CN103837554A - 一种微波辐射效应的sr-ct无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波辐射效应的SR-CT无损检测装置。该装置为分体式结构，包括微波源及其控制系统、波导、微波辐射腔体等部分。微波源及其控制系统可实现特定微波辐射功率的调节和控制，波导实现微波的传输。微波辐射腔体可对材料进行微波辐射处理，其内部的双重保温结构可实现材料的通光、保温、测温、气氛保护等功能；其底部的独立多维精密电控位移旋转台可实现SR-CT技术所要求的材料高精度旋转，同时还可实现材料沿垂直同步辐射光方向的位置调节以及在旋转台台面中心的精确定位。基于该套设备可实现生物医学材料、航空材料、纳米材料等先进材料在微波辐射作用下其内部微结构特征的微纳米分辨率的三维、无损、实时原位在线探测。

Description

一种微波辐射效应的SR-CT无损检测装置

技术领域

本发明涉及一种微波辐射极端条件下材料内部微观特征及其演化的微纳尺度同步辐射CT（“同步辐射CT”简称“SR-CT”）无损检测装置，应用于生物医学材料、航空材料、纳米材料等先进材料在微波辐射效应作用下其微观特征及其演化过程的三维、无损、原位在线观测和分析，是材料科学、物理化学、生物以及无损检测技术等多学科交叉领域中的实验检测平台。

背景技术

微波由于其似光性、穿透性和非电离性等特点，被广泛应用于雷达通信、医学、生物学、工业生产、科学研究以及日常生活等诸多方面。其中，微波在生物医学、工业生产等方面的应用是利用了微波辐射效应能够改变材料内部的微观特征，这些微观特征是决定材料使用性能的本质原因。因此，要深入了解微波辐射效应并掌握该技术在各领域中的应用，必须对微波辐射效应作用下材料内部微观特征及其演化过程进行微纳尺度下的三维、无损、原位在线观测和分析。然而，由于受微波的高温和强辐射等极端条件的制约，采用传统实验观测技术（如扫描电镜、透射电镜等）来对材料内部微观特征及其演化进行三维、无损、原位在线观测存在较大的技术难题，尤其是微波辐射对这些仪器和人体造成的破坏和损害更是增加了检测的技术难度。

SR-CT技术是一种先进的非接触式材料无损检测技术，具有无损检测、实时跟踪和三维观测等诸多优越特性，且其分辨率可达到纳米量级。设计一套材料微波辐射效应的SR-CT无损检测实验平台，能够实现材料在微波辐射作用下对其微观特征及其演化过程进行三维、实时、无损的动态观测和分析，这不仅能够为生物医学材料、航空材料、纳米材料等先进材料的微波辐射效应研究提供有力的实验技术支持，而且也将为其他行业中与微波辐射效应相关的材料内部微观特征探测与表征提供一个良好的检测平台。然而，设计一套该检测装置需要克服诸多技术难题，目前在国际上尚未见到与该检测装置相关的报道。

为实现在高温及微波辐射效应作用下对材料内部微纳尺度结构特征及其演化过程的SR-CT在线观测和微观机理分析，本发明提供一种微波辐射效应的SR-CT无损检测装置。

该装置将在国家大型同步辐射实验平台上进行工作。根据微波技术、同步辐射CT原理（详见“具体实施方式”部分）以及同步辐射实验平台的工作环境，本装置需要解决的问题包括：1）装置结构及其尺寸与同步辐射实验环境的匹配；2）如何在满足同步辐射X光源能够穿过材料的前提下，实现小尺寸材料（微纳米SR-CT技术要求其直径在2mm以内）的有效加热、保温、测温、气氛保护和防止微波泄漏；3）如何实现材料在微纳米同步辐射CT实验过程中的精确定位和连续高精度旋转。下面将对这些问题作简要介绍，并提出相应的技术方案。

发明内容

针对上述技术难题，本发明提出了一种微波辐射效应的SR-CT无损检测装置，包括五部分：X光源及光路、微波辐射系统、保温及测温系统、多维精密位移电控旋转系统和图像采集及重建系统。本发明的改进主要在于微波辐射系统及多维精密位移电控旋转系统两个方面。

第一部分：X光源及光路

如图4所示，X射线由X光源产生，并按照固定的光路传播。

第二部分：微波辐射系统（图3）

微波辐射系统的主要包括以下部件：微波源及微波源保护控制系统、波导、微波辐射腔体。各部件之间通过法兰连接，具体组装方式见图3。

微波源及微波源保护控制系统（图3标号1部分）是微波发生装置，产生微波的频率是2450±50MHz，功率在0～3kW范围内连续可调。

波导（图3标号2部分）是传输微波的装置，本发明中使用的波导均为标准BJ22型，波导长度根据微波源到微波辐射腔体的实际距离设计。

微波辐射腔体（图3标号3至标号15部分）是对材料进行微波辐射的装置，主要由六面金属壁（标号7）包围形成矩形空腔，同时顶面预留微波馈入端口，一个侧面上设计炉门（标号12），与炉门相邻的两个侧面上各有一个通光孔（标号11），与炉门相对的侧面上有一个测温孔（标号8），底面上有一个刚玉柱通孔（标号13）；此外还有调节微波辐射腔体高度的升降底座（标号10）。

