что значит фокальное пятно
Фокусное пятно рентгеновской трубки
Фокус рентгеновской трубки – важная характеристика всех рентгеновских трубок, которая влияет на качество получаемых изображений.
Определение фокусного пятна
Напомним основное устройство рентгеновской трубки. В стеклянной колбе на разных ее концах впаяны два электрона – анод и катод. При подаче напряжения на катод с него испускается поток электронов, которые разгоняются и затем резко тормозят от столкновения с поверхностью анода. Поверхность анода, обращенная в сторону катода, называется зеркалом анода. От удара о зеркало анода кинетическая энергия электронов преобразуется в большое количество тепла и в небольшое количество рентгеновского излучения.
Участок анода, с которым происходит столкновение электронов, называется фокусное пятно рентгеновской трубки. Весь анод не участвует в генерации рентгеновского излучения – фокус представляет собой небольшой круглый или прямоугольный участок. Некоторые трубки снабжаются двумя фокусами разного размера – для разных целей визуализации.
Размеры и форма фокуса
В зависимости от изменения размера и формы пучка электронов меняется форма и размер фокусного пятна рентгеновской трубки. Форма и размер электронного потока, в свою очередь, зависит от формы катода и фокусирующих устройств.
Обычно встречаются следующие размеры фокусного пятна:
От размеров фокуса зависят оптические свойства трубки. При уменьшении фокуса повышается четкость и резкость изображения, так как источник рентгеновских лучей становится подобен точечному источнику. То есть при малых размерах фокусного пятна повышается максимальная разрешающая способность формируемой картинки в рентгеновском аппарате.
Ограничения фокуса
В связи с тем, что при генерации рентгеновских лучей выделяется большое количество тепла, поверхность анода быстро нагревается, а глубинные слои анода при этом практически не меняют температуру. Чтобы исключить деформацию анодной дорожки, возникновение на ней трещин и шероховатостей, применяются следующие технологии:
Оптический и действительный фокус
Двухфокусные трубки
Рентгеновская трубка с двумя фокусами имеет две нити накала на катоде, которые создают пучки электронов разного сечения. За счет этого возможно применение одной и той же трубки для исследования разных структур организма. В случаях, когда необходима высокая мощность, используется большой фокус, если же необходимо получить снимки с высоким качеством, то применяют малый фокус.
Фокальное пятно
При подаче на электроды трубки накального и анодного электропитания катод разогревается и начинает испускать поток электронов, которые под действием анодного напряжения разгоняются и устремляются к аноду. Достигнув анода, электроны тормозятся на его ФП, а их кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию и рентгеновское излучение. Доля рентгеновского излучения составляет несколько процентов, а основная часть приходится на тепло, что приводит к быстрому и сильному нагреву материала анода.
Чтобы не допустить разрушения анода, его зеркало изготавливается из тугоплавких металлов – в основном из вольфрама. На практике существует несколько понятий ФП. Участок зеркала анода, на который падает поток электронов, называется истинным или действительным фокусом трубки, а его проекция в направлении рентгеновского излучения – оптическим фокусом. Именно оптический фокус наряду с фокусным расстоянием является одной из определяющих характеристик рентгеновской трубки. Для изменения размера оптического фокуса в настоящее время применяется различный угол скашивания анода по отношению к направлению электронного потока: чем меньше угол – тем меньше ФП и наоборот. В радиационных дефектоскопах применяются рентгеновские трубки, как с круглыми, так и с линейными ФП размером от 0,3 до 10 мм, в зависимости от выполняемых задач.
Оптические свойства трубки напрямую зависят от формы и размеров ФП. При стремлении ФП к размеру точечного источника излучения формируется картинка с максимальной разрешающей способностью и высокой резкостью и чёткостью изображения. По мере увеличения размеров ФП появляется и растёт размытость контуров изображения, снижается его чёткость. Однако уменьшение размеров ФП влечёт за собой снижение интенсивности рентгеновского излучения, а это в свою очередь, вызывает необходимость увеличивать время экспозиции детектора. При бо́льших размерах ФП возможно увеличение электрической нагрузки трубки, что приведёт к снижению временны́х затрат и повышению производительности труда в работе с аппаратом. На практике приходится искать компромисс между качеством контроля и его оперативностью.
