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微焦点X射线源(MFX)基础知识介绍

本文介绍了微焦点X射线源(Microfocus X-ray Source,以下简称MFX)的原理 分类对MFX的基本名词进行了解释 并对常用参数和具体成像需求之间的关系进行了解析 有任何问题欢迎留言或者与我们联系。


# MFX(微焦点X射线源)的基本原理


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) ;MFX所发出的X射线均从X射线焦点以一个特定的发射角(Beam Angle) 射出,一般作为X-射线光源应用于工业或科研无损检测/成像之中。


为了给电子加速到足够轰击产生X射线的能量,X射线管中阴阳极之间所加的管电压一般高达几十KV到几百KV;所以除了X射线管(如图1左)之外,MFX还需要配套的高压电源以及控制器单元。为了避免高压线接口插拔所导致的高压放电故障(这在工业无损检测应用中尤其关键),市场上主流的MFX均采用一体化设计——不仅能够增加稳定性,降低返修率;而且可以将MFX做到很小的体积,方便操作和安装(如图1右)。


图1. (左)MFX的基本原理示意图;(右)MFX外观示意图


在无损检测中,从MFX的焦点射出的X射线通过样品,之后由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。


由图2左可以看出此成像系统还有一定的放大效果,放大倍数等于D2(焦点到相机的距离)除以D1(焦点到样品的距离);需要较高放大倍数时,选择较小的D1是一种很常见的方式,所以滨松彩页中给出了每款MFX焦点到样品距离的最小值,命名为FOD(Focus to Object Distance)


图2. (左)MFX用于成像的示意图;(右)MFX用于工业在线无损检测的应用示意图


# MFX(微焦点X射线源)的分类


根据密封方式的不一样,MFX分为开放管和封闭管两种(如图3)。


封闭管MFX中,阴极与阳极/靶都封闭在真空管内;使用时无需抽真空,无需维护,但也无法更换阴极和阳极/靶。


开放管MFX则带有真空泵、真空阀,像排气设备一样。阴极和阳极/靶都可以更换。


相对封闭管MFX,开放管MFX的焦点尺寸和FOD都普遍较小,但是需要维护且造价高昂。工业无损检测上目前均使用封闭管MFX;只有在对成像效果要求更苛刻的科研X射线成像中才会采用更加昂贵的开放管MFX。


图3. 两类MFX(封闭管和开放管)用于成像的示意图


# 名词解释


1. X射线的种类与靶的选择


在X射线源中,电子轰击靶材料产生X射线的原理有两种。


(1)当高速电子与靶原子发生碰撞时,会改变其原有的轨迹,并且慢下来。同时发出X射线,其能量等于高速电子碰撞前后的能量差。


由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同,所以各相互作用对应的辐射损失也不同,因而发出的X 射线光子的能量也互不相同。大量的X 射线光子组成了具有频率连续的X 射线发射谱——就像各种颜色的单色光混合而成白光一样——所以这种原理所产生X射线称为白色X射线(也称连续谱)。


(2)高速电子将靶原子的内层轨道电子撞出,使之离开原子成为自由电子,便会在内层轨道产生一个临时的电子空位,外层的电子就会立即将这个内层轨道空位填充。轨道电子从外层向内层跃迁的同时会发出X射线,其能量就等于这两个轨道能级之差。


由于靶原子的各轨道电子能级是确定的,所以产生的X射线能量也是固定的,并且仅取决于靶原子本身的特征;故通过这种原理产生的X射线也称为标识X射线(也称标识谱)。


图4. 钨靶X射线谱,示连续谱(白色X射线)与标识谱(标识X射线)


任何一种靶材料都会同时产生白色X射线和标识X射线。在无损检测应用中,样品本身各种材质都有,所以一般会选择产生白色X射线较多的钨靶。而在用于分析物质成份的X射线荧光分析应用中,则更多会选择比较容易产生标识X射线的钼靶。


2. X射线照射窗材料的选择


不同材料对X射线的透过率不同。其中铍的透过率最好,当X射线的能量达到3Kev时就能有50%以上的射线透过。所以HPK所生产的射线源都采用铍窗。但值得注意的是有些应用中只需要高能部分X射线,此时可以自行添加铝层等过滤层,过滤低能X射线。


图5. 200um厚度不同窗材的透过率曲线


3. X射线焦点


在MFX中,电子透镜将电子束聚焦到靶上的一个点——X射线焦点。在其他条件一致的情况下,X射线焦点越小,成像质量越好(如图6)。所以这个电子透镜设计的优劣(直接)决定MFX的性能。开放管一般使用线圈通过磁场对电子轨道进行控制,能使焦点更小。封闭管受到FOD的限制,一般使用电场对电子轨道进行控制,焦点偏大。滨松目前最好的开放管焦点尺寸可以达到0.25um(L10711-03)。


图6. 示焦点尺寸对图像分辨率的影响


电子在冲撞靶面时X射线变换的效率很低,99%以上会变成热能;而MFX是把大量电子聚焦到靶上的极小一点(X射线焦点)上,过高的功率或者随着工作时间延长,靶面会被逐渐融化,使得:


稳定性渐渐变差


焦点尺寸渐渐变大,分辨率变差


产生的X线剂量渐渐减少,X线相机上的图像变昏暗


图7. 示X射线焦点处靶材料的融化


更多分析可参考: “穿透能力、分辨率与信噪比”


4. 管电压


MFX所发出的最大X射线光子能量等于入射电子在X 射线管加速电场中所获得的能量——电子电量乘以加速电场(即管电压)。所以连续X射线的短波极限只与管电压有关,而与其他因素无关。管电压越高,所产生的X射线的能量越高,波长越短,穿透物质的能力也越强。


举例说明,对于100KV的管电压,产生最大的光子能量是100KeV。但从阴极向阳极加速的电子并不会全部被加速到这么大的能量(具体情况与整流和高压发生器的类型有关)。在与靶撞击时,许多电子都可能只有很低的能量,产生的X射线也不是最大值100KeV。(如图8)


图8. 示100KeV管电压下MFX所发出的X射线谱


更多分析可参考: “穿透能力、分辨率与信噪比”


5. 管电流


管电流越大,单位时间轰击到靶上的高速电子就越多,MFX发射出的X射线就越多,相当于一定面积的X射线的剂量增加(或者类比于电灯变亮),对应图像的亮度增加。


更多分析可参考: “穿透能力、分辨率与信噪比”


# 选型参数解析


MFX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)。下面的段落将对这五个参数与实际需求之间的关系进行解析。


1. 穿透能力、分辨率与信噪比


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。


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。


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。


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(如图9)。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难以同时兼顾厚样品成像所需要的穿透能力。


图9. 示穿透能力、分辨率与信噪比与管电压、管电流、焦点尺寸等参数之间的关系


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。



2. 放大倍数、视野、X射线相机版面大小与成像系统的体积


在大多数情况下,我们希望一个样品能在一次拍照中就完成成像,所以成像系统的视野大小最好大于等于样品的大小,或者感兴趣区域的大小。


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10);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10所示,如果MFX拥有较大的发射角和较小的FOD,MFX、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。


图10. 示放大倍数、视野、成像系统体积与MFX的发射角、FOD之间的关系


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