正电子湮没技术作为材料无损检测的应用研究

曾 辉 陈志强 姜 静 薛旭东 梁建平 刘向兵 王荣山 吴奕初

1（武汉大学物理科学与技术学院 湖北省核固体物理重点实验室 湖北 430072）

2（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

3（苏州热工研究院有限公司 江苏 215004）

正电子湮没技术作为材料无损检测的应用研究

曾 辉1陈志强1姜 静1薛旭东1梁建平2刘向兵3王荣山3吴奕初1

1（武汉大学物理科学与技术学院 湖北省核固体物理重点实验室 湖北 430072）

2（中国科学院上海应用物理研究所 嘉定园区 上海 201800）

3（苏州热工研究院有限公司 江苏 215004）

利用正电子湮没技术对材料内部原子尺度缺陷和损伤十分敏感的特点，设计了一种新的正电子无损检测(Non-destructive testing, NDT)装置，并使用单一样品分析了形变及辐照损伤材料的缺陷状态，证实该测量系统的可行性和可靠性。正电子NDT有望真正从原子尺度上给出材料损伤的判据，比常用的宏观或微观损伤判据更灵敏，可方便、快速及高灵敏探测两维缺陷分布。

正电子湮没，无损检测(Non-destructive testing, NDT)，缺陷

随着现代工业和科学技术的发展，无损检测技术(Non-destructive testing, NDT)已经越来越重要。大多数机械损伤都开始伴随着材料的微结构变化，一般情况下，材料的机械性能与其内部的原子缺陷结构密切相关，如在辐照、疲劳时真实原子结构的变化早于宏观性能的变化。因此很有必要了解材料的真实结构，特别是探测材料损伤的早期阶段。然而，目前国内外大多采用超声波、声发射检测、工业CT、激光全息摄影、射线和渗透与磁法检测等[1]，这些方法的固有局限性在于出现亚毫米级以上的缺陷才可以检测出。正电子湮没无损检测技术在材料机械性能发生变化之前就能探测到其微结构的变化，是研究材料缺陷和电子结构的重要手段[2]。检测原子尺寸缺陷是正电子湮没技术的特长，对于材料的微结构表征是一个非常灵敏的工具，一般的NDT方法是无法与之相比的，因而它对设备的维护、安全和稳定性都是非常重要的。

目前常规多普勒展宽和正电子寿命谱仪都是采用“三明治式”夹心结构，即用两片相同的样品将放射源夹住进行测量，所以在很大程度上限制了它的工业应用。因而如何对传统仪器进行改进，特别是如何实现单样品的测量，用于材料缺陷的工业NDT应用，一直是人们十分关注的问题。一些作者做了相关的工作，如早期Hutching等[3]研究小组分别研制出适用于材料NDT的多普勒展宽谱分析系统，该系统可使用于探测材料的拉伸、弯曲、疲劳等引起的形变和损伤。吴奕初等[4]也曾建立多普勒展宽谱仪与慢拉伸仪联合的NDT装置，实现了多普勒展宽谱的原位测量。王宝义等[5]发展了β+-γ符合正电子寿命谱仪，Somiewki等[6-7]初步研究也指出寿命谱可作为NDT的一个新方法。最近，日本Yamawaki等[8]发展了一种新的正电子寿命测量仪，采用巧妙设计，将正电子源直接滴在闪烁体上，通过添加正电子探测器，用反符合方式剔除掉无用的γ射线信号实现单样品的NDT测量，但该设备硬件上要求较高。另外，一些作者用光致正电子湮没技术(Photon Induced Positron Annihilation, PIPA)来实现材料的正电子无损检测[9-11]，但该技术需要加速器等昂贵实验设备，技术相对不成熟。本文探讨如何改进传统测量装置实现单样品测量，并验证了该方法的可行性及可靠性，可望用于实际材料的NDT。

1 实验

1.1实验装置

为实现正电子寿命（或多普勒展宽）的NDT测量，设计如图1所示的测量装置，该装置由三个部分组成：探测系统、移动系统和控制系统。

探测系统和传统的正电子寿命谱测量系统类似[2]，包括两个γ射线探测器，两个恒比定时甄别器和一个时间幅度转换器等。γ射线探测器中的闪烁体采用时间响应特性好的BaF2闪烁体，响应的光电倍增管选用时间响应快的XP2020Q。实验时，调节恒比定时甄别器的能窗，使探头分别记录同一个正电子所发出的起始和终止信号即1.28MeV和0.511MeV的光子，时间幅度转换器再将这两个信号之间的时间间隔转换为一个高度与之成正比的脉冲信号输入多道分析器得到正电子寿命谱。

图1 改进的正电子寿命无损检测装置Fig.1 Modified positron lifetime spectrometer for non-destructive testing.