Критерии выбора рентгеновской трубки
Дэвид Бернард (David Bernard)
Перевод: Ольга Зотова
Введение
Когда рассматривается вопрос о приобретении системы рентгеновского контроля, то о ней иногда думают как о системе АОИ. Тем не менее, рентгеновский контроль абсолютно отличается от АОИ, и его нужно рассматривать совершенно в другом аспекте. В статье речь пойдет о двумерных (или 2D) системах рентгеновского контроля и будет сделана попытка выделить ключевые моменты, на которые нужно обратить внимание, анализируя пригодность системы для выполнения той или иной задачи. Автор не будет говорить о трехмерных (3D) системах рентгеновского контроля с функцией компьютерной томографии.
Двумерная система рентгеновского контроля улавливает рентгеновские лучи, которые проходят через исследуемый образец, и переводит их в изображение, которое видит оператор. Объекты, находящиеся на исследуемом образце и сделанные из материала, плотность которого выше, чем плотность близлежащих объектов, поглощают больше рентгеновского излучения и отбрасывают тень на приемное устройство (рис. 1). Таким образом, например, припой и медные дорожки выглядят более темными по сравнению с ламинированной печатной платой. Достижение наилучшего результата рентгеновского контроля для той или иной задачи зависит от выбора пригодной для выполнения этой задачи системы рентгеновского контроля.
Рис. 1. Принцип работы двумерной системы рентгеновского контроля
Рентгеновские трубки открытого и закрытого типа
Неважно, о какой именно системе идет речь, неважно, какого именно производителя, но сердцем всех систем является рентгеновская трубка. Рентгеновская трубка — это устройство, излучающее рентгеновские лучи. В сущности, рентгеновская трубка — это цилиндр, в котором создан вакуум и в котором возникают электроны, ускоряемые напряжением, они и бомбардируют металлическую мишень. В результате бомбардирования электронами мишени и создаются рентгеновские лучи. Вакуум необходим в трубке для того, чтобы электроны могли достичь мишени и не рассеяться.
Традиционно в системах рентгеновского контроля использовались так называемые трубки закрытого типа (рис. 2), где вакуум создавался на заводе-изготовителе, после чего трубка запечатывалась, и ее нельзя было открывать. В последние годы для контроля печатных плат и полупроводниковых изделий стали более популярны рентгеновские трубки открытого типа, или обслуживаемые трубки (рис. 3). Потому что они позволяют получить изображение большего разрешения с большим увеличением, а также потому, что их можно самостоятельно обслуживать (то есть в них есть доступ к изнашиваемым элементам: нити и мишени). Вакуум же в трубках открытого типа создается с помощью вакуумного насоса, поставляемого вместе с системой рентгеновского контроля.
Рис. 2. Рентгеновская трубка закрытого типа с отражательной мишенью
Рис. 3. Однофазовая рентгеновская трубка открытого типа с прострельной мишенью
Характеристики рентгеновских трубок
Ключевые характеристики рентгеновских трубок, определяющие их возможности (рис. 3):
Сравнение характеристик рентгеновских трубок
Если сравнить рентгеновские трубки и системы различных производителей, то станет понятно, что описанные выше характеристики будут отличаться, что скажется на качестве получаемого рентгеновского изображения. Именно поэтому следует обращать внимание на эти отличия, чтобы выбрать лучшую трубку и систему именно для той задачи, которая стоит перед вами. Но, выбирая трубку, следует учесть соотношение характеристик трубки и всей системы рентгеновского контроля, чтобы обе были и надежными, и полностью пригодными для выполнения необходимых задач. Как будет показано дальше, существуют способы достичь максимального разрешения рентгеновского изображения, но, правда, ценой работы только с некоторыми образцами и в особых условиях. Такие решения могут быть приемлемы для некоторых лабораторий, но совершенно неприемлемы, например, для работы с большей частью печатных плат. При сравнении рентгеновских трубок/систем первый выбор, который нужно сделать, — между трубкой открытого и закрытого типа.
