超高纵横比微针孔研发进展: 高能x射线截止能力与无失真测谱验证

在高能X射线测量中，针孔对高能光子穿透泄漏的抑制能力直接影响测量精度。现有商用精密针孔多采用激光、电火花等微加工制备，典型纵横比约8-10，就这个纵横比而言，一个孔径50μm的针孔，其孔深也仅能达到400-500μm。这类针孔在高能条件下光子截止能力有限，难以胜任更高能区及高功率场景的应用需求。

为此，我们研发了超高纵横比针孔结构，通过提升孔道纵横比增强孔壁吸收衰减与多次散射效应，显著抑制高能光子穿透，实现更精确的高能X射线空间限束。在此基础上，开展对比实验以验证该结构在高能限束及原始能谱测量中的性能表现。

图1 自研超高纵横比针孔SpotUH实物图

表1  SpotUH针孔/光阑技术指标

实验1：针孔高能截止能力对比实验

为评估自研超高纵横比针孔（SpotUH）在不同能量光子条件下的限束性能及高能透射截止能力，我们选取其与现售同类产品（SpotHole）开展对比实验。

实验中，将光子型阵列探测器紧贴针孔出口布置，通过直接成像方式获取针孔透过光子的空间分布。该方法一方面可用于表征针孔的有效孔径尺寸，另一方面可直观反映其对不同能量光子的“拦截”能力。

图2 光源最高可加载到100kV 15W

以信号强度最大像素为中心，截取80×80像素区域进行对比分析，结果如图3所示。

图3 不同工作电压下两种针孔的光子截止能力对比

（说明：放大图片，可查看中心强区仅1个像素）

从实验结果可见，对于SpotHole针孔，随着工作电压升高，蓝色的透射光子背景数明显增加，尤其管电压从50kV升到100kV过程中，背景图像从稀疏的散点，逐步过渡为密集的图像。表明其对高能光子的截止能力随着管电压的升高而变得不足，从而形成了单像素强度计数小于10的高能穿透背景。相比之下，SpotUH在各能点下均表现出显著更少的高能穿透背景信号，说明其对高能光子的截止能力更强。两种针孔在中心区域都有计数为几十的像素，这部分像素主要来源于针孔边缘导致的散射。

为了定量的比较散射和高能穿透背景的贡献，我们定义经针孔限束后的光斑的信背比为SBR（即限束光斑中计数最高的单像素计数值和周围6399个像素的总计数值之比），两种针孔在不同管电压下的SBR如表一所示。

表2  不同管电压下SpotHole与SpotUH的信背比 (SBR)

由上表可见，管电压在20-70KV范围内，SpotUH的SBR较SpotHole高出近一个数量级；80kV之后，随着管电压的升高，二者差距急剧拉大，100KV时达到近20倍。

此外，两种针孔的成像光斑强度峰值区域均集中在单个像素（红色像素）内。考虑探测器像素尺寸为55 µm，50 µm孔径的SpotHole成像光斑主要落入单像素范围；约60 µm孔径的SpotUH在强限束条件下仍保持单像素主导分布，表明其在实现高能截止的同时未引入明显的空间发散，成像尺寸与预期一致。

在X射线管原始能谱的测量中，获取不受探测器非线性效应及外部调制影响的本征谱分布，是后续定量分析与光谱建模的基础。

本工作采用自研超高纵横比针孔（SpotUH）开展测谱实验，通过针孔限束直接采集X射线管的原始能谱。该方法的核心在于利用空间限束（减小收集立体角）来有效降低入射光强，使探测器工作在线性响应区间，从而同时抑制计数饱和及脉冲堆积（pile-up）效应对能谱测量的影响。同时，该过程不依赖材料衰减光，对谱形的影响可忽略，从而能够最大程度保留X射线管的固有发射特征。

为验证超高纵横比针孔采谱的必要性，同时考察了两种常规替代方案的可行性。

实验过程&结果：

将SDD置于距光源约10cm处，在探测器前加2mm厚的Al滤片进行强度衰减。在不引入显著死时间的情况下，光源工作功率仅能提升至20kV 0.25mA（5W），此时低能段被严重吸收，甚至无法观测到Cu的K线特征峰，连续谱背景也明显失真，表明材料衰减对谱形产生了显著的能量选择性畸变。

图4 2mmAl片滤光后的谱图（光源：20kV 0.25mA）

图5 无滤片经针孔限束后的谱图（光源：20KV 0.25mA）

进一步，在保持光路结构不变的情况下，将光源功率提升至100 kV、15 W。此时探测器死时间仅增加至0.095，仍处于低pile-up工作区间，谱形未发生明显畸变，特征峰位置亦无漂移。

图6 无滤片经针孔限束后的谱图（光源：100KV 0.15mA）

结论：

采用滤片虽可降低探测器负载，但由于不同能量光子的吸收截面差异显著，会对低能段产生过度抑制，从而引入系统性的谱形畸变，无法反映X射线管的真实发射特性。而采用超高纵横比针孔进行空间限束，在无需滤片的情况下，即使在高能满功率（100 kV 15W）条件下仍可获得接近光源本征发射的原始能谱。

实验配置：

实验过程&结果：

在实际实验中，受限于辐射屏蔽柜及光学平台尺寸，将能谱探测器布置在距光源约1 m处进行测量。但即使在该距离下，为避免探测器进入高死时间或发生明显pile-up，X射线管的工作功率仍需限制在40 kV、0.1 mA（4 W）的较低水平，难以获取更高功率条件下的原始发射谱。

图7 无针孔谱图（光源功率：4W；光源-探测器距离约1米）

另一方面，采用SpotUH针孔进行空间限束，即使将针孔置于光源附近约10 cm远，并使能谱探测器紧贴针孔出口（约4 mm），系统仍可在光源满功率（50 W）运行条件下保持几乎无死时间的工作状态，表明探测器仍具有充足的计数余量。

图8 针孔测谱结果（光源功率：50W；光源-探测器距离约10cm）

结论：

相比于依赖距离扩展的几何衰减方式，远距离探测在实验室尺度下对通量的压制能力有限，难以支持高功率条件下的原始谱测量。而超高纵横比针孔SpotUH通过强空间限束实现等效立体角的显著压缩，即使在近距离条件下，仍可获得高能量、高功率下无明显谱形畸变的真实能谱。

本工作围绕高能X射线光子限束与稳定探测需求，对自研超高纵横比针孔（SpotUH）的关键性能及应用潜力进行了验证。

实验表明，相较于常规高纵横比针孔，SpotUH具有更强的高能光子截止能力，可在50–100 kV乃至更高能量范围内有效抑制高能穿透泄露，保持稳定的空间限束特性。

该类针孔非常适用于X射线源原始能谱的准确测量，还可拓展至高能X射线成像、高能X射线源焦点尺寸和稳定性测量、以及能谱分析等领域，为高能、高通量条件下的空间限束提供了一种通用的前端解决方案。

如有相关应用需求，欢迎与我们交流具体应用场景或参与试用测试。