基于X射线同轴相衬成像的炸药缺陷准静态扩展过程诊断

程晋明; 傅华; 叶雁; 曹宇东; 阳庆国

doi:10.11858/gywlxb.2016.05.001

基于X射线同轴相衬成像的炸药缺陷准静态扩展过程诊断

doi: 10.11858/gywlxb.2016.05.001

中国工程物理研究院流体物理研究所, 四川绵阳 621999

基金项目:

国家自然科学基金 11405164

详细信息

作者简介:
程晋明(1979-), 男, 助理研究员, 主要从事辐射成像与等离子体诊断技术研究. E-mail:chengjinming@caep.cn

中图分类号: O521.3;O521.2
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2015-05-12
- 修回日期: 2015-06-18

Diagnosis of Quasi-Static Evolution of Defects in Explosives Using X-Ray In-Line Phase-Contrast Imaging

Institute of Fluid Physics, CAEP, Mianyang 621999, China

摘要

摘要: 由于炸药具有弱吸收特性，利用传统的X射线成像技术难以获得质量较好的图像，因而无法对炸药内部的微小缺陷进行诊断。为提高炸药的X射线成像质量，采用X射线同轴相衬成像方法，获得了不同压力作用下高聚物粘结炸药(PBX)内部缺陷的一系列X射线相衬图像，从中清楚地观察到炸药内部缺陷从无到有、从小到大的准静态扩展过程，为研究高能炸药的热点形成机制提供技术支持。
- X射线 /
- 同轴相衬成像 /
- 高聚物粘结炸药 /
- 缺陷 /
- 准静态
Abstract: In order to improve the X-ray image quality of the explosive, we performed experiments in which a series of X-ray phase contrast images of the defects in polymer bonded explosive (PBX) under different pressures were obtained using the X-ray in-line phase contrast imaging technology.In the images obtained, we clearly observed the quasi-static evolution of the defects.The results show that this method can provide technical support for better understanding the hot-spot formation mechanism of the explosives and help to overcome the difficulty involved in obtaining a satisfactory image of the explosive with traditional X-ray radiography due to its weak absorption, and consequently diagnosing the tiny defects in explosives.
- X-ray /
- in-line phase-contrast imaging /
- polymer bonded explosive /
- defect /
- quasi-static

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1. 引言

高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosive，PBX)是武器战斗部装药中的核心材料，掌握其形变和爆炸失效机制进而预测其行为是炸药相关研究的主要目标之一。PBX炸药由微小尺度的炸药晶体和聚合物粘结而成，其微结构尤其是晶体-粘结剂界面对炸药的形变、失效等行为有着重要的影响。PBX炸药在运输和发射过程中将经历复杂的应力状态，受力过程包括压缩、剪切、摩擦、黏塑性流动等。许多研究人员认为，在机械应力作用下裂纹的传播是导致PBX炸药失效的重要机制^[1-2]。另外，PBX炸药内部结构的非均质性，包括气泡、裂纹和杂质等各种缺陷，被认为是热点形成的重要因素^[3]，研究PBX炸药内部缺陷的扩展过程将有助于深入认识热点的形成机制。

由于PBX炸药具有不透明性，采用一般的光学测试技术无法获得炸药的内部信息；同时，PBX炸药也是低Z(原子序数)材料，具有弱吸收特性，传统的X射线吸收成像方法难以获得令人满意的图像衬度和空间分辨率。X射线同轴相衬成像技术是利用X射线通过样品时相位偏移比吸收变化大3个数量级左右的特性，将相位信息转换为强度信息，进而获得较高的图像衬度和空间分辨率，是检测弱吸收物质内部结构性质的一种有效方法。例如：Yeager等人^[4]在美国阿贡国家实验室的先进光源(Advanced Photon Source，APS)上，利用X射线同轴相衬成像技术研究了用于模拟炸药的单晶糖、单晶醋氨酚和带裂纹的有机玻璃片的微结构；Zoofan等人^[5]利用微焦点X射线管开展了环氧树脂内部结构的相衬成像，所获图像的衬度显著高于传统的X射线吸收成像。然而，利用X射线同轴相衬成像技术开展真实炸药的实验研究却鲜见报道。本研究通过对不同压力作用下的PBX炸药进行X射线同轴相衬成像，观察炸药内部缺陷的准静态扩展过程，为深入探讨高能炸药的热点形成机制提供技术支持。

2. X射线同轴相衬成像原理

X射线穿过物体所受的影响可通过复折射率n(λ)描述

$n(\lambda ) = 1 - \delta (\lambda ) + {\text{i}}\beta (\lambda )$

(1)

式中：δ(λ)和β(λ)分别为折射率的相位项和吸收项，λ为波长。X射线与物体作用后，其相位变化量φ(z, λ)和吸收系数μ(z, λ)可分别表示为^[6]

