(本文来源:混凝土世界)

X射线是一种电磁波,其组成粒子是光子。X射线具有波长短、光子能量高的特点,因此可穿透到原子内部,在行进的过程中一部分光子发生透射,一部分光子与核外电子发生散射或光电效应。对这些现象的有效利用,可达到形成能谱或成像的目的,使得X射线成为材料性能分析的重要手段。随着材料科学的进步,对利用X射线的设备工作能力提出了更高的要求,本文综述了基于X射线波粒二象性的固有特征,利用X射线衍射、X射线激发、X射线吸收和X射线相差现象的设备工作原理;同时,讨论了X射线设备工作能力的发展方向。

1 概述

在微观层次上,进行物质中晶体结构、元素组成、化学反应进程和缺陷分布表征;在宏观层次上,进行物质中流场、应变场、传输(侵入或溶出)以及裂纹扩展过程表征,是材料性能设计、优化和破坏机理研究的重要因素。

X射线是具有一定波长和能量范围的光子流,即具有波动特征也具有粒子特征。X射线的波长与常见物质的原子和分子间距相当,利用光波的衍射特征可获悉物质的微观结构,或反而行之进行物质鉴定。X射线的光子能量与常见物质中核外电子的跃迁能量相当,利用电子跃迁产生的X射线吸收,可进行试样的透射成像或拓扑(切面)成像;利用被激发的电子在返回基态所产生特定波长的X射线(特征X射线)可进行元素鉴定。X射线的光子与原子的核外电子发生散射,可改变光子行进的速度和方向,使得X射线光波相位和方向发生变化,利用相位差可进行相衬成像。由于X射线在微观结构表征、物相鉴定、微观形貌成像方面的工作能力,使得X射线成为材料性能表征和衰减机理研究的重要手段。

随着材料科学的进步,对材料微观结构、静态和动态变化过程的精确和快速表征提出了更高的要求。本文综述了利用X射线衍射、X射线激发、X射线吸收和X射线相差现象的设备工作原理和能力发展方向,以及多原理、多设备联合的应用方式,以期为材料性能表征、设计和优化研究方法提供借鉴。

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2 X射线的特征与利用

1895年,德国物理学家伦琴(W. C. Rntgen)发现了该种射线超强的穿透能力并命名为X射线。之后的研究证明,X射线是具有一定波长和能量范围的电磁波,由具有波粒二象性的光子组成。图1为X射线的波长和能量范围。

X射线的波长在0.01nm至10纳米之间。通常以0.1nm为界,将波长小于0.1nm的X射线称为硬X射线,将波长大于0.1nm的X射线称为软X射线。X射线的波长涵盖常见物质的原子或分子间距,在通过原子层形成的间隙时可产生衍射现象,为晶态物质原子架构剖析提供了基础。

X射线的光子能量在100eV至300KeV之间,该能量可激发常见物质的核外电子发生跃迁,产生X射线吸收。元素的X射线吸收能力与原子序数成正比,一般情况下,原子序数与形成的物质密度成正比,因此高密度的物质通常形成更显著的X射线吸收,为物质的透射成像和拓扑(切片)成像提供了基础。同时,低能量的光子与原子核外电子碰撞时会产生散射,这是从粒子角度阐述光波衍射现象或折射现象的原因。

3 X射线发生装置

X射线最原始的发生装置是阴极射线管(X射线管),随着对X射线单色性(波长频率范围)和光通量(单位时间通过单位面积的光子数)要求的提高,逐渐开发出激光等离子体光源、同步辐射光源和X射线自由电子激光光源等多种形式,其发展的方向是提高X射线的单色性、光通量、相干性和偏振性。

