第六章 基于射線透射技術及應用

1、第六章 基于射線透射的技術及應用 透射衰減對厚度及密度的測量 射線透射成像 射線照相 射線CT基礎知識回顧I0IxxdI=-sgINdxsg=sph+sc+spI x( )=I0e-sgNxm=sgN線性吸收系數(shù)I x( )=I0e-mxm=mph+mc+mpX射線測厚儀測厚儀的發(fā)展 上世紀50-60年代-同位素測厚儀 上世紀70年代前期-雙束光測厚儀 上世紀70年代后期-單束光測厚儀 現(xiàn)如今：激光測厚儀、渦流測厚儀、電容式測厚儀、超聲波測厚儀、磁感應測厚儀等。X射線測厚儀的工作原理 按照X射線測厚儀的工作原理可把X射線測厚儀分為兩類 熒光X射線測厚儀 透射X射線測厚儀透射X射線測厚儀原理 X

2、射線穿過薄膜時，將有一部分射線被吸收，被吸收部分與薄膜厚度成一定函數(shù)關系，通過被測量吸收強度可計算出薄膜厚度。若一X射線出射強度為U，有如下關系：其中U0為發(fā)射源與探測器之間只有空氣時探測到的信號強度。這是一個近似關系，用一個系數(shù)來修正能譜硬化及散射造成的影響。透射X射線測厚儀原理 A為一個未知的常數(shù) 是被測材質(zhì)的吸收系數(shù) 通過上面的函數(shù)關系可以算出d，即薄膜厚度。由于由于A與與是未知常數(shù)，因此進行計算時需是未知常數(shù)，因此進行計算時需要提前知道這兩個數(shù)，即進行標準式樣的制要提前知道這兩個數(shù)，即進行標準式樣的制備與測量。備與測量。透射X射線測厚儀的構造 操作終端：進行數(shù)據(jù)的設置，輸出結果，一般一

3、臺PC機（裝有設備程序）就能搞定 主電控柜：對儀器進行電氣控制（使用專業(yè)電器控制設備） 冷卻器：給X光源降溫 C形架：對樣品進行照射與數(shù)據(jù)采集。 高壓電源：給X射線管提供高電壓，以激發(fā)X射線 X射線管 ：圖中為電子槍 電離室 ：對X射線強度進行測定 前放：對電信號進行放大，將電信號傳入計算器。X射線熒光膜厚測量優(yōu)點：此方法可以做到無標準樣測量，同時可以對薄膜成分進行分析。鋁輪轂的鍍層X射線測厚儀參數(shù)與適用范圍（舉例） 熒光X射線測厚儀韓國Micro Pioneer XRF-2000 原子序可測量厚度范圍22-250.1-0.8m26-400.05-35m43-520.1-100m 72-820

4、.05-5m一般熒光X射線測厚儀適用于：多層金屬薄膜測厚印刷電路板，金屬層測厚各種涂層，覆蓋層測厚XRF2000 可測六層.誤差大約如下:第一層5%.第二層10%.第三層15%.第四層20%.第五層25%.第六層為底材 兩種X射線測厚儀的優(yōu)缺點分析 熒光X射線測厚儀 優(yōu)點： 可脫離標準樣 可測量覆蓋層 可測量多層式樣缺點： 無法在生產(chǎn)時同步測量 后幾層測量精度差透射X射線測厚儀優(yōu)點： 可以在生產(chǎn)時同步測厚缺點： 需要標準式樣密度測量密度測量0030200000()1 X=ln ()1=ln ( /)1():=ln ( /)mmmmmmmmxxxmxxIIIISSScmSSg cmxSSg cm

5、SeeeII eexmm m mmgm mm-=射線束看成平行窄束； 穿透吸收式探測器對 照射量率響應函數(shù)是線性,厚度計：介質(zhì)密度 一定,密度計：厚度X一定,質(zhì)量計 核子稱測量為探測效率，s為探測計數(shù)率, =1, 1/mmmmxxmm=靈敏度選擇什么能量射線及強度取決于極限值指示和料位測量極限值指示和料位測量 極限值極限值 ；容器充許的填充材料的最大料位。測量；容器充許的填充材料的最大料位。測量 極限值只是一個容器裝置的填充過程。極限值只是一個容器裝置的填充過程。 料位測量料位測量: 對在即裝又卸的過程的監(jiān)測。利用對在即裝又卸的過程的監(jiān)測。利用輻輻射和繼電器型儀表來處理，確定信息含量的射和繼電

