我的研究方向是工業X射線檢測，就結合工業X射線產生和成像原理進行簡單的介紹。
X射線也稱為倫琴射線，是由德國著名物理學家威廉•康拉德•倫琴（Wilhelm Röntgen）於1895年11月在進行陰極射線的研究時發現的。
X射線本質上是與微波、紅外線、可見光和紫外線等一樣的電磁波，電磁波是由光子組成的，由公式可知光子的能量與其波長成反比：
式中，h是普朗克常量，c是光在真空中的速度，λ是光子的波長，ν是光子的頻率。X射線對應的波長範圍分佈在幾皮米到幾奈米，具有較強的穿透性，因此工業上常用X射線檢測物體的內部結構。下圖為X射線在電磁波譜中的分佈範圍：
X射線除了具有所有電磁波的共性之外，還具有一些特有的性質：
X射線的產生有三個不可缺少的條件：
根據上述三個條件，人們發明了能夠產生X射線的X射線管，射線管的結構如下圖所示：
X射線管主要由產生自由電子的電子槍和陽極靶組成。電子槍主要由陰極燈絲組成，陰極燈絲在通電之後可以產生自由電子，自由電子透過電子槍中的聚焦極聚焦並經過電子槍的陽極進行加速形成聚集的電子束；陽極靶由熔點高、熱傳導性好的金屬物質組成，起到瞬間減速高速移動的電子的作用。在X射線管工作時，電子槍和陽極靶之間加以高電壓形成強電場，電子槍產生的電子束在強電場的作用下向陽極靶加速運動。高速運動的電子在到達陽極靶時，與陽極靶材料原子發生作用併產生電磁輻射。
加速電子與陽極重金屬作用有三種形式：
一般來說，工業X射線源產生的X射線能譜有可以認為由兩部分構成，一是加速電子與內層軌道電子的相互作用產生的離散的特徵X射線能譜，另一部分是軔致輻射產生的連續能譜。一個典型的工業X射線能譜如圖所示：
X射線在穿過物體時與物體會發生多種過程複雜的相互作用，這些相互作用會導致射線強度的衰減。也正是由於射線發生了衰減，衰減了的X射線會攜帶物體內部的有關資訊。X射線與物體發生相互作用時，一部分X射線直接穿過物體，這部分射線稱為透射X射線；在剩餘的X射線中，一部分X射線與物體的原子核發生直接碰撞，這部分X射線的能量被轉化成熱能使物體的溫度升高；另一部分X射線與組成物體物質的原子中的軌道電子發生碰撞並將能量傳給軌道電子，軌道電子發生逃逸而轉化成光電子，產生俄歇電子或熒光X射線；最後一部分X射線與軌道電子發生非彈性碰撞而導致X射線方向發生偏離，從而發生散射作用。
光電效應、康普頓效應及電子對效應是X射線與物質發生的主要相互作用：
1）光電效應
當射線進入被測物體時，光子將與原子中的軌道電子發生碰撞，將其能量全部傳遞給軌道電子，軌道電子在獲得能量之後，會擺脫原子核對自己的束縛，變成自由的光電子，而入射光子在與軌道電子相互作用後完全消失，這種現象就是光電效應。光電效應只有在入射光子能量大於原子核與軌道電子的結合能時才會發生，否則不會發生。由於軌道電子變為自由電子，使得電子層中產生空位，將導致原子不穩定，所以外層電子會躍遷到空位，使原子恢復穩定狀態。躍遷時會發射熒光輻射，這是光電效應的一個重要特徵。下圖為光電效應示意圖：
2）康普頓效應
康普頓效應也稱為康普頓散射，指的是入射光子與原子外層電子發生撞擊，入射光子的部分能量傳遞給了外層電子，外層電子獲得能量後從原來的軌道飛出，同時，入射光子由於能量的減少，成為散射光子，偏離入射方向，經過散射的射線和入射的射線波長不相等。如下圖所示，hγ和hγ’分別表示入射光子和散射光子的能量，θ表示入射光子與散射光子之間的夾角，稱為散射角，φ表示入射光子與反衝光子之間的夾角，稱為反衝角。
3）電子對效應
當高能量的光子穿過物體時，將會與原子核發生相互作用，光子的能量會全部釋放，轉換為正、負電子對，這種相互作用的過程稱為電子對效應。產生的電子對會在不同方向飛出，方向由入射光子的能量決定。電子對效應的發生機率與物質原子序數和光子能量有關，在高原子序數、高光子能量的情況下，是一種重要的相互作用。下圖簡明地表示了三種基本作用在不同條件下的優勢區域和重要性。