3.1 X射线管

X射线管的工作原理是用热激发物质释放电子(通常采用电流加热钨丝的方式),然后用电场对释放出的电子进行加速,高速的电子在前进过程中与靶材相撞,电子在撞击前的理论能量为eV0,其中,e为电子携带的电荷,V0为X射线管对电子的加速电压,电子与靶材碰撞后,其能量绝大部分转化为热能,少部分转化为光能,释放出能量在X射线能量范围的光子(从靶材中发射的光子方向是任意的,射线管的狭缝规整X射线的出射方向),如图2所示。


原子的核外电子是按能级分布的(如图3所示),能级中又分为轨道,能级越小,其中的电子被原子核束缚的程度越大。使用高能量的电子轰击原子的核外电子,可将内层轨道上的电子激发出去,使原子处于不稳定状态,处于激发态的原子寿命只有10-12至10-14秒,然后自发地由高能态恢复到低能态,恢复过程中,外层轨道上的电子向内层迁移,降低能量并释放出光子,轨道间确定的能量差决定了释放出的光子有确定的能量,称为特征辐射。除特征辐射,电子在穿透原子核外电子层的过程中,如果没有与核外电子发生碰撞,原子核的电荷效应(带正电)也会使得透射的电子减速,并将电子损失的能量转化为光子释放出来,如图4所示。由于透射的电子与原子核之间的距离在很大的范围内变化,因此发射出的光子能量在一定的范围内变化,这种由于电子减速而产生的辐射称为韧致辐射。韧致辐射产生的光子能量是连续变化的,特征辐射产生的光子能量是阶跃的,两者的组合表现为连续谱线上出现阶跃的尖峰,如图5所示。


一般将韧致辐射产生的具有连续能量谱的光子流称为多色光,将韧致辐射产生的具有特定能量的光子流称为单色光(当然,韧致辐射和特征辐射并不是产生多色光或单色光的唯一方式)。在X射线的应用过程中,究竟是使用多色光还是单色光,取决于应用目的和测试原理,一般来说,在可以使用单色光的情况下使用窄波长范围的多色光,多是基于光通量的考虑而勉强为之(否则测试效率太低)。

3.2 激光等离子体光源

高能红外激光照射固体靶材表面可形成等离子体(等离子体是由处在非束缚态的带电粒子组成的多粒子体系,与固态、液态、气态一起构成自然界物质的四种基本形态),同时激光驱使等离子体中的电子加速到数百KeV(激光是一种电磁波,其中的电场可加速电子的运动),这些高速电子与固体靶材撞击形成韧致辐射和特征辐射,如图6所示。激光等离子体光源产生的X射线具有高频脉冲特性(脉冲长度只有数百飞秒),可用于化学反应动力学等具有时间特征的过程分析和监测。


3.3 同步辐射光源

因该种发射X射线的方式最早是在同步电子加速器上发现而得名,其工作原理是使用交变的磁场(振荡器)加速电子,振荡器磁极的间隙以及磁单元的分布可控制电子振荡的振幅和频率,振荡器的加速使得电子的运动速度接近光速,使用弯曲磁铁形成的磁场使电子的运动发生偏转,偏转过程中会沿转弯处的切线方向释放出电磁波(能量属于X射线),如图7所示。同步辐射光源的优点是光谱范围宽(可使用振荡器的磁极间隙和磁单元分布调制),光通量大(亮度高),同步性好(光波的相位一致),偏振性好的特点,因此可提升测试效率和分辨率(空间分辨率和时间分辨率)。


3.4 X射线自由电子激光

X射线自由电子激光的产生原理是首先使运动速度接近光速的电子进入振荡器(由电子枪发射),电子在振荡的过程中产生频率一致的电磁辐射(释放出光子),电磁辐射的前进方向与电子的前进方向一致。在振荡器的两端设置两个反射部件(反射镜),构成谐振腔,其作用是对产生的电磁波进行相位选择,期望相位的光波得以保留,非期望相位的光波得以消除;光波在谐振腔内经历反复的运动,其结果是一方面使得光波的振幅得以增强,另一方面利用光波的电场诱导电子流运动的一致性。另外,运动速度接近光速的电子,在运动过程中会受到洛伦茨效应和多普勒效应的影响,前者使得电子振荡的频率增大,后者使得电子振荡产生的电磁辐射频率增大。