6、器型儀表來處理，確定信息含量的 電磁繼電器隨輻射強度的變化而吸合和釋放。電磁繼電器隨輻射強度的變化而吸合和釋放。 使用源的活度決定于使用源的活度決定于繼電器的靈敏度、容器的直繼電器的靈敏度、容器的直徑、壁厚、材料以及允許開關時間。徑、壁厚、材料以及允許開關時間。 : 60Co, 137Cs。 小容器和指示管中常用小容器和指示管中常用源。源。6050 100Comci-3BF中子源6050Comci射線成像技術成像（Imaging）？相關知識介紹 數(shù)字圖像 成像質(zhì)量 分辨率 對比度 噪聲圖像的數(shù)學描述R,);,(=yxyxfIN,);,(=jijifI圖像質(zhì)量分辨對比噪聲如何評價分辨率（Reso

7、lution） 12801024表示像素（成像單元）的數(shù)目（采樣數(shù)）；用于數(shù)字圖像，數(shù)字顯示或數(shù)字化像探測器； 5.0 lp/mm線對（line pair）：黑線及其相鄰的白色間隔；最常用 0.1 mm能分辨的最小間距（1/(線對2)）；可用于描述不銳度 點擴散函數(shù)PSF；調(diào)制傳遞函數(shù)MTFPSF描述成像系統(tǒng)對單點的響應。MTF描述系統(tǒng)對不同頻率響應的振幅 分量。系統(tǒng)的分辨率),(PSF*.*),(PSF*),(PSF*),(),(n21yxyxyxyxObjyxI=最終圖像為物分布與系統(tǒng)內(nèi)所有相關元件的點擴散函數(shù)的卷積),(MTF).,(MTF),(MTF),(MTFn21=系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函

8、數(shù)為各相關元件調(diào)制傳遞函數(shù)的乘積對比度BackgroundBackgroundIIIC-=MinMaxMinMaxIIIIC+-=多用于均勻本底的圖像1)exp()exp(00000BackgroundBackground-=-=-=-dIIdIIIIIIImm樣品與空白處對比度()()()()1)exp(expexpexp000BackgroundBackground-=-+-=-ddIdIddIIIImmmm樣品厚度變化造成的對比度自上而下灰度變化分別為：連續(xù)，1 level / 4 pixel, 2 level / 8 pixel, 4 level / 16pixel, 8 level

9、/ 32 pixel, 16 level / 64pixel。最黑為0，最亮為255。人眼一般能分辨24%的亮度變化 (CT)。能夠識別的亮度差異為反差靈敏度。對比度調(diào)節(jié)()ContrastBrightnessII+=D數(shù)字處理中對比度調(diào)節(jié)有助于人眼的觀看，但調(diào)節(jié)不當會造成部分有價值信息不可見()()()()1)exp(expexpexp000BackgroundBackground-=-+-=-ddIdIddIIIImmmm通過對比度調(diào)節(jié)是否能看到極小的厚度差異？噪聲來源統(tǒng)計漲落散射干擾探測器不均勻電子學熱噪聲主要的噪聲NNN=s每像素的統(tǒng)計漲落()()SIdIKN+-=mexp0N為每個像

10、素上的計數(shù)，K為比例系數(shù)。K正比于：中子注量、像素面積及探測效率。IS為散射中子造成的本底。探測器不均勻為系統(tǒng)噪聲，可以通過修正消除。電子學熱噪聲可以通過降溫及降低工作頻率等手段降低到可以忽略的水平。噪聲的影響原圖2%漲落4%漲落8%漲落()()()SNIdIKIIK+-msexp0Background假設大于漲落的灰度變化可分辨，則可分辨的條件為：()200)exp()exp(11)exp(dIKIdKIdSmmm-+-+射線照相第一張X射線照片(正片)醫(yī)學X射線照片（負片）()()yxdIyxIii,exp),(0-=m()()()()1)exp(expexpexp000Backgroun

