【第五期】深入探讨材料科学CT中的X射线过滤技术

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XCT mastery Monthly - 精通X射线CT月刊是由Francesco Iacoviello博士发起、撰写并发布的，旨在给大家分享X射线CT相关的使用技巧、潜在窍门及经验见解。每期都会深入探讨 XCT实践中面临的挑战和解决方案，涵盖以下主题：

图像优化：学习实现清晰CT 扫描的技巧。

故障排除：掌握克服常见 CT 问题和伪影的策略。

高级技术：探索前沿方法和软件功能。

工作流程效率：探索简化 CT 流程并节省时间的方法。

社区讨论：加入讨论，分享您的经验和疑问。

深入探讨材料科学CT中的

X射线过滤技术

一. 多色光束的问题

每个基于实验室的XCT扫描仪的核心是一个产生多色光束的X射线管，即一个宽范围的光子能量谱。这不仅仅是一个技术脚注；它是材料科学从定性成像转向定量测量的最大障碍。其原因在于一种称为射束硬化的现象（请参阅《XCT精通月刊》 第4期）。

当这种多色光束穿过材料时，低能量（"较软"）的光子比高能量（"较硬"）的光子更容易被吸收。这逐渐增加了光束的平均能量。由于较高能量的X射线衰减较少，材料厚度与测量衰减之间的线性关系——CT重建的一个基本假设一一被打破。

这种非线性产生了一系列可能使定量分析无法进行的伪影。对于材料科学家来说，这些不仅仅是视觉缺陷；它们是关键的数据损坏。下面，我快速回顾了上一期讨论的一些常见伪影，以引入X射线过滤主题：

1、杯状伪影

考虑扫描一个用于航空航天应用的增材制造钛合金（例如，Ti-6Al-4V）的实心均质圆柱体。束硬化将导致重建的密度在核心处显得最低，在边缘处显得最高。这种密度分布的"杯状"效应可能完全掩盖制造过程中产生的细微但关键密度变化，例如局部烧结问题，或者导致有限元分析模型输入错误。

2、条状伪影

想象扫描一个复杂的多材料组件，如带有金属紧固件的碳纤维增强聚合物面板。当X射线穿过高密度紧固件时发生的强烈束硬化，会在相邻的低密度聚合物基体中产生严重的暗条纹。这些条纹可能掩盖或模仿关键的制造缺陷，如分层、孔隙或纤维波纹，使得可靠的质量评估无法进行。类似地，在地质岩心样本中，密集黄铁矿结核之间的条纹可能妨碍对周围多孔岩石基质的准确分割和量化，而这对于岩石物理分析至关重要。

3、光子匮乏

当扫描高衰减材料如碳化钨或铅屏蔽层时，大部分光束（甚至是高能光子）可能被阻挡。这导致探测器处出现"光子匮乏"，产生极端噪声和条状伪影，可能完全掩盖内部结构。

减轻这些效应是X射线过滤的主要动机，也是驾驭多色光束的第一步和最关键的步骤。

二. 战略性过滤

过滤的目标是通过在低能光子到达样品之前将其移除来"预硬化"光束。这使得光束在穿过材料时的能谱更窄、更稳定，恢复更线性的衰减响应。选择过滤器是一个基于X射线源、过滤器本身和被研究材料之间相互作用的战略性决策。

核心工具包：铝 (Al)、铜 (Cu) 和锡 (Sn)

1、铝 (Al)

作为一种低密度金属，铝是过滤掉最低能量X射线的标准选择，而不会急剧减少光子通量。它是处理低密度材料的主力。

2、铜 (Cu)

密度更高，铜提供更强的过滤能力。它能积极地移除低能和中能光子，产生高度硬化的光束。

3、锡 (Sn)

密度比铜还高，锡在这三种材料中提供最激进的过滤。它在移除低能和中能光子方面异常有效，产生极度硬化的光束。锡在需要非常高能量X射线，或者过滤掉广泛范围的低能光子对应用至关重要时（例如，减少散射或达到特定穿透深度）特别有用。