X射线自由电子激光发生装置的示意图如图8所示,装置的作用是产生相位一致、高亮度的X射线激光。X射线自由电子激光与同步辐射X射线相似,具有光谱范围宽、光通量大、同步性好、偏振性好的特点,但X射线自由电子激光的频率更高(能量更高)、振幅更大(光通量大、亮度高),是比同步辐射X射线更先进的光源。


X射线管、激光等离子体光源、同步辐射光源和X射线自由电子激光相比,X射线管产生的X射线是多色光(包括韧致辐射产生的连续X射线光谱和电子跃迁产生的特征X射线),使用时可通过单色器对多色光进行选择性使用,但光通量较小;同时,X射线管是点光源,通过X射线管上的小孔(孔径为微米或以下)辐照出锥形光。激光等离子体光源、同步辐射光源和X射线自由电子激光均为平行单色光,单色光的频率可通过振荡器和谐振腔参数进行选择,这三者相比,X射线的品质,如单色性、光通量和偏振性等按次序逐渐提升。实际使用过程中,应根据测试要求(测试对象、测试速率和分辨率等),对X射线发生装置进行选择性建设或使用。X射线管由于制造工艺简单、体积小、成本低,因此是最常见的X射线发生装置。

4 X射线衍射

1912年,德国物理学家劳厄(M.von Laue)根据X射线波长与晶体中原子晶面距相当的现象,预见并证实了X射线在穿过晶体时会发生的衍射现象。1913年,英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)在劳厄发现的基础上,通过将X射线衍射比拟为X射线在晶面上的反射,建立了晶面距与X射线入射角之间的关系,即布拉格方程,如式(1)所示:


其中,λ为X射线的波长;d为晶面距;θ为X射线的入射角;n为整数。

其实,1912年,劳厄也提出了X射线发生衍射所必须满足的劳厄方程,其表达形式虽与布拉格方程不同,但实质内容是相同的。但布拉格方程由于简单明了的表达形式,获得了广泛的应用。

对于某个待测单晶体,其晶体的晶面距是确定的,X射线波长λ和入射角θ之间的关系需满足布拉格方程才能发生衍射。有两种方法可用于匹配λ和θ之间的关系,一种方法是使用单色光,即固定X射线波长,然后进行入射光和试样的相对转动,即改变入射角,这种方法称为转动晶体法;另一种方法是使用多色光,即光源由连续变化波长的X射线组成,这种方法称为劳厄法。

从波的角度,X射线在通过间距与波长相当的晶面间隙时会发生衍射,同相位光波的叠加形成衍射光斑(单晶)或衍射环(多晶粉末);从粒子的角度,X射线在穿过晶体时,会被原子的核外电子散射(相干散射)并改变前进方向(方向的改变需满足动量定理),但不改变光的波长,当晶面间隙两侧原子核外电子散射的X射线光波光程差为波长的整倍数时(此时也决定了X光波的入射角),就会形成同相位光波的叠加并发生衍射。不同原子的核外电子分布不同,对X射线的散射能力不同(在散射的光子数量与入射光子数量的比值方面)。

不同晶体之间的差异在于原子架构不同(所有的晶体可分为7种晶系,14种布拉维晶格)或原子种类不同。使用连续光谱的X射线对单晶进行照射会形成一系列的光斑(如图9所示),光斑的位置由晶体中晶面的取向决定,光斑的大小由晶面的原子密度决定;使用连续光谱的X射线对多晶粉末进行照射,由于同一种晶面,如[100]的取向随机分布,因此会由分散的点连接成圆环(如图10所示),称为德拜环。通过对单晶衍射形成的光斑图上光斑的直径和位置(距离X射线源光轴在平面上投影点的距离,以及光斑之间距离)的测量,可计算出晶体的原子架构。