Минимальные распознаваемые элементы изображения
Говоря о технических характеристиках систем, большинство производителей вместо термина «фокальное пятно» используют термин «минимальный распознаваемый элемент изображения». В нем учитывается влияние элементов, участвующих в формировании изображения, и различимые элементы.
В трубках и открытого, и закрытого типа, чем меньше формируемое на мишени электронами фокальное пятно, тем лучше разрешение рентгеновской трубки. В идеальной ситуации рентгеновская трубка формирует бесконечно маленькое фокальное пятно. В этом случае получаются очень четкие изображения. В реальности фокальное пятно рентгеновской трубки не может быть бесконечно малым. Чем больше пятно, тем больше размыты контуры и больше ограничено разрешение получаемого изображения. Как показано на рис. 4, это особенно видно по контуру исследуемого объекта. В результате конечное изображение получается не очень четким.
Рис. 4. Влияние размера фокального пятна на качество получаемого изображения
Мощность трубки
В трубках и открытого, и закрытого типа с уменьшением размера фокального пятна существенно увеличивается плотность энергии на мишени. Например, если мощность трубки составляет 1 Вт на точку размером 1 микрон, то для получения такой же плотности энергии для фокального пятна в 20 микрон нужно 400 Вт. Хотя это значение и не кажется большим, но высокая плотность энергии при маленьком размере фокального пятна приводит к нагреву элементов системы, что необходимо устранять. Такое энергетическое воздействие приводит к изменению/разрушению поверхности мишени, в результате чего со временем мишень придется менять. Если мишень тонкая, например, если это просветная мишень, то изменение ее поверхности приведет к исчезновению «активного» слоя и необходимости проводить обслуживание мишени. Даже если мишень сделана из толстого материала, например, если это отражательная мишень, то изменения ее поверхности все равно произойдут, но гораздо позже, чем в случае с просветной мишенью, что также повлечет замену мишени. Широко используемые трубки закрытого типа нельзя обслуживать: если мишень или нить приходят в негодность, то меняют всю трубку целиком.
Плотность энергии на мишени — также одна из основных причин того, что размер фокального пятна в трубках закрытого типа составляет, в лучшем случае, 5 микрон (обычно 8-20 микрон) по сравнению с 1-2 микронами в трубках открытого типа. Из-за большой стоимости замены трубок в случае выхода из строя производители трубок закрытого типа вынуждены искать компромисс между размером фокального пятна и сроком службы трубки. Поэтому с течением времени характеристики установленной на заводе трубки закрытого типа с отражательной мишенью ухудшаются. Заводские технические характеристики действительны непродолжительное время с начала эксплуатации, хотя сама трубка может работать долго. В трубках же открытого типа доступ к сменным элементам (нити и мишени) не закрыт, поэтому восстановить их заводские характеристики очень просто.
Сравнивая технические характеристики трубок открытого и закрытого типа, мощность трубки нужно соотносить с размером фокального пятна. То есть для трубок закрытого типа часто заявляется гораздо большая мощность, чем для трубок открытого типа, но такая мощность достижима только при самом большом размере фокального пятна, которое форми руют эти трубки. Для работы же с печатными платами и полупроводниковыми изделиями всегда желательны маленькие размеры фокального пятна: из-за размеров объектов, с которыми приходится работать. Поэтому здесь правильнее будет выбирать трубку, учитывая и размеры объектов, которые будут исследоваться. Например, если размер формируемого трубкой фокального пятна составляет 20 микрон, а размер объекта, который нужно исследовать, — 25 микрон (например, золотая перемычка в корпусе компонента), то такая трубка абсолютно непригодна для этой цели. Размер же исследуемых элементов все время уменьшается, поэтому для проведения рентгеновского контроля понадобятся все меньшие размеры фокального пятна.
Для охлаждения производители предпочитают использовать в трубках воздух, а не воду, так как это проще и требует меньшего технического обслуживания. Эксплуатационные же преимущества воздушного охлаждения, тем не менее, ограничивают возможные размеры используемого фокального пятна и мощности трубки из-за ограничений теплообмена по сравнению с водным охлаждением.
