热成像原理

常规的无损检测技术如射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等，这些方法在实践应用中都有各自的缺点及局限性。红外热成像无损检测技术是近年来应用逐渐广泛的一种新兴检测技术，广泛应用于航空航天、机械、医疗、石化等领域。与其他的无损检测技术相比，红外热成像技术的特点有：1. 测量速度快，因为红外探测器通过物体表面发射的红外辐射能来测得物体表面的温度，所以响应极快，能测得迅速变化的温度场；2. 非接触性，拍摄红外图片时，红外摄像仪与被测物体是保持一定距离的，对被测温度场没有干扰，操作安全、方便；3. 测量结果直观形象，热像图以彩色或黑白的图像形式对结果进行输出，从图上可以方便地读取各点的温度值，并且热像图中还包含有丰富的与被测物体有关的其它信息；4. 测温范围广，由于是采用辐射测温，与玻璃测温计和热电偶测温计相比，测温范围大大扩展，理论上可从绝对零度到无穷大；5. 测量精度高；6. 易于实现自动化和实时观测。红外热成像无损检测原理红外线是一种电磁波，为0.78~1000 μm，可分为近红外、中红外和远红外。任何物体只要不是绝对零度，都会因为分子的旋转和振动而发出辐射能量。红外辐射是其中一种，如果把物体看成是黑体，吸收所有的入射能量，则根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，在全波长范围内积分可得到黑体的总辐射度为：式中：为黑体的光谱辐射度；c1、c2为辐射常数，c1=3.7418×108 Wm-2μm4，c2=1.4388×104 μmK；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，为5.67×10-8 Wm-2K-4。实际大部分人工或天然材料都是灰体，与黑体不同，灰体材料的发射率ε≠1，灰体表面能反射一部分入射的长波（λ＞3 μm）辐射，因此灰体表面的辐射由自身发射的和环境反射的两部分组成，用红外探测器可直接测量灰体发射和反射的总和Map，但无法确定各自的份额。通常假设物体表面为黑体，将Map称为表观辐射度，为便于理解，一般将其转换为人们较熟悉的温度单位，称为表观温度Tap，即：上述表观温度Tap即为红外探测器测量所得温度，在无损检测中测量距离一般较近，可以忽略大气的影响，故被测物体的表面发射率ε的取值是否准确是影响测量精度的关键因素。检测方式1. 主动式检测为了使被测物体失去热平衡，在红外热成像无损检测时为被测物体注入热量。被测物体内部温度不必达到稳定状态，内部温度不均匀时即可进行红外检测的方法即为主动式红外检测。该种检测方式是人为给试样加载热源的同时或延迟一段时间后测量表面的温度场的分布。从而确定金属、非金属、复合材料内部是否存在孔洞、裂缝等缺陷。2. 被动式检测被动式红外热成像无损检测利用周围环境的温度与物体温度差，在物体与环境进行热交换时，通过对物体表面发出的红外辐射进行检测缺陷的一种方式。这种检测方法不需要加载热源，一般应用于定性化的检测。被测物本身的温度变化就能显示内部的缺陷。它经常被应用于在线检测电子元器件和科研器件及运行中设备的质量控制。红外热成像技术在无损检测中的应用1. 材料热物性参数检测与其它的测温技术相比，红外热像仪能迅速、准确地测量大面积的温 值，且测温范围宽。因此，当需要准确测量较大范围的温度边界条件时，红外热像仪具有其它测温仪器不可比拟的优越性。哈尔滨工业大学的研究人员针对焊接温度场中材料的传热系数随温度升高而变化的情况进行了研究，证明了焊接过程热传导系数反演算法的可行性，结合红外热像法与热电偶测量了LY2铝合金固定TIG点焊过程的焊接温度场，通过计算分别获得了加热和冷却过程的热传导系数随温度变化的曲线。热传导反问题的研究，具有广泛的工程应用前景，近年来在热物性参数的识别、边界形状的识别、边界条件的识别、热源的识别等多方面已经取得了很多研究成果。