在常用的X射線能量範圍內，光電效應、康普頓效應和電子對效應這三種物理效應基本都會發生。對於不同的被檢物質和X射線能量，上述三種效應的發生機率不同。
小朋友你是否有很多問號？我們產生了X射線後要幹什麼呢？
當然是根據X射線的特徵，以及其強大的穿透能力進行成像啦！
X射線在穿過物體時，與物體之間產生吸收和散射作用，這導致X射線強度衰減，這是X射線成像的重要基礎。實驗表明，X射線穿過物質的厚度越厚，其強度衰減率越高。某一波長的X射線穿過物體時的衰減規律滿足比爾定律：
I為射線穿過物體經過衰減後的強度，I0為射線的入射強度，μ為該物體在該波長X射線照射下的線性衰減係數，t為物體的厚度。一般來說，X射線的衰減是物質對射線的吸收與散射共同作用的結果，因此上式中衰減係數μ被認為是吸收係數與散射係數的和。在X射線的實際衰減過程中，射線因吸收而導致的衰減佔主要部分，遠大於散射所導致的衰減，因此常將因射線散射而導致的衰減忽略。
當一定強度的X射線透射物質時，射線的波長保持不變，當X射線穿過高密度或厚度較大的物體時，X射線強度衰減較大；穿透低密度或較薄的物體時，相同強度的X射線的衰減較小。因此，在一次曝光中，一定強度的X射線穿過不同物質，或者相同物質不同厚度時，會得到亮度明暗差別較大的影象。
當射線束穿過被檢測物體時，如果在物體的某個區域存在缺陷，或者在射線透照方向上存在結構差異，就會造成物體對射線的衰減產生差異，透過探測器採集到的影象就可以分析出被測物內部的缺陷和結構差異。
上圖為射線檢測的基本原理圖，入射X射線的強度為I0，穿過厚度為T的被測物體，被測物內部有厚度為ΔT的缺陷，被測物體的線性衰減係數為μ，射線穿過沒有缺陷和有缺陷區域的一次射線強度分別為ID和ID"，沒有缺陷和有缺陷區域的散射射線強度為IS和IS"，沒有缺陷和有缺陷區域的總透射強度為I和I’。
總透射強度可由一次射線強度和散射射線強度組合表示：
實際中ΔT遠小於T，因此可認為IS和IS"相等，所以可得：
對於一次射線，根據比爾定律可以得出：
由於式μΔT表示的值很小，根據泰勒公式近似：
缺陷的衰減係數記為μ’，經過進一步推導（過程略去）可得：
ΔI/I表示的是物體的對比度，表示了射線成像的基本原理，即得出了缺陷和本體之間的對比度關係。由上式可以看出，射線檢測缺陷的能力，與射線的能量、在射線透照方向上缺陷的尺寸、射線散射等相關。檢測原理是根據物體不同部位對射線衰減的差異，透過探測器採集到這種差異訊號，並將其轉換為數字影象，然後從影象中提取出物體的內部結構、質量狀態等重要資訊，然後對其分析處理。
X射線數字射線成像(Digital Radiograph, DR)和工業計算機斷層掃描（Industrial Computed Tomography, ICT）是工業無損檢測領域中的兩個重要技術分支。DR檢測技術，是20世紀90年代末出現的一種實時的X射線數字成像技術。相對於現今仍然普遍應用的射線膠片照相，DR檢測最大的優點就是實時性強，可以線上實時地對生產工件結構介質不連續性、結構形態以及介質物理密度等質量缺陷進行無損檢測，因此在快速無損檢測領域裡有廣闊的發展前景。
ICT技術是一種融合了射線光電子學、資訊科學、微電子學、精密機械和計算機科學等領域知識的高新技術。它以X射線掃描、探測器採集的數字投影序列為基礎，重建掃描區域內被檢試件橫截面的射線衰減係數分佈對映影象。
DR系統一般由射線源、待測物、探測器、影象工作站等幾部分構成。目前在工程實際中應用的探測器主要分為兩種：影象增強器和非晶矽探測器。影象增強器首先透過射線轉化屏將X射線光子轉換為可見光，然後透過CCD（Charge Coupled Device）相機將可見光轉化為影片訊號，可在監視器上實時顯示，也可透過A/D採集卡轉化為數字訊號輸入到計算機顯示和處理。非晶矽探測器採用大規模整合技術，集成了一個大面積非晶矽感測器陣列和碘化銫閃爍體，可以直接將X光子轉化為電子，並最終透過數模轉換器（ADC）轉變成為數字訊號。
