CN111307843B - 一种金属材料动力学响应诊断装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属材料动力学响应诊断装置及方法。该诊断装置中纳秒束激光源发出的纳秒激光束辐照至待检测金属样品的上表面；皮秒束激光源发出的皮秒激光束辐照至金属微丝背光靶后产生X射线源，X射线源用于对待检测金属样品的动力学响应过程进行X射线衍射成像；DXRD诊断包包括屏蔽模块和IP成像板，IP成像板用于记录X射线衍射成像后的成像数据，所述屏蔽模块用于屏蔽背光源中杂散光对所述待检测金属样品衍射成像的影响；所述IP成像板记录的成像数据用于对所述待检测金属样品的相关特性进行分析。本发明可以提高时空分辨率，实现对高Z金属的材料动力学响应的诊断。

Description

一种金属材料动力学响应诊断装置及方法

技术领域

本发明涉及金属材料诊断领域，特别是涉及一种金属材料动力学响应诊断装置及方法。

背景技术

在冲击加载下材料将发生弹性、塑性变形以及相变等动态响应过程，材料的这些动力学响应性质是近年来比较热点的研究领域。国内外研究人员利用炸药爆轰、飞片撞击、高功率激光加载等方式开展了大量的物理实验研究，并发展了多种高时空分辨的精密诊断技术，为人们积累了大量的材料动态物性认识，但仍存在很多不足。通常，采用PDV或VISAR测试技术可获得样品的速度波剖面数据，但这些测试数据是宏观的，是各种影响因素综合的结果，因而通过波剖面反演出的结果不是严格的物理过程；此外，借助扫描电镜、透射电镜及电子背景散射的软回收样品观测方法，只能获得实验终态信息，不能将观测到的最终微结构与实验过程相联系。

动态X射线衍射技术(DXRD)，是材料动力学响应研究的先进诊断手段。该技术主要基于泵浦-探测原理，在对样品加载的同时即实现对样品的X射线衍射探测，获得晶格尺度上的晶体结构测量。这种技术可为材料的动力学响应过程提供最为直接的证据。但现有的研究主要采用基于纳秒激光加载背光靶产生的X射线源进行动态X射线衍射诊断，该技术虽然可以获得高信噪比的衍射图谱数据，但其时空分辨率较低(时间分辨率为百ps～ns，空间分辨为百μm)，且只能实现对中低Z金属材料(如铁，铝等)衍射测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属材料动力学响应诊断装置及方法，以提高时空分辨率，实现对高Z金属的材料动力学响应的诊断。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种金属材料动力学响应诊断装置，包括：纳秒束激光源、皮秒束激光源、金属微丝背光靶和DXRD诊断包；

所述纳秒束激光源发出的纳秒激光束辐照至待检测金属样品的上表面；所述皮秒束激光源发出的皮秒激光束辐照至所述金属微丝背光靶，所述皮秒激光束辐照至所述金属微丝背光靶后产生X射线源，所述X射线源用于对所述待检测金属样品的动力学响应过程进行X射线衍射成像；所述DXRD诊断包包括屏蔽模块和IP成像板，所述IP成像板置于所述屏蔽模块内部，所述IP成像板用于记录所述X射线衍射成像后的成像数据，所述屏蔽模块用于屏蔽背光源中杂散光对所述待检测金属样品衍射成像的影响；所述IP成像板记录的成像数据用于对所述待检测金属样品的相关特性进行分析。

可选的，所述皮秒激光束的脉宽为1～10皮秒，所述皮秒激光束与所述金属微丝背光靶的法向夹角为30度。

可选的，所述金属微丝背光靶指向衍射光路方向；所述金属微丝背光靶的直径为20μm，长度为500μm。

可选的，还包括：钽屏蔽装置，所述钽屏蔽装置固定于所述待检测金属样品与所述DXRD诊断包之间，所述X射线源辐照所述待检测金属样品后产生的衍射谱线穿过所述钽屏蔽装置内部通路到达所述IP成像板。

可选的，所述屏蔽模块包括：铝壳、铅层和聚四氟乙烯层；所述IP成像板外部依次包覆所述聚四氟乙烯层、所述铅层和所述铝壳。

可选的，所述IP成像板的位置在水平方向可调节，调节范围为5mm～100mm。

可选的，所述纳秒激光束的加载脉宽为2～5ns，加载激光能量为10～150J，功率密度为10¹²w/cm²。

本发明还提供一种金属材料动力学响应诊断方法，所述金属材料动力学响应诊断方法应用于上述的金属材料动力学响应诊断装置，所述金属材料动力学响应诊断方法包括：

采用纳秒激光束辐照至待检测金属样品的上表面；

采用皮秒激光束辐照至金属微丝背光靶，产生X射线源；所述X射线源辐照至所述待检测金属样品的下表面；

采用IP成像板记录X射线衍射成像后的成像数据；

根据所述金属微丝背光靶的几何结构排布和衍射谱线在所述IP成像板上的相对位置关系，计算得到在冲击加载前后所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据；

