专利名称：基于光核反应检测材料缺陷的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及利用加速器产生的X射线对材料进行缺陷检测的技术，更具体 地，涉及基于光核反应检测材料缺陷的方法及系统。
背景技术：
在无损检测领域，利用X射线透射成像、CT、衍射、中子照相、超声波检查、电子显 微镜等手段对材料进行缺陷检查，能够发现的最小缺陷尺度为1 μ m。对于更小尺度的缺陷， 这些类型的技术将无能为力。而在某些特殊的应用场合，例如飞机的发动机叶片，需要对更 小层次的缺陷进行检测。并且希望能够通过检测来对材料的工作寿命进行早期的判断。前 述的这些技术往往都是在缺陷已经明显地发生之后才能发现，因此不能满足实际的要求。利用正电子湮没技术对材料的缺陷特性分析是一种已经发展了几十年的技术。利 用该技术，通过对正电子湮没时产生的2个511keV γ光子能谱的测量，可以分析材料中的 负电子动量分布。由于材料的缺陷情况与负电子动量的分布情况直接相关——缺陷越多的 材料，低动量电子所占的份额也就越多，因此根据负电子的动量分布就可以对材料的缺陷 状况作出判断。正电子湮没分析技术能够对亚微米尺度的缺陷进行检测，这是比前述的其 它方法更为灵敏之处。但是，正电子湮没分析也有一个明显的缺点，即它所用到的探测射线 是正电子射线，而正电子射线的能量一般在1个兆电子伏左右，这样大能量的正电子在介 质中的射程很短，仅为mm的量级——这意味着利用外置的正电子源对材料进行正电子湮没 分析只适用于对表层的分析，如果要对材料的内部进行分析，普通的正电子分析技术是无 能为力的。因此，需要改进的正电子分析技术来对被检测物体的内部进行缺陷检测。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种基于光核反应检测材料缺陷的方法。该方法包括步 骤用高能X射线扫描被检测材料，高能X射线能与被检测材料中的目标核素发生光核反 应以在该被检测材料内部产生正电子；使用探测器测量由于所述正电子发生湮没而产生的 γ光子能量以获得Y光子能谱展宽；以及分析所述Y光子能谱展宽以判断被检测材料的 缺陷情况。该方法利用高能X射线与被检测材料内部的核素发生光核反应，在被检测材料 的内部产生正电子源，从而解决了外部正电子源无法对材料内部进行检测的问题。本发明的目的之二是提供一种基于光核反应检测材料缺陷的系统。该系统包括射 线源，用于提供高能X射线，所述高能X射线能与被检测材料中的目标核素发生光核反应以 在该被检测材料内部产生正电子；探测器，用于测量所述正电子发生湮没而产生的Y光子 能量以获得Y光子能谱展宽；以及信号分析装置，用于分析所述Y光子能谱展宽以判断被 检测材料的缺陷情况。该系统利用高能X射线与被检测材料内部的核素发生光核反应，在 被检测材料的内部产生正电子源，从而解决了外部正电子源无法对材料内部进行检测的问 题。
通过阅读下列的详细描述及参考附图，本发明的其他目的和优点将变得很明显。
图1为根据本发明基于光核反应检测材料缺陷的系统的示意图；图2显示了正负电子湮没的示意图；图3显示了正负电子湮没的多普勒展宽；图4显示了材料缺陷处的正负电子的湮没；图5显示了 511keV γ能谱在有缺陷时和无缺陷时的不同多普勒展宽；图6显示了不同缺陷情况与511keV γ光子能谱展宽分析结果之间的关系；图7显示了多普勒展宽谱的线形参数定义示意图；和图8显了 了利用FWHM法分析511keV γ能谱的示意图。
具体实施例方式图1为本发明基于光核反应检测材料缺陷的系统的示意图。如图所示，15MeV的电 子加速器产生的高能X射线对被检测样品进行扫描。由于X射线在物质中具有很强的穿透 能力，因此能够深入到样品的内部，而不是普通正电子的只能分析表层，X射线在深入到材 料的内部之后，可以和样品内部的某些原子核发生光中子反应，使得原子核损失一个中子， 损失中子之后的原子核由于成为了缺中子核，因此具有β +放射性，可以发射正电子，这样 正电子就在样品的内部产生了。在本发明的光致正电子分析技术中，所采用的射线源是高能电子加速器产生的X 射线。要求加速器的能量足够高，使得X射线的最大能量能够超过目标核素的光中子反应 阈值。这里目标核素存在于被检测的材料中，X射线通过与该核素发生光中子反应，使之成 为缺中子核，并最终使它具有β +的放射性。该核素所对应的元素可以是被检测材料中的 主要组成部分，也可以是次要的组成部分(例如掺杂)。选择的原则是该核素应该具有足够 低的光中子反应阈值，以使高能电子加速器产生的X射线能够满足光中子反应的要求。由 于更高能量的电子加速器往往会带来更高的成本，所以应该尽量选择那些光中子反应截面 低的核素作为目标核素；另外，如果加速器的能量过高，在使用过程带来的辐射安全问题也 会更大，不利于实际的应用。因此，在选择射线源的时候，应该首先调查被检测的材料，寻找该材料中光中子反 应阈值最低的核素，该核素不必是材料的主要组成部分，只要它的含量足够实现检测目的 即可，就可以选择为目标核素。表1是一些常见核素的光中子反应阈值和截面。例如，如果 要对某种钢材进行光致正电子分析，可以选择5Ve作为目标核素，它的天然丰度为5.9%， 光中子反应的阈值为13.3811^，是狗的几个同位素中最低的。当电子加速器的能量超过 13. 38MeV时，其产生的X射线即可与Mi^e发生光中子反应，使之具有β +放射性。由于电 子加速器产生的X射线是轫致辐射谱，虽然其最大能量与电子的能量相同，但是X射线的高 能部分所占的份额很小，即能够发生光中子反应的部分很少，因此，为了提高光中子反应的 几率，需要使电子加速器的能量超过13. 38MeV,以使产生足够多的光中子反应。电子的能量 越高，则X射线的能量超过13. 38MeV的部分也就越多，能够用于光中子反应的X射线也就 越多；而且X射线能量的提高也会增大光中子反应的截面，因此，电子能量的提高会使光致正电子分析的灵敏度更高。