X射线🩻是一种高能射线，对人体有一定的危害。由于地球大气层的保护，宇宙中的X射线🩻已被隔绝，因此在自然环境中很少存在。总体而言，X射线🩻的穿透力非常强，但不同物质对它的吸收程度各不相同。利用这一特性，X射线🩻可以被用来探测物体内部的结构、形状甚至成分。如今，X射线🩻已广泛应用于医疗影像、安检和工业无损检测等领域。
X射线🩻管是人工制造X射线🩻的重要工具。当高速运动的电子与物质相互作用时，会产生X射线🩻。在X射线🩻管中，从阴极发射的电子经过阴极和阳极之间的电场加速后，轰击X射线🩻管的靶材（Target），将其动能传递给靶材上的原子。其中，约有1%左右的能量会转化为X射线🩻，并通过X射线🩻照射窗（Output Window）射出。
MFX的基本原理示意图
在MFX系统中，阴极释放的电子会被精确聚焦至靶材上的一个微小区域，这一区域被称为X射线🩻焦点（X-ray Focal Spot）。所有由MFX产生的X射线🩻均从这个焦点以一定的发射角度（Beam Angle）向外辐射☢️，这种光源通常被用于工业或科学研究的无损检测与成像技术中。
为了将电子加速至足以撞击产生X射线🩻的高能量状态，X射线🩻管内部的阴极与阳极之间需要施加极高的电压，通常在几十千伏（KV）至几百千伏（KV）之间。因此，除了X射线🩻管本身，MFX系统还需配备专用的高压电源和控制器单元。
考虑到高压线路接口在插拔过程中可能引发的高压放电问题，这一问题在工业无损检测应用中尤为突出，市场上主流的MFX设备普遍采用一体化设计。这种设计不仅提升了设备的整体稳定性，减少了维修频率，同时也使得MFX设备的体积更加紧凑，便于用户操作和安装。
MFX的外观示意图
在无损检测中，从MFX的焦点射出的X射线🩻通过样品，之后由X射线🩻相机📷️等探测器进行成像。由于X射线🩻对于样品内不同结构、材料穿透能力的不同，其内部结构就可以被X射线🩻相机📷️所采集并在电脑上呈现。
MFX用于成像的示意图（左）用于工业在线无损检测的应用示意图（右）
从左侧的图示中，我们可以观察到该成像系统具备一定的放大功能，其放大倍率由D2（即焦点至相机📷️的距离）与D1（焦点至样品的距离）的比值决定。为了获得更高的放大倍率，通常采取缩短D1的策略。
分类根据密封技术的不同，MFX可以分为开放管和封闭管两种类型
封闭管MFX将阴极和阳极/靶材封装在真空管内部，这种设计使得设备在操作过程中无需进行真空抽取，也省去了维护的麻烦，但相应地，阴极和阳极/靶材无法进行更换。
开放管MFX则配备了真空泵和真空阀，类似于排气装置，其阴极和阳极/靶材均可更换。
与封闭管MFX相比，开放管MFX通常具有更小的焦点尺寸和FOD（焦深），但它们的维护需求更高且成本更为昂贵。在工业无损检测领域，封闭管MFX是主流选择；而在对成像质量要求更为严格的科研X射线🩻成像应用中，则会采用成本更高的开放管MFX。
两类（封闭管和开放管）用于成像的示意图
重点名词解释X射线🩻的种类与靶的选择
在X射线🩻源中，电子轰击靶材产生X射线🩻的机制主要基于两种原理：
第一种原理涉及高速电子与靶材原子的碰撞。当高速电子撞击靶原子时，其路径会发生偏转并减速，同时释放出X射线🩻，其能量等于电子碰撞前后的能量差异。由于每次碰撞时电子与靶原子的相对位置各异，导致每次相互作用产生的辐射☢️损失不同，因此发出的X射线🩻光子能量也各不相同。大量的X射线🩻光子汇聚成连续的X射线🩻发射谱，类似于多种颜色的单色光混合形成白光，因此这种机制产生的X射线🩻被称为白色X射线🩻或连续谱。
第二种原理涉及高速电子将靶原子的内层轨道电子击出，使其脱离原子成为自由电子，从而在内层轨道留下空位。随后，外层电子会迅速填补这一空位，电子从外层向内层跃迁时释放出X射线🩻，其能量等于这两个轨道能级的差值。由于靶原子的轨道电子能级是固定的，因此产生的X射线🩻能量也是特定的，仅取决于靶原子本身的特性。这种机制产生的X射线🩻被称为标识X射线🩻或标识谱。
钨靶x射线谱：连续谱（白色x射线）与标识谱（标识x射线）
所有靶材料在受到电子轰击时，都会同时产生白色X射线🩻和标识X射线🩻。在无损检测的实际应用中，由于样品通常由多种不同材质组成，因此通常会选择产生白色X射线🩻较多的钨靶。而在用于分析物质成分的X射线🩻荧光分析应用中，则更倾向于选择那些较易产生标识X射线🩻的靶材，例如钼靶。
X射线🩻照射窗材料的选择不同材料对X射线🩻的透过率存在显著差异。在这些材料中，铍的透过性能最为优异，当X射线🩻的能量达到3KeV时，超过50%的射线能够穿透铍窗。因此，滨松公司生产的X射线🩻源普遍采用铍窗设计。然而，值得注意的是，在某些特定应用中，仅需利用高能部分的X射线🩻，这时可以通过添加铝层等过滤层来有效滤除低能X射线🩻。