如图11所示,使用旋转晶体法,通过测试不同入射角对应的出射X射线光通量,则可获得如图12所示的旋转角-光通量曲线(称为X射线图谱)。不同的晶体,由于晶体结构和元素组成的不尽相同,因此各自对应着唯一的X射线图谱。迄今,已获得了六万多种晶体的X射线图谱并建立了数据库。通过旋转晶体法获得物质的X射线图谱,并将图谱和数据库进行比对,可鉴定测试物质中含有的晶体种类。


此外,根据X射线衍射结果,还可进行晶体尺寸分析、缺陷分析、残余应力分析、结晶度分析和取向分析。

当前,X射线衍射设备工作能力发展的主要方向是:

(1)通过提高X射线的光源质量和硬件水平,提高测试精度。譬如:以X射线管作为光源,探测精度通常在3%;以同步辐射作为光源,探测精度可达0.1%。

(2)原位X射线衍射分析,测试化学反应、温湿度或荷载作用下,晶体的形成、消亡、相变或畸变过程。

(3)混合物的定量分析,多种晶体和非晶体的混合物,其中组分的快速确定和定量分析。

(4)依据晶体结构的三维重建,通过测试物质中包含的多种晶体和取向,构建出被测试物质的三维结构,譬如:生物科学研究中大分子结构的剖析。

5 X射线激发

X射线激发的目的是将物质中原子的内层电子激发出来,并测量外层电子向内层迁移时释放出的特征X射线频率和光通量。通常使用的特征X射线是电子从L能级向K能级回迁时产生的Kα特征X射线,或M能级向K能级回迁时产生的Kβ特征X射线。

不同元素的特征X射线频率不同(波长也不同),根据特征X射线的光子频率(或波长)可确定元素的种类,根据光通量(光子数)可确定物质中该元素的相对含量。因此,该方法用于测量物质的元素组成和元素含量,可测试的元素种类通常从元素周期表第5位的硼到第92位的铀。

基于上述原理来进行物质中元素组成和含量测试的设备是X射线荧光光谱仪(荧光的含义是指在光的照射下发出的光)。根据对特征X射线的探测方式,X射线荧光光谱仪分为光子能量分布探测工作方式和光波长分布探测方式两种。图13为光子能量探测方式,工作原理是使用探测器对每个入射光子的能量进行探测并分类,从而得出试样中包含的元素种类和含量;该种探测方式对探测器的品质要求较高,要求探测器可分辨每个光子的能量并计数。图14为光波长探测方式,工作原理是对特征X射线使用准直器进行光路条理后,使之入射到已知晶体结构的晶体上,晶体转动的过程中实现布拉格公式(式<1>)中入射角和特征X射线波长的匹配,从而在已知入射角的前提下获得入射特征X射线的波长和光通量(光子数),进而获得元素的种类和含量;该种探测方式对探测器的品质要求较低,探测器只需探测出特定衍射角下对应的光子流平均能量。图15为使用光波探测方式(使用LiF晶体作为波长探测晶体)测得的一个试样中元素种类和相对含量关系示意图。

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6 X射线吸收

X射线吸收的机理是光电效应,显示了X射线的粒子特性,X射线在穿透物质的过程中,与物质中原子的核外电子碰撞,使得光子的能量被吸收并激发电子的跃迁。X射线束中光子的数量众多,虽然部分光子被吸收,但剩余的光子继续前行。不同元素的核外电子分布不同,对X射线的吸收能力不同。一般来说,高序数的原子对X射线的吸收能力更强,当然,对X射线吸收的程度还与试样的尺寸和孔隙分布有关。

X射线(按光波考虑)在穿透物质前后的能量变化服从贝尔定律(Beer’s Law),如式(2)所示:

其中:I为出射X射线的能量;I0为入射X射线的能量;为沿路径s的衰减系数。

由于不同元素对X射线的吸收程度不同,如果用具有一定初始能量的X射线照射物质,并通过感光器件来测量出射X射线的能量(实现方法是通过光电转化原理将光子能量转变为电压信号,再转变为人眼可分辨的灰度值),则可以用图像的方式反映物质内部的微观结构。1895年,物理学家伦琴拍摄的手掌透射照片,一方面证明了X射线超强的穿透能力,另一方面证明了X射线对不同元素构成物质的成像能力。

如图16所示,虽然可以对穿过物体的X射线能量进行测量并形成透射图像,但该图像中包含了X射线通过路径上的所有元素信息,因此细节对比度较差,特别是当高低序数的原子在同一路径上。改进X射线成像质量的方法是进行CT成像,其含义是通过计算的方式实现物质的切片成像。CT成像的效果如图17所示,可见通过CT成像的方式,使得复杂的脑组织结构观察和分析成为可能。

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CT设备的工作原理依然是利用X射线穿透试样后的能量变化,所不同的是CT成像过程中,将测试试样分成众多的体素单元来测量和计算。在硬件实现方法上,通过线形光源和点状探测器,平面光源与一维点状探测器阵列,或柱状光源与三维点状探测器阵列的组合,实现试样沿光线前进方向的剖分。同时,通过试样和光源之间的相对位移,可实现周向和轴向的剖分。

计算方法上,在已知入射X射线能量和使用探测器获得出射X射线能量的前提下,可获得试样在每个旋转角度上,沿X射线前进方向的每一条线上所有体素单元的累计X射线衰减量。通过对试样进行180度旋转,可获得二维平面上试样中每一个体素在不同方向上的累计X射线衰减贡献;如果在0度~180度的旋转范围内,进行步进扫描的次数大于Nπ/2(N是覆盖试样宽度的像素数),以每个体素的衰减因子为自变量,以每条线上累计X射线衰减量为因变量,则可建立矩阵求解获得该二维平面上每个体素的衰减因子。然后,通过建立衰减因子和人眼可分辨的灰度值之间的关系(一般设置256级灰度),可获得试样在该平面上的二维图像。通过对每一层体素衰减因子的计算,可获得整个试样所有体素的衰减因子。在获得试样所有体素的衰减因子后,则可进行沿任意切面方向上体素衰减因子的组合并计算成像。

实际上,上述计算所有体素衰减因子的方法仅在理论上可行,因为该计算量庞大,使得实时图像显示或切面图像的获取效率较低。1960年,美国数学家豪斯费尔德(A. S. Householder)提出了基于Redon变换的三维重建方法(适用于线形光源和扇形光源)。2002年,美国科学家卡采维奇(A.Katsevich)提出了针对锥形光源和螺旋扫描的三维重建方法。当前,背投算法(对矩阵的每一行进行单独处理,为并行计算提供了理论依据)和计算机并行计算技术进一步提升了CT图像的成像效率。

CT设备已广泛应用于医疗、工业和科学研究,依据成像速率和分辨率不同,可将CT设备分为医用CT和工业CT两大类。医用CT的应用重在病理诊断,对设备功能的要求依次是安全、快速和精准。工业CT的应用重在科学研究和产品质控,对设备功能的要求依次是适用、精准和快速。

没有任何一台CT设备能满足所有的测试要求,因此,应在使用、购置或开发之前,考虑设备的用途和测试对象的性质。工业CT面向的测试对象多样,涉及的物质成分、相态、刚度和体积变化范围广泛。因此,工业CT的参数调控能力(如频率范围、相干性、偏振性和光通量)是设备工作能力的重要体现。譬如:同步辐射光源通过振荡器对电子振荡特性的调节,可使得出射光涵盖软X射线至硬X射线的广阔范围,即可用于水窗透射成像,也可用于岩石的CT成像。

