CN114113162A - 一种用于碎片云质量测量的单能脉冲x射线照相方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高速撞击实验碎片云诊断方法，具体涉及一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，用于解决现有脉冲X射线照相方法无法在高速撞击实验过程中定量测量碎片云质量参数的不足之处。该用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法从电参数和滤波设计方面进行脉冲X射线输出能谱单色优化，单能脉冲X射线使X射线质量衰减系数在穿透过程中成为一个定量，能够利用衰减公式进行质量分析，实现了对低原子序数碎片云质量的定量测量。

Description

一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法
技术领域
本发明涉及高速撞击实验碎片云诊断方法，具体涉及一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法。
背景技术
弹丸高速撞击弹靶，弹丸和弹靶的穿孔材料将发生破碎、熔化甚至气化形成碎片云。碎片云材料的熔化和气化程度决定于传递到弹靶载荷的特点。鉴于碎片云的形成过程很快，测量碎片云的质量必须要借助于高速的测量设备，以诊断碰撞过程中不同时刻的碎片云图像。
脉冲X射线照相测量面密度是研究不透明介质内部事物运动规律及形态变化过程的重要测试手段，其基本原理是将待测对象放在脉冲X射线源的锥形束场中透视投影成像，记录入射X射线束经待测对象衰减后的二维空间分布作为反映待测对象质量厚度的二维透视图像，根据X射线的衰减关系，计算待测对象不同位置面密度。X射线通过物质时符合指数衰减规律：
Figure BDA0003384162020000011
其中，η为穿透待测对象后的X射线衰减率，l为穿透距离，μ(x)为路程x的质量衰减系数，ρ为材料密度。
碎片云材料特点为底原子序数、低密度，为减小碎片云质量信息分析的不确定度，进而获取到高质量的对比图像用于密度测量，测量系统需采用低能脉冲X射线。在宽能谱条件下，低能脉冲X射线在穿透过程中质量衰减系数μ(x)变化更为剧烈，测量系统所获取的图像虽然能够定性反映碎片云穿透路径上的质量厚度，但无法作为碎片云质量或密度定量测量的依据。
发明内容
本发明的目的是解决现有脉冲X射线照相方法无法在高速撞击实验过程中定量测量碎片云质量参数的不足之处，而提供一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法。
为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤(1)、初步设定待测碎片云的面密度测量范围{σ}，确定用于照相测量的X射线光子能量E和测量系统的参数；
所述测量系统的参数包括待测碎片云的测量空间尺寸Φ、等效X射线源点O到待测碎片云中心的距离L1、成像器件到待测碎片云中心的距离L2、以及测量系统的时间分辨要求Δt；
步骤(2)、根据步骤(1)确定的X射线光子能量E，设计脉冲X射线源参数，建立并输出单色化水平较高的X射线；
(2.1)确定阳极靶材料并加工X射线二极管；
(2.2)从电参数和滤波设计方面进行脉冲X射线输出能谱单色优化；
步骤(3)、计算不同面密度条件下的X射线衰减系数，利用标定实验确定穿透厚度与X射线衰减率之间的关系，进而建立面密度与X射线衰减系数的对应关系，并绘制成查询曲线；
步骤(4)、对待测碎片云的测量空间进行脉冲X射线照相，记录一幅测量空间无任何物质的静态图像，再记录一幅高速碰撞过程中特定时刻待测碎片云的动态图像；
步骤(5)、计算待测碎片云质量；
(5.1)将步骤(4)获取的静态图像和动态图像分别扣除本底后生成静态去本底图像和动态去本底图像，并保存；
(5.2)对静态去本底图像进行位置修正，直至静态去本底图像的空间位置与动态去本底图像的空间位置一致；提取静态去本底图像的空间位置和灰度，并保存为{P0}；提取动态去本底图像的空间位置和灰度，并保存为{P}；
