今天我們著重介紹上述第一種技術(shù)路線：基于空間幾何放大的實(shí)驗(yàn)室X射線顯微成像技術(shù)的一些進(jìn)展。

在納米尺度的精密檢測(cè)領(lǐng)域，追求分辨率的極致已成為科研與工業(yè)界的共同愿景。隨著小焦斑X射線源和混合光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的不斷發(fā)展，即使是在實(shí)驗(yàn)室條件下也能通過錐束幾何放大來實(shí)現(xiàn)低于1μm分辨率的納米CT。在這種配置下，除了探測(cè)器像素大小及其點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)外，影響最高可實(shí)現(xiàn)空間分辨率的關(guān)鍵參數(shù)是源焦點(diǎn)大小。

目前市面上最先進(jìn)的納米焦點(diǎn)x射線管，其焦點(diǎn)尺寸的標(biāo)稱值已經(jīng)小于300nm了。然而，納米焦點(diǎn)x射線管提供的光子通量明顯低于廣泛使用的微焦點(diǎn)x射線管。因此，為了獲得足夠的圖像統(tǒng)計(jì)量，每次投影的采集時(shí)間不可避免地要延長(zhǎng)。對(duì)于電荷積分型探測(cè)器，曝光時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致暗電流的增長(zhǎng)，從而造成更大的圖像噪聲，影響成像質(zhì)量。混合光子計(jì)數(shù)X射線探測(cè)器則可以很好解決這些問題，因?yàn)樗前雽?dǎo)體直接探測(cè)型相機(jī)，擁有高靈敏度；而且提供了一個(gè)用戶可調(diào)的能量閾值，能夠?qū)崿F(xiàn)無噪聲成像。

2012年歐盟資助了一項(xiàng)名為:“ Compact X-ray computed tomography system for nondestructive characterization of nano materials”的項(xiàng)目。

該項(xiàng)目為期三年，旨在開發(fā)一套實(shí)驗(yàn)室、緊湊型的微納CT系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)從微米到納米級(jí)的樣本和材料進(jìn)行無損和完全三維的表征。

下表概述了該系統(tǒng)的目標(biāo)參數(shù)（可根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域單獨(dú)實(shí)現(xiàn)）：

如上圖一左是該項(xiàng)目開發(fā)的一套100nm焦斑、20-60KV的射線源，上圖一右是開發(fā)的一款基于TimePIX芯片開發(fā)的一款光子技術(shù)、像素化X射線探測(cè)器。是一款直接探測(cè)、技術(shù)型的探測(cè)器，像素尺寸為55μm*55μm，像素?cái)?shù)為3072*512，有一個(gè)能量閾值。

可以看到整個(gè)系統(tǒng)是可以清晰分享200nm線寬的細(xì)節(jié)的。同時(shí)由于探測(cè)器有一個(gè)能量閾值，所以開展了K邊成像的方法開發(fā)。

2017年捷克技術(shù)大學(xué)的研究人員曾用了一個(gè)大面積的WidePIX探測(cè)器和納米級(jí)焦點(diǎn)的X射線管Comet-FXE-160.51搭建了一套亞微米CT系統(tǒng)。如下圖二所示。該系統(tǒng)的允許以高于200倍的放大系數(shù)(約275nm的有效像素尺寸)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可實(shí)現(xiàn)的空間分辨率受到x射線管焦點(diǎn)的限制（制造商聲明焦斑尺寸小于1μm）。利用JIMA RT RC-02B測(cè)試卡對(duì)空間分辨率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估，結(jié)果表明該系統(tǒng)在1.5 μm和1 μm線對(duì)卡下的對(duì)比度分別約為50%和20%，如下圖三所示。

2019年來自德國(guó)弗勞恩霍夫集成電路研究所和維爾茨堡大學(xué)及德國(guó)企業(yè)的研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了他們基于 SEM 改造的納米 CT 系統(tǒng)-XRM-II nanoCT，該系統(tǒng)基于幾何放大的原理，主要應(yīng)用于材料研究。