在成像精度方面,医学CT的空间分辨率要求为mm水平,工业CT的空间分辨率要求为um级或nm级。CT设备的成像分辨率取决于入射光束直径(越小越好)、入射光的频率范围(范围越窄越好)、探测器光电转化单元的尺寸(越小越好)以及试样运动控制台的机械精度。对入射光束直径和频率范围的要求,使得研究过程中对高级光源(如同步辐射光源和X射线自由电子激光光源)的需求增大,对探测器品质的要求促进了探测器开发和制造水平的提高,也促进了成像速度和精度。影响CT成像的另一个重要因素是伪影,产生伪影的原因包括射线硬化、采样数量不足、部分体积效应、光子数量不足、探测器上的探测单元性能不一致、成像速率与试样运动速率不匹配等。伪影导致CT图像上出现环状或条状等并非真实存在的线条,影响图像的质量和后续的计算分析,譬如:图18为探测器单元性能不一致导致的环状伪影,图19为部分体积效应导致的条纹伪影。可通过提高CT设备的硬件制作水平和软件校正能力,尽量消除伪影的影响。


在成像效率方面,工业CT面向的对象尺寸大,空间分辨率要求高,因此测试往往耗时数分钟至数小时,这一方面降低了测试效率,另一方面使得动态或衰变过程的考察变得不可行。所以,如何通过硬件品质的提高、系统的优化设计和计算模块能力的提升,提高工业CT的成像效率和成像质量,对于CT方法在材料科学研究过程中的适用性具有至关重要的作用。

工业CT设备工作能力的主要发展方向是:

(1)提高通过光源质量和探测器制备水平,进一步提高成像的空间分辨率、密度分辨率和数据采集速率。

(2)开发先进的图形处理算法,提高计算机的并行计算能力和图像处理能力,提高图像重建效率。

(3)开发专业化的图像处理软件,从X射线透射成像和CT成像所获得的图像数据中进行深入的信息挖掘。

7 X射线相差

X射线是一种电磁波(其组成粒子是光子),电磁波由振幅相互垂直的电场和磁场构成,电磁波进入物质后,其电场会和原子的核外电子相互作用。如果光子的能量不足以激发电子的跃迁,则电子与电场相互作用的后果是使得电磁波的行进速度减慢;如果光子的能量可以激发电子的跃迁,则局部电子的空缺会对电磁波产生加速效应,使得电磁波的行进速度提高。宏观指标上可以用折射率来反映电磁波与核外电子的相互作用对电磁波行进速度的影响,如果是减速,物质的折射率大于1;如果是加速,则物质的折射率小于1。

X射线的光子能量可以激发原子的核外电子产生跃迁,因此,对于X射线而言,物质的折射率通常小于1,这使得X射线在物质中的行进速度提高,且光线前进的方向偏离入射方向的延长线。不同元素对X射线行进速度的影响不同,如式(3)的折射率影响因素所示:

其中,n为物质对X射线的折射率;β为物质对X射线的吸收值;δ为物质对X射线折射效应产生的相移值。


其中,λ为X射线波长;Nk为元素k的原子密度;P是相移横截面。


其中,re为电子半径;Z为原子序数;f1为反常原子散射因子的实部(反映了X射线的光电效应)。

当X射线沿物体的法线方向入射,X射线不会发生折射现象,但行进速度会变快(因为折射率小于1);从光波相位的角度,就会表现出如图20所示的相位提前现象。如果X射线偏离物体的法线方向入射,除行进速度的变化外,还会导致前进方向的变化。


通过干涉的方法,可探测到参比X射线(不经过物质)和透射物体的X射线的相位差,实现透射方向的干涉成像,称为透射X射线相衬成像,如图21所示。利用旋转扫描方法对试样进行环向和轴向扫描,可通过类似利用X射线吸收进行CT成像的方法,计算试样所有体素单元的相移值,形成X射线相衬CT成像。


相对于X射线吸收,X射线相差的值更显著。例如:当X射线能量为20KeV时,水对X射线的吸收项β为6.0×10-10,相移项δ为5.8×10-7,后者是前者的1000倍。因此,对于采用X射线吸收法难以区分的材料:冰和空气、生物组织和空气、水和空气的界面,采用X射线相差的方法可以获得很好的效果,如图22所示。