在进行传热反问题研究时，采用红外热像技术测量研究对象的温度图，可以方便快捷地解决温度边界的测量问题，该方法在热传导反问题的研究中已被广泛采用。2. 结构内部损伤及材料强度的检测目前利用红外热像技术进行的结构损伤研究有混凝土内部损伤检测、混凝土火灾损伤研究、焊缝疲劳裂纹检测、碳纤维增强混凝土内部裂纹检测等，由于损伤部位的导热系数的变化，导致红外热像图中损伤位置温度异常。与常规的探伤方法如X射线、超声波等相比，红外热像技术具有不需要物理接触或耦合剂，操作简单方便、无放射性危害等优点。同济大学的研究人员采用红外热像技术对混凝土火灾损伤进行了实验研究，得出了火灾损伤混凝土红外热像的平均温升随时间的变化曲线，及混凝土红外热像的平均温升与其受火温度与强度损失之间的回归方程。将红外热像技术应用于火灾混凝土检测，在国际上尚属首创，突破了传统的检测模式，为进行混凝土的火灾损伤评价开创了一条新途径。但将该方法运用于实际工程检测中，尚有许多问题需要解决，如混凝土强度等级、碳化深度、级配、火灾类型等对检测结果的可靠性的影响，以及检测时的加热措施等。近年在光热红外技术的基础上发展的超声红外技术发挥了红外技术和超声技术的优点，该方法以超声脉冲作为激发源，当超声脉冲在试件中传播遇到裂纹等缺陷时，缺陷引起超声附加衰减而局部升温，从而利用红外热像技术可以检测出这些裂纹缺陷。南京大学的研究人员将红外热像仪与超声波发射器结合起来，用超声波发射器对有疲劳裂纹的铝合金试件进行热量输入，拍摄红外热图像，与计算机模拟计算结果进行比较，试验表明超声红外热像技术对裂纹缺陷、不均匀结构及残余应力非常敏感。3. 在建筑节能中检测的应用在建筑物节能检测方面，瑞典早在1966年就开始采用红外热像技术检测建筑物节能保温，美国、德国等许多国家的研究人员也都进行过这方面的研究工作。在我国随着对建筑节能要求的提高，建筑物的节能检测势在必行。目前我国对建筑围护结构传热系数的检测多采用建筑热工法现场测量，红外热像技术只作为辅助手段，通过检测围护结构的传热缺陷，综合评价建筑物的保温性能。目前我国红外热像技术在节能检测领域的研究尚属于起步阶段，还没有确定的指标对建筑物的红外热像图进行节能定量评价，由于建筑物立面形式和饰面材料的多样性，编制专用的图像分析与处理软件和建立墙体内外饰面材料的发射率基础数据库成为该项研究中一个重要环节。4. 在建筑物渗漏检测中的应用建筑物的渗漏有由供水管道引起的渗漏和屋顶或外墙开裂引起的雨水渗漏等，由于渗漏部位的含水率和正常部位不一样，造成在进行热传导的过程中二者温度有差异，因而可以用红外热像仪拍摄湿度异常部位墙面的红外热图像，与现场直接观察结果进行对比分析，可以找出渗漏源的位置。结语红外热像技术在无损检测中的应用前景非常广泛，相应的研究工作也取得了初步的研究成果，并逐步地从定性研究走向定量研究，但总体来说在目前尚属起步阶段，能应用于实际工程中的研究成果不多，且多属一些定性的结论，缺乏相应的操作规范。因此，应加强定量研究工作，提高对红外热像图的处理能力。

一、测试原理粒子束成像设备如SEM、FIB等，成像介质为被聚焦后的高能粒子束（电子束或离子束）。以扫描电镜（SEM）为例，通过光学系统内布置的偏转器控制这些被聚焦的高能电子束在样品表面做阵列扫描动作，电子束与样品相互作用激发出信号电子，信号电子经过探测器收集处理后，即可得到由电子束激发的显微图像。图1：偏转器的结构示意（左）；电镜图像（右）基于以上原理，一台粒子束设备在进行显微成像时，其分辨能力与下落至样品表面的粒子束的束斑尺寸相关，束斑的尺寸越小，扫描过程中每个像元之间的有效间距即可越小，设备的分辨本领越高。当相邻的两个等强度束斑其中一个束斑的中心恰好与另一个束斑的边界重合时，设备达到分辨能力极限（图2）。图2：分辨能力极限示意图不考虑粒子衍射效应时，经聚焦后的粒子束截面可视为圆形（高斯斑），其束流强度沿中心向边缘呈高斯分布（图3）。