該系統(tǒng)由掃描電子顯微鏡 JEOL-JSM7900 組成，用于將電子聚焦在針狀鎢或鉬靶上，尖端直徑約為 80 nm。通過這種方式，作者生成了相同大小的 X 射線源點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)低于 100 nm 的空間分辨率。探測(cè)器方面選用了捷克Advacam公司的WidePIX 2×5探測(cè)器（1mm CdTe傳感器，Medipix3芯片），如圖6所示。

由于電子束通量只有400nA，所以產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度非常弱，同時(shí)為了得到足夠的放大倍率，樣品需要離光源非常的近，探測(cè)器需要離樣品足夠的遠(yuǎn)，這樣一來到達(dá)探測(cè)器單個(gè)像素的X射線光子數(shù)就非常的少，這也是選擇單光子靈敏、高探測(cè)器效率、高幀率的 WidePIX 探測(cè)器的主要原因。如圖7展示了在二維成像中可實(shí)現(xiàn)的分辨率，使用西門子星形作為測(cè)試圖案。該測(cè)量的放大倍率設(shè)置為5500倍，對(duì)應(yīng)于10nm的有效像素尺寸(見圖4)。編號(hào)為3的環(huán)形線的特征寬度在80nm到176nm之間。這些圖案被清晰地展現(xiàn)了，而下面內(nèi)環(huán)中的較小線條也是可見的。

綜上，我們可以基于空間幾何放大的實(shí)驗(yàn)室X射線顯微成像技術(shù)對(duì)于光源和探測(cè)器有極高的要求。在探測(cè)器方面目前基于光子計(jì)數(shù)、像素化X射線探測(cè)器成為主流的選擇。同時(shí)在醫(yī)療CT領(lǐng)域，搭載類似的探測(cè)器也成為趨勢(shì)。

如下我們簡(jiǎn)要概述了一下ADVACAM-光子計(jì)數(shù)、像素化X射線探測(cè)器特點(diǎn)：

Advacam S.R.O.源自捷克技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用物理研究所，致力在多學(xué)科交叉業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供硅傳感器制造、微電子封裝、輻射成像相機(jī)和X射線成像解決方案。Advacam最核心的技術(shù)特點(diǎn)是其X射線探制器（應(yīng)用CERN Timepix、Medipix芯片），沒有拼接縫隙（No Gap），因此在無損檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)采礦、空間探測(cè)、藝術(shù)品鑒定及中子成像方面有極其突出的表現(xiàn)。Advacam與NASA（美國(guó)航空航天局）及ESA（歐洲航空航天局）保持長(zhǎng)期良好的項(xiàng)目合作關(guān)系。2021年，spin off子公司Advascope專為電子顯微鏡EM應(yīng)用提供定制化粒子探測(cè)系統(tǒng)。

北京眾星聯(lián)恒科技有限公司作為捷克Advacam公司中國(guó)區(qū)的總代理，也在積極推廣Timex / Medipix芯片技術(shù)，并探索和推廣光子計(jì)數(shù)X射線探測(cè)技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用，目前已有眾多客戶將MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX成功應(yīng)用于空間輻射探測(cè)、X射線小角散射、X射線光譜學(xué)、X射線應(yīng)力分析和X射線能譜成像等領(lǐng)域。同時(shí)我們也有數(shù)臺(tái)MiniPIX樣機(jī)，及WidePIX 1*5 MX3 CdTe的樣機(jī)，我們也非常期待對(duì)我們探測(cè)器感興趣或基于探測(cè)器應(yīng)用有新的idea的老師聯(lián)系我們，我們可以一起嘗試做更多的事情。

1.Nachtrab F, Hofmann T, Speier C, et al. Development of a Timepix based detector for the NanoXCT project. Journal of Instrumentation, 2015, 10(11): C11009.

2.Dudak J, Karch J, Holcova K, et al. X-ray imaging with sub-micron resolution using large-area photon counting detectors Timepix. Journal of Instrumentation, 2017, 12(12): C12024.

3.Nachtrab F, Hofmann T, Speier C, et al. Development of a Timepix based detector for the NanoXCT project[J]. Journal of Instrumentation, 2015, 10(11): C11009.