考虑到成本与辐射安全，电子的加速器能量也不能太高，例如在 这里，对Mi^e可以选择15MeV的能量。 另外，在选择目标核素的时候，还应该注意该核素形成放射性核之后的半衰期。由 于光致正电子分析技术是一种离线测量技术——需要在将样品照射之后再进行测量，因此 需要目标核素在形成放射性核之后具有较大的半衰期来保证测量工作具有足够长的数据 积累时间，表1中给出了一些核素的半衰期。27Al形成的放射性产物26Al的半衰期只有6. 4 秒，这意味着在测量结束之后的半分钟之内，放射性的活度将减少32倍，而1分钟之后就降 低为1000倍。这对测量系统的机械装置提出了很高的要求，并且其计数率的过大变化范围 也使得测量结果存在畸变的可能性，因此是一个不可用的核素。如果某种核素形成的放射 性核素很长，一方面它有利于测量过程，但也有可能因为半衰期过长而使得辐射水平即使 在测量结束很久之后还无法降低本底水平，从安全的角度来看，这也是不能接受的(例如， 197Au就有6. 18天的过长半衰期)。所以，对目标核素的半衰期选择不应太短，也不应太长， 以10分钟上下较好，这样可以在1小时的时间内完成对一个样品的照射与测量。 表1 一些常见核素的光中子反应阈值、截面和半衰期
权利要求
1.一种基于光核反应检测材料缺陷的方法，包括步骤用高能X射线扫描被检测材料，高能X射线能与被检测材料中的目标核素发生光核反 应以在该被检测材料内部产生正电子；使用探测器测量由于所述正电子发生湮没而产生的Y光子能量以获得Y光子能谱展 宽；以及分析所述Y光子能谱展宽以判断被检测材料的缺陷情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括对探测器测得的Y光子能量信号 进行前置放大处理的步骤，以将该信号转化为脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于还包括对所述脉冲信号进行放大和滤波 的步骤，以形成适合数字化处理的脉冲信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述放大和滤波的步骤还包括对所述脉 冲信号进行堆积判弃处理的步骤，以避免Y光子能谱的畸变。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括处理所述适合数字化处理的脉冲 信号以形成高维向量的Y光子能谱的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于使用多道分析电路处理所述适合数字化 处理的脉冲信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述多道分析电路的道数大于2048道。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于还包括在使用所述多道分析电路处理所 述适合数字化处理的脉冲信号之前利用偏置放大器截去脉冲信号的低能部分。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于分析所述Y光子能谱的步骤包括对该能 谱进行刻度以确定511keV Y能谱位置的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述刻度采用人为放置的137Cs源的 662keV γ或天然放射性核素4tlK的1. 46MeV γ或2tl8Pb的2. 6IMeV作为基准源。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述刻度采用两点线性拟合或者三点二 次拟合的方式。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于还包括确定所述511keVγ能谱的半宽 度构成的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于采用S因子法确定所述511keVγ能 谱的半宽度。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于采用半宽度法确定所述511keVγ能 谱的半宽度。
15.一种基于光核反应检测材料缺陷的系统，其包括射线源，用于提供高能X射线，所述高能X射线能与被检测材料中的目标核素发生光核 反应以在该被检测材料内部产生正电子；探测器，用于测量所述正电子发生湮没而产生的Y光子能量以获得Y光子能谱展宽；以及信号分析装置，用于分析所述Y光子能谱展宽以判断被检测材料的缺陷情况。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于基于光中子反应阀值和半衰期选择目 标核素。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述目标核素具有低光中子反应阀值。
18.根据权利要求15系统，其特征在于所述探测器为高纯锗探测器。
全文摘要
本发明公开了基于光核反应检测材料缺陷的方法及系统。该方法包括步骤用高能X射线扫描被检测材料，高能X射线能与被检测材料中的目标核素发生光核反应以在该被检测材料内部产生正电子；使用探测器测量由于所述正电子发生湮没而产生的γ光子能量以获得γ光子能谱展宽；以及分析所述γ光子能谱展宽以判断被检测材料的缺陷情况。该方法利用高能X射线与被检测材料内部的核素发生光核反应，在被检测材料的内部产生正电子源，从而解决了外部正电子源无法对材料内部进行检测的问题。
文档编号G01N23/22GK102109476SQ200910244359
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年12月29日
发明者康克军, 张勤俭, 李元景, 李铁柱, 杨祎罡, 杨鹏 申请人:同方威视技术股份有限公司, 清华大学