用Micro－CT测量ICF T型源靶柱腔诊断孔轴线与靶杆夹角的研究

刘 学 叶成钢 贾 鹏 李 佳 马小军/中国工程物理研究院激光聚变研究中心

0 引言

在ICF物理实验中，要求T型源靶θ为65°±20°（图1、2、3），诊断孔在其自身轴线方向上的投影是一规则圆，直径约600 μm，靶杆竖直放置，柱腔水平粘接在靶杆上，柱腔内径约1000μm。准确测量θ是判断靶装配是否合格的关键。用显微镜测量θ方便快捷，但测量结果受柱腔所镀金层厚度的均匀性影响较大。利用微CT的透视功能可准确测量柱腔内径从而排除金层厚度均匀性对测量结果的影响。但由于微CT在密度分辨率方面的限制，无法直接测量θ，只能通过间接测量某些值来计算得到 。下文给出微CT间接测量θ的两种方法，并对它们的误差来源和可信度进行分析。

图1 垂直方向的投影示意图

图2 垂直方向的投影实物图

图3 柱腔长度一半处的截面图

1 方法一

1.1 证明诊断孔左右边界点C、D连线的中点与柱腔中心的连线与诊断孔轴线重合

CT视场中的柱腔如图1、2所示，利用精密加工技术，让诊断孔轴线过柱腔中心O（偏差在10 μm以内，）。如图3，由对称性可知诊断孔轴线过劣弧AB的中点P，因为是柱腔长度一半处的截面图，故P即为诊断孔左右边界点C 、D （C′、D′分别为C、D的投影）连线的中点。

1.2 间接测量计算θ

图3中柱腔截面圆圆心为O，诊断孔边界点A、B连线的中点为Q, 在柱腔竖直对称轴上的投影为Q′。劣弧AB中点为P,在柱腔竖直对称轴上的投影为P′，P′、D′不重合（如图1、图3所示）。A、B在柱腔竖直对称轴上的投影分别为A′、B′。利用从美国引进的一台微CT系统（如图4，系统分辨率1.5 μm）对T型源靶扫描成像，图像如图5所示（放大倍数10X，平滑处理后的效果），从图像可以清晰地看到柱腔外面电镀的金层。利用微CT自身的作图功能，沿着柱腔上下边界分别画一条平行柱腔的直线（即标出柱腔内径，排除金层厚度不均匀的干扰），再作两条与图5中诊断孔上下边界点相切的直线，切线与之前的两条直线平行。做两条切线之间的垂线，标记中点。量出中点到柱腔上边界的距离l。因为Q是AB中点且QQ′//AA′//BB′，则 Q′是 A′ B′中点。Q 点在柱腔对称轴上的投影点Q′到柱腔上边界的距离为l（如图3所示），则：

图4 微CT外观

2 方法二

图5 在微CT上成像（方法1）

对CT扫描的同一张图，由于水平线在投影过程中保持长度不变，诊断孔最宽的位置CD（即左右边界点的连线）的投影线段C′ D′长度不变，CD中点P在柱腔的竖直对称轴上的投影点P′为C′D′ 的中点（如图6所示）。量出柱腔内径d，作两条竖直直线，使其与诊断孔投影图像左右边界点（即C′、D′）相切，连接两个切点， 在切点连线中点。量出p′到柱腔上边沿（内边界）的距离l′。则：

图6 在微CT上成像（方法2）

3 测量结果比较

对图5、图6所示的T型源靶柱腔，用方法一测量l=710.34μm，d=1006.86μm，AB=600μm代入（1）式，θ 值为59.22°。对同一发T型源靶，用方法二测量 d = 1006.86 μm，l′ = 753.83 μm 代入（2）式，θ = 60.17°。由两种方法从不同角度测量分析可知，这发T型源靶装配不合格。但是，两种测量结果存在0.8°的偏差。

4 测量误差分析

对方法一，测量θ需要知道d、l、AB，每个值的测量都会给结果带来误差。如表1、表2、表3。

表1 θ的变化（l=710.34μm, AB=600μm ）

表2 θ的变化（d=1006.86μm, AB=600μm ）

表3 θ随AB的变化（d=1006.86μm, l=710.34μm ）

可知，d、l 的测量误差对值影响较大，d、l变化5 μm，θ偏差就可达0.5°以上。而AB变化对θ值影响很小，故在精密加工技术作保证的前提下，用微CT测量θ时假设AB=600μm恒定不变是合理的。从CT图像上看出，金层分界面清晰，故d的测量误差可以忽略，θ值的测量误差主要来源于d的测量，即诊断孔上下边界点切线的定位将极大影响θ的测量精度。

在假定d、AB不变的情况下，多次重新定位上下边界点的切线，重复测量l，验证θ的重复性（表 4）。

表4 θ的变化（多次重复定位上下边界）

由表4看出，7次重新定位切线，θ值变化很小，所以在微CT目前的分辨率下，用方法一测量θ的准确度具有较高的可信度。

对方法二，由图6可知，由于CT自身的分辨率问题，完全准确地找到竖直线和诊断孔左右边界的切点C′、D′有一定困难，线段C′ D′定位不准确会给l′的测量带来偏差，表5给出θ随l′的变化。可见，l′的细微变化都将大大影响θ值。

同理，采用多次定位左右边界点切线测量的方法验证方法二的重复性(表6)。

表5 θ的变化（d ′=1006.86μm）

表6 θ的变化（多次重复定位左右边界切线）

由表6可知，方法二的测量结果波动太大，重复性较差，不适合用于θ的测量。

为了进一步比较微CT测量的两种方法的可信度，通过CT选取金层厚度均匀的T型源靶（上下金层厚度偏差小于5 μm）7发，用显微镜测量θ值，显微镜测θ的方法和微CT的方法一类似（显微镜测柱腔外径，方法一测内径），将显微镜测量值和微CT两种方法的结果比较，如表7所示。

表7 显微镜和CT两种方法对比

由表7可知，对不同的靶，显微镜和微CT方法一的测量结果有很好的一致性。

5 结论

用微CT测量诊断孔轴线与靶杆夹角θ的两种方法都有自身的局限性，主要表现在边界的切线定位不准从而对l、l′的测量带来误差，经过对两种测量方法数据的比较发现，方法二的重复性较差，人为因素对最终测量结果影响较大。相反，方法一的测量结果重复性好。通过与显微镜的测量结果比较可知，方法一的结果具有更高的可信度。测量T型源靶诊断孔轴线与靶杆夹角θ宜采用方法一。

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