根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的相关特性进行分析。

可选的，根据所述金属微丝背光靶的几何结构排布和衍射谱线在所述IP成像板上的相对位置关系，计算得到在冲击加载前后所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据，具体包括：

利用公式η＝Δd/d₀＝1-sinθ₀/sinθ₁计算所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据；其中η为所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据，Δd为相对于冲击加载前，待检样品冲击加载后的晶面间距变化量，d₀为待检样品冲击加载前的初始晶面间距，θ₀为静态衍射线的衍射角，θ₁为动态衍射线的衍射角。

可选的，所述根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的相关特性进行分析，具体包括：

根据所述IP成像板记录的成像数据，判断冲击加载后所述待检测金属样品的衍射图谱图上除了动静态衍射线，相比于冲击加载前是否出现新的衍射谱线；

当冲击加载后所述待检测金属样品的衍射图谱图上除了动静态衍射线，相比于冲击加载前出现新的衍射谱线，确定所述待检测金属样品发生相变动态力学响应过程；

根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的相变动力学响应相关特性进行分析；

当冲击加载后所述待检测金属样品的衍射图谱图上除了动静态衍射线，相比于冲击加载前未出现新的衍射谱线，确定所述待检测金属样品发生了动态压缩力学响应过程；

根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的动态压缩特性进行分析。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明采用侧向方位的皮秒激光束与金属微丝背光靶相互作用，可产生微焦点、高亮度的X射线源，采用该X射线源对样品的动力学响应过程进行衍射成像，可获得更高时空分辨的衍射图。通常时间分辨为几十ps，空间分辨为几十μm。

(2)本发明产生的X射线源，能够在保持Kα光子转换效率不变的条件下(光子总数基本不变)获得数keV到数十keV的单能Kα光子，这有利于对高Z材料(如钼等)的动态衍射成像。传统纳秒束激光与平面靶相互作用产生的X射线源，其产生的光子能点较低，只能达到几keV，因而只适用于对中低Z(如铁、铝)材料动态衍射成像。

(3)本发明的动力学响应诊断装置及方法可以获得高时空分辨动态衍射图像。

此外，本发明通过控制金属微丝背光靶指向和皮秒激光束方向，可以增强衍射光路上有效的Kα光子数，而且能够有效避开皮秒束激光和背光靶相互作用产生的高能轫致辐射和高能电子的主要传播方向，对提升衍射信号的信噪比具有重要作用，因此采用本发明获得的衍射图，信噪比高。

另外，本发明钽屏蔽装置和DXRD诊断包的几何结构，能够有效地减少背光源中韧致辐射、电子等杂散光对样品衍射成像影响，进而提高衍射图样质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明金属材料动力学响应诊断装置的结构示意图；

图2为本发明金属材料动力学响应诊断装置的三维结构示意图；

图3为本发明DXRD诊断包的结构示意图；

图4为本发明DXRD诊断包的三维结构示意图；

图5为本发明Kα光子转换效率图；

图6为本发明待检测金属样品的动态X射线衍射数据图；

图7为本发明背光靶几何结构排布及衍射谱线在IP成像板上的相对位置的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明金属材料动力学响应诊断装置的结构示意图，图2为本发明金属材料动力学响应诊断装置的三维结构示意图。如图1和图2所示，本发明金属材料动力学响应诊断装置包括：纳秒束激光源、皮秒束激光源、金属微丝背光靶3和DXRD诊断包4。

所述纳秒束激光源发出的纳秒激光束1辐照至待检测金属样品5的上表面。利用纳秒激光束1驱动冲击加载待检测金属样品5，使之发生压缩、相变等动力学响应过程。例如，纳秒激光束1的加载脉宽为2～5ns，加载激光能量10～150J，功率密度在10¹²w/cm²，加载光斑经1mmCPP束匀滑后呈均匀分布，冲击加载压强范围为十几GPa～几十GPa。

