專利名稱：基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及利用加速器產(chǎn)生的X射線對(duì)材料進(jìn)行缺陷檢測的技術(shù)，更具體 地，涉及基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在無損檢測領(lǐng)域，利用X射線透射成像、CT、衍射、中子照相、超聲波檢查、電子顯 微鏡等手段對(duì)材料進(jìn)行缺陷檢查，能夠發(fā)現(xiàn)的最小缺陷尺度為1 μ m。對(duì)于更小尺度的缺陷， 這些類型的技術(shù)將無能為力。而在某些特殊的應(yīng)用場合，例如飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，需要對(duì)更 小層次的缺陷進(jìn)行檢測。并且希望能夠通過檢測來對(duì)材料的工作壽命進(jìn)行早期的判斷。前 述的這些技術(shù)往往都是在缺陷已經(jīng)明顯地發(fā)生之后才能發(fā)現(xiàn)，因此不能滿足實(shí)際的要求。利用正電子湮沒技術(shù)對(duì)材料的缺陷特性分析是一種已經(jīng)發(fā)展了幾十年的技術(shù)。利 用該技術(shù)，通過對(duì)正電子湮沒時(shí)產(chǎn)生的2個(gè)511keV γ光子能譜的測量，可以分析材料中的 負(fù)電子動(dòng)量分布。由于材料的缺陷情況與負(fù)電子動(dòng)量的分布情況直接相關(guān)——缺陷越多的 材料，低動(dòng)量電子所占的份額也就越多，因此根據(jù)負(fù)電子的動(dòng)量分布就可以對(duì)材料的缺陷 狀況作出判斷。正電子湮沒分析技術(shù)能夠?qū)單⒚壮叨鹊娜毕葸M(jìn)行檢測，這是比前述的其 它方法更為靈敏之處。但是，正電子湮沒分析也有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即它所用到的探測射線 是正電子射線，而正電子射線的能量一般在1個(gè)兆電子伏左右，這樣大能量的正電子在介 質(zhì)中的射程很短，僅為mm的量級(jí)——這意味著利用外置的正電子源對(duì)材料進(jìn)行正電子湮沒 分析只適用于對(duì)表層的分析，如果要對(duì)材料的內(nèi)部進(jìn)行分析，普通的正電子分析技術(shù)是無 能為力的。因此，需要改進(jìn)的正電子分析技術(shù)來對(duì)被檢測物體的內(nèi)部進(jìn)行缺陷檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的方法。該方法包括步 驟用高能X射線掃描被檢測材料，高能X射線能與被檢測材料中的目標(biāo)核素發(fā)生光核反 應(yīng)以在該被檢測材料內(nèi)部產(chǎn)生正電子；使用探測器測量由于所述正電子發(fā)生湮沒而產(chǎn)生的 γ光子能量以獲得Y光子能譜展寬；以及分析所述Y光子能譜展寬以判斷被檢測材料的 缺陷情況。該方法利用高能X射線與被檢測材料內(nèi)部的核素發(fā)生光核反應(yīng)，在被檢測材料 的內(nèi)部產(chǎn)生正電子源，從而解決了外部正電子源無法對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行檢測的問題。本發(fā)明的目的之二是提供一種基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括射 線源，用于提供高能X射線，所述高能X射線能與被檢測材料中的目標(biāo)核素發(fā)生光核反應(yīng)以 在該被檢測材料內(nèi)部產(chǎn)生正電子；探測器，用于測量所述正電子發(fā)生湮沒而產(chǎn)生的Y光子 能量以獲得Y光子能譜展寬；以及信號(hào)分析裝置，用于分析所述Y光子能譜展寬以判斷被 檢測材料的缺陷情況。該系統(tǒng)利用高能X射線與被檢測材料內(nèi)部的核素發(fā)生光核反應(yīng)，在 被檢測材料的內(nèi)部產(chǎn)生正電子源，從而解決了外部正電子源無法對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行檢測的問 題。
通過閱讀下列的詳細(xì)描述及參考附圖，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將變得很明顯。


