详解：无损检测中的微焦点X射线源（MFX）

2019-11-18 16:55:26, Dr.郑滨松光子学商贸（中国）有限公司

<前情回顾>

此前，在我们发了一篇文章《如果没有X射线检测，你的手机可能会变成一个炸药包》，在文末搞了波小投票，皮了一下。多数朋友表示，想听听郑博讲一讲MFX的基本原理以及一些重点的名词解释，选型参数啥的。咱今天公众号就给安排上！

货很干，注意标黑重点哟~嘿喂狗~

基本原理

X射线是一种高能射线，对人体有害。因为有地球大气层的保护，宇宙中的X射线都已被隔绝（PS.想要了解宇宙X线的同学，阔以看这里>>），自然的环境中则鲜有它的存在。总的来看，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。

X射线管是人为来制造的X射线的重要工具。高速运动的电子在与物质相互作用下会产生X射线。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。

MFX的基本原理示意图

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。

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。

（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

从上面的图（左），我们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。所以滨松在产品样本中，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）。

分类

根据密封方式的不一样，MFX分为开放管和封闭管两种。

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。

两类MFX（封闭管和开放管）用于成像的示意图

重点名词解释

# 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；所以，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）。

钨靶X射线谱：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。

# 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。所以滨松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。

200um厚度不同窗材的透过率曲线

# 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。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）。

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：

1、稳定性渐渐变差；

2、焦点尺寸渐渐变大，分辨率变差；

3、产生的X线剂量渐渐减少，X线相机上的图像变昏暗。

X射线焦点处靶材料的融化

# 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。

举个例子，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。（看下图）

100KeV管电压下MFX所发出的X射线谱

# 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。