X射線的案例
同位素(γ射線)和X射線測厚儀特性對比
萬 50萬
射線源壽命 終生 2年 2年 2年
由于X射線測厚儀的故障率高，備件價格和使用本錢高，對維護要求高，且需要定期更換射線管等實際情況。
Light | 復消色差X射線聚焦
作者：周倩葦
衍射透鏡和折射透鏡在X射線分析和高分辨率X射線顯微系統中廣泛應用。然而這兩種透鏡的高色散特性導致不同波長的X射線焦點位置不同，從而造成成像時的色差問題，成像質量大打折扣。因此，利用衍射或折射透鏡的X射線顯微成像系統通常使用高度單色性的光來避免色差現象，其代價則是大量的X射線被浪費。
在可見光領域，消色差透鏡的使用已有百年之久，通過兩種色散力不同的玻璃并滿足相應的曲率條件的雙透鏡來實現。而在X射線領域，大部分物質對X射線的色散力差異極小，同樣的方法并不適用。
21世紀初，研究者提出一種新型的解決方案，將折射透鏡和衍射透鏡組合在一起，利用兩種類型透鏡色散力的顯著差異達成消色差的條件。然而，囿于制造技術水平的限制，這種解決方案的設計僅限于理論階段。
近年來，微納制造技術快速發展，基于雙光子聚合的3D打印技術日趨成熟，使適用于該系統的高數值孔徑的復合折射透鏡的制造成為可能。
近日，瑞士保羅謝爾研究所的Umut T. Sanli、齊鵬，巴塞爾大學的Griffin Rodgers和德國電子同步加速器研究所（DESY）的Jan Garrevoet等研究人員以 “Apochromatic X-ray focusing（復消色差X射線聚焦）”為題在Light: Science & Applications發表研究論文。
展開 飛秒X射線在量子材料動力學中的探測運用
【引語】
泵浦探測X射線（Pump–probe X- ray）技術是一項研究材料動力學的新型工具。它可以直接捕獲瞬態光誘導的微觀自由度變化。在典型的X射線時間分辨實驗中，材料樣品被強激光脈沖激發，稱為泵脈沖，引起材料的動態變化。時間延遲的X射線脈沖通過與材料的相互作用探測其動態變化，隨后通過檢測器收集散射（或透射）的光束。根據對硬和軟X射線中光子能量的篩選，可以使用諸如X射線衍射，X射線吸收光譜和共振X射線衍射等技術獲得有關材料的原子或電子結構的信息。
光脈沖可以引起固體特性的動態變化。在量子材料中，已經發現了許多相關的新現象: 電子相之間的超快轉變，鐵電階次的轉換和非平衡涌現行為(non-equilibrium emergent behaviors)，光致超導現象等等。研究這些現象需要在超快時間分辨率下對多個微觀自由度進行詳細測量。飛秒X射線技術為其提供了可能。它可以探測材料的瞬態結構，電子和磁自由度的動態。 這篇文章總結了一系列代表性的實驗研究。
一．鐵質材料
超快鐵電轉換
由于相反相位電極化所引發的結構扭曲狀態和雙穩定狀態，使得鐵電材料具有很大的科學研究價值和技術意義。利用這些特性，數字信息可以存儲在鐵電體中，進而使其用于非易失性信息存儲裝置的研發。通常，通過施加脈沖電場可以實現鐵電極化的轉換。然而，這種鐵電轉換是由非相干動力學和疇界的傳播驅動的。這使得轉換耗時達到數百皮秒。為了縮短轉換時間，科學家嘗試過通過利用脈沖拉曼散射或直接激發驅動鐵電軟模，以實現超高速轉換。
科學家S. Gr¨ubel等人利用單周期太赫茲脈沖直接激發材料引起晶格振動 并利用超快X射線對Sn2P2S6在其鐵電相中軟模受直接激發而引起的結構響應進行了定量測量。
展開 談談能量色散X射線譜儀（EDS）的那些事兒