圖1為根據(jù)本發(fā)明基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的系統(tǒng)的示意圖；圖2顯示了正負(fù)電子湮沒的示意圖；圖3顯示了正負(fù)電子湮沒的多普勒展寬；圖4顯示了材料缺陷處的正負(fù)電子的湮沒；圖5顯示了 511keV γ能譜在有缺陷時(shí)和無缺陷時(shí)的不同多普勒展寬；圖6顯示了不同缺陷情況與511keV γ光子能譜展寬分析結(jié)果之間的關(guān)系；圖7顯示了多普勒展寬譜的線形參數(shù)定義示意圖；和圖8顯了 了利用FWHM法分析511keV γ能譜的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的系統(tǒng)的示意圖。如圖所示，15MeV的電 子加速器產(chǎn)生的高能X射線對(duì)被檢測樣品進(jìn)行掃描。由于X射線在物質(zhì)中具有很強(qiáng)的穿透 能力，因此能夠深入到樣品的內(nèi)部，而不是普通正電子的只能分析表層，X射線在深入到材 料的內(nèi)部之后，可以和樣品內(nèi)部的某些原子核發(fā)生光中子反應(yīng)，使得原子核損失一個(gè)中子， 損失中子之后的原子核由于成為了缺中子核，因此具有β +放射性，可以發(fā)射正電子，這樣 正電子就在樣品的內(nèi)部產(chǎn)生了。在本發(fā)明的光致正電子分析技術(shù)中，所采用的射線源是高能電子加速器產(chǎn)生的X 射線。要求加速器的能量足夠高，使得X射線的最大能量能夠超過目標(biāo)核素的光中子反應(yīng) 閾值。這里目標(biāo)核素存在于被檢測的材料中，X射線通過與該核素發(fā)生光中子反應(yīng)，使之成 為缺中子核，并最終使它具有β +的放射性。該核素所對(duì)應(yīng)的元素可以是被檢測材料中的 主要組成部分，也可以是次要的組成部分(例如摻雜)。選擇的原則是該核素應(yīng)該具有足夠 低的光中子反應(yīng)閾值，以使高能電子加速器產(chǎn)生的X射線能夠滿足光中子反應(yīng)的要求。由 于更高能量的電子加速器往往會(huì)帶來更高的成本，所以應(yīng)該盡量選擇那些光中子反應(yīng)截面 低的核素作為目標(biāo)核素；另外，如果加速器的能量過高，在使用過程帶來的輻射安全問題也 會(huì)更大，不利于實(shí)際的應(yīng)用。因此，在選擇射線源的時(shí)候，應(yīng)該首先調(diào)查被檢測的材料，尋找該材料中光中子反 應(yīng)閾值最低的核素，該核素不必是材料的主要組成部分，只要它的含量足夠?qū)崿F(xiàn)檢測目的 即可，就可以選擇為目標(biāo)核素。表1是一些常見核素的光中子反應(yīng)閾值和截面。例如，如果 要對(duì)某種鋼材進(jìn)行光致正電子分析，可以選擇5Ve作為目標(biāo)核素，它的天然豐度為5.9%， 光中子反應(yīng)的閾值為13.3811^，是狗的幾個(gè)同位素中最低的。當(dāng)電子加速器的能量超過 13. 38MeV時(shí)，其產(chǎn)生的X射線即可與Mi^e發(fā)生光中子反應(yīng)，使之具有β +放射性。由于電 子加速器產(chǎn)生的X射線是軔致輻射譜，雖然其最大能量與電子的能量相同，但是X射線的高 能部分所占的份額很小，即能夠發(fā)生光中子反應(yīng)的部分很少，因此，為了提高光中子反應(yīng)的 幾率，需要使電子加速器的能量超過13. 38MeV,以使產(chǎn)生足夠多的光中子反應(yīng)。電子的能量 越高，則X射線的能量超過13. 38MeV的部分也就越多，能夠用于光中子反應(yīng)的X射線也就 越多；而且X射線能量的提高也會(huì)增大光中子反應(yīng)的截面，因此，電子能量的提高會(huì)使光致正電子分析的靈敏度更高。考慮到成本與輻射安全，電子的加速器能量也不能太高，例如在 這里，對(duì)Mi^e可以選擇15MeV的能量。 另外，在選擇目標(biāo)核素的時(shí)候，還應(yīng)該注意該核素形成放射性核之后的半衰期。由 于光致正電子分析技術(shù)是一種離線測量技術(shù)——需要在將樣品照射之后再進(jìn)行測量，因此 需要目標(biāo)核素在形成放射性核之后具有較大的半衰期來保證測量工作具有足夠長的數(shù)據(jù) 積累時(shí)間，表1中給出了一些核素的半衰期。27Al形成的放射性產(chǎn)物26Al的半衰期只有6. 4 秒，這意味著在測量結(jié)束之后的半分鐘之內(nèi)，放射性的活度將減少32倍，而1分鐘之后就降 低為1000倍。這對(duì)測量系統(tǒng)的機(jī)械裝置提出了很高的要求，并且其計(jì)數(shù)率的過大變化范圍 也使得測量結(jié)果存在畸變的可能性，因此是一個(gè)不可用的核素。如果某種核素形成的放射 性核素很長，一方面它有利于測量過程，但也有可能因?yàn)榘胨テ谶^長而使得輻射水平即使 在測量結(jié)束很久之后還無法降低本底水平，從安全的角度來看，這也是不能接受的(例如， 197Au就有6. 18天的過長半衰期)。所以，對(duì)目標(biāo)核素的半衰期選擇不應(yīng)太短，也不應(yīng)太長， 以10分鐘上下較好，這樣可以在1小時(shí)的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)一個(gè)樣品的照射與測量。 表1 一些常見核素的光中子反應(yīng)閾值、截面和半衰期
權(quán)利要求
