文章摘要導讀
自 1895 年倫琴（Röntgen）發現X射線(X ray)以來，X射線從年頓古典電磁理論一路蛻變為量子物理與現代科技核心工具。回顧X射線歷史與物理基礎，剖析其波長、能量與硬／軟 X 射線等多種特性。
X 射線量測為科學與工業領域中不可或缺的探測光源，天然形成錐形輻射並展現連續光譜，涵蓋從軟至硬 X 波段。本文揭示 X 射線產生物理機制──高速電子撞擊靶材生成連續制動輻射（Bremsstrahlung）與特徵 X 線。
盤點XRD、XRF、SAXS、XRR、XCT等常見量測技術及其背後的量子光學原理。X 射線在材料分析、半導體製程、蛋白質結晶與同步輻射等領域的最新應用與技術趨勢，解析為何這些技術亟需多層 X 射線光學系統（Montel、Monochromator、Beam Compressor、KB）來強化單色化、準直與聚焦，說明多層光學系統產品技術優勢與應用價值。
X ray發現的歷史演進歷史簡述
– 1895 年，倫琴（Wilhelm Röntgen）偶然在真空陰極射線管上發現一種能穿透紙張的「新射線」，並命名為 X 射線。
– 古典電磁理論：Maxwell 方程組預言電磁波，X 射線屬於波長介於 0.01–10 nm（能量約 0.1–100 keV）的高頻電磁輻射。
– 早期技術：Crookes 管→Coolidge管（熱陰極）→旋轉陽極管→液態金屬靶材，不斷提升功率與穩定度與光斑尺寸(spot size)。
– 1905 年，愛因斯坦根據光電效應提出光量子概念，X 射線視為光子。
– 康普頓散射（Compton, 1923）：推動粒子性質認知。
– X 射線光譜學：結合能譜分辨器，開啟 XRF、XPS 等分析法。
2. X 射線光源的錐形輻射與連續光譜機制
- 錐形輻射（Cone Beam）：X 光管中以高電壓加速的電子撞擊陽極靶材，產生分佈在錐形幾何內的輻射束呈錐形發散，覆蓋樣品大面積或多角度檢測。這種 3D 錐形幾何允許大角度檢測與多視角掃描，廣泛應用於CT及大尺寸樣品。
- 連續光譜（Bremsstrahlung spectrum,制動輻射）：電子被靶材原子核強烈偏轉，失去動能以連續制動輻射型態釋放，連續能譜從0到電子最大能量。
- 連續制動輻射（Bremsstrahlung）：產生寬帶、背景主要訊號，用於CT、放射治療等需要高通量的場合。
- 特徵 X 線（Characteristic lines）：當高能電子擊出內層電子，外層電子躍遷補位而發射具離散能量的 Kα、Kβ 線段，常見於 XRF 及 XPS 分析。
- 硬 X 射線 vs 軟 X 射線：>5keV 為硬 X，用於重金屬／厚樣；0.1–5keV 為軟 X，用於表面／薄膜研究。
4.1 XRD（X-ray Diffraction）: 奈米晶粒、殘餘應力與相鑑定。
原理：布拉格定律 nλ = 2d sinθ，利用樣品晶格對單色化 X 光的衍射干涉，解析晶體結構與應力。
量子光學機理：光波動性與同頻相干性在晶面間干涉，加上X ray單色化保證定量精度。
應用: 使用高亮度單色束做精細蛋白質結晶結構解析，助力新藥設計。
X ray光學系統需求:
單色化(Monochromatized)：顯著降低背景，提升衍射峰信噪比(SNR)。
高解析 KB 聚焦：分析微小晶粒、殘餘應力與結構缺陷。
4.2 XRF（X-ray Fluorescence）-元素定性與定量或半定量分析。
原理：高能 X 光激發樣品原子內層電子逸出，外層墜入補位發射特徵 X 線，透過能譜偵測定性定量元素。
量子光學機理：電子躍遷與能級儲存，以光子能量變化對元素進行定性分析。
光學系統：Montel 焦斑聚焦＋KB 納米聚焦可達 < 1 μm。
系統優化價值：高通量 ＋ 高空間解析 → 實現微米級元素分佈圖，縮短掃描時間。
4.3 SAXS（Small‑Angle X-ray Scattering）-奈米結構尺寸與形貌研究。
原理：小角散射測量奈米尺度結構，從小偏離角度的彎射強度揭示粒徑與形貌。
量子光學機理：相干散射與干涉條紋提供高靈敏度對照密度與尺寸分佈。
X ray 光學系統需求: Montel 焦斑聚焦＋KB 納米聚焦，平面 Montel 準直 ＋ Elliptical/Parabolic 小角凝聚／平行化。
系統優化價值：超高平行度 → 更乾淨的散射訊號與更高尺寸靈敏度。
4.4 XRR（X-ray Reflectivity）-表面／薄膜研究
原理：在極低入射角 (< 1°) 反射測量，在布拉格角波動中解析薄膜厚度、密度與介面粗糙度。
量子光學機理：全反射臨界角與干涉條紋來自多層結構的相位疊加。
