專利名稱：基于光核反應檢測材料缺陷的方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及利用加速器產生的X射線對材料進行缺陷檢測的技術，更具體 地，涉及基于光核反應檢測材料缺陷的方法及系統。
背景技術：
在無損檢測領域，利用X射線透射成像、CT、衍射、中子照相、超聲波檢查、電子顯 微鏡等手段對材料進行缺陷檢查，能夠發現的最小缺陷尺度為1 μ m。對于更小尺度的缺陷， 這些類型的技術將無能為力。而在某些特殊的應用場合，例如飛機的發動機葉片，需要對更 小層次的缺陷進行檢測。并且希望能夠通過檢測來對材料的工作壽命進行早期的判斷。前 述的這些技術往往都是在缺陷已經明顯地發生之后才能發現，因此不能滿足實際的要求。利用正電子湮沒技術對材料的缺陷特性分析是一種已經發展了幾十年的技術。利 用該技術，通過對正電子湮沒時產生的2個511keV γ光子能譜的測量，可以分析材料中的 負電子動量分布。由于材料的缺陷情況與負電子動量的分布情況直接相關——缺陷越多的 材料，低動量電子所占的份額也就越多，因此根據負電子的動量分布就可以對材料的缺陷 狀況作出判斷。正電子湮沒分析技術能夠對亞微米尺度的缺陷進行檢測，這是比前述的其 它方法更為靈敏之處。但是，正電子湮沒分析也有一個明顯的缺點，即它所用到的探測射線 是正電子射線，而正電子射線的能量一般在1個兆電子伏左右，這樣大能量的正電子在介 質中的射程很短，僅為mm的量級——這意味著利用外置的正電子源對材料進行正電子湮沒 分析只適用于對表層的分析，如果要對材料的內部進行分析，普通的正電子分析技術是無 能為力的。因此，需要改進的正電子分析技術來對被檢測物體的內部進行缺陷檢測。
發明內容
本發明的目的之一是提供一種基于光核反應檢測材料缺陷的方法。該方法包括步 驟用高能X射線掃描被檢測材料，高能X射線能與被檢測材料中的目標核素發生光核反 應以在該被檢測材料內部產生正電子；使用探測器測量由于所述正電子發生湮沒而產生的 γ光子能量以獲得Y光子能譜展寬；以及分析所述Y光子能譜展寬以判斷被檢測材料的 缺陷情況。該方法利用高能X射線與被檢測材料內部的核素發生光核反應，在被檢測材料 的內部產生正電子源，從而解決了外部正電子源無法對材料內部進行檢測的問題。本發明的目的之二是提供一種基于光核反應檢測材料缺陷的系統。該系統包括射 線源，用于提供高能X射線，所述高能X射線能與被檢測材料中的目標核素發生光核反應以 在該被檢測材料內部產生正電子；探測器，用于測量所述正電子發生湮沒而產生的Y光子 能量以獲得Y光子能譜展寬；以及信號分析裝置，用于分析所述Y光子能譜展寬以判斷被 檢測材料的缺陷情況。該系統利用高能X射線與被檢測材料內部的核素發生光核反應，在 被檢測材料的內部產生正電子源，從而解決了外部正電子源無法對材料內部進行檢測的問 題。
通過閱讀下列的詳細描述及參考附圖，本發明的其他目的和優點將變得很明顯。
圖1為根據本發明基于光核反應檢測材料缺陷的系統的示意圖；圖2顯示了正負電子湮沒的示意圖；圖3顯示了正負電子湮沒的多普勒展寬；圖4顯示了材料缺陷處的正負電子的湮沒；圖5顯示了 511keV γ能譜在有缺陷時和無缺陷時的不同多普勒展寬；圖6顯示了不同缺陷情況與511keV γ光子能譜展寬分析結果之間的關系；圖7顯示了多普勒展寬譜的線形參數定義示意圖；和圖8顯了 了利用FWHM法分析511keV γ能譜的示意圖。
