含能材料密度的XCT自参照测试

杨雪海,张伟斌,戴 斌,田 勇

(中国工程物理研究院化工材料研究所,绵阳 621900)

含能材料内部的密度均匀性对武器装药的能量输出与爆轰波传输具有较大影响[1]。在含能材料局部密度测试中,采用较多的是能束窄、输出相对稳定的γ射线[2-3],但γ射线强度有限,检测尺寸较大或密度较高的试件存在一定局限性。强度较高、能量可调的X射线成为含能材料局部密度测试的新选择[4-5]。美国军方制订了相应的ASTM标准密度测量方法[6]。

采用XCT测试材料密度,通常需要加入标准样品,经过刻度、标定和校正等复杂处理,将CT灰度值转换为体密度ρ。武器装药用含能材料属于复合材料,制备含能材料标准样品比较困难,一般采用的标样为有机材料或铝等,但它们对X射线的吸收系数与含能材料不同,加上含能材料局部密度范围较小,而非含能材料标定的密度范围较大,因此测试效果并不理想。此外,X射线存在的能量波动性,其在某固定管电压的平均能量也会随着测试时间段的不同而有所波动,标准样品与试验件的分开测定会造成不小的误差,加上X射线的硬化效应,标准样与测试件的材料特性、形状、尺寸的不同等均会对测试结果带来不小影响。

因此,考虑到测试局部密度中采用标准样品的种种不便,而相同材料构成的含能材料样件的局部密度相差范围不大,笔者拟采用密度相近的含能材料试件所组成体系的整体密度作为参照密度,采用局部分割组合的方法,应用微焦点CT技术和同步测试方法,研究小密度范围含能材料的测试方法。

1 试验原理与方法

1.1 试验原理

在XCT中,不考虑射线硬化、探测系统的非线性等因素时,物体的线性衰减系数μ与CT图像灰度值H之间成正比关系,即：

式中a,b为拟合参数,又

式中μm为质量吸收系数;ρ为物体的体密度。则有

将物体划分为n个局部,假定各个局部的密度对物体整体密度有相同的加权值,各个局部的CT灰度值对物体整体的CT灰度值有相同的加权值。当n足够大或所检测局部具有足够的代表性时,其整体密度ρ0可用各部分密度ρi的平均值精确值近似,其整体CT灰度值H0可用各部分CT灰度值Hi的平均值精确值近似,即：

由于各局部物质组成相同,μm相同,则：

实际上,由于X射线是连续多色谱,射线硬化以及探测系统的非线性等因素对CT灰度值的测量是有影响的。因此,笔者拟将物体圆柱体沿轴向均分为n部分,试件从空间上等距分开,各部分具有相同的组成、形状和大小,通过同步测试方法,可以最大限度减小能量波动、硬化效应和探测系统非线性等因素的影响,在一定条件下,式(5)和(6)成立。通过测试试验件的(ρ,H)数据,绘制ρ-H直线,ρi可由式(9)计算得到。

1.2 试验条件与数据获取

采用6个形状、尺寸和组成相同的含能材料圆柱形试件,模拟检测局部的样品。试件对称放置于工作圆台的同心圆环小孔中,尽量减小能量波动、硬化效应和探测系统非线性等因素的影响,使得对各个试件的密度、CT灰度值对于自参照体系有相同加权值,工作圆台示意图见图1。

图1 工作圆台示意图

试验装置为240kV微焦点平板探测器CT系统,密度分辨率可达0.1%。管电压为150kV,管电流为100μA,采用锥束VCT技术和平面探测器对样品进行同步扫描试验。重建的三维CT图像体元尺寸为86μm×86μm×86μm,放大倍率为4.65。含能材料样件尺寸为φ20mm×20mm,体密度通过排水法测试,CT灰度值(VCT)为计算得到的样件全部体元的平均灰度值。

2 试验结果

2.1 重建三维CT图像3D和X-Y轴截面

通过三维重建获得的试验样件3D以及X-Y轴截面图像见图2。

图2 样件CT图像的3D和X-Y轴截面图像

2.2 含能材料试验件体密度与VCT灰度值的关系

选取各试验件的体元CT提取范围,计算出各样件的VCT灰度值,并绘制含能材料样品组体密度-VCT灰度值拟合直线(图3)。

图3 样件体密度-VCT灰度值的拟合结果

试验条件下,拟合得到的ρ-H直线方程为：

2.3 不同方法所得密度的比较

根据式(5)和(6),求出ρ0=1.888 g◦cm-3,H0=9 200。再根据各样件的VCT灰度值,通过式(9)和(10),求出各样件的CT法密度值,并与排水法密度值比较,结果见表1。

表1 样件的排水法密度和CT密度比较

由表1可以看出,通过CT法计算求取的样件密度与排水法测得的密度比较一致,相对误差在0.1%以内。

3 结论

采用小密度范围内的含能材料作为试验件,以组合成试验样件体系的整体密度作为参照密度,采用局部分割组合的方法,运用微焦点 VCT技术、VCT平均灰度值计算方法和同步测试方法,研究含能材料试件体密度与VCT平均灰度值之间的对应关系,计算含能材料试件的CT密度。结果表明,同步测试方法可以有效减小不同时间段X射线能量波动引起的误差,采用相同形状、尺寸样件可以避免X射线硬化对试验结果的影响。CT法计算所得密度值与排水法密度值的相对误差在0.1%以内。

[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]杨文海,何得昌,徐军培,等.γ射线工业CT技术在高能炸药密度检测中的应用[J].火炸药学报,2001,24(3)：33-34,72.

[3]田勇,李高强,温茂萍.炸药柱径向局部密度的自对照射线透照法[J].无损检测,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].