三维同步辐射折射计算机断层扫描技术 (3D Synchrotron Refraction CT)

在材料无损表征领域，传统的二维X射线折射计算机断层扫描（CT）技术，由于其依赖常规X射线管，存在着一些固有的瓶颈。这类技术通常局限于由铜（Cu）或钼（Mo）靶产生的特征辐射，能量较低，因而其应用范围大多被限制在低密度材料。同时，其可探测的层厚可达1mm，但相应的测量时间却常常超过10小时，这在很大程度上限制了其检测效率和应用广度。

为了突破这些局限，三维同步辐射折射CT技术应运而生。以柏林BESSY同步辐射装置的BAMline光束线站为例，其提供的单色X射线能量范围可从5 keV覆盖至60 keV。更重要的是，同步辐射光源具备极高的光子通量、可自由选择的能量以及高度平行的光束，这些特性为实现高分辨、高衬度的三维成像奠定了物理基础。

实验原理与光路设计

三维同步辐射折射CT的实验装置布局如图1所示。首先，一套双多层膜单色器（DMM）产生一束带宽约2%的高平行度单色X射线束（能量最高可达60 keV）。在实验台站，这束截面达数平方毫米的光束，会先后被两块根据所选能量精确调整至布拉格衍射条件的Si(111)单晶反射。

图1 用于三维折射CT的同步辐射BAMline实验装置示意图；左侧与顶部：测角仪与光束组件；右侧：有样品（方块）和无样品（圆圈）时第二块Si(111)晶体（对称）的摇摆曲线

一台空间分辨率约为5 × 5 μm²的X射线敏感CCD相机放置在第二块晶体之后。通过微小地倾斜第二块晶体，可以改变其反射强度，从而获得一条摇摆曲线。在没有样品时，该摇摆曲线的半峰全宽（FWHM）仅为4 × 10^-4度（如图1右侧圆圈所示）。与相衬CT的设置不同，在折射CT中，样品被放置在两块晶体之间。这样，高度平行的光束在穿过样品时，不仅会因其内部的质量分布不均而发生吸收衰减，更重要的是，光束在遇到所有材料界面时，会因折射效应而发生偏转（如图1右上角示意）。这种偏转最终导致透射光束的摇摆曲线展宽（如图1右侧方块所示）。

应用案例：金属基复合材料的微裂纹表征

航空发动机压气机部件对材料的要求极为苛刻，既要高抗拉强度，又要低比重。其中，以钛（Ti）为基体、碳化硅（SiC）纤维为增强体的金属基复合材料（MMC）是极具潜力的新一代关键材料。这类材料的力学性能，尤其是高载荷下的抗裂纹扩展能力，高度依赖于纤维与基体间的界面结合状态。因此，对这些关键特征进行精确的无损表征至关重要。

研究人员首先采用传统的3D CT技术对一个经过低周疲劳（LCF）测试的圆柱形MMC拉伸样品进行了分析。图2展示了在100 kV管电压、5 × 5 × 5 μm³体素分辨率下（通过傅里叶滤波反投影算法对720个投影数据进行重构）得到的300个断层图像中的一个。这是一个典型的吸收衬度图像，亮度代表密度高低。图中，增强相SiC纤维呈现为深色圆盘状，其中心有颜色更深的碳芯。然而，在整个样品中，仅在图2所示的这个特定切片底部，由于吸收减弱，才勉强观察到一处模糊的暗色阴影，疑似裂纹区域。

图2 传统吸收衬度CT对疲劳后的Ti-SiC MMC样品的重构图像；采用细焦点X射线管，100 kV单层三维测量

随后，同一个样品在BAMline上利用同步辐射折射CT进行了表征。实验采用50 keV的单色辐射，探测器体素分辨率同样为5 × 5 × 5 μm³（360个投影，平行光束傅里叶滤波反投影）。图3展示了与图2完全相同的样品横截面。结果的差异是惊人的：之前模糊不清的裂纹区域此刻呈现为明亮的高衬度图像（经伪彩增强），细节清晰可辨。一些纤维与基体发生脱粘的区域，也因其周围环绕的明亮光环而被准确识别。与传统吸收CT只能在一个切片上发现疑似迹象相比，折射衬度CT在样品的300个重构切片中，约有20%都清晰地揭示了裂纹的存在。

图3 同步辐射折射CT对同一截面（图2）的成像结果；采用50 keV单色辐射，样品置于两块晶体之间，工作在最大反射位置

这种与吸收衬度截然相反的高衬度图像，其物理根源在于第二块Si晶体（分析晶体）的“过滤”作用。当X射线在裂纹边界发生折射和全反射而被偏转后，它们将不再满足分析晶体的布拉格衍射条件，从而被“剔除”，无法到达CCD探测器，于是在图像上形成了强烈的信号反差。这种折射衬度几乎不依赖于裂纹的实际宽度，因为它是一种界面效应。不过，其衬度强度与入射光束的角度密切相关，对于平面状裂纹，仅在0±1度的入射角范围内最为有效。在当前设置下，两块Si晶体都工作在摇摆曲线的峰值位置，因此图像信息同时包含了吸收和折射两种效应。如果需要，可以通过调整Si晶体的工作点来将这两种信息分离开。

要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测复合材料微观缺陷检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

向更高分辨率迈进：纳米折射CT

为了追求更高的空间分辨率，可以将实验装置中的第二块对称晶体替换为一块非对称切割晶体（Fankuchen切割）。这种晶体的特点是其晶体表面与反射晶格平面之间存在一个倾角，这会导致出射光束被展宽，从而实现高达100倍的放大效果。

图4展示了这种纳米级分辨率折射CT的一个实例。图像重构了一个直径为100 μm的立式钢制微型钻头的水平切面，使用的是19 keV的辐射。从图中可以清晰地分辨出直径小于1 μm的管状孔隙（暗色），以及在钻头外边缘和孔隙周围形成的明亮折射衬度。这充分证明了该技术在纳米尺度缺陷表征方面的巨大潜力。

图4 三维纳米折射CT；利用19 keV投影数据重构的钢制微型钻头平面图；直径小于1 μm的暗色管状孔隙清晰可见；外边缘和孔隙周围存在折射衬度；通过Fankuchen切割的单晶硅实现放大成像。