂的活体植物茎秆体系,其中空穴化和栓塞的微导管中水灌注的运动信息极其微弱。本论文基于课题组前人提出的运动衬度的概念,系统建立了X射线运动衬度（Move contrast X-ray imaging,MCXI）的成像方法,完善了运动衬度的理论体系和解析表达,发展了一种活体植物茎秆的微导管内水灌注的无造影剂成像方法。通过可见光/叶片、X射线/叶片、X射线/茎秆三组实验,证明了MCXI不仅可以将微导管内水灌注的轨迹清晰地提取出来,还可以利用运动衬度的相位信息得到具体的灌注速度、时间等参数。这些时空间信息有助于植物学家进一步探究植物空穴化和栓塞恢复的生理学机制。（4）血管中血细胞的运动携带着血液动力学的重要信息,对于生理学和病理学研究都具有重要的意义。但是,在更为复杂的活体动物的组织体系,除了极为复杂的成分和结构以外,还时刻存在着复杂的相对运动。因此,组织深层血细胞的运动由于现有成像方法的限制还未曾被直接观察到。本论文基于X射线运动衬度成像（MCXI）,提出了一种活体动物组织内血细胞的无造影剂追迹方法,建立了血细胞运动速度的定量分析体系。通过计算机模拟、血管模型和小鼠尾部三组实验,证明了MCXI的灵敏度和优越性,以及速度分析的准确性。其中速度矢量信息可以被用来进一步分析壁面剪切力等血液动力学信息,有助于探究血管疾病中病变的机理。综上所述,本论文针对低Z材料中的静态和动态复杂体系,优化了X射线相位衬度成像参数,建立了新的三维定量表征方法,并获得了新的定量分析结果;此外,还发展和完善了X射线运动衬度成像方法,拓展了运动衬度的应用领域,为复杂体系研究提供了新的思路和手段。