让我们看一个未过滤X射线束的例子（180 keV，0.5 mm Al固有过滤，图1）以及几个用不同厚度Al（图2）、Cu（图3a和3b）和Sn（图4）过滤的X射线能谱示例。这些滤光片是使用TASMICS配置文件生成的，由A.M. Hernandez, J.M. Boone, "Tungsten Anode Spectral Model using Interpolating Cubic Splines; Unfiltered x-ray spectra from 20 kV to 640 kV" Med Phys. 41, 042101 (2014) 计算。

图 1 - 180 keV, 0.5 mm Al 固有过滤 - 平均能量 = 62 keV

图 2 - 180 keV, 0.5 mm Al 固有过滤 + 1.5 mm Al - 平均能量 = 67 keV

图 3a - 180 keV, 0.5 mm Al 固有过滤 + 0.5 mm Cu - 平均能量 = 85 keV

图 3b - 180 keV, 0.5 mm Al 固有过滤 + 1 mm Cu - 平均能量 = 95 keV

图 4 - 180 keV, 0.5 mm Al 固有过滤 + 0.85 mm Sn - 平均能量 = 114 keV

从图中可以清楚地看到，随着滤光片原子序数及其厚度的增加，X射线能谱（轫致辐射）向"右"移动，显示光束平均能量的增加（下图Fig.5）。

图 5 - 束硬化示意图

制定过滤策略：

选择合适的滤光片是在伪影减少、图像对比度和扫描时间之间取得平衡的行为。需要考虑以下场景：

场景 1: 增材制造 AlSi10Mg 中的孔隙率。 目标是检测细小孔隙（约10-50 µm）并检查密度均匀性。材料本身密度不是极高。

场景 2: 地质岩心中的相分析。 样本包含低密度石英、中密度方解石和高密度黄铁矿的混合物。

场景 3: 碳纤维复合材料中的纤维取向。 碳纤维和聚合物基体之间的密度差异非常低。

三. 高级过滤：设计X射线能谱

对于要求更高的应用，尤其是在多材料分析中，简单的过滤器让位于更复杂的、工程化的解决方案。

1、Thoraeus滤光片

Thoraeus过滤器是我最喜欢的过滤器之一。它是能谱工程的一个典型例子。其巧妙之处在于顺序利用K边吸收，即材料衰减谱中的一个尖锐不连续性。典型的Thoraeus滤光片由按特定顺序排列的三层组成：

锡 (Sn) (K边位于 29.2 keV): 放置在最靠近源的位置，锡会强烈吸收其K边以下的光子及其上方的连续谱。然而，这个过程会产生来自锡本身的不需要的荧光X射线，能量大约在25-29 keV。

铜 (Cu) (K边位于 8.98 keV): 铜层的主要工作是吸收来自锡的特征荧光光子。反过来，它会产生自己的、能量低得多的荧光。

铝 (Al) (K边位于 1.56 keV): 最后一层是一个"清理"过滤器，可以轻松吸收来自铜的低能荧光，从而产生显著硬化且更干净的X射线能谱。

根据各组件的厚度，存在不同类型的Thoraeus滤光片：

（1）Thoraeus I 0.2 mm Sn + 0.25 mm Cu + 1 mm Al

（2）Thoraeus II 0.4 mm Sn + 0.25 mm Cu + 1 mm Al

（3）Thoraeus III 0.6 mm Sn + 0.25 mm Cu + 1 mm Al

也可以制作其他组合，一个常见的组合，也用于文化遗产近期研究的是 0.25 mm Sn + 0.5 mm Cu + 0.5 mm Al（图 6）。

图 6 - 文化遗产研究中使用的过滤示例 (Kiss et al. 2023)

2、材料科学实用性

Thoraeus滤光片产生的高度硬化、窄带能谱对于双能CT极具价值。通过执行两次独立的扫描——一次使用低能过滤（例如，Al），一次使用强高能过滤（例如，Thoraeus）——我们可以求解两个与材料相关的未知数。这使我们能够创建有效原子序数和密度的虚拟图，实现材料分解。例如，在一个复杂的电子组件中，双能CT可用于区分锡铅焊料、铜走线和硅芯片，即使它们在标准CT扫描中的灰度值重叠。