具體實施例方式圖1為本發明基于光核反應檢測材料缺陷的系統的示意圖。如圖所示，15MeV的電 子加速器產生的高能X射線對被檢測樣品進行掃描。由于X射線在物質中具有很強的穿透 能力，因此能夠深入到樣品的內部，而不是普通正電子的只能分析表層，X射線在深入到材 料的內部之后，可以和樣品內部的某些原子核發生光中子反應，使得原子核損失一個中子， 損失中子之后的原子核由于成為了缺中子核，因此具有β +放射性，可以發射正電子，這樣 正電子就在樣品的內部產生了。在本發明的光致正電子分析技術中，所采用的射線源是高能電子加速器產生的X 射線。要求加速器的能量足夠高，使得X射線的最大能量能夠超過目標核素的光中子反應 閾值。這里目標核素存在于被檢測的材料中，X射線通過與該核素發生光中子反應，使之成 為缺中子核，并最終使它具有β +的放射性。該核素所對應的元素可以是被檢測材料中的 主要組成部分，也可以是次要的組成部分(例如摻雜)。選擇的原則是該核素應該具有足夠 低的光中子反應閾值，以使高能電子加速器產生的X射線能夠滿足光中子反應的要求。由 于更高能量的電子加速器往往會帶來更高的成本，所以應該盡量選擇那些光中子反應截面 低的核素作為目標核素；另外，如果加速器的能量過高，在使用過程帶來的輻射安全問題也 會更大，不利于實際的應用。因此，在選擇射線源的時候，應該首先調查被檢測的材料，尋找該材料中光中子反 應閾值最低的核素，該核素不必是材料的主要組成部分，只要它的含量足夠實現檢測目的 即可，就可以選擇為目標核素。表1是一些常見核素的光中子反應閾值和截面。例如，如果 要對某種鋼材進行光致正電子分析，可以選擇5Ve作為目標核素，它的天然豐度為5.9%， 光中子反應的閾值為13.3811^，是狗的幾個同位素中最低的。當電子加速器的能量超過 13. 38MeV時，其產生的X射線即可與Mi^e發生光中子反應，使之具有β +放射性。由于電 子加速器產生的X射線是軔致輻射譜，雖然其最大能量與電子的能量相同，但是X射線的高 能部分所占的份額很小，即能夠發生光中子反應的部分很少，因此，為了提高光中子反應的 幾率，需要使電子加速器的能量超過13. 38MeV,以使產生足夠多的光中子反應。電子的能量 越高，則X射線的能量超過13. 38MeV的部分也就越多，能夠用于光中子反應的X射線也就 越多；而且X射線能量的提高也會增大光中子反應的截面，因此，電子能量的提高會使光致正電子分析的靈敏度更高。考慮到成本與輻射安全，電子的加速器能量也不能太高，例如在 這里，對Mi^e可以選擇15MeV的能量。 另外，在選擇目標核素的時候，還應該注意該核素形成放射性核之后的半衰期。由 于光致正電子分析技術是一種離線測量技術——需要在將樣品照射之后再進行測量，因此 需要目標核素在形成放射性核之后具有較大的半衰期來保證測量工作具有足夠長的數據 積累時間，表1中給出了一些核素的半衰期。27Al形成的放射性產物26Al的半衰期只有6. 4 秒，這意味著在測量結束之后的半分鐘之內，放射性的活度將減少32倍，而1分鐘之后就降 低為1000倍。這對測量系統的機械裝置提出了很高的要求，并且其計數率的過大變化范圍 也使得測量結果存在畸變的可能性，因此是一個不可用的核素。如果某種核素形成的放射 性核素很長，一方面它有利于測量過程，但也有可能因為半衰期過長而使得輻射水平即使 在測量結束很久之后還無法降低本底水平，從安全的角度來看，這也是不能接受的(例如， 197Au就有6. 18天的過長半衰期)。所以，對目標核素的半衰期選擇不應太短，也不應太長， 以10分鐘上下較好，這樣可以在1小時的時間內完成對一個樣品的照射與測量。 表1 一些常見核素的光中子反應閾值、截面和半衰期
權利要求
1.一種基于光核反應檢測材料缺陷的方法，包括步驟用高能X射線掃描被檢測材料，高能X射線能與被檢測材料中的目標核素發生光核反 應以在該被檢測材料內部產生正電子；使用探測器測量由于所述正電子發生湮沒而產生的Y光子能量以獲得Y光子能譜展 寬；以及分析所述Y光子能譜展寬以判斷被檢測材料的缺陷情況。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于還包括對探測器測得的Y光子能量信號 進行前置放大處理的步驟，以將該信號轉化為脈沖信號。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于還包括對所述脈沖信號進行放大和濾波 的步驟，以形成適合數字化處理的脈沖信號。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述放大和濾波的步驟還包括對所述脈 沖信號進行堆積判棄處理的步驟，以避免Y光子能譜的畸變。