1.一種基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的方法，包括步驟用高能X射線掃描被檢測材料，高能X射線能與被檢測材料中的目標(biāo)核素發(fā)生光核反 應(yīng)以在該被檢測材料內(nèi)部產(chǎn)生正電子；使用探測器測量由于所述正電子發(fā)生湮沒而產(chǎn)生的Y光子能量以獲得Y光子能譜展 寬；以及分析所述Y光子能譜展寬以判斷被檢測材料的缺陷情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于還包括對(duì)探測器測得的Y光子能量信號(hào) 進(jìn)行前置放大處理的步驟，以將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于還包括對(duì)所述脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和濾波 的步驟，以形成適合數(shù)字化處理的脈沖信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述放大和濾波的步驟還包括對(duì)所述脈 沖信號(hào)進(jìn)行堆積判棄處理的步驟，以避免Y光子能譜的畸變。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于還包括處理所述適合數(shù)字化處理的脈沖 信號(hào)以形成高維向量的Y光子能譜的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于使用多道分析電路處理所述適合數(shù)字化 處理的脈沖信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述多道分析電路的道數(shù)大于2048道。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于還包括在使用所述多道分析電路處理所 述適合數(shù)字化處理的脈沖信號(hào)之前利用偏置放大器截去脈沖信號(hào)的低能部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于分析所述Y光子能譜的步驟包括對(duì)該能 譜進(jìn)行刻度以確定511keV Y能譜位置的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述刻度采用人為放置的137Cs源的 662keV γ或天然放射性核素4tlK的1. 46MeV γ或2tl8Pb的2. 6IMeV作為基準(zhǔn)源。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述刻度采用兩點(diǎn)線性擬合或者三點(diǎn)二 次擬合的方式。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于還包括確定所述511keVγ能譜的半寬 度構(gòu)成的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于采用S因子法確定所述511keVγ能 譜的半寬度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于采用半寬度法確定所述511keVγ能 譜的半寬度。
15.一種基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的系統(tǒng)，其包括射線源，用于提供高能X射線，所述高能X射線能與被檢測材料中的目標(biāo)核素發(fā)生光核 反應(yīng)以在該被檢測材料內(nèi)部產(chǎn)生正電子；探測器，用于測量所述正電子發(fā)生湮沒而產(chǎn)生的Y光子能量以獲得Y光子能譜展寬；以及信號(hào)分析裝置，用于分析所述Y光子能譜展寬以判斷被檢測材料的缺陷情況。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于基于光中子反應(yīng)閥值和半衰期選擇目 標(biāo)核素。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于所述目標(biāo)核素具有低光中子反應(yīng)閥值。
18.根據(jù)權(quán)利要求15系統(tǒng)，其特征在于所述探測器為高純鍺探測器。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于光核反應(yīng)檢測材料缺陷的方法及系統(tǒng)。該方法包括步驟用高能X射線掃描被檢測材料，高能X射線能與被檢測材料中的目標(biāo)核素發(fā)生光核反應(yīng)以在該被檢測材料內(nèi)部產(chǎn)生正電子；使用探測器測量由于所述正電子發(fā)生湮沒而產(chǎn)生的γ光子能量以獲得γ光子能譜展寬；以及分析所述γ光子能譜展寬以判斷被檢測材料的缺陷情況。該方法利用高能X射線與被檢測材料內(nèi)部的核素發(fā)生光核反應(yīng)，在被檢測材料的內(nèi)部產(chǎn)生正電子源，從而解決了外部正電子源無法對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行檢測的問題。
文檔編號(hào)G01N23/22GK102109476SQ200910244359
公開日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者康克軍, 張勤儉, 李元景, 李鐵柱, 楊祎罡, 楊鵬 申請(qǐng)人:同方威視技術(shù)股份有限公司, 清華大學(xué)