大家對能夠進行樣品的微區結構與形貌分析的掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）都不陌生，而與之相關的利用特征X射線具有特征能量這一原理設計的用于成分分析的能量色散X射線譜儀（EDS），因為不常用，所以可能就沒那么熟悉了。而今天，小編就給大家講講，EDS的那些事兒！
一、EDS所用信號：
高速運動的電子束轟擊樣品表面，電子與元素的原子核及外層電子發生單次或多次彈性與非彈性碰撞，有一些電子被反射出樣品的表面，其余的滲入樣品中，逐漸失去其動能，最后被阻止，并被樣品吸收。在此過程中有99％以上的入射電子能量轉變成熱能，只有約1％的入射電子能量從樣品中激發出各種信號。其中，特征X射線是高能電子激發原子的內層電子，使原子處于不穩定態，從而外層電子填補內層空位使原子趨于穩定的狀態，在躍遷的過程中，直接釋放出具有特征能量和波長的一種電磁輻射，即特征X射線。
圖1：高能電子轟擊樣品表面所能產生的各種信號
二、能量色散X射線譜儀（EDS）的結構與工作原理
不同元素發射出來的特征X射線能量是不相同的，利用特征X射線能量不同而進行的元素分析稱為能量色散法。所用譜儀稱為能量色散X射線譜儀（EDS），簡稱能譜儀。
圖2：能譜儀結構及工作原理
X射線能譜儀的主要構成單元是Si(Li)半導體檢測器，即鋰漂移硅半導體檢測器和多道脈沖分析器。能量為數千電子伏特的入射電子束照射到樣品上，激發出特征X射線，通過Be窗直接照射到Si(Li)半導體檢測器上，使Si原子電離并產生大量電子-空穴對，其數量與X射線能量成正比。
展開 
X射線衍射儀（XRD）那么強大，到底能做哪些實驗？
來源：嘉峪檢測網、化學分析計量
X射線衍射分析法是研究物質的物相和晶體結構的主要方法。當某物質(晶體或非晶體)進行衍射分析時,該物質被X射線照射產生不同程度的衍射現象,物質組成、晶型、分子內成鍵方式、分子的構型、構象等決定該物質產生特有的衍射圖譜。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優點。因此,X射線衍射分析法作為材料結構和成分分析的一種現代科學方法,已逐步在各學科研究和生產中廣泛應用。
XRD原理
X射線同無線電波、可見光、紫外線等一樣,本質上都屬于電磁波,只是彼此之間占據不同的波長范圍而已。X射線的波長較短,大約在10-8～10-10cm之間。X射線分析儀器上通常使用的X射線源是X射線管,這是一種裝有陰陽極的真空封閉管（見圖1）,在管子兩極間加上高電壓,陰極就會發射出高速電子流撞擊金屬陽極靶,從而產生X射線。當X射線照射到晶體物質上,由于晶體是由原子規則排列成的晶胞組成,這些規則排列的原子間距離與入射X射線波長有相同數量級,故由不同原子散射的X射線相互干涉,在某些特殊方向上產生強X射線衍射,衍射線在空間分布的方位和強度,與晶體結構密切相關不同的晶體物質具有自己獨特的衍射樣,這就是X射線衍射的基本原理。
當一個外來電子將K層的一個電子擊出成為自由電子（二次電子），這是原子就處于高能的不穩定狀態，必然自發地向穩態過渡。此時位于外層較高能量的L層電子可以躍遷到K層。能量差ΔE=EL-EK=hν將以X射線的形式放射出去，其波長λ＝h/ΔE必然是個僅僅取決于原子序數的常數。這種由L→K的躍遷產生的X射線我們稱為Kα輻射，同理還有Kβ輻射，Kγ輻射。不過應當知道離開原子核越遠的軌道產生躍遷的幾率越小，所以高次輻射的強度也將越來越小。
展開 《Nature》重大突破：西北工業大學等發現新型X射線閃爍體！
