Betatron X射线成像|现货交付的微纳分辨率测试卡应用系列1

图一 瑞士XRnanotech公司X射线分辨测试卡SEM图

在此前的文章“全新一代微纳X射线分辨率测试卡——为高质量成像保驾护航”中我们提到工业X射线显微成像技术飞速发展的今天，高分辨率、高对比度和高穿透性的成像能力已成为质量检测、缺陷分析和材料科学研究中的核心需求。如何准确、快速的评估和测量这些设备的成像分辨极限显得尤为重要。而线对卡法，由于操作方便、简捷而被广泛用于实际工业 CT 空间分辨率的测试中。随即我们介绍了众星联恒合作伙伴瑞士XRnanotech公司设计制造的全新一代微纳X射线分辨率测试卡的布局图、结构、及在科研或者商业化系统的成功应用。得益于其高至4微米的吸收体厚度和200nm的最小细节，在评估微米CT系统分辨时，相较于传统Jima测试卡，其拥有领先的衬噪比（在高于190KV以上尤其明显），这些值超越了许多传统的行业标准，并为更短的测量时间和更可靠的测量打开了大门。

在本系列报道中，我们会基于我们用户最新的研究成果，简要、快速、直观的给大家展示，我们的用户是如何将性能保证的、高精度的XRN显微CT分辨率测试卡（0.2-50μm）用于他们的研究。

在惯性约束聚变（ICF）和高能量密度（HED）物理实验中，准确诊断极端等离子体的不稳定性（如瑞利-泰勒不稳定性）与湍流演化，对高空间分辨率、高能量且超快的X射线成像源提出了极高要求。传统的辐射源不仅空间分辨率有限，而且在探测高密、高原子序数样品时缺乏足够的穿透力；同时，在同一次激光打靶（Single-shot）中实现多角度断层扫描（CT重建）或多时间延迟的泵浦-探测（Pump-probe）动态诊断，长期受到拍瓦（PW）级超强激光无法高精度分束的限制（极易损坏光学元件或引入衍射失真）。

为了打破这一难题，密歇根大学ZEUS团队基于激光驱动电子波导加速（LWFA）技术，首次提出在近场对拍瓦激光进行切光剖面重塑（Apodization，如切出半光束或环形光束）的全新方案，成功证实了利用单束PW激光分束同时驱动多个高质量Betatron超快X射线源的可行性。在我们之前的文章：“混合像素光子计数探测器可以探测超快X射线脉冲吗？”介绍到：Betatron 光源（Betatron X-ray source）是一种基于激光尾波场加速器（LWFA）的超快X射线源。它通常是使用低重频、几十至百太瓦的激光驱动气体靶材产生的，它具有宽谱（10KeV-MeV）、fs级脉冲、微米光源尺寸、高度准直、高通量和小型化的特点。

接下来我们一起来探索一下研究人员是如何使用我们的分辨率测试卡进行的Betatron 光源成像性能测试的。

图二 实验布局

如上图二 ，作为本研究的一部分，来自 PW 光束线的 ZEUS 激光束都被聚焦到 6 cm 长的气体单元前端，高能电子发生betatron振荡并辐射高能 X 射线。在此配置中，高精度XRN显微CT分辨率测试卡放置在距辐射源 68 cm 处，以提供 8.13 倍的放大率。此处的探测器为 X 射线 CCD，仅对能量最高达 30 keV 的光子敏感。研究人员确定了每种激光近场剖面驱动下的成像最佳分辨率。

图三 使用 X 射线 CCD 拍摄的分辨率测试卡 X 射线照片

如上图三，我们可以看到图中展示了每种激光近场剖面下分辨率测试卡的 X 射线照片。全光束和环形光束能够解析出 6±1 µm 的结构，而半光束能够解析出5±1 µm的结构。全光束、环形光束和半光束情况下的测量等离子体密度分别为 8.7×10^(17）cm-3、1.0×10^(18）cm-3和1.4×10^(18）cm-3。鉴于本次实验活动中拍摄的分辨率测试卡 X 射线照片数量有限，直接断定某种特定近场剖面激光常规产生的betatron光束分辨率优于另一种是不恰当的。然而，这确实表明这些光束剖面中的每一种都有能力产生适用于高分辨率成像应用的 X 射线源。

图四 在 5 cm 等离子体中使用全光束时， Betatron X 射线源尺寸与等离子体密度的关系。等离子体密度是通过干涉测量技术测得的。

如上图四，为了理解betatron X 射线源尺寸对密度的依赖性，在另一次单独的实验活动中，将全光束用于 5 cm 长的气体单元中，使用的探测器为 X 射线 CCD。源尺寸是利用 XR Nanotech分辨率测试卡测量得到的。在等离子体密度范围为 5×10^(17）cm-3至 8×10^(17）cm-3时，获得了5 µm的最小源尺寸。结果呈现出源尺寸随着等离子体密度增加而增大的趋势。

文章的的Betatron X射线源具有微焦（5-14µm）、单发、高准直度（4-22.2mrad 之间）和复色高能（高达数百KeV）的特点。高能意味着需要更厚的吸收体厚度在单发测试的情况下获得足够衬噪比，以准确地评估光源尺寸。紧凑嵌套 L 形结构，使得在单次曝光视场内可以包括不同尺寸的线对，可以辅助研究人员快速、准确地判断光源在 X 轴和 Y 轴两个方向上的尺寸。

这是研究人员选择我们高精度XRN显微CT分辨率测试卡（0.2-50μm）的关键原因。

理论上针孔成像可以更为直观的呈现Betatron X射线源焦斑的尺寸及形貌，如同在我们之前的文章“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”中提到的超高纵横比针孔。但加工亚微尺寸，微米级厚度的针孔高质量几乎不可能。这也是我们的客户YXLON在测试他们开管X射线源时，使用了类似的间接测量法的原因。

COMET公司使用我们定制的测试卡，测得开管光源 FXE-190 Nano CT具有0.45微米的分辨率。

参考链接：https://doi.org/10.1364/OE.575286

北京众星联恒科技有限公司至今在X射线与极紫外领域已经有近十年的深耕积累，是一家专业的极紫外、X射线核心部件及解决方案提供商。为了更好地服务用户，我们已建立X射线现货库（含XRN显微CT分辨率测试卡（0.1-50μm）等）和分析实验室。我们的X射线开放实验室，配备了多套先进的X射线光源系统、光学元件以及探测器，可支持包括X射线成像、相衬成像、衍射分析、荧光检测以及X射线源性能表征在内的多样化的测试、预研和论证工作。

众星联恒的合作伙伴XRnanotech是一家源自瑞士保罗谢勒研究所（Paul Scherrer Institut）超过十余年前沿研究与开发成果的高科技企业，于2020年正式成立，致力于将纳米光学领域的突破性创新推向产业化应用。其中德国Mciroworks公司是XRnanotech的子公司，非常擅长使用LIGA技术，制造高深宽比微纳结构。公司愿景是赋能全球光学仪器，使其充分发挥性能潜力，突破现有技术边界；使命则专注于开发与制造最高水平的纳米光学器件，在分辨率、效率、稳定性与结构设计等关键指标上实现极致优化。

我们是一支对极紫外、X射线技术充满热情的团队，如果你有任何疑问想要交流、探讨，不要犹豫请直接联系我们。

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