以扫描电镜为例，在光学设计和实验阶段，通常使用直接电子束跟踪和波光计算（direct ray-tracing and wave-optical calculations）方法，来获得聚焦电子束的束斑轮廓。该过程是将电子束的束流分布采用波像差近似算法来计算图像平面上的点展宽函数PSF（Point Spread Function），基于PSF即可估算出包含总探针电流的某一部分（如50%或80%）的圆的直径，从而得到设备的分辨能力水平。图3：高斯斑的截面形状和强度分布示意图但是在设备出厂后，由于粒子束斑尺寸在纳米量级，无法直接测量，因此行业通常使用基于成像的测试方法，测试粒子束设备的分辨能力。 锐利物体边界的边界变化率法是行业目前达到共识的测试粒子束斑尺寸的方法，即使用粒子束成像设备对锐利物体（通常是纳米级金颗粒）进行成像，沿图像中锐利物体的边缘绘制亮度垂直边缘方向的变化曲线，并选取曲线上明暗变化位置一定比例对应的物理距离，来表示设备的分辨率（图4）。为了保证测试准确性，可以在计算机帮助下取数百、数千个锐利边界的亮度变化率曲线求取均值，以获知设备的整体分辨能力。图4：金颗粒边界测量线（上图红线）；测量线上的亮度变化（下左）；取多条测量线后得到的设备分辨率示意（下右）边界变化率曲线上亮度25%-75%位置之间的物理距离d，可以近似认为是粒子探针束流50%时所对应的粒子束斑直径，在粒子束成像设备行业通常用此距离d来最终标识设备的分辨能力。图5：边界变化曲线与高斯斑直径对应示意图二、测试方式「 样品的选择 」金颗粒通常采用CVD或者PVD等沉积生长的方法获得，由于颗粒形核长大的过程可以人工调控，因而最终得到的金颗粒直径的大小可以被人工控制，所以视不同用途，金颗粒的规格也不同。以Ted Pella品牌分辨率测试金颗粒为例，用于SEM分辨率测试的标准金颗粒有五种规格，其中颗粒尺寸较小的高分辨、超高分辨金颗粒（如617-2/617-3）通常用于测试场发射电镜的分辨能力；颗粒尺寸较大的金颗粒（如617/623）通常用于测试钨灯丝或小型化电镜的分辨能力，详细的颗粒尺寸和适用设备见图6。测试时，不合适的金颗粒选择无法准确反映一台电镜的分辨能力。图6：Ted Pella品牌金颗粒规格及适用机型「 SEM光学参数的设置 」分辨率的测试旨在测试设备在不同落点电压下的各个探测器的极限分辨能力，因此，与电子光学相关的成像参数设置需要注意以下内容：（1）视场校准：保证放大倍数、视场尺寸的准确；（2）目标电压：这里特指落点电压，即电子束作用在样品上的真实撞击电压；（3）探测器：不同探测器收取信号的能力不同，因此获得图像的极限分辨能力不同，因此都要测试，通常镜筒内探测器ETBSE；（4）光阑/束斑：通常在每个电压下使用可以正常获得图像的最小光阑（以获得极限分辨能力）；（5）工作距离：通常在每个电压下使用可以正常获得图像的最小工作距离（以获得极限分辨能力）。「 SEM图像采集条件 」（1）合理的测试视野/放大倍数测试时，所选用的测试视野（放大倍数）需要根据设备的分辨能力做出调整，一般放大倍数取每个像素的pixel size恰好与真实束斑尺寸接近即可。比如：对于真实分辨能力约1.5nm的设备，调整放大倍数使屏幕上每个像素对应样品上的真实物理尺寸为1.5nm，即在采集1024*1024像素数的图像进行测试的前提下，选择不大于1024*1.5nm≈1.5um的视野进行测试即可。表1：分辨率测试的FOV及放大倍数估算表（2）合理的亮度、对比度采集金颗粒图像时，亮度和对比度的选择也需要合理，也就是通常所讲的不要丢失信息。在不丢失信息的前提下，图像亮度对比度稍微偏高或偏低，只要边缘变化曲线的高线和低线均未超出电子探测器采集能力的上限或者下限，曲线虽然在强度方向（Y方向）出现的位置和差值有所变化，但距离方向（X方向）及变化趋势均不改变，因此使用25%-75%变化率对测量出来的分辨率数值d基本没有影响（图7）。