11、dBackground-=-+-=-ddIdIddIIIImmmmDigital Image Display: Window/Level（略）Digital Image Display: Window/Level （略）中子照相系統(tǒng)構成中子源提供中子中子輸運系統(tǒng)調(diào)整中子能譜準直中子樣品及支架定位樣品控制樣品運動探測器記錄中子分布獲取圖像圖像處理對圖像進行去噪，重建中子源 反應堆中子源或散裂中子源中子產(chǎn)額高，能進行高質(zhì)量的中子成像 小型加速器中子源中子產(chǎn)額能滿足一般中子成像要求 中子管或同位素中子源中子產(chǎn)額較低，很難進行中子成像中子成像探測器 轉(zhuǎn)換：將中子轉(zhuǎn)換為帶電粒子 快中子主要利用反沖質(zhì)子探

12、測 熱中子可利用6Li，10B，Gd，Cd等材料作為轉(zhuǎn)換介質(zhì) In等材料可作為間接成像激活片 記錄 膠片，成像板 CCD相機 其他電讀出基本原理：轉(zhuǎn)換 - （放大）- 記錄3He + 1n 3H + 1p + 0.77 MeV 6Li + 1n 3H + 4He + 4.79 MeV 10B + 1n ( 7%) 7Li + 4He + 2.78 MeV 10B + 1n (93%) 7Li* + 4He + 2.30 MeV + (0.48 MeV) 155Gd + 1n 156Gd + + conversion electrons (7.9 MeV) 157Gd + 1n 158Gd +

13、+ conversion electrons (8.5 MeV) 113Cd + 1n 114Cd + + conversion electrons基于膠片或成像板ne釓箔膠片或成像板(BaFBr:Eu)使用銦屏可以形成潛像，再轉(zhuǎn)移到膠片或成像板上基于CCD的中子像探測器CCD轉(zhuǎn)換屏入射中子6Li + 1n 3H + 4He + 4.79 MeV 10B + 1n ( 7%) 7Li + 4He + 2.78 MeV 10B + 1n (93%) 7Li* + 4He + 2.30 MeV + (0.48 MeV) 商品轉(zhuǎn)換屏多使用6LiF和ZnS(Ag)混合。6Li與中子反應生成的荷能粒子激

14、發(fā)ZnS(Ag)發(fā)光。微通道板探測器讀出電路Delay LinesCharge CollectorsCharge cloud中子成像探測器對比如何選擇成像條件 足夠大的中子注量率及探測效率 合適的分辨率 待測物不能過厚，衰減系數(shù)不宜過大 盡量少的散射中子 ()200)exp()exp(11)exp(dIKIdKIdSmmm-+-+分辨率1：幾何不銳度D探測器L準直器入口Ug物tA中子源DLtDtLtU-=gDL：準直比分辨率2：探測器不銳度屏厚度（mm）分辨率（mm）相對發(fā)光強度（%）0.420.540.021000.200.340.01850.100.240.02646LiF轉(zhuǎn)換屏的分辨率U

15、d系統(tǒng)分辨率),(PSF*.*),(PSF*),(PSF*),(),(n21yxyxyxyxObjyxI=系統(tǒng)分辨率主要決定于分辨率最差的一個環(huán)節(jié)，需要平衡不同因素。一般光學系統(tǒng)和成像器件的分辨率較高，中子照相分辨率主要受到幾何分辨率和轉(zhuǎn)換屏分辨率的限制。系統(tǒng)的不銳度可以近似為：Utotal=(Ug2+Uf2)1/2精確計算可以通過各個元件的點擴散函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)獲得。中子照相應用Nikolay Kardjilov, Ingo Manke, Andr Hilger et al./ Neutron imaging in materials science, Materials Today, J

16、une 2011, 14(6), 248-256與X射線照相互補，適于探測有機材料等含氫量較高的物質(zhì)中子成像 VS X射線成像X射線照相中子照相熱中子X射線膠片相機對比圖片金屬殼圓珠筆中子照相應用舉例（1）大功率噴氣發(fā)動機葉片型芯脫模檢查 NRay火工品質(zhì)量控制 NRay飛行控制面蜂窩結構受潮或腐蝕檢查中子照相應用舉例（2）建筑材料滲水速度分析核燃料棒檢查射擊子彈裝藥燃料電池中的水分布CoolantCoolantHeatHeatH2O利用布拉格前沿成像利用布拉格前沿成像。當金屬為均勻多晶時，宏觀截面呈各向同性。焊接過程會形成一些較大的晶體，使得焊縫中的金屬具有一定的取向性，對不同入射方向的中子衰減能力不同。由于取向是隨機的，特定方向的投射中子可能變大也可能變小。根據(jù)圖示，干涉加強的條件：根據(jù)圖示，干涉