(5.3)对静态去本底图像和动态去本底图像的光源强度进行归一化；
(5.4)选定待测区域，根据待测区域的空间位置，提取该空间位置在{P0}所对应的所有灰度值，并计算其平均值作为第一灰度，提取该空间位置在{P}所对应的所有灰度值，并计算其平均值作为第二灰度，则穿透光路上的X射线衰减率
Figure BDA0003384162020000031
(5.5)根据步骤(5.4)获取的穿透光路上的X射线衰减率、X射线对应的质量衰减系数和步骤(3)中的查询曲线，得到待测区域的面密度；
(5.6)根据待测区域的空间位置、尺寸，结合光路分析得到成像放大率，计算得到待测区域的实际尺寸，进而得到待测区域的面积，待测区域面密度乘以待测区域面积即为待测区域质量；
(5.7)若完成待测碎片云的质量测量，则结束流程；否则返回步骤(5.4)。
进一步地，步骤(2.2)中，所述从电参数和滤波设计方面进行脉冲X射线输出能谱单色优化的具体过程为：
(2.2.1)将脉冲X射线源的脉冲输入电压设定为脉冲X射线源阳极靶材料K层电子激发能量的3-5倍，同时，设定脉冲X射线源的脉冲宽度小于测量系统的时间分辨要求Δt；
(2.2.2)在脉冲X射线源出射窗口处插入与脉冲X射线源阳极靶材料相同的箔材作为X射线单色化滤波材料，所述箔材的厚度根据具体实验需求确定。
进一步地，所述待测碎片云材料为铝或铝合金，所述金属材料Z为铜或钼或银；
进一步地，步骤(1)中，所述X射线光子能量E根据待测碎片云材料的X射线衰减系数、待测碎片云的面密度测量范围{σ}共同决定，其与金属材料Z的K层激发特征X射线能量一致。
进一步地，所述脉冲X射线源的阳极靶材料为步骤(1)的金属材料Z。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明公开了一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，该方法从电参数和滤波设计方面进行脉冲X射线输出能谱单色优化，单能脉冲X射线使X射线质量衰减系数在穿透过程中成为一个定量，能够利用衰减公式进行质量分析，实现了对低原子序数碎片云质量的定量测量。
(2)本发明方法基于金属材料的特征X射线激发原理，通过利用特征辐射输出的二极管结构和电气参数匹配的设计，提高了有效X射线的强度。
(3)本发明方法基于材料与X射线作用的吸收边特性，最大限度的保留了有效X射线输出能谱并提高了单色化水平，降低了后端探测器灵敏度的要求。
附图说明
图1为本发明一个实施例的流程示意图；
图2为图1实施例中测量系统光路的示意图；
图3为图1实施例中脉冲X射线源阳极靶的结构示意图；
图4为钼靶脉冲X射线源初级谱形态示意图；
图5为钼箔对X射线的带通滤波示意图；
图6为穿透厚度与X射线衰减率的标定结果示意图；
图7为穿透厚度与X射线衰减率之间关系的曲线图；
图8为静态铝箔称重质量与脉冲X射线照相质量的比较结果示意图；
图9为不规则铝箔称重质量与脉冲X射线照相质量的比较结果示意图；
图10为测量空间无任何物质的静态图像；
图11为高速碰撞过程中特定时刻待测碎片云的动态图像；
图12为经过本发明处理过的动态图像。
附图标记说明如下：1-脉冲X射线源，2-箔材，3-待测碎片云，4-成像器件，5-阳极，6-阴极，7-脉冲X射线源出射窗口。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
参照图1，一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，用于高速撞击实验的碎片云诊断，包括以下步骤：
步骤(1)、初步设定待测碎片云3的面密度测量范围{σ}，确定用于照相测量的X射线光子能量E和测量系统的参数：
X射线光子能量E根据待测碎片云3材料的X射线衰减系数、待测碎片云3的面密度测量范围{σ}共同决定，其与金属材料Z的K层激发特征X射线能量一致；其中，待测碎片云3材料为铝合金，其X射线衰减系数通过公开文献可以查到；待测碎片云3的面密度测量范围{σ}根据具体实验需求决定；金属材料Z为钼；