200um厚度不同窗材的透过率曲线
X射线🩻焦点在MFX系统中，电子透镜负责将电子束聚焦到靶材上的一个特定点，即X射线🩻焦点。在其他条件相同的情况下，X射线🩻焦点越小，成像质量越高。因此，电子透镜的设计质量直接决定了MFX的整体性能。开放管通常采用线圈通过磁场来控制电子轨道，这种方式能够实现更小的焦点尺寸。而封闭管由于受到FOD（焦深）的限制，通常使用电场来控制电子轨道，导致焦点相对较大。目前，滨松公司最先进的开放管技术能够实现焦点尺寸低至0.25微米（如L10711-03型号）。
微焦点尺寸对图像分辨率的影响
电子在撞击靶材时，X射线🩻的转换效率相对较低，超过99%的能量会转化为热能。由于MFX系统将大量电子聚焦到靶材上的一个极小区域（即X射线🩻焦点），过高的功率或长时间工作会导致靶面逐渐熔化，从而引发以下问题：
1.系统的稳定性逐渐下降；
2.焦点尺寸逐渐增大，导致成像分辨率降低；
3.产生的X射线🩻剂量逐渐减少，使得X射线🩻相机📷️上的图像变得暗淡。
x射线焦点处靶材料的融化
管电压MFX所发射的X射线🩻光子最大能量等于入射电子在X射线🩻管加速电场中获得的能量，即电子电荷乘以加速电场的电压（管电压）。因此，连续X射线🩻的短波极限仅与管电压相关，而与其他因素无关。管电压越高，产生的X射线🩻能量越大，波长越短，穿透物质的能力也越强。
例如，在100KV的管电压下，理论上产生的最大光子能量为100KeV。然而，从阴极向阳极加速的电子并非全部都能达到这一能量（具体取决于整流方式和高压发生器的类型）。在与靶材碰撞时，许多电子的能量可能较低，因此产生的X射线🩻能量也低于理论最大值100KeV。（见下图）
横轴x射线能量（Kv） 100KeV管电压下MFX所发出的X射线🩻谱管电流
管电流管电流越大，单位时间轰击到靶上的高速电子就越多，MFX发射出的X射线🩻就越多，相当于一定面积的X射线🩻的剂量增加（或者类比于电灯变亮），对应图像的亮度增加。
选型参数解析
MFX最基本的参数有五个：
- 管电压（Tube voltage，可调）
- 管电流（Tube current，可调）
- 焦点尺寸（Focal Spot Size）
- 发射角（X-ray beam angle）
- FOD（Focusto object distance）
下面，我们将对这五个参数与实际需求之间的关系，进行解析。
穿透能力、分辨率与信噪比
较高的管电压可以发出较高能量的X射线🩻光子，能够穿透较厚的样品。所以管电压越高，X射线🩻的穿透能力越强。 X射线🩻线源的焦点尺寸越小，图像的分辨率越高，图片也越清晰。 管电流越大，单位时间内照射到样品上的X射线🩻光子就越多（可以类比为电灯越亮）；成像的信噪比越好，所需的曝光时间也越短。
综上所述，样品厚可以考虑调高管电压；样品的结构精细可以选择较小的焦点尺寸；希望缩短成像时间，则可以尝试增加管电流。但事实情况不总是如此理想。
穿透能力、分辨率与信噪比与管电压、管电流、焦点尺寸等参数之间的关系
为了图像的质量（分辨率和信噪比），我们经常需要选择较小的焦点尺寸和较高的管电流。但若是还要增加管电压，聚焦在焦点上的功率（功率=管电流 x 管电压）会增强，而且聚集在尺寸很小的焦点上，过高的能量非常容易打坏产生X射线🩻的管靶（Target）。这导致我们在保证图像质量的难以同时兼顾厚样品成像所需要的穿透能力。
所以一般情况下：
· 小焦点－低功率－X线剂量低－图像暗－需要对图像积分计算－处理速度慢 - 适合学术研究和不良分析用途使用。
· 大焦点－高功率－X线剂量高－图像明亮－不需要图像积分处理－处理速度快 - 适合在线检测
放大倍数、视野、X射线🩻相机📷️版面大小与成像系统的体积
在大多数情况下，我们希望一个样品能在一次拍照中就完成成像，所以成像系统的视野大小最好大于等于样品的大小，或者感兴趣区域的大小。
因为X射线🩻无损检测/成像系统的放大遵循相似三角形的原理；所以视野的大小（经常等于样品的大小，或者感兴趣区域的大小）和X射线🩻相机📷️的成像版面大小就决定了整个成像系统的放大倍数。
而如下图所示，如果MFX拥有较大的发射角和较小的FOD，MFX、样品和X射线🩻相机📷️就可以放置得比较近，从而缩小整个成像系统的体积。
放大倍数、视野、成像系统体积与MFX的发射角、FOD之间的关系
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内容来源：滨松中国
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参考来源：学术文献
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