5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于還包括處理所述適合數字化處理的脈沖 信號以形成高維向量的Y光子能譜的步驟。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于使用多道分析電路處理所述適合數字化 處理的脈沖信號。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述多道分析電路的道數大于2048道。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于還包括在使用所述多道分析電路處理所 述適合數字化處理的脈沖信號之前利用偏置放大器截去脈沖信號的低能部分。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于分析所述Y光子能譜的步驟包括對該能 譜進行刻度以確定511keV Y能譜位置的步驟。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于所述刻度采用人為放置的137Cs源的 662keV γ或天然放射性核素4tlK的1. 46MeV γ或2tl8Pb的2. 6IMeV作為基準源。
11.根據權利要求9所述的方法，其特征在于所述刻度采用兩點線性擬合或者三點二 次擬合的方式。
12.根據權利要求9所述的方法，其特征在于還包括確定所述511keVγ能譜的半寬 度構成的步驟。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于采用S因子法確定所述511keVγ能 譜的半寬度。
14.根據權利要求12所述的方法，其特征在于采用半寬度法確定所述511keVγ能 譜的半寬度。
15.一種基于光核反應檢測材料缺陷的系統，其包括射線源，用于提供高能X射線，所述高能X射線能與被檢測材料中的目標核素發生光核 反應以在該被檢測材料內部產生正電子；探測器，用于測量所述正電子發生湮沒而產生的Y光子能量以獲得Y光子能譜展寬；以及信號分析裝置，用于分析所述Y光子能譜展寬以判斷被檢測材料的缺陷情況。
16.根據權利要求15所述的系統，其特征在于基于光中子反應閥值和半衰期選擇目 標核素。
17.根據權利要求15所述的系統，其特征在于所述目標核素具有低光中子反應閥值。
18.根據權利要求15系統，其特征在于所述探測器為高純鍺探測器。
全文摘要
本發明公開了基于光核反應檢測材料缺陷的方法及系統。該方法包括步驟用高能X射線掃描被檢測材料，高能X射線能與被檢測材料中的目標核素發生光核反應以在該被檢測材料內部產生正電子；使用探測器測量由于所述正電子發生湮沒而產生的γ光子能量以獲得γ光子能譜展寬；以及分析所述γ光子能譜展寬以判斷被檢測材料的缺陷情況。該方法利用高能X射線與被檢測材料內部的核素發生光核反應，在被檢測材料的內部產生正電子源，從而解決了外部正電子源無法對材料內部進行檢測的問題。
文檔編號G01N23/22GK102109476SQ200910244359
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月29日 優先權日2009年12月29日
發明者康克軍, 張勤儉, 李元景, 李鐵柱, 楊祎罡, 楊鵬 申請人:同方威視技術股份有限公司, 清華大學