移动系统包括超薄型二维电控平移台、剪式升降台（手动移动平台）和待测样品。工作时，待测样品固定在二维电控平移台上，通过计算机来控制二维电控平移台的移动速度、距离以及轨迹等，从而实现待测样品的二维探测。

控制系统包括计算机和电控箱。电控箱软件可以控制二维电动平台，而原有的计算机软件可以控制寿命谱数据收集，结合二者的控制软件，可以实现计算机同步控制二维电控平台和寿命谱测量。

类似于图1的设计，采用高纯Ge探测器代替两个γ射线探测器，可搭建多普勒展宽谱的NDT测量系统。

1.2实验样品

实验采用高纯铁和Hastelloy合金辐照样品。纯铁样品从合肥科晶购买，纯度为99.99%铁样品，主要杂质为0.0015%C、0.001%Ca。样品的尺寸为10mm×10mm×1mm，样品用水磨砂纸将试样表面磨平（从150#到1200#）；真空退火处理：真空度为10-3Pa，加温至850°C，保温15min，炉冷至室温；然后电解抛光，抛光液为饱和磷酸铬酐，电流密度为1A·cm-2，时间为5min。部分退火样品进行冷轧处理，冷轧变形量为33%，作为冷扎铁样品。

Hastelloy 合金属于高耐腐蚀性能合金，具有优秀的高温强度、良好的力学性能和物理性能，在很多介质中甚至强腐蚀介质中都具有很高的耐腐蚀性。由于化学工业中的反应过程，其参数（温度、压力、介质浓度）的强化；介质强腐蚀性的场合越来越多；腐蚀条件变得更加苛刻。这些因素都促使具有高耐腐蚀性能的Hastelloy合金在各种高温、腐蚀环境（如航空汽轮机、工业炉部件、石油化学炉、高温气体冷却核反应堆）中越来越广泛地得到应用。本文中使用Hastelloy合金样品为国产Ni-Mo合金，具体良好抗蚀性和熔盐环境中的耐中子辐照性，合金材料用于构成钍基熔盐堆的堆芯容器和回路，该合金主要成分为：16.6%Mo、7.09%Cr、3.83%Fe和0.52%Mn。室温下用132MeV的Ni10+离子辐照，辐照峰值剂量分别为0.5 dpa、1 dpa、3dpa，离子辐照流强为300nA，离子束的直径为ø8mm，辐照深度约10μm。实验时采用未辐照样品两片、辐照峰值剂量分别为0.5 dpa、1 dpa、3dpa样品各一片。

1.3测试方法

在测量寿命谱时，强度为7.4×105Bq的22Na放射源两边不是同时放两片相同的退火铁或者冷轧铁，而是一边为单片的退火铁，一边为单片的冷轧铁（以下称之为混合铁），然后在解谱过程扣除掉退火铁（作为参考样品）的贡献，那么所得的结果应该和22Na放射源两边放相同的冷轧铁的结果相同。然后我们在实际过程中就可以寻求一个标准的参考样品（例如退火铁），固定参考样品和放射源，测量不同的待测样品，通过这种解谱扣除参考样品的方法实现单样品的测量。

多普勒展宽利用高能量分辨率的高纯Ge半导体探测器进行测量。22Na放射源、参考样品材料和待测样品放置方式如图1，511keV处能量分辨率约为1.5keV。用S参数来分析多普勒展宽谱的变化[2]，S参数反映了低动量电子即价电子或传导电子的动量信息，当正电子被缺陷捕获时，由于与高动量芯电子湮没的概率减小，S参数将增加。

正电子寿命谱仪的时间分辨率约280ps，每个谱总的计数为2×106。源-样品放置方式与多普勒测量相同。正电子在源成分的贡献为：363ps对应强度16.2%以及990ps对应强度0.92%。正电子寿命谱采用LT9程序拟合分析。

2 实验结果及讨论

2.1退火铁和冷轧铁结果比较分析

对退火铁、冷轧铁和混合铁样品分别用此无损检测装置做多普勒展宽和正电子寿命谱实验，其中，测量混合铁时，将单片退火铁作为参考样品材料，单片冷轧铁作为待测样品。解谱结果如表1，退火铁的正电子寿命τ1和τ2分别为108ps和380ps，对应正电子在完整态和空位团中的湮没，冷轧铁的正电子寿命τ1和τ2分别为124ps和343ps，τ1增加包含正电子在单空位和位错中的湮没，这与文献报道结果基本一致[12-14]。混合铁（未扣除退火铁的贡献）的S参数及正电子寿命参数结果都介于纯铁和冷轧铁的参数之间；而混合铁（扣除了退火铁的贡献）和冷轧铁的S参数及正电子寿命参数在误差范围内是相同的，这证实在解谱中扣除掉参考样品实现单样品测量的方法是可行的。

表1 退火铁、冷轧铁和混合铁的多普勒展宽S参数及正电子寿命参数Table 1 Doppler broadening S parameter and positron lifetime parameters for annealed, cold-worked and mixed irons.