有鑒于此，黃維院士團隊在研究中發現了一種含有銫和鉛重原子成分的鈣鈦礦納米晶閃爍體，具有較強的X射線吸收能力、高效的三重態發光特征、可調控的電子能級結構以及較快的輻射發光速率。和其他無機閃爍體不一樣的是，這些鈣鈦礦納米晶是通過溶液制得，合成溫度相對較低，因此可以產生X射線誘導的激發，通過對合成前驅體中陰離子的改變就可實現在可見光區的可調諧。
研究人員利用鈣鈦礦納米晶閃爍體特征制造出的柔性和高靈敏的X-射線探測器，探測極限最低可達到13 nGy s-1，是普通醫學成像輻射劑量的1/400。也就是說，醫院拍片后對人體輻射劑量的1/400，都可以被這個探測器探測到。
這種輻射發光顏色可調的鈣鈦礦納米晶閃爍體，為X射線的可視化探測提供了更為簡便的方法，只需要通過數碼相機記錄相關圖片即可。除此之外，還可以和商業平板成像儀集成，用于檢測電子電路板的低劑量X-射線輻射。
此外，該類鈣鈦礦納米晶閃爍體的發現為制備大面積柔性閃爍體膜提供了可能性，可極大地提高X射線檢測與成像靈敏度，降低X射線在醫學診斷和X光機安全檢查等方面的輻射使用劑量，使得基于X光的應用更加安全。
該研究成果為實現閃爍體材料的性能調控提供了全新思路和途徑。這類鈣鈦礦納米晶閃爍體的出現，不僅能夠大大促進X射線檢測技術與成像原理在醫學成像、國防科技、安全檢查和高能物理研究等眾多傳統領域的進一步發展，同時也將推動納米發光材料新興領域在國計民生中的應用。
相關研究工作以“All-inorganic Perovskite Nanocrystal Scintillators”為題于Nature雜志在線發表，黃維為該論文的共同通訊作者。
展開 X射線成像系統：Kirkpatrick-Baez鏡和單光柵干涉儀
在如醫療成像和工業檢查等廣泛的應用中，X射線成像是一種有價值的工具。在VirtualLab Fusion中，我們已經成功地實現了幾個著名的X射線成像系統，它們可以用來探索所討論裝置的成像特性，或用來說明特殊的X射線成像原理。在本通訊中，我們展示了兩個X射線成像實驗：(1)使用Kirkpatrick-Baez鏡創建納米級X射線成像點；(2)用單光柵干涉儀說明相襯X射線成像原理。
X射線束的掠入射聚焦鏡
Kirkpatrick-Baez 鏡將掠入射X射線場聚焦到一個納米級的點上。本用例展示了Kirkpatrick-Baez鏡的分析設計過程和焦點區域的衍射圖樣。
用于X射線成像的單光柵干涉儀
在用于X射線的單光柵干涉儀中采用了三種類型的光柵(僅通過相位傳輸建模)，并對所選光柵的自成像進行了研究。
更多信息請發送消息到：support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
網址： http://www.infotek.com.cn / http://www.honglun-seminary.com
展開 X射線成像系統：Kirkpatrick-Baez鏡和單光柵干涉儀
在如醫療成像和工業檢查等廣泛的應用中，X射線成像是一種有價值的工具。在VirtualLab Fusion中，我們已經成功地實現了幾個著名的X射線成像系統，它們可以用來探索所討論裝置的成像特性，或用來說明特殊的X射線成像原理。在本通訊中，我們展示了兩個X射線成像實驗：(1)使用Kirkpatrick-Baez鏡創建納米級X射線成像點；(2)用單光柵干涉儀說明相襯X射線成像原理。
X射線束的掠入射聚焦鏡
Kirkpatrick-Baez 鏡將掠入射X射線場聚焦到一個納米級的點上。本用例展示了Kirkpatrick-Baez鏡的分析設計過程和焦點區域的衍射圖樣。