$\varphi (z, \lambda ) = \int {2\pi } [\delta (\lambda )/\lambda ]{\text{d}}z$

(2)

$\mu (z, \lambda ) = \int {4\pi } [\beta (\lambda )/\lambda ]{\text{d}}z$

(3)

式中：z为X射线与物体的作用距离。图 1所示为奥克托今(HMX，分子式为C₄H₈O₈N₈)炸药的δ和β随X射线能量E的变化^[7]。

图 1 HMX炸药的δ和β随X射线能量的变化

Figure 1. δ and β of HMX vs.X-ray energy

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同轴相衬成像的基本原理为：当均匀相干或部分相干的X射线照射截面非均匀的低Z材料时，在吸收基本可以忽略的情况下，光强基本不发生变化，材料对X射线的折射作用使其波面发生畸变，畸变的波面继续传播并与未发生畸变的波面发生干涉，从而将相位信息转换成强度调制，如图 2所示。

图 2 X射线同轴相衬成像原理示意图

Figure 2. Schematic illustration of in-line phase-contrast imaging

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当有限尺寸的宽光谱光源入射到低Z材料时，根据菲涅耳衍射理论，像的强度I(ω; R₁, R₂)为

$\begin{gathered} I(\omega ;{R_1}, {R_2}) = {F^{ - 1}}\left\{ {{p_{\text{s}}}{t_{\text{e}}}} \right.\sigma _{\text{d}}^2D(\omega )S\left[ { - (M - 1)\omega } \right]\int {{\text{d}}\lambda } [\delta (\omega ) - 2m(M\omega , \lambda ) \hfill \\ {\text{cos(}}\pi \lambda {R_2}M{\omega ^2}{\text{)}} - 2\mathit{\Phi} (M\omega , \lambda ){\text{sin}}(\pi \lambda {R_2}M{\omega ^2})]\left. {{w_{\text{d}}}(\lambda ){w_{\text{s}}}(\lambda )} \right\} \hfill \\ \end{gathered}$

(4)

式中，ω为频率；F^-1[f(t)]表示对函数f(t)的傅里叶逆变换；p_s为物平面的光通量，即单位时间内通过单位面积的光子数；t_e为曝光时间；σ_d为探测器的分辨力；M为成像放大倍率，M=(R₁+R₂)/R₁，其中R₁为X射线源与材料之间的距离，R₂为材料与像之间的距离；D(ω)=exp(-π² $\sigma _{\text{d}}^2$ ω²)为探测器分辨力函数的傅里叶变换形式；S[-(M-1)ω]=exp[-π²(M-1)² $\sigma _{\text{s}}^2$ ω²]为X射线源强度分布的傅里叶变换形式；m(ω, λ)和Φ(ω, λ)分别为μ(z, λ)和φ(z, λ)的傅里叶变换形式；w_s(λ)和w_d(λ)分别为X射线源的光谱密度函数和探测器的光谱响应函数。

3. 实验设计

采用准静态方式诊断PBX炸药的缺陷扩展过程，即逐渐升高压力，拍摄炸药样品在不同静压力作用下的X射线相衬图像。炸药样品选用PBXCD-2高能钝感炸药，该炸药主要由HMX、HTPB (Hydroxyl-Terminated Polybutadiene)和石蜡组成，尺寸为4 mm×4 mm×2 mm，X射线的穿透厚度为2 mm。采用微焦点X射线管作为X射线源，电压设置为30 kV，电流设置为130 μA。利用日本JIMA公司生产的高分辨测试卡，对X射线管在输出功率为4 W时的焦斑尺寸进行测试，结果如图 3所示，其中横向分辨力为2 μm，纵向分辨力为4 μm。

图 3 X射线管的输出功率为4 W时所获得的JIMA分辨率测试图像

Figure 3. Images of the JIMA resolution test-pattern at 4 W of output power of X-ray tube

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实验布局如图 4所示，X射线管与炸药样品的距离R₁为40 cm，探测器与炸药样品的距离R₂为380 cm，成像放大倍率M为10.5。在X射线管的出光口放置铍滤片，用于阻挡低能X射线。探测器采用X射线成像板，每幅图像的曝光时间为5 min。实验数据由配套的扫描设备读取，数据的有效位数为16 bit，最高空间分辨力为20 μm，反推至物面的最高分辨力可达1.9 μm。对炸药样品施加的压力由标准测力仪进行监测。

图 4 实验布局

Figure 4. Experimental setup

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4. 实验结果与分析

为检验系统的有效性，制备了含气泡的PMMA(Polymethyl Methacrylate)样品(厚度为2 mm)，并进行了相衬成像和吸收成像的对比实验，结果如图 5所示。可见，X射线相衬图像的对比度显著高于吸收图像。因此，采用此实验系统可以获得较高质量的X射线相衬图像。