Фокусировка и низкие значения напряжения
В трубках закрытого типа обычно используется одноэтапная фокусировка для формирования фокального пятна. В трубках открытого типа может использоваться одноэтапная или двухэтапная фокусировка. Трубки открытого типа с двухэтапной фокусировкой, возможно вместе с дополнительными апертурами, иногда называются нанофокусными трубками. Нанофокусные трубки отличаются еще большим разрешением по сравнению с обычными трубками открытого типа, потому что направленный на мишень поток электронов еще более сфокусирован и сжат. В результате формируется более узкое фокальное пятно, но, правда, за счет ограничения эксплуатационных качеств (смотрите ниже раздел, посвященный эксплуатационным характеристикам).
Неважно, как именно производится фокусировка, но чем меньший размер фокального пятна необходим, тем меньшее ускоряющее напряжение используется. Меньшее ускоряющее напряжение необходимо потому, что хотя электроны и фокусируются в небольшую точку на мишени, они все-таки «расползаются» и формируют рентгеновские лучи на более широкой площади, то есть увеличивают фокальное пятно. Такое «расползание» уменьшается в просветных мишенях, потому что глубина тонкого слоя вольфрама ограничивает расползание электронов. В идеальной ситуации для просветных мишеней нужен бесконечно тонкий слой. В реальности же нужно искать компромиссную толщину, иначе мишень будет разрушаться очень быстро, и понадобится ее часто менять. В большинстве случаев работать с такой трубкой будет неудобно. Уже говорилось, что на просветной мишени слой тоже не может быть слишком толстым, так как часть лучей с низким напряжением будет поглощаться мишенью. Лучшее компромиссное решение при работе с печатными платами — использовать умеренный поток рентгеновского излучения с низким ускоряющим напряжением (кВ) и умеренным сроком службы трубки, в результате чего будут достигнуты оптимальные эксплуатационные параметры.
Увеличение
Используемые для рентгеновского контроля системы — это теневые микроскопы (рис. 1). Геометрическое увеличение системы рентгеновского контроля — это соотношение расстояния от фокусной точки до устройства формирования изображения и расстояния от фокусной точки до исследуемого образца (рис. 5 и 6). При работе с печатными платами и полупроводниковыми изделиями в качестве устройства формирования изображения чаще всего используется усилитель изображения, который сменил используемую ранее рентгеновскую пленку.
Рис. 5.Геометрическое увеличение
Рис. 6. Геометрическое увеличение в трубках открытого и закрытого типа
Из-за особенностей конструкции рентгеновской трубки закрытого типа фокусная точка в таких трубках должна быть удалена от выхода трубки из-за изоляции, необходимой для работы с ускоряющим напряжением в 10 кВ между анодом и катодом. Это приводит к большому минимальному расстоянию, на которое исследуемый образец может быть приближен к фокусной точке трубки закрытого типа (обычно это 15 мм и больше, рис. 2 и 6), если сравнивать с трубкой открытого типа. Если используется трубка открытого типа с просветной мишенью, то исследуемый образец можно положить на окно трубки на расстоянии 0,25-0,5 мм от фокального пятна (рис. 3 и 6). Такие различия напрямую влияют на возможности увеличения.
Давайте рассмотрим пример. Если взять трубку открытого и закрытого типа и установить их в одну и ту же систему рентгеновского контроля, то расстояние между фокальным пятном и изображением на устройстве формирования изображения будет одинаковым для обеих трубок, например 350 мм. При этом максимальное геометрическое увеличение трубки закрытого типа будет 350/15 или
23х. (Предположительно, минимальное расстояние от фокального пятна до исследуемого образца составляет 15 мм.) Для трубки открытого типа с минимальным расстоянием от фокального пятна до образца 0,25 мм максимальное геометрическое увеличение составит 350/0,25 или
Разницу возможностей увеличения трубок открытого и закрытого типов можно увидеть на рис. 7 и 8. На рис. 7 показано оптическое изображение тонкой платы с флип-чипом диаметром 6,35 мм в середине. Ниже показано рентгеновское изображение этой же платы. Обратите внимание на то, что ранее скрытые соединения флип-чипа и других компонентов видны.