第三部分：保温及测温系统

保温及测温系统包括以下部件：双层保温结构、红外测温系统。双层保温结构是减少微波辐射腔体中热量散失的装置，包括紧贴微波辐射腔金属壁的外层保温结构（4、6）和倒扣于微波辐射腔体底部转轴孔上的内层保温结构（如图1所示）；红外测温系统（9）是测量样品温度的装置，位于测温孔（8）外侧；

第四部分：多维精密位移电控旋转系统（如图2所示）

本部分主要由以下部件构成：三个电控位移台、一个精密旋转台、一个电控升降台、铝合金转接装置、刚玉柱。各部件之间通过螺栓连接或固定，具体组装顺序见图2。

刚玉柱（图2标号16）用于承载材料，长度为19cm；上端插入微波辐射腔体的底面通孔（图3标号13），下端连接转接装置。

铝合金转接装置（图2标号17）用于连接上面的刚玉柱和下面的位移台，使刚玉柱可以移动和旋转。

两个MTS202型电控位移台（图2标号18、19）的调节方向相互垂直，可以调节刚玉柱在水平X和Y方向的位移。

精密旋转台（图2标号20）用于实现刚玉柱的高精度旋转。

一个MTS203电控位移台（图2标号21）用于调节沿光源方向的位移。

一个MVS101剪式电控升降台（图2标号22）用于调节竖直高度。

第五部分：图像采集及重建系统

图像采集及重建系统包括X-ray CCD、处理系统。如图4所示，X-ray CCD可以接收从右侧通光孔出射的同步辐射X射线并将其转换为数字信号；处理系统可以重建出样品材料内部的、三维的微结构形貌图。

基于上述技术方案，本发明的机械总图及基于该发明的SR-CT实验分析系统如图3和图4所示。目前，基于该套测试平台，已成功实现了金属、陶瓷等多种材料在1600℃以上高温微波辐射作用下，分辨率为0.37μm的同步辐射CT在线观测。

本发明的优点和积极效果是，提供一套新型的材料高温及微波辐射效应的SR-CT无损检测实验装置，它可有效克服传统实验观测技术的缺点，实现在高温、微波辐射等极端外场作用下，对生物材料、航空材料、纳米材料等先进材料的微纳尺度结构形貌及其演化进行三维、无损、原位在线的观测和分析。本发明将为深入研究温度场、微波辐射场等多种耦合外场与各种先进材料之间相互作用的微观机制，改进材料微波处理工艺提供有力的技术支持。此外，本发明对于发展极端条件下的材料无损检测技术也具有积极的推动作用。

附图说明

图1是本发明中的内层保温结构三维立体图及机械图。

图2是本发明中的独立式多维精密位移电控旋转系统总体结构图与俯视图。

该图中16.刚玉柱（19cm），17.铝合金转接装置；18.MTS202电控位移台：调节材料水平X方向的位移；19.MTS202电控位移台：调节材料水平Y方向的位移；20.精密旋转台：实现材料高精度旋转；21.MTS203电控位移台：调节材料光源方向的位移；22.MVS101剪式电控升降台：调节材料竖直高度。

图3是微波辐射效应SR-CT无损检测装置的总体结构机械图。

该图中1.微波源及微波源控制系统，2.波导，3.珐琅，4、6.多晶莫来石保温材料，5.空腔，7.金属腔壁，8.测温孔，9.红外测温仪，10.升降底座，11.通光孔，12.炉门，13.刚玉柱通孔，14.内层保温罩，15.外层保温罩，23.环形器与水负载。

图4是基于本发明的SR-CT实验分析系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。

如图4所示，本发明具体实施时包含以下部分：同步辐射光源及光路、微波辐射系统、保温及测温系统、多维精密位移旋转系统、图像采集及重建系统。各部分具体实施过程和实施例如下：

一、X光源及光路

检测过程中，X射线经过一系列光学元件后由微波谐振腔5的左侧通光孔11进入微波谐振腔，穿透样品后从右侧通光孔射出微波谐振腔，然后由X-ray CCD接收成像。在具体实施过程中，X射线可有同步辐射光源和X射线机产生，其光束类型包括但不限于平行束和扇形束等；

二、微波辐射系统

微波辐射系统主要由微波源及微波源保护控制系统1、波导2、微波谐振腔体5、环形器和水负载23组成。由于高分辨率、高衬度SR-CT实验平台对设备的空间尺寸及通光孔的位置有严格限制（通光孔离腔体底部的高度不得超过400mm），因此采用了谐振腔体与微波源分离的分体式结构设计，从而保证了谐振腔体能够在SR-CT实验平台所提供的有限空间内正常工作。具体实施过程中，微波谐振腔被装配于SR-CT实验平台上并通过波导连接到微波源。通过计算机控制开启微波源及改变微波源的输出功率。微波源产生微波并通过波导传输至珐琅3，然后馈入微波谐振腔内，对腔体内的材料样品产生微波辐射效应。此外，未被材料吸收的微波将反射至环形器并由水负载吸收。其中，微波源可选用包含但不限于2450Mhz和915MHz两种频率，微波谐振腔体包括但不限于矩形谐振腔和圆形谐振腔，其工作模式包括但不限于多模式谐振、TE单模式谐振和TM单模式谐振。