X ray 光學系統優化:
μ X ray光源+平面多層鏡陣列：精確量測臨界角變化。
- 產品簡介:XRD系統升級XRR
4.5 XCT／micro‑CT（X-ray Computed Tomography）-材料內部結構影像
原理：以錐形或扇形光束做多角度投影，重建X ray 影像3D體素(volex)，揭示內部微結構。
量子光學機理：吸收對比與散射對比結合，分辨不同原子序與密度。
光學需求：準直錐形束（Montel + Monochromator）＋ μm 聚焦 → 提高重建精度，降低偽影。
X ray 多層光學系統元件採用「高／低折射率材料交替沉積」設計原理，實現對特定 X‑ray 波長區間的多次全反射。
- d‑spacing 精度：單層膜厚度控制到 ~0.1 nm 級，可精準匹配目標能量（E = nhc/2d sinθ）。
- 材料選擇：常見材料組合包括 W/Si、Mo/Si、Ni/Ti，可覆蓋從軟 X‑ray（1 keV）到硬 X‑ray（>20 keV）全光譜。
- 光學性能：反射率高達 70% 以上，帶寬 ΔE/E 可控制在 10⁻³ 甚至更窄，並具備角度依賴特性。
這些基礎特性使得多層光學鏡在產生單色化、準直、聚焦及光束展開/壓縮時具備獨特優勢。
- 帶寬控制：去除雜散能量以提升 XRD/XRR 峰形對比。
- 束形塑造：準直 ＆ 聚焦 → 提高 CT 解析度、強化 micro‑XRF 空間分辨。
- 通量／解析度平衡：Montel HF/HR 切換 → 滿足高通量或高解析度需求。
- 穩定性與可重複性：多層膜材耐高功率 ＋ 精密鏡架穩定位，長期穩定運行。
X 射線量測(X ray)應用工作原理，提升X光的SNR在進行奈米(nano size)或蛋白質量測上重要關鍵，提供各種客製化與模組化X ray多層光學系統，滿足X ray量測材料應用技術專家需求，X ray光學系統產品簡介如下，亦可依應用與現有設備機台做客製化設計。
具有下列特點:
- 帶寬客製：針對 XRD、TSV CD(Through-Silicon Via Critical Dimension)、半導體先進製程奈米度層厚度與CD尺寸、先進封裝Sidewall profile、Via Filling Quality、CD Variation、蛋白質衍射等應用設計專屬多層膜參數。
- 高穩定性：材料耐蝕耐熱，適用高功率同步輻射及工業 X 光管。
高功率耐受：適應高電壓 X 光管與同步輻射長時段使用
- 模組化彈性：快速切換不同 Montel、Monochromator 及 KB 模組
註1: Kirkpatrick–Baez 光學鏡（簡稱 KB 鏡） 是一種由兩個正交排列的弧形反射鏡組成的 X 射線光學系統，用於將 X 射線光束精確聚焦到微米甚至納米級的焦斑大小（<100 nm）。
它是目前同步輻射與高解析 X 射線顯微成像中最常見的納米聚焦光學元件之一。
註2: Montel 光學鏡是一種由兩面相互垂直安裝的多層反射鏡（Multilayer Mirrors）組成的 X 射線光學元件，常用於實現 X 射線的雙軸聚焦（2D focusing）或雙軸準直（2D collimation）功能。
模組化彈性：快速替換、真空鏡架與自動調整確保 μm 級對準度。
X 射線從古典電磁理論到量子光子學，X射線量測已成為先進封裝、材料分析、半導體製程、生命科學與同步輻射研究的關鍵工具。X 射線多層 光學系統以其單色化、準直化、聚焦與能量選擇性，全面提升 XRD、XRR、SAXS、XCT、蛋白質晶體學與 CD 量測等技術性能。能邁科技獨家代理的 Montel、Monochromator、Beam Compressor 及 KB 系列光學模組，為您應用提供高解析度、高通量與高穩定性的量子級光束解決方案。
能邁科技不只是銷售產品，而是幫客戶解決應用問題，提供穩定可靠技術支援。此技術內容來自我們多年的應用經驗、現場工程反饋與跨產業合作淺介。
能邁科技專注於X ray先進檢測技術與實際產線需求對接超過20年，把X ray應用know-how、設備穩定性與使用者經驗做最好整合的提供。
立即聯絡能邁科技，由專業光學顧問為您定制最佳 X 射線多層光學系統，帶給您不一樣觀點與思考，開創科學研究與工業檢測全新境界，能讓您更清楚了解我們如何不只滿足您需求，更幫助您預見未來挑戰，節省測試迴圈與風險！
歡迎您致電能邁聯繫: +886-2-89903188
E-mail：sales@tisamax.com
LINE ID：tisamax
能邁科技努力成為您在X ray量測科學領域上，最佳的策略合作夥伴!