图2进一步给出退火铁、冷轧铁和混合铁样品的正电子寿命谱。从图2可以看出混合铁（未扣除退火铁的贡献）的寿命谱介于纯铁和冷轧铁之间；混合铁（扣除了退火铁的贡献）和冷轧铁的寿命谱基本一致，这说明混合铁（扣除了退火铁的贡献）测量等价于传统“三明治式”夹心结构的冷轧铁测量。

图2 退火铁、冷轧铁和混合铁的正电子寿命谱Fig.2 Positron lifetime spectra of annealed, cold-worked and mixed irons.

2.2正电子NDT方法在辐照损伤样品中的应用

在室温下，对Hastelloy合金辐照损伤样品分别按照图1无损检测装置做多普勒展宽和正电子寿命谱，实验时采用单片未辐照样品作为参考样品，辐照峰值剂量分别为0.5 dpa、1 dpa、3dpa样品以及未辐照样品各一片作为待测样品，所得的结果如图3和图4。很明显地看出，图3和图4结果变化一致，而且在扣除参考样品材料的贡献后，所得的结果更加明显，多普勒展宽S参数和正电子平均寿命都能灵敏反映损伤样品内部缺陷的变化。在低剂量的辐照下(＜0.5dpa)，S参数和正电子平均寿命τm快速地增加，表明快速地产生大量的缺陷；随着辐照剂量的增加(＜1dpa)，S参数和正电子平均寿命τm的快速增加变慢；继续增加辐照量(＜3dpa)，S参数和正电子的平均寿命τm有所降低，可能是因为产生大的空位团或者空洞崩塌所致，这与文献报道的结果一致[15-16]。图3和图4所得结果表明这种正电子无损检测方法是可以灵敏探测辐照损伤样品内的缺陷。

图3 S参数随辐照剂量变化Fig.3 Change of S-parameter with irradiated dose.

图4 正电子平均寿命τm随辐照剂量变化Fig.4 Change of positron average lifetime τm with irradiated dose.

综上所述，正电子NDT新技术是材料损伤的早期阶段特别灵敏的NDT方法，该方法有可能真正从原子尺度上给出材料损伤的判据，比常用的宏观或细观损伤判据更灵敏。这种正电子NDT装置可望用于实际材料（厚样品和大样品）的NDT，特别是应用于核电站RPV钢在役定期监测及寿命评估等方面。目前，测试平台的搭建工作已初步完成，下一步主要解决软件问题，实现多普勒和寿命谱同时测量（可在起始γ信号探测器和终止γ信号探测器之间放置一个高纯Ge半导体探测器来实现）以及改进测试系统的计数率和分辨率实现探测两维缺陷分布等问题。

3 结语

利用我们初步搭建的正电子NDT装置，分析了形变及辐照损伤材料的缺陷状态，证实了可以使用单片样品探测材料内部缺陷。该方法有望真正从原子尺度上给出材料损伤的判据，可方便、快速及高灵敏探测厚样品和大样品的缺陷状态。

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CLCTL99, TG115.28

Application of positron annihilation techniques in non-destructive testing

ZENG Hui1CHEN Zhiqiang1JIANG Jing1XUE Xudong1LIANG Jianping2LIU Xiangbing3WANG Rongshan3WU Yichu1

1(School of Physics and Technology, Hubei Key Laboratory of Nuclear Solid State Physics, Wuhan University, Wuhan 430072, China) 2(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China) 3(Center of Plant Life Management, Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

Background:The investigation of the material damage state is very important for industrial application. Most mechanical damage starts with a change in the microstructure of the material. Positron annihilation techniques are very sensitive probes for detecting defects and damage on an atomic scale in materials, which are of great concern in the engineering applications. Additionally they are apparatus of non-destruction, high-sensitivity and easy-use. Purpose: Our goal is to develop a system to exploit new non-destructive testing (NDT) methods using positron annihilation spectroscopy, a powerful tool to detect vacancy-type defects and their chemical environment. Methods: A positron NDT system was designed and constructed by modifying the "sandwich structure" of sample-source-sample in conventional Doppler broadening and positron lifetime spectrometers. Doppler broadening and positron lifetime spectra of a single sample can be measured and analyzed by subtracting the contribution of a reference sample. Results: The feasibility and reliability of positron NDT system have been tested by analyzing nondestructively deformation and damage caused by mechanical treatment or by irradiation of metal alloys. This system can be used for detecting defects and damage in thick or large-size samples, as well as for measuring the two-dimension distribution of defects in portable, sensitive, fast way. Conclusion: Positron NDT measurement shows changes in real atomic-scale defects prior to changes in the mechanical properties, which are detectable by other methods of NDT, such as ultrasonic testing and eddy current testing. This system can be developed for use in both the laboratory and field in the future.

Positron annihilation, Non-destructive testing (NDT), Defect

TL99，TG115.28

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060203

国家自然科学基金(No.11175136、No.51071111、No.J1210061)、武汉大学自主科研项目和苏州热工研究院有限公司技术开发项目资助

曾辉，男，1987年出生，2011年毕业于洛阳师范学院，现为武汉大学物理科学与技术学院硕士研究生

吴奕初，E-mail: ycwu@whu.edu.cn

2013-12-23，

2014-02-18