3、蝶形（Bowtie）滤光片

蝶形过滤器在医学CT中常用，它在边缘较厚，中心较薄，对于材料科学中常见的圆柱形或棒状样品（例如，圆柱形锂离子电池、金属坯料、陶瓷棒、地质岩心）非常有用。其功能是在光束穿过材料较少的周边区域对其进行更多的预衰减，而在中心区域衰减较少。这均衡了到达探测器的光子通量，从而：

（1）防止探测器饱和： 避免探测器边缘出现"开花"伪影。

（2）提高信噪比： 减少样品高衰减中心区域的噪声。

（3）增加动态范围： 允许探测器对样品的所有部分在其最佳灵敏度范围内运行。

结果是获得具有均匀噪声特性的重建图像，这对于检测样品体积内的细微缺陷至关重要。

4、晶体单色器

产生单色光束最有效的方法之一是使用晶体单色器。这些设备利用布拉格衍射原理。当多色X射线束以特定角度撞击单晶（如硅或锗）时，只有非常窄的能量带被衍射向样品。虽然这产生了非常干净的光束，但代价是强度显著降低，通常需要更长的扫描时间或更强大的源。所以一般单能CT都是在高亮同步辐射进行的，同时众星联恒的合作伙伴美国XOS的将双曲弯晶和微焦点相结合，可以获得单色并聚焦的k-alpha光子（https://www.top-unistar.com/product/231-cn.html）。在我们之前的报道中：“MiniPIX多功能探测器用于提升基于罗兰圆几何的X射线吸收精细结构谱仪性能”，我们提到使用多功能的光子计数X射线相机与实验室吸收谱的结合，可以从事单色X射线CT测试。

图7 AFS-CT联用系统的光路结构示意图（左图）和实物照片（右图）。图中应用了基于TimePIX芯片的MiniPIX探测器

5、先进X射线源和光学器件

（1）MetalJet源： 这些源使用液态金属射流作为阳极靶，允许在不会熔化靶材的情况下使用更高的电子束功率。这产生了显著更亮的X射线源，具有更突出的特征峰，可用于准单色成像。

（2）多毛细管光学器件： 这些是由数千个微小弯曲玻璃管组成的束，可以收集、聚焦或平行化来自源的X射线。虽然它们本身不是单色化技术，但它们能有效地引导和整形光束，以便与其他过滤或单色化元件一起使用。众星联恒的可以提供耦合多毛细的微焦射线源以用于X射线荧光，吸收，成像及衍射等应用，详见之前的报道：“精准解析电池材料与器件性能的先进表征工具- SpotLight-P多毛细管微焦点X射线光源”。

6、软件校正

硬件过滤和先进光源应始终与强大的软件校正相结合。现代迭代重建算法可以包含X射线能谱和束硬化现象的物理模型。对于复杂的多材料样品，当简单的多项式校正失效时，这些高级算法对于产生准确且无伪影的重建至关重要。

四. 结语

敬请期待下一期《精通XCT月刊》！

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Francesco Iacoviello 是伦敦大学学院 (UCL) 化学工程系 EIL X 射线设施的实验经理。他于 2012 年在意大利锡耶纳大学获得矿物学和地球科学博士学位，之后前往巴西圣保罗大学，担任该校海洋研究所的 X 射线衍射专家和实验室经理。Francesco 于 2015 年加入 EIL，他的研究领域广泛，涵盖从电化学装置到页岩气岩石、碳捕获和储能系统以及微陨石等地质材料的多尺度 X 射线计算机断层扫描表征。

众星联恒在Francesco Iacoviello博士的授权下将其XCT Mastery Monthly系列翻译为中文并传播，旨在让更多的人了解X射线CT相关的使用技巧、潜在窍门及经验见解，及打造一个专业的交流社区。

科学研究与产业的交流互动，是推动产业发展的重要动力。众星联恒作为EUV-X射线核心部件及解决方案供应商，我们秉承着“技术无界·产业共生”为核心理念，一直致力于打造开放包容的交流平台，不仅希望将优秀成果引入中国，也致力于把中国的科研成果推向世界。