FYNE – 面向高科技产业的下一代X射线源

1a. 具有纳米级分辨率的快速测量——背景

了解纳米尺度成像中分辨率与剂量之间的相互作用，对于确保成像系统的高效运行至关重要。其中存在两种相互竞争的主要效应：电子轨迹和电子穿透能力 。我们将简要说明这种竞争是如何产生的，以及有哪些策略可以应对它。 在X射线管中，电子从发射极射出，在真空环境下受高压加速，并撞击靶材 。电子与靶原子发生碰撞，从而产生X射线[3]。材料内部的三维相互作用区域决定了X射线源的焦斑体积。在较高的加速电压下，由于阳极和阴极之间更强的电场作用，源自发射极的电子轨迹不易扩散。

其结果是到达靶面的电子的横向扩散较小（见图5a），从而减小了焦斑尺寸并提高了分辨率。然而，在较高的加速电压下，电子到达靶面时的动能也更高。 更高的动能会导致电子与钨靶（靶材 ）[4]上的原子发生碰撞的平均间隔时间延长。这意味着电子能够更深入地穿透靶材，并通过与靶原子散射而产生额外的横向扩散。结果，焦斑体积增大，极限分辨率降低（见图5a）。这两种效应之间的平衡决定了焦斑的大小。

这清楚地表明，靶材厚度在决定X射线相互作用体积（从而决定焦斑尺寸）方面起着重要作用。在较厚的靶材中，电子会向侧面散射到靶材的体积内，且这种散射在较高的加速电压下会增强。体积的增大导致焦斑变大，这虽然会限制分辨率，但出于同样的原因，也能提供更高的剂量。 在较厚的靶材中，分辨率主要受电子在整个三维体积内可能发生的散射所限制。

因此，提高分辨率的一种方法是限制靶材的厚度（见图5B）。这可以减少电子在材料内部发生横向传播的可能性，并限制焦斑体积。这种方法的缺点非常明显：缩小相互作用体积会降低可产生的最大X射线剂量。 

1b. 具有纳米级分辨率的快速测量——示例 

现在，让我们通过两个例子来说明这些效应在实际的FYNE 160 NF4源中的表现。图6展示了两种可能的源配置在可用电压范围（60–160 kV）内的数据。 在第一个示例中，由于使用了较厚的靶材，空间分辨率在整个电压范围内基本保持恒定，约为1.2 µm。然而，到达探测器的剂量在同一范围内波动幅度高达近80%。此外，与使用较薄靶材的第二个示例相比，本例在所有电压点上获得的剂量均更高，且在较高电压下剂量显著更高。 这种配置的缺点在于，不同工作点处的剂量变化剧烈，且最终分辨率受到限制。从上述讨论可以理解，剂量较高和分辨率受限的原因在于：更大的相互作用体积会产生更多的剂量，但也会增加横向焦斑尺寸。因此，这些设置适用于需要在宽电压范围内保持一致分辨率且需要更高X射线通量的应用。 

图6中所示的第二种配置使用的靶片比第一种更薄。在这种情况下，其在整个电压范围内的行为与较厚的靶片截然不同。特别是，分辨率会随着加速电压的变化而发生变化。 

这是因为更强的电场导致靶上的散射范围更小，而这种效应并未被靶内的横向散射所抵消。此处选用的靶旨在在160 kV的特定工作点下，在实现0.4 µm（400 nm）分辨率的同时将剂量最大化。然而，与第一种情况的比较中可以清楚地看到，所获得的总剂量低于较厚靶的情况。 一般而言，更高的空间分辨率意味着X射线通量降低。因此，在规划纳米级成像时，必须充分考虑射源的实际工作点以及应用所需的分辨率，并在满足这些要求的前提下最大限度地提高剂量。若仅追求可达到的最高分辨率，将导致剂量降低；而如果实际并不需要如此高的分辨率，则会导致检测效率的显著下降。

因此，关键要点是：根据应用程序的具体要求对源代码进行优化至关重要——FYNE 提供了这种灵活性。

2. 卓越的焦斑稳定性

鉴于进行亚微米成像测量所需的精度，X射线源也必须具有极高的稳定性，以防止“虚拟”焦斑尺寸过大而无法满足应用需求。 虚拟焦斑是指焦斑尺寸加上测量期间因漂移而产生的位移（取其平均值）之和（见图7）。典型的测量时长可能从二维成像所需的几秒钟，到详细的三维扫描所需的数小时不等。因此，低漂移特性至关重要。 

为了说明FYNE 源的高稳定性，我们进行了为期24小时的漂移测量。在此期间，未对该源进行任何调整或校正。该源、样品操纵器和探测器通过射线防护柜 内的花岗岩块连接，以最大限度地减少振动的影响。为了测定漂移，我们采取了以下步骤。 将一个带有圆形金结构的样品放置在视场中心，并在120 kV的固定工作点下进行成像。时间T时的位置是通过将时间t = T时拍摄的金结构图像减去时间t = 0时拍摄的同一结构图像来确定的。随后，将像素位移转换为X和Y方向上的实空间位移。 测量在整个时间范围内均无需调整，即在整个测量过程中，束流位置未进行任何控制。 

需要注意的是，无法完全区分由焦斑固有漂移引起的图像位移与由成像链其余部分的变化（例如机械支撑件的热平衡或样品的热平衡——样品直接位于光源正前方）引起的漂移。最初有一段时间，整个机械系统处于热平衡状态。 

测量结果汇总如图7所示。该结果反映的是整个成像链的综合稳定性，而不仅仅是焦斑的稳定性。系统热平衡后，Y方向的漂移速度为0.029 µm/小时，而X方向仅为0.012 µm/小时。 因此，在整个测量过程中，焦斑的最大总偏移量低于光源的分辨率（0.4 µm）。与某些替代的开管 设计相比，这些数值小了100倍。考虑到在测量过程中的任何阶段均未采用主动光束稳定技术，如此小的漂移速度实属难得。

3. 光源寿命长

由于FYNE 是一种“开放式”X射线源，这意味着可以将其物理打开并进行维护，从而更换关键部件，因此该X射线源的使用寿命在技术上是不受限的。在计算检测系统的总拥有成本时，这一点需要加以考虑，因为闭管 必须定期更换。尽管如此，在检测应用中，最大限度地延长正常运行时间 并减少维护频率至关重要，尤其是在生产环境中用于近线 甚至在线工艺的情况下。 在纳米级成像应用中，电子发射单元是一个特别敏感的组件。在经典的开管 设计中，其使用寿命约为数百小时，尽管具体时长会因工作参数的不同而存在较大差异。例如，假设每天平均运行仅8小时，那么使用寿命为500小时的灯丝就需要每2个月更换一次。延长这一周期对于提高实验室和工业环境中的正常运行时间 都至关重要。 

我们利用图2所示的成像装置进行了寿命测试。所选的测量指标是X和Y方向随时间变化的空间分辨率。在120 kV的工作点下，对一个0.6 µm的结构进行了成像。FYNE 电子束源在整个测试期间持续运行，期间未中断。结果汇总如图8所示。 即使在光源运行超过2600小时后，分辨率也未观察到显著变化。按照前文提到的每天运行8小时的示例计算，这相当于约11个月的免维护运行时间。 当然，决定光源使用寿命的因素众多，且作为评估指标的参数因具体应用而异，无法在此一概而论。然而，这些测量结果凸显了采用FYNE 技术所能达到的光源使用寿命量级：数千小时的不间断运行时间。