在日常生活中，我們熟悉的CT大多出現(xiàn)在醫(yī)院，醫(yī)生通過它來判斷身體內(nèi)部的健康狀況?？墒悄阒绬幔窟@項(xiàng)技術(shù)早已“走出醫(yī)院”，進(jìn)入了科研和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，并且分辨率提升到了微米甚至亞微米級(jí)，能揭示各種材料、生命科學(xué)和文物的內(nèi)部奧秘。這就是顯微CT。

本篇文章我們帶大家全面認(rèn)識(shí)顯微CT，它與 X-ray 設(shè)備、掃描電鏡和超聲檢測(cè)有何不同，又能在哪些領(lǐng)域發(fā)揮作用。

PART.01  顯微CT的誕生與發(fā)展

1895年，德國(guó)物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴（Wilhelm Conrad R?ntgen）在研究陰極射線時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了一種能夠穿透人體和物體的新型射線。他用妻子的手做了第一張X光片，從此揭開了醫(yī)學(xué)與材料檢測(cè)“透視時(shí)代”的序幕。倫琴也因此獲得了首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

倫琴夫人手的 X 射線照片，攝于 1895 年 12 月 22 日

此后一個(gè)多世紀(jì)，X 射線成像不斷發(fā)展，從早期的平面投影，到后來出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT），實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體和物體內(nèi)部的三維重建。傳統(tǒng)CT多用于醫(yī)學(xué)診斷，而在科研和工業(yè)檢測(cè)中，人們需要更高的分辨率、更精細(xì)的結(jié)構(gòu)觀察，于是“顯微CT”（Micro-CT）應(yīng)運(yùn)而生。

PART.02  顯微CT的成像原理

顯微 CT 技術(shù)利用 X 射線照射樣品，通過探測(cè)器記錄透射的 X 射線強(qiáng)度分布，再利用計(jì)算機(jī)算法重構(gòu)出樣品的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其獨(dú)特之處在于能夠在非破壞的情況下，提供高分辨率和三維圖像。

顯微 CT 技術(shù)可以無損地提供詳細(xì)的材料三維內(nèi)部信息，包括：

1結(jié)構(gòu)信息：如直徑、體積、表面積、圓度、連通性、空間分布......

2密度信息：如空腔孔隙、元素輕重、成分分布......

3三維模型：如有限元分析、3D 打印......

PART.03  顯微CT的應(yīng)用

顯微 CT 技術(shù)因其非破壞性、超高分辨率和三維成像能力，成為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的工具。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于骨科、農(nóng)業(yè)、考古、3D打印、制藥、材料科學(xué)、地質(zhì)、食品科學(xué)、電子半導(dǎo)體、鋰電、汽車制造、航空航天等行業(yè)。以下結(jié)果均使用 Neoscan 高分辨顯微 CT 進(jìn)行觀測(cè)成像。

PART.04  顯微CT 與 X-Ray 的區(qū)別

很多人會(huì)把顯微CT和常見的 X-Ray 設(shè)備混為一談，實(shí)際上兩者雖然都利用 X 射線原理，但成像方式和應(yīng)用場(chǎng)景差別很大。

X-Ray和顯微CT的區(qū)別（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）

成像方式不同：

• X-Ray設(shè)備：通過一次曝光獲得二維投影圖像，類似一張黑白照片，物體內(nèi)部不同密度區(qū)域會(huì)在圖像上疊加。

• 顯微CT：樣品在X射線源和探測(cè)器之間旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)采集成百上千張投影圖像，經(jīng)過計(jì)算機(jī)斷層重建，生成樣品的三維結(jié)構(gòu)。

信息維度不同：

• X-Ray設(shè)備：只能看到“疊加后的陰影”，難以分辨前后層次。

• 顯微CT：可以像“切片”一樣逐層觀察，獲得清晰的內(nèi)部三維模型。

分辨率與適用范圍不同：

• X-Ray設(shè)備：成像速度快、范圍大，適合工業(yè)無損檢測(cè)中快速發(fā)現(xiàn)大缺陷，比如焊點(diǎn)是否空洞、零件是否有裂紋。

• 顯微CT：分辨率更高，可達(dá)微米甚至亞微米級(jí)，能夠解析材料內(nèi)部的微孔、纖維、組織細(xì)節(jié)，更適合科研、精密制造和結(jié)構(gòu)分析。

PART.05  顯微CT與掃描電鏡的區(qū)別

顯微CT和掃描電鏡都是微觀研究的重要工具，但兩者關(guān)注的方向不同。

掃描電鏡利用電子束掃描樣品表面，分辨率很高，可達(dá)納米級(jí)，能呈現(xiàn)清晰的表面形貌與晶粒細(xì)節(jié)。但它只能看到表層，無法揭示內(nèi)部信息，而且樣品通常需要導(dǎo)電處理或噴金。

掃描電子顯微鏡成像原理圖

顯微CT則依靠 X 射線穿透成像，能夠展示樣品的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其適合研究材料的孔隙網(wǎng)絡(luò)、裂紋走向以及多相分布。它的分辨率雖然低于電鏡，但能看到電鏡無法觸及的“深處”。

兩者常常結(jié)合使用：先用顯微CT發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，再切片配合電鏡分析細(xì)節(jié)。

使用Neoscan 顯微CT先定位IC樣品通孔位置

樣品經(jīng)離子研磨處理后放入飛納電鏡觀察細(xì)節(jié)

PART.06  顯微CT 與 超聲檢測(cè)的區(qū)別

超聲檢測(cè)依靠聲波在材料中傳播時(shí)的反射來判斷缺陷位置，常用于大型構(gòu)件的無損檢測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是穿透深度大，能在厚壁材料中發(fā)現(xiàn)裂紋，但分辨率較低，結(jié)果更多依賴信號(hào)解釋，難以直觀展示缺陷形態(tài)。

超聲檢測(cè)成像原理圖（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

顯微CT使用 X 射線而非聲波，分辨率更高，成像結(jié)果是清晰的三維影像。它特別適合中小型樣品的精細(xì)結(jié)構(gòu)研究，可以直觀地看到裂紋走向、孔隙分布及材料界面。

PART.07  總結(jié)

因此，顯微CT可以與其他檢測(cè)手段配合使用，形成互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。通過這種多技術(shù)組合，科研人員和工程師能夠在不同尺度上獲得全面的樣品信息：顯微CT無損三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，電鏡補(bǔ)充高分辨表面細(xì)節(jié)，X-Ray 和超聲檢測(cè)實(shí)現(xiàn)快速預(yù)篩選和整體評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)更精確、更高效的檢測(cè)與分析。