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一种可以发现材料内部缺陷的成像新方法

实验帮| 2017-7-20 16:04

上图所示,美国桑迪亚国家实验室的研究员Amber Dagel把校准样品加载到实验室的X射线相位衬度成像机上。Dagel目前在该实验室的工作,她是使用X射线相位衬度成像机进行低密度材料研究的主要成员。图片来源,桑迪亚国家 ...
  

上图所示,美国桑迪亚国家实验室的研究员Amber Dagel把校准样品加载到实验室的X射线相位衬度成像机上。Dagel目前在该实验室的工作,她是使用X射线相位衬度成像机进行低密度材料研究的主要成员。图片来源,桑迪亚国家实验室。

我们很难得到像骨骼之间的低密度物质的X射线图像,因为X射线穿过这些物质时就像阳光穿过一扇窗户一样。但是如果你需要看不是密度高的骨头的区域怎么办?

桑迪亚国家实验室的研究发现,无数的低密度材料,从叠层机翼,到泡沫和环氧树脂垫部分。所以实验室的研究人员借鉴在医学领域的研究领域的精制技术,即X射线相位衬度成像技术,从而可以再不用分离物质的情况下观察事物的柔弱的部分。

桑迪亚已经能够在还未导致很严重的损伤情况之前就能够识别缺陷部分,因为材料在有缝隙和裂纹,或者与表面分离的情况下是会影响其性能的。例如,利用传统的X射线,在没有去除保护性铜网时,是无法看到机翼层上的柔性石墨的,这层铜网是为了如果被闪电击中用于分散能量用的。在核武器部件中,他们看不到非常重要的泡沫和其他材料,而那些材料是以防止冲击、高压击穿和热应力用的。

X射线相衬成像不仅测量了X射线光子穿过样品的数量,如常规X射线成像,还测量了X射线经过后的相位,提供了对结构内部界面的全面观察。

“像塑料,聚合物,泡沫和其他材料等这种低密度材料,这种结构的相位信号会比吸收信号强度要大一千倍(传统的X射线),”首席研究员Amber Dagel说,他们的研究是基于物理的微系统。

X射线相衬成像可以用来检查微细加工包装、集成电路或微电子机械部件,也可用于研究陶瓷、聚合物、化学品或炸药等。

实验室的技术实现的这种X射线相位衬度成像技术是在实验室内完成的,而不需要同步粒子加速器,后者这种昂贵的设备要一个足球场大小。

目前的其他技术还不够灵敏,无法区分材料。“即当一个致密的物质混合在一个低密度材料时,利用传统的X光看不出低密度材料,”Dagel说。“所以他们不知道这些空隙是否充满了低密度材料,或者是空气。”

Dagel拿一个橘子作为实验材料,橘子是一种低密度材料,她和她的同事们用它来证明他们的整个系统。

一种可以发现材料内部缺陷的成像新方法

上图所示,桑迪亚国家实验室的X射线相位衬度成像系统,适用于实验台上。光源光栅正好位于右侧的X光管前面,形成一系列微小的X射线源,这些射线源向位于环中的样品传播。样品后面是相位和分析器光栅和探测器。来源,桑迪亚国家实验室

利用常规X光线,呈现的照片是一片模糊的橙色,没有细节。而X射线相衬成像则可以清楚地显示出薄层和髓的区别,以及这些层与厚浆的区别。

“当光线照射到橙子皮上,光线会变弯曲一点。当它到达髓质时,光线弯曲的更多一点,然后通过浆液,它弯向另一个方向,”Dagel说。“每一个界面,每次样品内部的物质变化,都会使光线稍微弯曲一点。你的样品的不同部分弯曲不同的光,这种测量是产生相衬图像的原因。”

桑迪亚实验室的研究开始于一个实验室的定向研究和开发项目,从2014-2016年证明X射线相位衬度成像可以在与一个物质相遇时显示出物质的详细信息。一个新的实验室研究将会在下一步逐步开展,使光栅能够提供更高能的X射线。

光栅,即是一种看上去像一束直立的平行棒一样的光学元件,在X射线中产生干涉,就像干涉仪一样,并且能合并光源以产生干涉的图样。

光栅是这种技术的关键,并可以更高的能量状态下使用,“这会让我们看到更多的样品细节,比如样品密度更大,或样品的体积更大,”Dagel说。“这种光学器件很难制作,但Dagel说,由Christian Arrington所带领的桑迪亚的金属加工团队,实现了高度统一的可达4平方英寸的光栅器件。这是规模很大的一种光栅,桑迪亚实验室能使光栅作为一大片具有良好的均匀性,她说。光栅大小决定了一次能观察到多少样品。

大多数其他研究团队所研究X射线相位衬度成像是用于医学影像领域,而桑迪亚国家实验室适用于材料科学中的应用研究。

“通过抽样的明亮和黑暗的模式,我们能够重建在探测器上的这个图案,”Dagel说。“那就是如果光在没有样品的情况下通过。如果我把一些东西,比如桔子,放在前面呢?”光波是会发生延迟的即使是通过橙子,“所以现在你获取光波,并且加入更多的形状。我们测量这个波阵面,观察相位在通过样品时发生了什么变化。”

她相信这项技术最终将对工厂的研究和质量控制产生巨大的影响。

“我认为这种技术在研究阶段是有用的,当你试图了解微球在环氧树脂中是如何分布的,或者是泡沫是如何在罐中填满的,是否有缝隙?或者在我的飞机机翼层压板上能看到什么缺陷?”她说。“我还认为它可以用于质量保证:我知道我的部分应该是什么样子,但我需要确保没有裂缝,没有空隙。

Dagel和他的同事们在多个会议上展示了他们的研究成果,包括X射线国际论坛和2015年的光栅的中子相位成像技术会议以及去年的国际光电工程学会的国防+商业遥感国际研讨会上。

来源:https://phys.org/news/2017-07-lab-defects-hard-to-image-materials.html


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