所述皮秒束激光源发出的皮秒激光束2辐照至所述金属微丝背光靶3，所述皮秒激光束2辐照至所述金属微丝背光靶3后产生X射线源6，所述X射线源6用于对所述待检测金属样品5的动力学响应过程进行X射线衍射成像，产生反射X射线7。其中金属微丝背光靶3为有限质量金属微丝背光靶，直径为20μm左右，长度为500μm。此外为了提高衍射成像质量，获得高信噪比的衍射图样，金属微丝背光靶3和皮秒激光束2的角度和位置参数均需要精密设计，本实施例中金属微丝背光靶3指向衍射光路方向，皮秒激光束2的脉宽为1～10皮秒，与金属微丝背光靶3的法向夹角呈30°。

所述DXRD诊断包4包括屏蔽模块和IP成像板4-1，为了确保IP成像板接收高信噪比的衍射图像，IP成像板4-1置于所述屏蔽模块内部。所述IP成像板4-1用于记录所述X射线衍射成像后的成像数据。所述屏蔽模块用于屏蔽背光源中的韧致辐射、电子等杂散光对样品衍射成像的影响。根据所述金属微丝背光靶2的几何结构排布和衍射谱线在IP成像板4-1上的相对位置关系，可以计算得到在冲击加载前后所述待检测金属样品5的晶格结构变化的压缩度数据。根据是否出现新的衍射谱线诊断所述待检测金属样品5是否发生相变。若未出现新的衍射谱线，结合所述压缩度数据，则可以进一步分析所述待检样品动态压缩特性；若出现新的衍射谱线，结合所述压缩度数据，则可以进一步分析获得相变动力学响应相关特性。

本发明利用皮秒激光束2作用到金属微丝背光靶3可产生微焦点、高亮度的X射线源6，进而可以对待检测金属样品5的动力学响应过程进行超快动态X射线衍射测量，在IP成像板4-1上获得反映晶格结构变化的动静态衍射图数据及相关定量诊断数据。

为了减少背光源中韧致辐射、电子等杂散光对样品衍射成像影响，获得高信噪比的衍射图像，本发明还包括钽屏蔽装置8。钽屏蔽装置8固定于所述待检测金属样品5与所述DXRD诊断4包之间，所述X射线源辐照所述待检测金属样品5后产生的衍射谱线穿过所述钽屏蔽装置8内部通路到达所述IP成像板4-1。

图3为本发明DXRD诊断包的结构示意图，图4为本发明DXRD诊断包的三维结构示意图。如图3和图4所示，本发明的DXRD诊断包4主要包括由铝壳4-4、铅层4-3、聚四氟乙烯层4-2组成的屏蔽模块和IP成像板4-1，还包括IP成像板支架4-5和盖板4-6。铝壳4-4、铅层4-3、聚四氟乙烯层4-2和IP成像板4-1按从外到里依次排序，即IP成像板4-1外部依次包覆聚四氟乙烯层4-2、铅层4-3和铝壳4-4。其中，DXRD诊断包4中IP成像板4-1部件可根据实验需求通过IP成像板支架4-5调节其水平距离，即调节IP成像板4-1的成像位置，调节范围为5mm～100mm。

采用上述金属材料动力学响应诊断装置进行诊断的过程如下：

步骤1：采用纳秒激光束辐照至待检测金属样品的上表面。待检测金属样品通常为单晶金属样品，在样品内部形成冲击波并传播至样品后表面，使样品发生压缩、相变等动力学响应过程。

步骤2：采用皮秒激光束辐照至金属微丝背光靶，产生微焦点、高亮度的X射线源，产生的X射线源辐照至所述待检测金属样品的下表面。本步骤中通过控制金属微丝背光靶指向和皮秒激光打靶方向，即：金属微丝背光靶指向衍射光路方向，皮秒激光和背光靶法向夹角30°，以提高后续的衍射成像质量。皮秒激光束辐照背光靶产生的X射线源，其光源直径为几十μm，光源为韧致辐射连续谱，并在特定的能点附近具有明显的Kα谱特征，同时还伴有较强的电子干扰。图5为本发明Kα光子转换效率图，如图5所示，Kα光子转换效率可以高达10^-4，可对单晶金属样品动力学响应过程进行X射线衍射成像。

步骤3：采用IP成像板记录X射线衍射成像后的成像数据。利用上述产生的微焦点、高亮度的X射线源对单晶金属样品的的动力学响应过程进行X射线衍射成像，采用DXRD诊断包记录衍射图像数据。为了减少背光源中韧致辐射、电子等杂散光对样品衍射成像影响，获得高信噪比的衍射图像，除了上述步骤2中控制金属微丝背光靶指向和皮秒激光打靶方向，还采用了钽屏蔽装置。通过上述优化措施，获得了高时空分辨、高信噪比的衍射图谱数据，图6为本发明待检测金属样品的动态X射线衍射数据图，如图6所示，本发明得到的衍射图谱数据中衍射线的时间分辨为几十皮秒量级，空间分辨为几十微米量级。

