楊雪海,張偉斌,戴 斌,田 勇

(中國工程物理研究院化工材料研究所,綿陽 621900)

含能材料內部的密度均勻性對武器裝藥的能量輸出與爆轟波傳輸具有較大影響[1]。在含能材料局部密度測試中,采用較多的是能束窄、輸出相對穩(wěn)定的γ射線[2-3],但γ射線強度有限,檢測尺寸較大或密度較高的試件存在一定局限性。強度較高、能量可調的X射線成為含能材料局部密度測試的新選擇[4-5]。美國軍方制訂了相應的ASTM標準密度測量方法[6]。

采用XCT測試材料密度,通常需要加入標準樣品,經過刻度、標定和校正等復雜處理,將CT灰度值轉換為體密度ρ。武器裝藥用含能材料屬于復合材料,制備含能材料標準樣品比較困難,一般采用的標樣為有機材料或鋁等,但它們對X射線的吸收系數(shù)與含能材料不同,加上含能材料局部密度范圍較小,而非含能材料標定的密度范圍較大,因此測試效果并不理想。此外,X射線存在的能量波動性,其在某固定管電壓的平均能量也會隨著測試時間段的不同而有所波動,標準樣品與試驗件的分開測定會造成不小的誤差,加上X射線的硬化效應,標準樣與測試件的材料特性、形狀、尺寸的不同等均會對測試結果帶來不小影響。

因此,考慮到測試局部密度中采用標準樣品的種種不便,而相同材料構成的含能材料樣件的局部密度相差范圍不大,筆者擬采用密度相近的含能材料試件所組成體系的整體密度作為參照密度,采用局部分割組合的方法,應用微焦點CT技術和同步測試方法,研究小密度范圍含能材料的測試方法。

1 試驗原理與方法

1.1 試驗原理

在XCT中,不考慮射線硬化、探測系統(tǒng)的非線性等因素時,物體的線性衰減系數(shù)μ與CT圖像灰度值H之間成正比關系,即：

式中a,b為擬合參數(shù),又

式中μm為質量吸收系數(shù);ρ為物體的體密度。則有

將物體劃分為n個局部,假定各個局部的密度對物體整體密度有相同的加權值,各個局部的CT灰度值對物體整體的CT灰度值有相同的加權值。當n足夠大或所檢測局部具有足夠的代表性時,其整體密度ρ0可用各部分密度ρi的平均值精確值近似,其整體CT灰度值H0可用各部分CT灰度值Hi的平均值精確值近似,即：

由于各局部物質組成相同,μm相同,則：

實際上,由于X射線是連續(xù)多色譜,射線硬化以及探測系統(tǒng)的非線性等因素對CT灰度值的測量是有影響的。因此,筆者擬將物體圓柱體沿軸向均分為n部分,試件從空間上等距分開,各部分具有相同的組成、形狀和大小,通過同步測試方法,可以最大限度減小能量波動、硬化效應和探測系統(tǒng)非線性等因素的影響,在一定條件下,式(5)和(6)成立。通過測試試驗件的(ρ,H)數(shù)據(jù),繪制ρ-H直線,ρi可由式(9)計算得到。

1.2 試驗條件與數(shù)據(jù)獲取

采用6個形狀、尺寸和組成相同的含能材料圓柱形試件,模擬檢測局部的樣品。試件對稱放置于工作圓臺的同心圓環(huán)小孔中,盡量減小能量波動、硬化效應和探測系統(tǒng)非線性等因素的影響,使得對各個試件的密度、CT灰度值對于自參照體系有相同加權值,工作圓臺示意圖見圖1。

圖1 工作圓臺示意圖

試驗裝置為240kV微焦點平板探測器CT系統(tǒng),密度分辨率可達0.1%。管電壓為150kV,管電流為100μA,采用錐束VCT技術和平面探測器對樣品進行同步掃描試驗。重建的三維CT圖像體元尺寸為86μm×86μm×86μm,放大倍率為4.65。含能材料樣件尺寸為φ20mm×20mm,體密度通過排水法測試,CT灰度值(VCT)為計算得到的樣件全部體元的平均灰度值。

2 試驗結果

2.1 重建三維CT圖像3D和X-Y軸截面

通過三維重建獲得的試驗樣件3D以及X-Y軸截面圖像見圖2。

圖2 樣件CT圖像的3D和X-Y軸截面圖像

2.2 含能材料試驗件體密度與VCT灰度值的關系

選取各試驗件的體元CT提取范圍,計算出各樣件的VCT灰度值,并繪制含能材料樣品組體密度-VCT灰度值擬合直線(圖3)。

圖3 樣件體密度-VCT灰度值的擬合結果

試驗條件下,擬合得到的ρ-H直線方程為：

2.3 不同方法所得密度的比較

根據(jù)式(5)和(6),求出ρ0=1.888 g?cm-3,H0=9 200。再根據(jù)各樣件的VCT灰度值,通過式(9)和(10),求出各樣件的CT法密度值,并與排水法密度值比較,結果見表1。

表1 樣件的排水法密度和CT密度比較

由表1可以看出,通過CT法計算求取的樣件密度與排水法測得的密度比較一致,相對誤差在0.1%以內。

3 結論

采用小密度范圍內的含能材料作為試驗件,以組合成試驗樣件體系的整體密度作為參照密度,采用局部分割組合的方法,運用微焦點 VCT技術、VCT平均灰度值計算方法和同步測試方法,研究含能材料試件體密度與VCT平均灰度值之間的對應關系,計算含能材料試件的CT密度。結果表明,同步測試方法可以有效減小不同時間段X射線能量波動引起的誤差,采用相同形狀、尺寸樣件可以避免X射線硬化對試驗結果的影響。CT法計算所得密度值與排水法密度值的相對誤差在0.1%以內。

[1]Perkins D E,Martz H E,Hester L O,et al.Computed Tomography Experiments of Pantex High Explosives[R].DE92013517,US：US DOE,1992.

[2]楊文海,何得昌,徐軍培,等.γ射線工業(yè)CT技術在高能炸藥密度檢測中的應用[J].火炸藥學報,2001,24(3)：33-34,72.

[3]田勇,李高強,溫茂萍.炸藥柱徑向局部密度的自對照射線透照法[J].無損檢測,1999,21(5)：215-217.

[4]Hadden R J B.Radionuclides for process control and inspection[J].Isotopenpraxis,1987,23(1)：1-12.

[5]Stokes J A,Alvar K R,Coray R L,et al.Some new application of collimated photon scattering for nondestructive examination[J].Nucl Instrum Methods,1982,193(1/2)：261-267.

[6]ASTM E1935—1997(Reapproved 2003) Standard test method for calibrating and measuring CT density[S].