图 5 含气泡的PMMA样品的相衬图像与吸收图像对比

Figure 5. Comparison between absorbed and phase-contrast images of a PMMA sample with bubbles

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图 6(a)为炸药缺陷的典型相衬图像，图 6(b)为图 6(a)中方框区域对应的灰度曲线。从图 6可以看出，炸药缺陷的相衬特征比较明显，方框区域中的裂纹宽度约为20 μm。与PMMA样品的相衬图像(见图 5)相比，炸药相衬图像的衬度较低，主要是因为在光路方向上2 mm厚炸药样品的晶体组分发生层叠，而各组分之间的密度及相位(δ)差别较小，相比而言，PMMA与空气的密度及相位差别则较为明显。

6a 典型的缺陷相衬图像

6a. Typical phase-contrast image of crack

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6b 图 6(a)方框区域的强度剖线

6b. Intensity profile in rectangular region of Fig. 6(a)

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图 7(a)~图 7(i)显示了HMX炸药在缓慢加压(压力方向与X射线入射方向垂直)过程中的X射线相衬图像，压力从零开始，最高达到2.63 MPa。对比图 7(a)和图 7(b)可知，图像没有发生明显的变化，即在0.35 MPa压力下HMX炸药样品未出现可观测的裂纹，此时仅能看到炸药晶体的边界；逐步提升压力至0.60 MPa时，样品内部的裂纹开始显现，且多出现在炸药-粘结剂界面处；随着压力的逐渐增大，样品内部的裂纹变得越来越多，裂纹宽度也越来越大，多条裂纹逐渐贯通；当压力达到2.63 MPa时，样品内部的裂纹相互交错啮合，不容易清晰分辨。以图 7方框区域中的裂纹为例，表 1列出了该裂纹的长度和宽度变化。可以看出：当压力低于0.60 MPa时，此裂纹还未形成；从0.88 MPa开始，裂纹的长度和宽度随着压力的增加而逐渐增大，其中裂纹宽度的变化较为明显，而裂纹长度在压力达到1.63 MPa后趋于稳定，甚至略有减小。分析认为，裂纹长度和宽度的变化与压力加载方向有关。

图 7 炸药缺陷扩展过程的X射线同轴相衬图像

Figure 7. X-ray in-line phase-contrast images of the evolution of defects in the explosive

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表 1 图 7方框区域中裂纹的长度和宽度变化

Table 1. Variations of the length and width of the crack in rectangular region of Fig. 7

p/(MPa)	Length/(μm)	Width/(μm)
0
0.35
0.60
0.88	208	38
1.35	251	44
1.63	288	78
1.88	286	86
2.38	282	93
2.63	276	110

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5. 结论

利用X射线相衬成像技术，对PBXCD-2高能钝感炸药在0~2.63 MPa压力作用下内部裂纹的产生和发展过程进行了准静态观测，获得了较高质量的图像。实验结果表明：对于包含粘结剂和钝化剂的PBX炸药，在外界压力作用下，材料内部裂纹多出现在炸药-粘结剂界面处，且随着压力的升高，裂纹的数量和宽度逐渐增大，最终导致炸药失效。

由于实验所采用的是直流微焦点X射线源，光通量有限，因此只能提供准静态变化过程。利用更先进的光源，如第四代光源——X射线自由电子激光(X-FEL)，可进一步获得炸药等低Z材料在高应变率下更清晰、精细的动态过程图像，为深入认识高能炸药的热点形成机制提供技术支持。

图 1 HMX炸药的δ和β随X射线能量的变化

Figure 1. δ and β of HMX vs.X-ray energy

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图 2 X射线同轴相衬成像原理示意图

Figure 2. Schematic illustration of in-line phase-contrast imaging

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图 3 X射线管的输出功率为4 W时所获得的JIMA分辨率测试图像

Figure 3. Images of the JIMA resolution test-pattern at 4 W of output power of X-ray tube

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图 4 实验布局

Figure 4. Experimental setup

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图 5 含气泡的PMMA样品的相衬图像与吸收图像对比

Figure 5. Comparison between absorbed and phase-contrast images of a PMMA sample with bubbles

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6a 典型的缺陷相衬图像

6a. Typical phase-contrast image of crack

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6b 图 6(a)方框区域的强度剖线

6b. Intensity profile in rectangular region of Fig. 6(a)

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图 7 炸药缺陷扩展过程的X射线同轴相衬图像

Figure 7. X-ray in-line phase-contrast images of the evolution of defects in the explosive

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表 1 图 7方框区域中裂纹的长度和宽度变化

Table 1. Variations of the length and width of the crack in rectangular region of Fig. 7

p/(MPa)	Length/(μm)	Width/(μm)
0
0.35
0.60
0.88	208	38
1.35	251	44
1.63	288	78
1.88	286	86
2.38	282	93
2.63	276	110

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