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无损检测中的X射线 – 科研篇
来源: | 作者:赵佩 | 发布时间: 2020-11-26 | 1751 次浏览 | 分享到:

X射线是一种高能射线，波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。X射线穿透力极强，但物质对它的吸收程度却各不相同。利用这一特性，X射线可以被用来探知物体内部的结构形状甚至成份。如今它已被我们广泛应用于医疗影像、安检、工业无损检测中。 

在无损检测等应用中，从微焦点X射线源的焦点射出的X射线通过样品，由X射线相机等探测器进行成像。由于X射线对于样品内不同结构、材料穿透能力的不同，其内部结构就可以被X射线相机所采集并在电脑上呈现。


（参考HAMAMATSU图）

一、微焦点X射线源
1、什么是微焦点X射线源？
X射线是高速运动的电子在与物质相互作用中产生的。在X射线管中，从阴极发射的电子，经阴极、阳极间的电场加速后，轰击X射线管靶（Target），将其动能传递给靶上的原子。其中约有1%左右的能量转化为X射线，并从X射线照射窗（Output Window）中射出。在MFX中，阴极发射的电子会被聚焦到靶上的一个点，称为X射线焦点（X-ray Focal Spot）。

2、如何选择需要的微焦点X射线源？
微焦点X射线源最基本的参数有五个：管电压（Tube voltage，可调）、管电流（Tube current，可调）、焦点尺寸（Focal Spot Size）、发射角（X-ray beam angle）与FOD（Focus to object distance）。
1）管电压：较高的管电压可以发出较高能量的X射线光子，能够穿透较厚的样品。所以管电压越高，X射线的穿透能力越强。
2）管电流：管电流越大，单位时间内照射到样品上的X射线光子就越多（可以类比为电灯越亮）；成像的信噪比越好，所需的曝光时间也越短。
3）焦点尺寸：X射线线源的焦点尺寸越小，图像的分辨率越高，图片也越清晰。

综上所述，样品厚可以考虑调高管电压；样品的结构精细可以选择较小的焦点尺寸；希望缩短成像时间，则可以尝试增加管电流。但事实情况不总是如此理想。为了图像的质量（分辨率和信噪比），我们经常需要选择较小的焦点尺寸和较高的管电流。但若是还要增加管电压，聚焦在焦点上的功率（功率=管电流 x 管电压）会增强，而且聚集在尺寸很小的焦点上，过高的能量非常容易打坏产生X射线的管靶（Target）。这导致我们在保证图像质量的同时难以兼顾厚样品成像所需要的穿透能力。所以一般情况下：
        小焦点－低功率－X线剂量低－图像暗－需要对图像积分计算－处理速度慢 - 适合学术研究和不良分析用途使用。
        大焦点－高功率－X线剂量高－图像明亮－不需要图像积分处理－处理速度快 - 适合在线检测。

4）发射角和FOD：因为X射线无损检测/成像系统的放大遵循相似三角形的原理（如图）；所以视野的大小（经常等于样品的大小，或者感兴趣区域的大小）和X射线相机的成像版面大小就决定了整个成像系统的放大倍数。而如图所示，如果微焦点X射线源拥有较大的发射角和较小的FOD，微焦点X射线源、样品和X射线相机就可以放置得比较近，从而缩小整个成像系统的体积。


（参考HAMAMATSU图）


二、X射线相机
X射线相机根据探测原理，可以分为两类——直接探测型和闪烁体探测型。直接探测型X射线相机可以将X射线直接转化为电子，并将其当作信号读出；而在闪烁体探测型相机中，X射线会首先在闪烁体中转化为可见光光子，之后再转化为相机芯片中的光电子作为信号读出。

1、直接探测型X射线相机：在直接探测型X射线相机（HAMAMATSU C8000-30D）中，EUV和软X射线光子直接到达背照式CCD的感光面。由于不经过闪烁体，每一个高能的EUV和软X射线光子都能在CCD中产生多个电子，从而使相机拥有极高的信噪比和灵敏度。

2、闪烁体探测型相机：闪烁体探测型相机（HAMAMATSU C12849系列），适合小样品、高分辨率的成像，紧凑的设计使其很方便集成到成像系统中。