用于X射線成像的單光柵干涉儀
在用于X射線的單光柵干涉儀中采用了三種類型的光柵(僅通過相位傳輸建模)，并對所選光柵的自成像進行了研究。
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在如醫療成像和工業檢查等廣泛的應用中，X射線成像是一種有價值的工具。在VirtualLab Fusion中，我們已經成功地實現了幾個著名的X射線成像系統，它們可以用來探索所討論裝置的成像特性，或用來說明特殊的X射線成像原理。在本通訊中，我們展示了兩個X射線成像實驗：(1)使用Kirkpatrick-Baez鏡創建納米級X射線成像點；(2)用單光柵干涉儀說明相襯X射線成像原理。
X射線束的掠入射聚焦鏡
Kirkpatrick-Baez 鏡將掠入射X射線場聚焦到一個納米級的點上。本用例展示了Kirkpatrick-Baez鏡的分析設計過程和焦點區域的衍射圖樣。
用于X射線成像的單光柵干涉儀
在用于X射線的單光柵干涉儀中采用了三種類型的光柵(僅通過相位傳輸建模)，并對所選光柵的自成像進行了研究。
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展開 用于X射線顯微鏡，科學家一分鐘內3D打印出納米鏡片
2018年10月16日，南極熊從外媒獲悉，Max Planck智能系統研究所的科學家們發現了3D打印技術的一項新應用，他們使用雙光子3D打印技術從聚合物材料中制造出具有納米尺寸特征和出色聚焦能力的X射線透鏡。
而整個制造過程僅僅需要花費一分鐘，這項技術制造出具X射線光學特性的單透鏡，大大降低了原型制造的成本。
據悉，X射線顯微鏡是獨特地結合納米尺寸分辨率和大穿透深度的成像工具，它允許您在不破壞計算機中央處理單元的情況下查看其中的缺陷，X射線顯微鏡或XRM是唯一能夠以高分辨率研究埋藏特征的技術。
然而，X射線的聚焦并非那么容易，它需要納米級幾何形狀的光學器件。由于其復雜的納米制造方法，單個鏡頭可能花費高達數萬歐元，制造成本非常高昂。
該研究所的現代磁系統和物理智能部門共同合作，試圖尋找一種更便宜的方法來制作該光學器件，能夠有效地聚焦X射線。這就是3D打印技術的特點得到應用的地方，他們發現飛秒雙光子3D納米打印是制造這種衍射X射線光學元件的最佳方法。
此前，南極熊也曾多次報道過國內外的雙光子3D打印技術，下圖中是雙光子聚合加工的技術原理。
南極熊曾參觀過中國院理化所的雙光子3D打印設備，可以進行微納米級別的3D打印。
Umut T. Sanli博士解釋說：“我們使用了飛秒脈沖紅外（IR）激光器，以及可以通過同時吸收多個紅外光子來聚合的光刻膠，以寫入小于光波長的結構。通過這種方式，我們實現了極具挑戰性的X射線透鏡幾何結構，具有納米級特征和非常高的聚焦效率，他繼續說道。初步結果顯示，使用直接軟X射線成像和3D打印的透鏡表現出優越的性能，效率高達20％。”
由于輻射損壞，幾乎每年都需要更換XRM的X射線光學系統。
展開 德國X射線太空望遠鏡拍攝下最完整的黑洞地圖
在這里，eROSITA利用其強大的X射線探測儀器可以清楚地看到我們的宇宙。
發射前的eROSITA望遠鏡
上個月，eROSITA研究團隊發布了該儀器獲得的第一批數據，它在不到兩年的時間內揭示了超過300萬個新發現的物體，并繪制了有史以來最詳細的黑洞和中子星地圖。
在這幅由eRosita天文臺拍攝的第一張全天影像中，每一個亮點都是一個黑洞或一個中子星，放眼望去，數不勝數，你又被震撼到嗎?