Рис. 7. Оптическое изображение и рентгеновское изображение печатной платы с флип-чипом в середине, полученное системой рентгеновского контроля Dage
Рис. 8. Максимально возможное увеличение исследуемого образца, показанного на рис. 7, возможное при его исследовании трубкой: а) закрытого типа; б) открытого типа
На рис. 8 для получения изображений соединений флип-чипа использовалась трубка отрытого типа (рис. 7). Исследуемый образец был положен в рентгеновской системе на оснастку таким образом, чтобы он находился как можно ближе к фокусной точке, насколько это возможно при работе с трубкой открытого и закрытого типа, то есть 0,5 мм плюс толщина оснастки для трубки открытого типа и
15 мм, плюс толщина оснастки для трубки закрытого типа. Разница увеличения очевидна. Диаметр шарика на рис. 7 — 189 мкм.
На рис. 8 не показана разница в качестве изображений, которая возникает при работе с трубками закрытого типа. Оба изображения получены компанией Dage с помощью трубки открытого типа. Чтобы имитировать условия работы с трубкой закрытого типа, расстояние от фокального пятна до образца было настроено на изображении слева. Но разницу можно увидеть на рис. 9 и 10: здесь показан один и тот же исследуемый образец, изображение которого получено с помощью трубок закрытого и открытого типа.
Рис. 9. Изображение, полученное компанией Dage с помощью рентгеновской трубки открытого типа
Рис. 10. Изображение исследуемого образца (рис. 9), полученное с помощью рентгеновской трубки закрытого типа
Если сравнивать изображение, полученное с помощью трубки открытого типа (рис. 9), и изображение, полученное с помощью рентгеновской трубки закрытого типа (рис. 10), то на последнем трудно увидеть повреждения золотых перемычек. Кроме того, рентгеновская трубка открытого типа позволяет сильнее увеличить изображение, чтобы можно было тщательнее исследовать перемычки на предмет повреждений (рис. 11).
Рис. 11. Увеличение изображения исследуемого образца, показанного на рис. 9, в системе Dage
Так как геометрическое увеличение зависит от расстояния от фокального пятна до устройства формирования изображения, то может показаться, что увеличение этого расстояния улучшит технические характеристики системы. Хотя геометрическое увеличение и станет больше по значению, в этом случае придется смириться с существенным ослаблением интенсивности потока рентгеновского излучения и удара электронов об устройство формирования изображения. Поток рентгеновского излучения будет уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, если увеличить расстояние от фокального пятна до устройства формирования изображения в два раза, то интенсивность потока электронов и их удара о приемное устройство уменьшится в четыре раза. Поэтому производители вынуждены искать компромисс между приемлемыми для работы размерами оборудования, которое можно будет втиснуть в дверной проем и т. д., и возможностью быстрого получения качественного изображения без необходимости долго ждать, пока усредненный сигнал преодолеет снижение интенсивности потока электронов.
Иногда производители заявляют о максимальном увеличении, возможном в их системах, объединяя геометрическое увеличение и увеличение цепочки элементов, участвующих в формировании изображения и выводе изображения на мониторе. Это называется системным или полным увеличением. Геометрическое увеличение позволяет точнее сравнить системы рентгеновского контроля, чем общее увеличение, так как вывод конечного изображения на большой монитор повышает общее увеличение изображения, но не меняет геометрическое увеличение и не повышает разрешение или другие характеристики изображения.