X射線數字成像技術廣泛應用於航空、航天、兵器、核能、汽車等領域產品和系統的無損檢測、無損評估以及逆求，檢測物件包括導彈、火箭發動機、核廢料、電路板、發動機葉片、汽車發動機氣缸、輪胎輪轂等，在工程質量監督和產品質量保證方面發揮著極其重要的作用，正逐漸成為發展現代化國防科技和眾多高科技產業的一種基礎技術。
電路板檢測：
焊縫檢測：
X射線CT是國內研究最為廣泛的CT成像方法之一，CT影象重建方法是CT基礎研究的核心。CT影象重建的任務是由CT資料重建被測物體的CT影象。
錐束CT是指基於面陣列探測器的CT成像方法，其中錐束指X射線源焦點與面陣列探測器所形成惟形射線束。與傳統基於維線陣列探測器的扇束CT相比，錐束CT每次可以獲得一幅二維影象，具有射線利用率高和各向解析度相同等優點。
當我們獲取了一定數量的投影資料後，便可以根據不同掃描方式下的不同CT重建演算法，重建出待測物體的斷層影象。
典型CT斷層影象：
我的研究方向是工業X射線檢測，就結合工業X射線產生和成像原理進行簡單的介紹。
1、X射線介紹X射線也稱為倫琴射線，是由德國著名物理學家威廉•康拉德•倫琴（Wilhelm Röntgen）於1895年11月在進行陰極射線的研究時發現的。
X射線本質上是與微波、紅外線、可見光和紫外線等一樣的電磁波，電磁波是由光子組成的，由公式可知光子的能量與其波長成反比：
式中，h是普朗克常量，c是光在真空中的速度，λ是光子的波長，ν是光子的頻率。X射線對應的波長範圍分佈在幾皮米到幾奈米，具有較強的穿透性，因此工業上常用X射線檢測物體的內部結構。下圖為X射線在電磁波譜中的分佈範圍：
X射線除了具有所有電磁波的共性之外，還具有一些特有的性質：
物理效應：（1）穿透作用；（2）電離作用；（3）熒光作用；（4）熱作用；（5）干涉、衍射、反射、折射作用。化學效應：（1）感光作用；（2）著色作用生物效應。2、X射線產生原理X射線的產生有三個不可缺少的條件：
第一，能夠產生自由電子的電子發射器；第二，能夠使自由電子加速運動的電場；第三，能夠使高速移動的電子瞬間減速的靶物質。根據上述三個條件，人們發明了能夠產生X射線的X射線管，射線管的結構如下圖所示：
X射線管主要由產生自由電子的電子槍和陽極靶組成。電子槍主要由陰極燈絲組成，陰極燈絲在通電之後可以產生自由電子，自由電子透過電子槍中的聚焦極聚焦並經過電子槍的陽極進行加速形成聚集的電子束；陽極靶由熔點高、熱傳導性好的金屬物質組成，起到瞬間減速高速移動的電子的作用。在X射線管工作時，電子槍和陽極靶之間加以高電壓形成強電場，電子槍產生的電子束在強電場的作用下向陽極靶加速運動。高速運動的電子在到達陽極靶時，與陽極靶材料原子發生作用併產生電磁輻射。
加速電子與陽極重金屬作用有三種形式：
第一種是電子與外層軌道電子相互作用導致外層軌道電子獲得能量升到較高的能量軌道後又迅速回到原來的位置，這一過程會將加速電子的動能大部分轉變成內能併產生少量紅外線。第二種是電子與內層軌道電子發生相互作用，當這種相互作用導致內層軌道電子離開了它的軌道，會形成內層的電子空穴。這種空穴被外層軌道電子躍遷填補時將會產生X射線，這種形式產生的X射線的能量等於躍遷所發生的兩個電子軌道之間的能量差，所以這種X射線包含了重金屬原子內部的結構資訊，是一種特徵X射線。第三種是加速電子和原子核的相互作用，當加速電子經過重金屬的原子核旁邊時這會減速並改變其運動方向，因為電子減速減少的動能將轉化為X射線，這種形式產生的射線被稱為軔致輻射(Bremsstrahlung)。由於電子的速度可以從0到真空管電壓所對應的電子速度之間連續變化，因此軔致輻射產生的能譜與特徵X射線不同，具有從零到入射能量的連續能譜。一般來說，工業X射線源產生的X射線能譜有可以認為由兩部分構成，一是加速電子與內層軌道電子的相互作用產生的離散的特徵X射線能譜，另一部分是軔致輻射產生的連續能譜。一個典型的工業X射線能譜如圖所示：