首次在X射線下對整個天空進行成像
eRosita望遠鏡已經為我們帶來了一些有趣的發現，包括從銀河系中心發出的巨大X射線氣泡。隨著其首次公開科學發布，eROSITA準備揭示一些長期存在的宇宙學奧秘，包括最令人難以捉摸的暗能量的分布。
全天巡天一次掃描即可對廣闊的天空區域進行成像，例如歐洲航天局的蓋亞任務或歐洲南方天文臺的地面甚大望遠鏡，它們使天文學家們能夠了解整個恒星群的運動和其他天體。例如，蓋亞觀測銀河系中近20億顆恒星，并以前所未有的精度測量它們在天空中的位置和與地球的距離。
然而，宇宙中一些有趣的物體不會發出可見光，它們對光學望遠鏡都是隱身狀態中，這就包括黑洞和中子星，但是在X射線下，它們則更容易被觀察到。然而，以前的X射線望遠鏡一次只能觀察到相當小的天空部分，例如ESA的牛頓X射線天文臺或NASA的錢德拉X射線天文臺。
期待eROSITA為我們帶來更多新的發現！
展開 
X射線聚焦系統
高能光子(X射線)的使用已成為許多醫療和同步加速器應用的共同特點。與可見光譜中的光不同，X射線與大多數物質僅發生微弱的相互作用，這使得聚焦元件的設計比波長譜的其他部分更具挑戰性。下面我們展示了兩種解決此任務的方法，即使用復合透鏡和在掠入射下的橢圓反射鏡。使用建模和設計軟件VirtualLab Fusion對這些系統進行快速物理光學仿真，使我們能夠在焦距和測量光斑尺寸的基礎上研究它們的性能。
用于X射線聚焦的復合折射透鏡
復合折射透鏡由數十或數百個獨立的圓柱透鏡組成，用于一維或二維聚焦X射線場。
用于X射線束的掠入射聚焦鏡
Kirkpatrick-Baez (KB)反射鏡將掠入射的X射線場聚焦成一個納米尺度的光斑。在這個用例中，演示了這種 KB 反射鏡系統的建模和評價。
展開 研究電子束金屬3D打印：集成X射線、熱成像、可見光等成像技術
圖片來IZET ESCANO
2022年4月19日，南極熊獲悉，威斯康星大學麥迪遜分校的工程師將特殊的高能X射線、熱成像、可見光相結合，研究新的3D打印技術，制造先進的金屬零件，以更好地了解（并改進）有前途的制造方法。
預防3D打印零件的缺陷很重要。為了更多地了解電子束粉末床融合的3D打印工藝，由助理教授陳連毅領導的威斯康星大學麥迪遜分校機械工程師團隊開創了一個新系統，允許他們使用同步加速器X射線實時觀察各個打印流程，包括正在打印的部件內部等。
“電子束金屬3D打印技術，目前發展速度非常快，”陳連毅說。“這是制造航空航天零件的一項重要技術——例如，可用于制造噴氣發動機的鋁化鈦零件。目前其他的3D打印技術還無法制造這些。”
電子束粉末床熔合始于基底上的金屬粉末基底。電子束熔化并融合新的粉末層，以自下而上構建零件。雖然這個過程聽起來很簡單，但該技術還處于早期階段，還有很多問題需要研究。比如隱藏在金屬層中的缺陷，隨時可能會在沒有預兆的情況下導致故障。
△威斯康星大學麥迪遜分校機械工程師團隊所使用的增材制造裝置一角。圖片來IZET ESCANO
“這是我們第一次有能力看到表面之下發生了什么——形成缺陷的機制是什么，”陳說。“通過對打印流程的更深入了解，我們可以持續改進此技術，將質量提升到更高的水平。”
該團隊于2022年1月初，成功在阿貢國家實驗室的高級光子源上完成測試。該光子源使用粒子加速器產生超亮、高能X射線，以便用于嚴苛的科學研究。
威斯康辛大學的系統結合了同步x射線成像和衍射——一種利用材料散射x射線的方式來重建形狀的過程。高能同步輻射x射線使研究人員能夠在打印系統工作時，以前所未有的細節觀察材料隱藏的內部是如何工作的。熱成像相機可以讓他們研究工藝過程中監控溫度的變化，而可見光相機可以讓他們研究零件表面結構的變化。