Яркость нити
Рентгеновские трубки созданы таким образом, чтобы фокусировать на мишени созданное на нити электронное облако. Величина проходящего через нить тока в трубке открытого типа влияет на количество излучаемых электронов. А это, в свою очередь, влияет на количество электронов, ударяющихся о мишень, а значит, влияет на яркость конечного рентгеновского изображения. Из этого можно предположить, что толстая нить сможет работать с более высоким током накала, вырабатывать больше электронов и отличаться большим сроком службы. На самом же деле, чтобы достичь максимальной термоэлектронной эмиссии и создать концентрированное облако электронов, направленных с ускорением в минимально возможную фокусную точку, в трубке открытого типа для нити стандартно используется «петля» из тонкой (обычно вольфрамовой) проволоки. Это автоматически ограничивает ток накала, при котором может работать нить, не разрушаясь очень быстро. Если использовать проволоку большего диаметра и менее заостренную форму петли, то сила тока накала нити увеличится, но за счет формируемого фокального пятна.
Эксплуатационные характеристики
Производители изо всех сил стараются уменьшить размеры фокального пятна, используя описанные выше приемы, чтобы угнаться за все уменьшающимися размерами компонентов, но за это приходится платить. Например, с уменьшением размеров фокального пятна существенно уменьшается поток рентгеновского излучения, в результате чего получается тусклое изображение и приходится прибегать к более продолжительному «облучению», чтобы получить изображение приемлемого качества. Поэтому если на то, чтобы получить изображение самого высокого разрешения, уходит много времени, то это может быть непрактично, за исключением случаев использования системы в сугубо научных целях, где требуется особое внимание к процессу получения данных каждого измерения. Кроме того, если получение изображения длится в течение нескольких минут и больше, то вибрация системы рентгеновского контроля может отрицательно сказаться на разрешении трубки, если не использовать какие-то дополнительные приспособления/условия для работы. Поэтому использование самого высокого разрешения может быть нецелесообразным на производственном участке, а пригодным только для проведения испытаний.
Если использовать самое низкое ускоряющее напряжение (кВ), то, чтобы добиться наилучшего разрешения, придется ограничивать типы исследуемых образцов. Обычно наилучшее разрешение изображения получается при использовании в трубке напряжения менее 50 кВ. Если исследуемый образец не очень плотный и/или тонкий, то такое ускоряющее напряжение в этих условиях будет приемлемым. Но обычно при работе с печатными платами такие условия не выполнимы, потому что сами платы отличаются достаточной плотностью для поглощения большей части (если не всех) лучей.
Стандартный корпус компонента также может поглощать рентгеновские лучи, что приводит к невозможности проведения качественного анализа при таком разрешении, не прибегая к необходимости как-то изменять исследуемый образец. Таким изменением может быть: демонтаж компонента с печатной платы, снятие корпуса, изменение толщины образца и т. д. Учитывая все это, исследователь понимает, что использование рентгеновских трубок с очень высоким разрешением ограничивается только лабораториями анализа причин отказов, где можно уделять больше внимания каждому отдельному исследуемому образцу. Но в реальных производственных условиях для контроля качества изделий и технологического процесса из-за ограничений по времени столь тщательный анализ образца не производится. Поэтому перед приобретением системы рентгеновского контроля будет правильным решить, какие нужны технические характеристики трубки для планируемого применения системы.
Некоторые производители прибегают к дальнейшему снижению толщины мишени для уменьшения фокального пятна и улучшению геометрического увеличения. Но в этом случае тонкая мишень будет быстрее разрушаться направленным пучком электронов, а значит, ее нужно будет чаще менять. Это может быть приемлемо для лаборатории, где можно соблюдать особые условия работы, но совершенно непригодно для производства.
Заключение
В поставляемых системах рентгеновского контроля могут быть трубки различной конструкции, причем каждый тип трубки пригоден для выполнения определенной задачи (таблица). Трубки закрытого типа представляют собой необслуживаемую конструкцию с достаточно длительным сроком службы (по сравнению с трубками открытого типа), но заводские технические характеристики достижимы только в начале срока службы этих трубок. Трубки закрытого типа также позволяют достичь меньшего разрешения и увеличения изображения по сравнению с трубками открытого типа. Затраты на замену расходных материалов (нити и мишени) в трубке открытого типа с заменой всей трубки закрытого типа несопоставимы. Поэтому стоимость владения системой рентгеновского контроля с трубкой закрытого типа будет намного выше.
Таблица. Характеристики рентгеновских трубок открытого и закрытого типа