步骤4：根据所述金属微丝背光靶的几何结构排布和衍射谱线在所述IP成像板上的相对位置关系，计算得到在冲击加载前后所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据。

步骤5：根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的相关特性进行分析。具体的，根据冲击加载后相比于加载前待检测金属样品的衍射图谱图上除了动静态衍射线是否出现新的衍射谱线，来诊断所述待检测金属样品是否发生相变。若未出现新的衍射谱线，确定待检测金属样品发生了动态压缩力学响应过程，结合所述压缩度数据，则可以进一步分析所述待检样品动态压缩特性；若出现新的衍射谱线，确定待检测金属样品发生相变动态力学响应过程，结合所述压缩度数据，则可以进一步分析相变动力学响应相关特性。

图7为本发明背光靶几何结构排布及衍射谱线在IP成像板上的相对位置的示意图，如图7所示，通过靶几何结构排布以及衍射谱线在IP成像板上的相对位置关系，可以计算得到衍射线的衍射角(衍射线与主靶的夹角)。

假设计算出静态衍射线的衍射角为θ₀，动态衍射线的衍射角为θ₁，则可以根据布拉格衍射关系2dsinθ＝nλ，获得反映单晶金属样品在冲击加载前后晶格结构变化的压缩度数据η，η＝Δd/d₀＝1-sinθ₀/sinθ₁，其中，Δd为相对于冲击加载前，待检样品冲击加载后的晶面间距变化量，d₀为待检样品冲击加载前的初始晶面间距。

通过调整纳秒激光加载能量，改变对单晶金属样品的加载压力，考察其在冲击加载前后晶格压缩度变化。并根据衍射图谱中是否出现新的衍射谱线诊断所述待检测金属样品是否发生相变。若未出现新的衍射谱线，结合所述压缩度数据，则可以进一步分析所述待检样品动态压缩特性；若出现新的衍射谱线，结合所述压缩度数据，则可以进一步分析相变动力学响应相关特性。

本发明具有以下优点：

(1)采用该诊断方法获得的衍射图，其时空分辨更高。目前国际上通常采用纳秒束激光与平面背光靶相互作用产生的X射线源，进行材料动力学响应过程的衍射诊断研究。受限于纳秒束激光驱动的X射线源特性，获得的衍射图其时空分辨较低(时间分辨率为百ps～ns，空间分辨为百μm)。而本发明中采用皮秒束激光与有限质量金属微丝背光靶相互作用，产生的微焦点X射线源，具有高时空分辨的独特优势，采用该X射线源对样品的动力学响应过程进行衍射成像，可获得更高时空分辨的衍射图(时间分辨为几十ps，空间分辨为几十μm)。

(2)采用该诊断方法获得的衍射图，其信噪比高。通过步骤2中控制背光靶指向和皮秒束激光方向，可以增强衍射光路上有效的Kα光子数，而且能够有效避开皮秒束激光和背光靶相互作用产生的高能轫致辐射和高能电子的主要传播方向，对提升衍射信号的信噪比具有重要作用。

此外，还采用了钽屏蔽装置和用于单晶金属样品衍射成像的DXRD诊断包。通过对各组件的厚度和几何结构的优化设计，有效地减少背光源中韧致辐射、电子等杂散光对样品衍射成像影响。在实验中该诊断系统还具有操作方便简洁的优点。

(3)可对高Z材料动态衍射成像。本发明通过皮秒束激光与有限质量金属微丝背光靶相互作用，产生微焦点、高亮度的X射线源，通过该方式产生的X射线源，能够在保持Kα光子转换效率不变的条件下(光子总数基本不变)获得数keV到数十keV的单能Kα光子，这有利于对高Z材料(如钼等)的动态衍射成像。传统纳秒束激光与平面靶相互作用产生的X射线源，其产生的光子能点较低，只能达到几keV，因而只适用于对中低Z(如铁、铝)材料动态衍射成像。

(4)可获得高时空分辨动态衍射图像。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种金属材料动力学响应诊断装置，其特征在于，包括：纳秒束激光源、皮秒束激光源、金属微丝背光靶和DXRD诊断包；