三、保温及测温系统

保温及测温系统主要由双层保温结构（4、6、图1）、红外测温系统9组成。由于本发明中材料对微波辐射能量的吸收是热量的唯一来源，而SR-CT实验平台既严格限制了样品的尺寸（小于3mm），又要求微波谐振腔体不能完全密封（保留通光孔），导致了对小尺寸样品在不完全密闭空间内的高温微波辐射处理的技术难题。为了解决该技术难题，本发明设计了双层保温结构。具体实施过程中，双层保温结构由多晶莫来石材料制成，外层保温结构4、6紧贴微波谐振腔的金属壁7，内层保温结构（如图1所示）倒扣于微波谐振腔底部的转轴孔13上；以非接触方式通过红外测温仪9测量温度，并且温度数据可以作为调节微波源输出功率的依据。

四、多维精密位移及旋转系统

样品位移及旋转系统由三个电控位移台18、19、21、一个电控精密旋转台20、一个电控升降台22、铝合金转接装置17、刚玉柱16组成。具体实施过程中，采用MRS100系列精密电控旋转台20使样品按照一定的规律旋转，MTS203电控位移台21可实现材料沿垂直于同步辐射光源方向的位置调节，水平x和y方向的MTS202位移台18、19相互成90°夹角重叠排布，用于调节置于刚玉柱16上端的材料空间位置以实现材料在旋转台20中心的精确定位，MVS101剪式电控升降台22可实现样品在竖直位置的高度调节，从而实现样品发生热膨胀后的重新归位该系统；通过铝合金转接装置17将刚玉柱与旋转系统连接起来，刚玉柱顶部伸入微波谐振腔体中，用于放置样品，该设计可以使旋转台20在远离高温微波辐射的情况下将旋转角度精确的传递给样品，同时也避免了微波谐振腔体振动对样品运动精度的影响。能够应用于该系统中的位移台、旋转台、升降台并不局限于上述型号，可替换为具有微纳米级空间定位精度和旋转精度的其他型号平台；刚玉柱可以替换为其他由耐高温、热膨胀系数低的材料制成的圆柱，如石英柱等。

五、图像采集及重建系统

图像采集及重建系统由X-ray CCD、处理系统组成。具体实施过程中，从微波谐振腔右侧通光孔出射的同步辐射光被X-ray CCD接收，并存储于计算机硬盘上，然后利用处理系统得到各处理时刻的样品材料的三维微结构形貌图，从而实现对微波辐射处理材料的三维、无损、实时原位探测。

Claims (1)

1.一种微波辐射效应的SR-CT无损检测装置，其特征在于：包括X光源及光路、微波辐射系统、保温及测温系统、多维精密位移电控旋转系统和图像采集及重建系统；

所述X光源及光路是产生并传播X射线的装置；

所述微波辐射系统包括以下部件：微波源及微波源保护控制系统、波导、微波辐射腔体；各部件之间通过法兰连接；

所述微波源及微波源保护控制系统是微波发生装置，产生微波的频率是2450±50MHz，功率在0～3kW范围内连续可调；

所述波导是传输微波的装置，波导长度根据微波源到微波辐射腔体的实际距离设计；

微波辐射腔体是对材料进行微波辐射的装置，包括六面金属壁（7）包围形成矩形空腔（5）；同时顶面预留微波馈入端口，一个侧面上设计炉门（12），与炉门相邻的两个侧面上各有一个通光孔（11），与炉门相对的侧面上有一个测温孔（8），底面上有一个刚玉柱通孔（13）；以及调节微波辐射腔体高度的升降底座（10）；

所述保温及测温系统包括以下部件：双层保温结构、红外测温系统；

所述双层保温结构是减少微波辐射腔体中热量散失的装置，包括紧贴微波辐射腔金属壁的外层保温结构（4、6）和倒扣于微波辐射腔体底部转轴孔上的内层保温结构；

所述红外测温系统（9）是测量样品温度的装置，位于测温孔（8）外侧；

所述多维精密位移电控旋转系统包括以下部件：三个电控位移台、一个精密旋转台、一个电控升降台、铝合金转接装置、刚玉柱；各部件之间通过螺栓连接或固定；

所述刚玉柱（16）用于承载材料，长度为19cm；上端插入微波辐射腔体的底面通孔（13），下端连接所述铝合金转接装置；

所述铝合金转接装置（17）用于连接上面的刚玉柱和下面的位移台，使刚玉柱可以移动和旋转；

两个MTS202型电控位移台（18、19）的调节方向相互垂直，能调节刚玉柱在水平X和Y方向的位移；

精密旋转台（20）用于实现刚玉柱的高精度旋转；

一个MTS203电控位移台（21）用于调节沿光源方向的位移；

一个MVS101剪式电控升降台（22）用于调节竖直高度；

所述图像采集及重建系统包括X-ray CCD和处理系统。

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