本实施例中测量系统光路如图2所示，测量系统包括脉冲X射线源1、箔材2、待测碎片云3和成像器件4，测量系统的参数包括待测碎片云3的测量空间尺寸Φ、等效X射线源点O到待测碎片云3中心的距离L1、成像器件4到待测碎片云3中心的距离L2、以及测量系统的时间分辨要求Δt；
步骤(2)、根据步骤(1)确定的X射线光子能量E，设计脉冲X射线源1参数，建立并输出单色化水平较高的X射线；
(2.1)确定阳极靶材料并加工X射线二极管：
本实施例中脉冲X射线源1二极管结构如图3所示，阳极靶材料为钼，阴极6结构为环形，阳极5结构为圆锥体，其中阴极6内径r、阳极5针尖与阴极6平面距离d、阳极5针尖与脉冲X射线源出射窗口7距离L，均可根据实际需求进行机械加工；脉冲X射线源出射窗口7材料可用质量衰减系数较小的铍箔；
(2.2)从电参数和滤波设计方面进行脉冲X射线输出能谱单色优化：
(2.2.1)电参数中脉冲输入电压是核心参数，脉冲输入电压越高，输出能谱的总辐射强度越高；根据图4所示的钼靶脉冲X射线源1初级谱形态，本实施例中将脉冲X射线源1的脉冲输入电压设定为脉冲X射线源1阳极靶材料K层电子激发能量的3-5倍，同时，设定脉冲X射线源1的脉冲宽度小于测量系统的时间分辨要求Δt；
(2.2.2)为了进一步提高输出能谱的单色化水平，在脉冲X射线源出射窗口7上进一步使用滤波片进行单色化，具体为：在脉冲X射线源出射窗口7处插入钼箔，钼箔厚度根据具体实验需求确定；由于钼对X射线的吸收边效应，从而实现特征能量附近X射线的带通滤波，提高输出能谱的单色化水平；图5为钼对X射线的带通滤波示意图，脉冲X射线源1特征谱附近的X射线份额达到85％，可用于碎片云面密度的测量；
步骤(3)、计算不同面密度条件下的X射线衰减系数，利用标定实验确定穿透厚度与X射线衰减率之间的关系，进而建立面密度与X射线衰减系数的对应关系，并绘制成查询曲线：
对于特定能量的X射线，穿透铝合金时的质量衰减是确定的，本实施例中钼靶特征线能量约为17keV时对应的质量衰减系数μ＝5.52cm2/g,X射线衰减率η的计算公式为η＝exp(-μσ)，其中σ为面密度；
脉冲射线二极管的高压脉冲输入上升沿和下降沿都具有一定的宽度，综合因素决定了脉冲X射线能谱很难达到100％的单色化水平，需要利用标定实验确定穿透厚度与X射线衰减率之间的关系，为高速撞击实验的数据提供依据；标定实验测量系统的状态与实际测量系统完全保持一致，包括轻气炮平台的位置、照相光路条件、脉冲X射线源1的电子学设置、撞击靶室的状态、脉冲X射线源出射窗口7材料等；标定实验选用标准铝箔，图6为穿透厚度与X射线衰减率的标定结果；并利用静态铝箔和不规则铝箔进行脉冲X射线照相测试，比较称重质量与其脉冲X射线照相所得质量，确认标定结果满足要求，如图7和图8所示；
步骤(4)、对待测碎片云3的测量空间进行脉冲X射线照相，记录一幅测量空间无任何物质的静态图像，再记录一幅高速碰撞过程中特定时刻待测碎片云3的动态图像；
步骤(3)和步骤(4)可同时进行；
步骤(5)、参照图9，计算待测碎片云3质量，具体步骤为：
(5.1)将步骤(4)获取的静态图像和动态图像分别扣除本底后生成静态去本底图像和动态去本底图像，并保存；
(5.2)对静态去本底图像进行位置修正，直至静态去本底图像的空间位置与动态去本底图像的空间位置一致；提取静态去本底图像的空间位置和灰度，并保存为{P0}；提取动态去本底图像的空间位置和灰度，并保存为{P}；
(5.3)对静态去本底图像和动态去本底图像的光源强度进行归一化；
(5.4)选定待测区域，根据待测区域的空间位置，提取该空间位置在{P0}所对应的所有灰度值，并计算其平均值作为第一灰度，提取该空间位置在{P}所对应的所有灰度值，并计算其平均值作为第二灰度，则穿透光路上的X射线衰减率
Figure BDA0003384162020000091
(5.5)根据步骤(5.4)获取的穿透光路上的X射线衰减率、X射线对应的质量衰减系数和步骤(3)中的查询曲线，得到待测区域的面密度；
(5.6)根据待测区域的空间位置、尺寸，结合光路分析得到成像放大率，计算得到待测区域的实际尺寸，进而得到待测区域的面积，待测区域面密度乘以待测区域面积即为待测区域质量；