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8 X射线方法的融合利用

任何测试方法都有一定的适用范围,多种测试方法的联合和数据的融合使用,是材料研究过程的常用手段。

就X射线测试方法的联合使用而言,由于X射线吸收适用于表征原子序数差异较大的组分,而X射线相衬适用于表征原子序数差异较小的组分,因此,X射线吸收和X射线相衬方法的联合使用,可用于表征具有复杂组成的物质,如混凝土,其中含有钢筋、岩石、水泥浆体、水和空气这些原子序数差异很大的物质。使用X射线吸收方法可表征混凝土的钢筋、岩石和水泥浆体,使用X射线相衬方法可表征混凝土孔隙中水分的结冰过程,两者的结合可较好地进行混凝土中物质的表征。

还可以将X射线测试方法与其他射线测试方法进行联合应用,如:

(1)X射线吸收与中子散射的联合应用(中子呈电中性,作用对象是原子核,与原子的作用几乎与原子序数无关,适用于观察轻元素,如X射线无法观察的氢原子;同时,中子的能量较小,适用于探测原子间的相互作用力,可用于动态过程表征),利用X射线吸收可表征试样的孔隙结构,利用中子散射可表征孔隙中的水分分布,因此,两种方法的联合可用于研究试样中的流体的运动规律。

(2)X射线吸收与正电子发射的联合应用,正电子发射的原理是将正电子发射示踪剂,如18F、61Cu、66Ga,注入到流体中,示踪剂释放出的正电子在湮灭过程中会释放出一对背向发射的γ粒子,通过探测γ粒子发射位置可表征流体的运动。所以,通过X射线吸收方法表征试样的孔隙结构,利用正电子发射表征流体的运动过程,可表征孔隙材料的传质过程和规律。

9 X射线设备与其他设备的协同

X射线设备与其他设备的协同使用,旨在用其他设备提供试样表征过程中所需的荷载、温度、湿度、离子侵入、离子滤出和冻融等过程,可实现无损状态下,原位、实时地考察试样的性能变化规律,是材料性能设计、优化和衰变机理剖析的必要研究方法。

依靠其他设备提供上述的测试环境通常没有太大的困难,X射线设备和其他设备协同使用的挑战来自于X射线方法的测试速度和精度。因为物质在承受荷载、温度和侵蚀等过程中,材料性能处于一个动态的变化过程,而X射线方法的原理是考察静态物质的性能。但是,如果能控制试样的性能变化过程(足够慢),或提升X射线设备的测试效率,使得测试过程足够快,则可以认为试样在测试期间处于“静止”状态。因此,如何设置其他设备的工作制度,以及如何提高X射线设备的硬件水平、数据采集速率和成像效率,是X射线设备与其他设备协同使用的关键。

结论

(1)X射线是一种电磁波,其组成粒子是光子,具有波粒二象性。X射线的波长和常见物质中原子和分子的间距相当,利用X射线的衍射可进行晶体的结构、尺寸和取向等分析;X射线的光子能量与原子核外电子跃迁所需能量相当,利用光子与电子之间光电效应、散射效应和电场相互作用,结合探测器对捕获光子的能量分析,可进行物质中元素的定性和定量分析,以及物质中组分和孔隙的透射或切面成像。

(2)X射线测试从本质上来讲是一种静态测试手段,但通过提升光源质量、探测器质量、数据采集速率和图像处理算法,可使得X射线测试方法成为“动态”过程的表征手段。

(3)X射线测试方法之间,以及X射线和其他种类射线之间的联合测试或数据融合,可拓展X射线的测试能力;X射线设备与其他设备的协同使用,可实现试样在荷载、温度、侵蚀等作用因素下的衰变过程表征,实现试样性能的无损、原位、实时测试,使之成为材料性能设计、优化和衰变机理研究的必要手段。



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