展開 計算機X射線斷層成像（CT）掃描促進3D打印增材制造發展
很多情況下，在缺乏先進檢測技術的幫助下，一些工件內部檢查方法需要用二維X射線掃描，或采用破壞性的檢測方式。
工業用計算機X射線斷層成像（CT）掃描是一種新興檢測技術，它為大幅降低產品試制檢測成本，以及在三維無損檢測中快速而準確地分析工件內部缺陷提供了可能。
檢測，無需破壞
業用計算機X射線斷層成像（CT）掃描允許測量內部結構和缺陷。采用這種技術使用戶能夠以以前只能通過破壞性方法完成的方式可視化內部結構。
拿國際工具與設備公司（TEI）來說，該公司的設計團隊開發了全電動摩托車Lightning LS-218，旋轉臂是由3D軟件設計公司Autodesk創建的，然后用了三個星期的時間進行鑄造、清潔、熱處理、精加工和檢查摩托車擺臂。
為確保零件滿足機械扭轉的需求，TEI采用了工業用計算機X射線斷層成像（CT）掃描來測量內部結構和缺陷。作為自20世紀70年代以來醫學領域的領先技術，CT掃描正在工業領域成為重要的檢測工具。
工業CT掃描的基本形式與醫學CAT掃描類似，只是現在這種CT技術正被用于掃描各種工業零部件，而不是人體。醫學CAT掃描主要用于可視化目的，而工業CT掃描不僅實現可視化，而且還可進行測量。工業CT掃描是將二維X射線圖像交織形成工件內部和外部三維影像的過程。*
由于采用X射線掃描，因此可在無需夾持的自由狀態下對脆弱易損的零部件進行檢測。由于無需對工件施加測量力和進行夾持，因此可確保工件被檢測時處于其自然位置。掃描完成后，對數據進行重構，然后用CT CAD軟件進行數據處理，實現零件與CAD模型對比、幾何尺寸與公差（GD＆T）分析、零件與零件對比、組件/缺陷分析、孔隙分析和壁厚分析，并生成逆向工程所需要的CAD數據。
展開 多模式硬X射線顯微成像：超高分辨率（近10 納米）和其在材料科學研究中的應用
【圖文導圖】
圖1 硬X位于美國布魯克海文國家實驗室國家先進光源II的硬X射線掃描站（HXN）示意圖
NSLS-II是美國近年建造的第三代同步輻射光源，以提供高空間分辨率和高能量分辨率的巨大需求。其中HXN提供世界領先的空間分辨能力。整個束線可以認為是一個120米長的超級X射線掃描顯微鏡。X射線被多層膜勞埃鏡聚焦到一個納米小光斑后照射到樣品上，做二維光柵掃描和旋轉（斷層成像）。環繞樣品的多類型探測儀可同時采集熒光，布拉格衍射和透射信號以達到多模式成像（元素分布，化學價態，結構，形貌和晶體應變變化等等）。
圖2 通過掃描金納米顆粒陣列來展示分辨率
直接熒光掃描成像可以清晰的看到50納米大小的方塊金顆粒。對于同時獲得的透射數據采用重疊關聯衍射成像中的迭代相位恢復算法，我們可以得到納米探針在樣品位置的波前分布信息（b）和樣品對于這個能量上的透射函數（c）。通過這個個方法我們可以得到比光斑更小的分辨率（超分辨）。納米顆粒最小間隔10納米，可以在（c）圖中被清晰的分辨。（d）是根據（b）算出的調制傳遞函數。以3為界，顯示出直接掃描分辨率在12.5 x 11.1 納米.
圖3 傳統刀鋒掃描和功率譜密度分析
（a）一個雙線結構的電子掃描照片。（b）和（c）是其在兩個方向上的傳統的分辨率表征方法刀鋒掃描。最佳擬合顯示光斑大小為15.3 x 16.9 納米。這種方法一般給出尺寸上限。（d）是另一個測試結構的掃描電鏡照片，（e）是其X射線熒光圖。可以看到兩者分辨率已經很接近了。（f）顯示（d）和（e）的功率譜密度分析，一種顯示最高可探測頻率的方法。由圖可知可探測最小尺寸在10.5 x 10.8 納米。圖中比例尺為250 納米。
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