(5.7)若完成待测碎片云3的质量测量，则结束流程；否则返回步骤(5.4)。
参照图10至12，本实施例中，图10为测量空间无任何物质的静态图像，图11为高速碰撞过程中特定时刻待测碎片云3的动态图像，图12为经过本发明处理过的动态图像及数据结果。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、初步设定待测碎片云的面密度测量范围{σ}，确定用于照相测量的X射线光子能量E和测量系统的参数；
所述测量系统的参数包括待测碎片云的测量空间尺寸Φ、等效X射线源点O到待测碎片云中心的距离L1、成像器件到待测碎片云中心的距离L2、以及测量系统的时间分辨要求Δt；
步骤(2)、根据步骤(1)确定的X射线光子能量E，设计脉冲X射线源参数，建立并输出单色化水平较高的X射线；
(2.1)确定阳极靶材料并加工X射线二极管；
(2.2)从电参数和滤波设计方面进行脉冲X射线输出能谱单色优化；
步骤(3)、计算不同面密度条件下的X射线衰减系数，利用标定实验确定穿透厚度与X射线衰减率之间的关系，进而建立面密度与X射线衰减系数的对应关系，并绘制成查询曲线；
步骤(4)、对待测碎片云的测量空间进行脉冲X射线照相，记录一幅测量空间无任何物质的静态图像，再记录一幅高速碰撞过程中特定时刻待测碎片云的动态图像；
步骤(5)、计算待测碎片云质量；
(5.1)将步骤(4)获取的静态图像和动态图像分别扣除本底后生成静态去本底图像和动态去本底图像，并保存；
(5.2)对静态去本底图像进行位置修正，直至静态去本底图像的空间位置与动态去本底图像的空间位置一致；提取静态去本底图像的空间位置和灰度，并保存为{P0}；提取动态去本底图像的空间位置和灰度，并保存为{P}；
(5.3)对静态去本底图像和动态去本底图像的光源强度进行归一化；
(5.4)选定待测区域，根据待测区域的空间位置，提取该空间位置在{P0}所对应的所有灰度值，并计算其平均值作为第一灰度，提取该空间位置在{P}所对应的所有灰度值，并计算其平均值作为第二灰度，则穿透光路上的X射线衰减率
Figure FDA0003384162010000021
(5.5)根据步骤(5.4)获取的穿透光路上的X射线衰减率、X射线对应的质量衰减系数和步骤(3)中的查询曲线，得到待测区域的面密度；
(5.6)根据待测区域的空间位置、尺寸，结合光路分析得到成像放大率，计算得到待测区域的实际尺寸，进而得到待测区域的面积，待测区域面密度乘以待测区域面积即为待测区域质量；
(5.7)若完成待测碎片云的质量测量，则结束流程；否则返回步骤(5.4)。
2.根据权利要求1所述的一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，其特征在于：步骤(2.2)中，所述从电参数和滤波设计方面进行脉冲X射线输出能谱单色优化的具体过程为：
(2.2.1)将脉冲X射线源的脉冲输入电压设定为脉冲X射线源阳极靶材料K层电子激发能量的3-5倍，同时，设定脉冲X射线源的脉冲宽度小于测量系统的时间分辨要求Δt；
(2.2.2)在脉冲X射线源出射窗口处插入与脉冲X射线源阳极靶材料相同的箔材作为X射线单色化滤波材料，所述箔材的厚度根据具体实验需求确定。
3.根据权利要求2所述的一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，其特征在于：所述待测碎片云材料为铝或铝合金，所述金属材料Z为铜或钼或银。
4.根据权利要求3所述的一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，其特征在于：
步骤(1)中，所述X射线光子能量E根据待测碎片云材料的X射线衰减系数、待测碎片云的面密度测量范围{σ}共同决定，其与金属材料Z的K层激发特征X射线能量一致。
5.根据权利要求4所述的一种用于碎片云质量测量的单能脉冲X射线照相方法，其特征在于：所述脉冲X射线源的阳极靶材料为步骤(1)的金属材料Z。
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