然而，当使用过大的亮度、对比度设定后，当边缘变化曲线的高线和低线至少一边超出电子探测器采集能力的上限或者下限，再使用25%-75%变化率对测量出来的分辨率数值d就不再准确，这时测出的分辨率数值无效（图8）。图7：合理的亮度对比度及边界变化率的曲线图8：不合理的亮度对比度及边界变化率的曲线三、总结基于上述图像学进行的分辨率测试，是反映粒子束设备整体光学、机械、电路、真空等全面综合性能的关键手段。该测试在设备出厂交付时用于验证设备的性能指标，在设备运行期间不定期运行该测试以关注分辨率指标，可以快速帮助使用人员和厂商工程师快速发现设备风险，从而及时制定维护、维修方案，以延长设备的稳定服役时间。 钢研纳克是专业的仪器设备制造商，同时提供完善可靠的第三方材料检测服务、仪器设备校准服务，力求在仪器设备产品的开发、生产、交付、运行全流程阶段遵循行业标准和规范，采用统一的品质监控手段，保证所交付产品品质的稳定可靠。参考文献[1] J Kolo&scaron ová, T Hrn&ccaron í&rcaron , J Jiru&scaron e, et al. On the calculation of SEM and FIB beam profiles[J]. Microscopy and Microanalysis, 2015, 21(4): 206-211.[2] JJF 1916-2021, 扫描电子显微镜校准规范[S].本技术文章中扫描电镜图像由钢研纳克FE-2050T产品拍摄。

夏季的夜晚，走到山间草丛，可以看到一种昆虫提着一盏灯在飞行，这就是萤火虫在发光。萤火虫体内的荧光素酶催化底物荧光素，发生化学反应，产生光子。这也是大家比较熟悉的，在动物活体生物发光成像当中运用到的反应原理。通过利用该原理，配合上转基因技术及动物活体成像系统，我们可以非侵入性和纵向研究小动物的基因表达、蛋白质-蛋白质相互作用、肿瘤学机制和抗肿瘤药物药效及动力学和疾病机制等；相比于传统研究手段，这种方法通过在动物整体水平上进行研究，能提供更多有用的信息，同时大幅减少实验研究所需的动物数量和降低个体间的差异。萤火虫荧光素酶反应的示意图(a)、荧光素酶以报告基因的形式进入细胞核，并翻译成功能性酶。该酶将底物荧光素、氧(O2)和三磷酸腺苷(ATP)转化为氧荧光素、二氧化碳(CO2)和二磷酸腺苷(ADP)，同时发光。(b)、萤火虫底物D-荧光素及其产物氧合荧光素的化学结构。 那么问题来了，自然界会发光的生物除了有萤火虫，还有鱼类、藻类、植物和细菌等，这些生物的发光原理是否也和萤火虫一样呢？这些发光原理能否运用到动物活体成像研究中呢？今天，小编就为大家介绍另外一种生物发光原理—细菌发光及其在动物活体成像中的应用。细菌荧光素酶对于细菌的生物发光现象，早在1875年就被发现了，研究人员Boyle首先揭示了细菌发光对氧气的依赖。而随着研究的深入，研究人员发现细菌发光涉及到的酶有荧光素酶、脂肪酸还原酶和黄素还原酶，以及底物还原性黄素单核苷酸和长链脂肪醛。在发光细菌中发现的一种操纵子，基因顺序为luxCDABEG，其中luxA和luxB基因分别编码细菌荧光素酶α和β亚基，luxC、luxD和luxE基因分别编码合成和回收荧光素酶醛底物的脂肪酸还原酶复合物的r、s和t多肽，luxG编码黄素还原酶。到目前为止所知的所有发光细菌，都是基于细菌荧光素酶介导的酶反应来产生光。这是一种大约80kDa的异二聚体蛋白，与长链烷烃单加氧酶具有同源性。该酶通过以下反应介导O2氧化还原的黄素单核苷酸(FMNH2)和长链脂肪族(脂肪)醛(RCHO)，以产生蓝绿光。细菌荧光素酶介导的酶反应1细菌发光明场图2细菌发光发光图细菌发光反应过程在发光反应中，FMNH2与酶结合，然后与O2相互作用，形成黄素-4A-过氧化氢。这种复合物与醛结合形成一种高度稳定的中间体，其缓慢的衰变导致FMNH2和醛底物的氧化和发光，反应的量子产率估计为0.1-0.2个光子。该反应对FMNH2具有高度特异性，体内的醛底物可能是十四醛。