所述纳秒束激光源发出的纳秒激光束辐照至待检测金属样品的上表面；所述皮秒束激光源发出的皮秒激光束辐照至所述金属微丝背光靶，所述皮秒激光束辐照至所述金属微丝背光靶后产生X射线源，所述X射线源用于对所述待检测金属样品的动力学响应过程进行X射线衍射成像；所述DXRD诊断包包括屏蔽模块和IP成像板，所述IP成像板置于所述屏蔽模块内部，所述IP成像板用于记录所述X射线衍射成像后的成像数据，所述屏蔽模块用于屏蔽背光源中杂散光对所述待检测金属样品衍射成像的影响；所述IP成像板记录的成像数据用于对所述待检测金属样品的相关特性进行分析；

所述金属微丝背光靶指向衍射光路方向，所述皮秒激光束与所述金属微丝背光靶的法向夹角为30度。

2.根据权利要求1所述的金属材料动力学响应诊断装置，其特征在于，所述皮秒激光束的脉宽为1～10皮秒。

3.根据权利要求1所述的金属材料动力学响应诊断装置，其特征在于，所述金属微丝背光靶的直径为20μm，长度为500μm。

4.根据权利要求1所述的金属材料动力学响应诊断装置，其特征在于，还包括：钽屏蔽装置，所述钽屏蔽装置固定于所述待检测金属样品与所述DXRD诊断包之间，所述X射线源辐照所述待检测金属样品后产生的衍射谱线穿过所述钽屏蔽装置内部通路到达所述IP成像板。

5.根据权利要求1所述的金属材料动力学响应诊断装置，其特征在于，所述屏蔽模块包括：铝壳、铅层和聚四氟乙烯层；所述IP成像板外部依次包覆所述聚四氟乙烯层、所述铅层和所述铝壳。

6.根据权利要求5所述的金属材料动力学响应诊断装置，其特征在于，所述IP成像板的位置在水平方向可调节，调节范围为5mm～100mm。

7.根据权利要求1所述的金属材料动力学响应诊断装置，其特征在于，所述纳秒激光束的加载脉宽为2～5ns，加载激光能量为10～150J，功率密度为10¹²w/cm²。

8.一种金属材料动力学响应诊断方法，其特征在于，所述金属材料动力学响应诊断方法应用于权利要求1-7任一项所述的金属材料动力学响应诊断装置，所述金属材料动力学响应诊断方法包括：

采用纳秒激光束辐照至待检测金属样品的上表面；

采用皮秒激光束辐照至金属微丝背光靶，产生X射线源；所述X射线源辐照至所述待检测金属样品的下表面；

采用IP成像板记录X射线衍射成像后的成像数据；

根据所述金属微丝背光靶的几何结构排布和衍射谱线在所述IP成像板上的相对位置关系，计算得到在冲击加载前后所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据；

根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的相关特性进行分析；

所述金属微丝背光靶指向衍射光路方向，所述皮秒激光束与所述金属微丝背光靶的法向夹角为30度。

9.根据权利要求8所述的金属材料动力学响应诊断方法，其特征在于，根据所述金属微丝背光靶的几何结构排布和衍射谱线在所述IP成像板上的相对位置关系，计算得到在冲击加载前后所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据，具体包括：

利用公式η＝Δd/d₀＝1-sinθ₀/sinθ₁计算所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据；其中η为所述待检测金属样品的晶格结构变化的压缩度数据；Δd为相对于冲击加载前，待检样品冲击加载后的晶面间距变化量；d₀为待检样品冲击加载前的初始晶面间距；θ₀为静态衍射线的衍射角，θ₁为动态衍射线的衍射角。

10.根据权利要求8所述的金属材料动力学响应诊断方法，其特征在于，所述根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的相关特性进行分析，具体包括：

根据所述IP成像板记录的成像数据，判断冲击加载后所述待检测金属样品的衍射图谱图上除了动静态衍射线，相比于冲击加载前是否出现新的衍射谱线；

当冲击加载后所述待检测金属样品的衍射图谱图上除了动静态衍射线，相比于冲击加载前出现新的衍射谱线，确定所述待检测金属样品发生相变动态力学响应过程；

根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的相变动力学响应相关特性进行分析；

当冲击加载后所述待检测金属样品的衍射图谱图上除了动静态衍射线，相比于冲击加载前未出现新的衍射谱线，确定所述待检测金属样品发生了动态压缩力学响应过程；

根据所述压缩度数据和所述IP成像板记录的成像数据，对所述待检测金属样品的动态压缩特性进行分析。

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