3、X射線與物質的相互作用X射線在穿過物體時與物體會發生多種過程複雜的相互作用，這些相互作用會導致射線強度的衰減。也正是由於射線發生了衰減，衰減了的X射線會攜帶物體內部的有關資訊。X射線與物體發生相互作用時，一部分X射線直接穿過物體，這部分射線稱為透射X射線；在剩餘的X射線中，一部分X射線與物體的原子核發生直接碰撞，這部分X射線的能量被轉化成熱能使物體的溫度升高；另一部分X射線與組成物體物質的原子中的軌道電子發生碰撞並將能量傳給軌道電子，軌道電子發生逃逸而轉化成光電子，產生俄歇電子或熒光X射線；最後一部分X射線與軌道電子發生非彈性碰撞而導致X射線方向發生偏離，從而發生散射作用。
光電效應、康普頓效應及電子對效應是X射線與物質發生的主要相互作用：
1）光電效應
當射線進入被測物體時，光子將與原子中的軌道電子發生碰撞，將其能量全部傳遞給軌道電子，軌道電子在獲得能量之後，會擺脫原子核對自己的束縛，變成自由的光電子，而入射光子在與軌道電子相互作用後完全消失，這種現象就是光電效應。光電效應只有在入射光子能量大於原子核與軌道電子的結合能時才會發生，否則不會發生。由於軌道電子變為自由電子，使得電子層中產生空位，將導致原子不穩定，所以外層電子會躍遷到空位，使原子恢復穩定狀態。躍遷時會發射熒光輻射，這是光電效應的一個重要特徵。下圖為光電效應示意圖：
2）康普頓效應
康普頓效應也稱為康普頓散射，指的是入射光子與原子外層電子發生撞擊，入射光子的部分能量傳遞給了外層電子，外層電子獲得能量後從原來的軌道飛出，同時，入射光子由於能量的減少，成為散射光子，偏離入射方向，經過散射的射線和入射的射線波長不相等。如下圖所示，hγ和hγ’分別表示入射光子和散射光子的能量，θ表示入射光子與散射光子之間的夾角，稱為散射角，φ表示入射光子與反衝光子之間的夾角，稱為反衝角。
3）電子對效應
當高能量的光子穿過物體時，將會與原子核發生相互作用，光子的能量會全部釋放，轉換為正、負電子對，這種相互作用的過程稱為電子對效應。產生的電子對會在不同方向飛出，方向由入射光子的能量決定。電子對效應的發生機率與物質原子序數和光子能量有關，在高原子序數、高光子能量的情況下，是一種重要的相互作用。下圖簡明地表示了三種基本作用在不同條件下的優勢區域和重要性。
在常用的X射線能量範圍內，光電效應、康普頓效應和電子對效應這三種物理效應基本都會發生。對於不同的被檢物質和X射線能量，上述三種效應的發生機率不同。
4、X射線成像原理小朋友你是否有很多問號？我們產生了X射線後要幹什麼呢？
當然是根據X射線的特徵，以及其強大的穿透能力進行成像啦！
X射線在穿過物體時，與物體之間產生吸收和散射作用，這導致X射線強度衰減，這是X射線成像的重要基礎。實驗表明，X射線穿過物質的厚度越厚，其強度衰減率越高。某一波長的X射線穿過物體時的衰減規律滿足比爾定律：
I為射線穿過物體經過衰減後的強度，I0為射線的入射強度，μ為該物體在該波長X射線照射下的線性衰減係數，t為物體的厚度。一般來說，X射線的衰減是物質對射線的吸收與散射共同作用的結果，因此上式中衰減係數μ被認為是吸收係數與散射係數的和。在X射線的實際衰減過程中，射線因吸收而導致的衰減佔主要部分，遠大於散射所導致的衰減，因此常將因射線散射而導致的衰減忽略。
當一定強度的X射線透射物質時，射線的波長保持不變，當X射線穿過高密度或厚度較大的物體時，X射線強度衰減較大；穿透低密度或較薄的物體時，相同強度的X射線的衰減較小。因此，在一次曝光中，一定強度的X射線穿過不同物質，或者相同物質不同厚度時，會得到亮度明暗差別較大的影象。
