介绍

自20世纪70年代初以来，x线计算机断层扫描（CT）已经成为医学领域最广泛的非侵入性调查技术之一。过去几十年来，它还在许多其他领域进行了无损检测，包括工业，考古学，生命科学，地球科学和犯罪调查。不幸的是，传统的x射线CT系统仅能够实现亚毫米级的空间分辨率。因此，该技术不足以检查需要在千分尺和纳米级分辨率的物体的内部结构。

通过使用高分辨率，宽动态范围CCD相机，高分辨率闪烁体，同步加速器x射线源或微焦点x射线源，X射线计算机显微镜（μCT）技术更先进的技术克服了这一关键限制，射线管，以及用于重建3D图像的软件算法。

典型的μCT解决方案包括x射线源，具有样品架的高分辨率旋转台，高性能科学CCD相机和电脑。根据系统配置，光纤耦合或光学透镜耦合用于将图像投影到CCD检测阵列上。所有上述技术的最新进展使得微米级的空间分辨率（见图1和图2）。

图1 模拟的流体通过珊瑚中的孔隙流线

图片由澳大利亚堪培拉澳大利亚国立大学Tim Timen博士提供

图2 人类皮质骨显示哈弗西和沃尔克曼的运河,体素大小=4μm3

图片由澳大利亚堪培拉澳大利亚国立大学Tim Timen博士提供

第三代同步加速器源的X射线μCT

世界各地同步加速器源产生的非常明亮（即高通量）X射线光束正在稳定地增加x射线μCT在许多研究领域的应用。 x射线束的不同构造（即，高通量平行光束或高度聚焦的亚微米光束）和高分辨率闪烁体使得可以延伸亚微米级，甚至在100nm以下，同时保持合理的数据采集时间。

芝加哥大学地理科学家马克·里弗斯博士的工作为在第三代同步加速器上使用x射线μCT系统提供了一个很好的例子。在这个特殊的μCT系统中，透射的X射线通过单晶YAG闪烁体转换为可见光，其通过显微镜物镜（5X至20X）或变焦镜头，视野调整为3 mm至50 mm。然后将图像投影到CCD上。

Rivers博士的数据采集软件采用分层方式，每层都有一个特定的功能。数据处理包括预处理，正弦图创建和断层重建（见图3）。

图3.带银微球（蓝色）的玻璃珠（金）

 由俄勒冈州立大学Gabriel C. Iltis和芝加哥大学Mark Rivers博士提供的图片。

在第三代同步加速器源中采用的绝大多数x射线μCT系统具有基于先进的电子倍增CCD技术的相机（例如，Princeton InstrumentsProEM®）或者一个无快门，行间传输CCD相机（例如，Photometrics® CoolSNAP™K4）。这些类型的科学相机提供μCT实验所需的高速度和出色的灵敏度。图4,5和6说明了该技术在诸如材料科学等多种复杂领域的工作的广泛应用。

虽然第三代同步加速器来源无疑是一个非常强大的研究工具，但是有限的访问和昂贵的运营成本证明对许多科学家和行业来说是禁止的。然而，在过去几年中，x射线源，检测器，样品台和计算机的重大进步已经导致设计的“桌面”x射线μCT系统，成功地为大型和小型实验室带来了相当程度的成像性能。

图4纳米颗粒图像由NSRL，合肥，中国Yangchao Tian博士提供

图5熔岩在高温下合成

图片由Liping Bai和Don Baker，地球与行星科学，麦吉尔大学，加拿大蒙特利尔，以及马克博士提供

带有微焦点X射线管的台式X射线μCT

台式μCT系统不是依赖于X射线同步加速器源，而是使用焦点尺寸小于1μm的微焦点X射线管来实现小于100nm的特征的空间分辨率。 这种新兴的桌面系统体现了x射线分辨率，易于使用的仪器，应用灵活性和可承受性的改进。

有两种基本的台式X射线μCT系统。 一个使用光纤耦合将图像投影到CCD上，而另一个则使用光学透镜耦合。 如果高速度在应用中是重要的（例如，1至10秒的曝光时间），则光纤耦合系统通常被认为是有利的。

图7和图8中的图像用光纤耦合桌面μCT系统获得。 为了适应较高的x射线通量，光纤耦合台式μCT系统可以使用快速读出，高灵敏度CCD摄像机（例如，普林斯顿仪器Quad-RO，普林斯顿仪器PIXIS-XF和普林斯顿仪器纳米XF）。

对于需要较长曝光时间（例如10到30秒甚至高达几分钟）的X射线成像应用，必须进行深度冷却以减少暗电流的高灵敏度检测器。 利用菲涅尔区域板通过衍射将x射线聚焦到样品上可以在μCT系统中使用光学透镜耦合，这反过来又需要对检测器进行更深的冷却。

图6 PCL-TCP-PLA样品，体素大小=0.7μm3

图片由新加坡SSLS的Cholewa教授提供

图7.来自猪轨道重建的组织工程骨，体素大小= 1.6μm3

图片由澳大利亚堪培拉澳大利亚国立大学Tim Timen博士提供

图8.蜜蜂脑

图片由澳大利亚堪培拉澳大利亚国立大学Tim Timen博士提供。

为了保持灵敏度和空间分辨率，光学透镜耦合桌面μCT系统通常采用设计有百万像素，高量子效率CCD（例如，普林斯顿仪器PIXIS：1024B / F和2048B / F）。

结论

使用x射线μCT系统与第三代同步加速器来源，通过提供真正卓越的性能，促进了许多研究领域（例如材料科学，地球科学，考古学，生命科学和通过小动物CT的药物发现）的进步，但可观的费用和紧密的安排从这种方式探索许多。在过去的几年中，来自世界各地的数个制造商的数百台新型台式X射线μCT系统已安装在实验室中。这些依赖于微焦X射线管而不是同步加速器源的系统代表了研究技术的小型化和个性化的持续趋势。

x射线光学，样品阶段和科学探测器的持续改进继续为新的科学突破（例如，开发电子封装和更有效的燃料电池）铺平了道路。此外，x射线相位对比成像和μCT技术的智能融合将为研究人员开辟更多的门，能够在极低的吸收材料成像，并提供工具来诊断癌症甚至更早的阶段。

文章来源Princeton Instruments