微焦点X射线源(MFX)基础知识介绍

作者:体育博彩  来源:365体育  时间:2019-11-13 15:18  点击:

  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

  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

  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。

  (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)。

  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)。

  电子在冲撞靶面时X射线%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:

  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。

  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

  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。

  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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