當射線束穿過被檢測物體時，如果在物體的某個區域存在缺陷，或者在射線透照方向上存在結構差異，就會造成物體對射線的衰減產生差異，透過探測器採集到的影象就可以分析出被測物內部的缺陷和結構差異。
上圖為射線檢測的基本原理圖，入射X射線的強度為I0，穿過厚度為T的被測物體，被測物內部有厚度為ΔT的缺陷，被測物體的線性衰減係數為μ，射線穿過沒有缺陷和有缺陷區域的一次射線強度分別為ID和ID"，沒有缺陷和有缺陷區域的散射射線強度為IS和IS"，沒有缺陷和有缺陷區域的總透射強度為I和I’。
總透射強度可由一次射線強度和散射射線強度組合表示：
實際中ΔT遠小於T，因此可認為IS和IS"相等，所以可得：
對於一次射線，根據比爾定律可以得出：
由於式μΔT表示的值很小，根據泰勒公式近似：
缺陷的衰減係數記為μ’，經過進一步推導（過程略去）可得：
ΔI/I表示的是物體的對比度，表示了射線成像的基本原理，即得出了缺陷和本體之間的對比度關係。由上式可以看出，射線檢測缺陷的能力，與射線的能量、在射線透照方向上缺陷的尺寸、射線散射等相關。檢測原理是根據物體不同部位對射線衰減的差異，透過探測器採集到這種差異訊號，並將其轉換為數字影象，然後從影象中提取出物體的內部結構、質量狀態等重要資訊，然後對其分析處理。
5、X射線影象採集系統X射線數字射線成像(Digital Radiograph, DR)和工業計算機斷層掃描（Industrial Computed Tomography, ICT）是工業無損檢測領域中的兩個重要技術分支。DR檢測技術，是20世紀90年代末出現的一種實時的X射線數字成像技術。相對於現今仍然普遍應用的射線膠片照相，DR檢測最大的優點就是實時性強，可以線上實時地對生產工件結構介質不連續性、結構形態以及介質物理密度等質量缺陷進行無損檢測，因此在快速無損檢測領域裡有廣闊的發展前景。
ICT技術是一種融合了射線光電子學、資訊科學、微電子學、精密機械和計算機科學等領域知識的高新技術。它以X射線掃描、探測器採集的數字投影序列為基礎，重建掃描區域內被檢試件橫截面的射線衰減係數分佈對映影象。
DRDR系統一般由射線源、待測物、探測器、影象工作站等幾部分構成。目前在工程實際中應用的探測器主要分為兩種：影象增強器和非晶矽探測器。影象增強器首先透過射線轉化屏將X射線光子轉換為可見光，然後透過CCD（Charge Coupled Device）相機將可見光轉化為影片訊號，可在監視器上實時顯示，也可透過A/D採集卡轉化為數字訊號輸入到計算機顯示和處理。非晶矽探測器採用大規模整合技術，集成了一個大面積非晶矽感測器陣列和碘化銫閃爍體，可以直接將X光子轉化為電子，並最終透過數模轉換器（ADC）轉變成為數字訊號。
X射線數字成像技術廣泛應用於航空、航天、兵器、核能、汽車等領域產品和系統的無損檢測、無損評估以及逆求，檢測物件包括導彈、火箭發動機、核廢料、電路板、發動機葉片、汽車發動機氣缸、輪胎輪轂等，在工程質量監督和產品質量保證方面發揮著極其重要的作用，正逐漸成為發展現代化國防科技和眾多高科技產業的一種基礎技術。
電路板檢測：
焊縫檢測：
CT檢測X射線CT是國內研究最為廣泛的CT成像方法之一，CT影象重建方法是CT基礎研究的核心。CT影象重建的任務是由CT資料重建被測物體的CT影象。
錐束CT是指基於面陣列探測器的CT成像方法，其中錐束指X射線源焦點與面陣列探測器所形成惟形射線束。與傳統基於維線陣列探測器的扇束CT相比，錐束CT每次可以獲得一幅二維影象，具有射線利用率高和各向解析度相同等優點。
當我們獲取了一定數量的投影資料後，便可以根據不同掃描方式下的不同CT重建演算法，重建出待測物體的斷層影象。
典型CT斷層影象：