FMNH2是由NADH：FMN氧化还原酶(黄素还原酶)提供，该酶从细胞代谢(如糖酵解和柠檬酸循环)中产生的NADH中提取还原剂，还原剂通过自由扩散从FMNH2向荧光素酶的转移。长链醛的合成是由脂肪酸还原酶复合物催化。与细菌荧光素酶一样，底物FMNH2和长链脂肪醛也是细菌发光反应的特异性底物；真核生物生物发光使用不同的化学物质和荧光素酶，它们在蛋白质或基因序列水平上与细菌荧光素酶不同。细菌中的荧光素酶反应过程细菌发光原理在动物活体成像中的应用目前，细菌发光原理在动物活体成像研究中的应用有：传染病研究、菌种抗药性测试及细菌介导的肿瘤治疗等。通过将luxCDABE操纵子稳定地整合到不同的细菌基因结构中，不需要任何其他外源底物(除了氧)来产生生物发光，再通过一套超灵敏的动物活体成像系统(AniView 100)，为监测细菌物种感染负担、致病机理研究和肿瘤药物靶向治疗等提供了一种快速便捷的研究检测方法。AniView 100检测减毒鼠伤寒沙门氏菌体内靶向性肿瘤情况(箭头指向为肿瘤)应用说明如以细菌介导的肿瘤治疗为例，传统的癌症治疗方法是手术切除，治疗转移性癌症还需要与其他疗法(如放疗或化疗)相结合。这些疗法存在局限性，如放疗的疗效主要取决于组织氧水平，肿瘤内坏死区和缺氧区低氧浓度是治疗失败的常见原因；而化疗的疗效主要取决于药物的分布，肿瘤内坏死区和缺氧区的血管不规则会影响药物的输送，限制药物的疗效。与传统方法相比，使用细菌进行癌症治疗有以下优势：首先，细菌会在肿瘤中选择性积累，肿瘤中的细菌聚集量大约是正常器官的1000倍，肿瘤特有的坏死区和缺氧区一般不会在大多数器官中形成。其次，细菌的增殖能力使得它们可以进行持续治疗；最后，许多细菌的全基因组测序已经完成，能够通过基因组操作提高它们在人类使用中的安全性，并增强其杀瘤效果。目前，细菌介导的肿瘤治疗广泛应用于DNA或siRNA的传递、运送经工程改造的毒素或前药物和触发机体免疫反应，进而达到抑制或杀灭肿瘤细胞、起到抗击肿瘤的作用。应用案例 静脉注射3天后，表达lux的鼠伤寒沙门氏菌在各种肿瘤中积聚。CT26：小鼠结肠癌，4T1：小鼠乳腺癌，MC38：小鼠结直肠腺癌，TC-1：小鼠肺癌,Hep3B：人肝细胞癌，ARO：人甲状腺癌，ASPC1：人胰腺癌应用案例 携带受L-阿拉伯糖诱导启动子pBAD表达系统控制的细胞毒蛋白(溶细胞素A)、表达lux报告基因的减毒鼠伤寒沙门氏菌，用于肿瘤治疗。总结利用生物发光原理进行动物活体成像，目前主要有两种方式。一种是使用萤火虫荧光素酶，最适合在哺乳动物细胞中表达；另外一种是细菌荧光素酶，广泛应用于原核生物。细菌Lux操纵子由于编码生物发光所需的所有蛋白质，包括荧光素酶、底物和底物生成酶，不需要外源底物，成像更加的方便，不需要像萤火虫荧光素酶一样，考虑ATP的可用性、底物分子的渗透、药代动力学和生物分布等对成像的影响。但是，细菌荧光素酶的发射波长较短(490nm)，组织吸收较大，这会影响成像数据的量化；而且，对于某些真核微生物(包括真菌和寄生虫)和真核细胞，仍然需要使用萤火虫荧光素酶标记，原因在于lux报告基因没有得到足够的优化，还不能在真核细胞中稳定表达。不过由于细菌荧光素酶和萤火虫荧光素酶的发射波长不同，从而可以进行多光谱成像，用于同时定量评估小动物的不同生物过程，进一步扩展生物发光原理在动物活体成像中的应用。TipsAniView 100多模式动物活体成像系统 AniView 100多模式动物活体成像系统作为广州博鹭腾生物科技有限公司推出的高灵敏度动物活体成像系统，其采用全密闭抗干扰暗箱，避免外界光源及宇宙射线对拍照影响的同时，配合零缺陷、科研级高灵敏背部薄化、背部感应型冷CCD相机，极大地提高成像的灵敏度。AniView 100可以检测到100个luciferase标记细胞，对于动物活体细菌荧光素酶的生物发光信号，无论是在皮下或器官，均可以轻易检测到。快来关注我们，申请免费试用！