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X射线三维显微镜及其典型应用

摘要：X射线三维显微镜（显微CT）是目前发展最热门、成长最快的CT成像技术门类之一，在微纳制造技术、新材料以及电子科学等领域起着十分重要的作用并得到广泛的应用。X射线三维显微镜能够以亚微米的细节分辨能力对被检测对象内部结构进行无损的三维成像，是一种新型的检测设备。本文介绍了三英精密仪器有限公司研制的nanoVoxel-2000系列X射线三维显微镜的结构和工作原理，展示了该仪器在系统设计、成像方法及应用分析方面的特色。该系列的X射线三维显微镜最大管电压为150kV，采用5μm的微焦源实现低于500nm的成像分辨率，能够进行不同尺寸样品、不同分辨率的成像。在此基础上，探讨了X射线显微镜的典型应用，主要对样品的内部结构、形貌进行表征。希望典型应用的实例能起到抛砖引玉的作用，吸引更多学者利用X射线三维显微成像技术开展科学研究，拓宽X射线三维显微镜的应用领域。

关键词：X射线三维显微镜；X射线CT；显微CT；复合材料；岩石；玻璃纤维

X射线CT成像技术自上世纪六十年代首先在医疗诊断领域应用以来，在成像原理、重建算法和技术装备等方面都取得了巨大的进步。该技术与其他成像手段如SEM/TEM与AFM/STM相比，其特点是能够对检测对象实现三维透视成像，而非表面成像，因此更具有应用前景。目前X射线CT技术在医疗诊断、科学研究和工业检测中发挥着重要的作用，是其他检测手段不可替代的，应用范围越来越广，并根据应用对象及目的不同，逐渐分化出多种不同类型的CT成像技术和产品，如果一个用户对自己产品材料有检测的需求，那么就很有必要对期望采用的检测方法和手段有一些必要的了解，这样才能保证采用合适的测量方法，采集到真实可靠的测量数据，获得正确的测量结果。

X射线三维显微镜（显微CT）是目前发展最热门、成长最快的CT成像技术门类之一，已广泛地应用于微纳制造技术、新材料以及电子科学等领域[1－4]。X射线三维显微镜是采用传统CT技术与光学显微技术相结合，而发展形成的一种新型的三维透视显微成像系统。20世纪90年代末商业化的X射线三维显微成像系统的问世，极大地拓宽了X射线三维显微成像技术的应用领域，并随着X射线源、探测器及计算机技术的不断进步发展，高分辨率X射线三维成像技术在近十几年来发展非常迅速，其空间分辨率已达到微米至纳米量级[5]。

本文对三英精密仪器有限公司研制的nanoVoxel-2000系列X射线三维显微镜的系统结构和成像原理进行概述，展示该仪器在系统设计、成像方法及应用分析方面的特色之处[6]，

并探讨X射线显微镜在材料科学、石油/地质等方面的典型应用。

1实现显微CT的基本方法

通常把分辨率能够达到微米量级的CT设备称作微CT，或者显微CT[5－6]。传统显微CT在主体结构上与大型工业CT有一个最大的共同点，就是都通过几何投影放大直接成像，主要依靠较小的光源焦斑和较大的几何放大比（源像距与源物距之比）实现高分辨。这种依靠大几何放大比的设备通常体积较大，一方面为实现高分辨，要求光源焦斑小(≤1μm），另一方面为实现高信噪比，又要求光通量不能太小，而同时满足这两种要求的光源，成本必然高昂，致使整套显微CT的造价很高。尽管如此，这种设备仅能对非常接近光源输出窗口的薄片状样品，实现较大的几何放大比和较高的分辨率；而对厚度较大的样品，靠近光源的样品部分几何放大比大，成像分辨率较高，远离光源的样品部分几何放大比要小得多，成像分辨率急剧下降。由此可知，这种设备在要求样品进行旋转的CT成像中，其分辨率不是由靠近光源的样品部分决定，而是由远离光源的样品部分决定，因而不能实现高分辨三维成像。目前这种具有较大几何放大比的X射线CT设备，成像分辨率能够达到2～3μm，如比利时Skyscan公司的产品[7]。

图1组合放大型显微CT光路示意图

Fig.1IllustrationofthelightpathofmicroCTwithcombinedmagnification.

图2高分辨光耦探测器原理图

Fig.2Principlediagramofhigh-resolutionlenscoupleddetector.

另一类显微CT是通过光学放大和几何投影放大相结合进行成像。由于光学放大原理与显微镜原理相同，因此这类显微CT也被叫做X射线三维显微镜，其光路如图1所示。X射线三维显微镜的放大倍数是几何投影放大倍数与光学放大