康普頓背散射技術(shù)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用

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(中國(guó)人民解放軍96630部隊(duì)，北京 102206)

康普頓背散射技術(shù)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用

林德峰，陳仲華，劉曼曼，賈慶龍，劉利華

(中國(guó)人民解放軍96630部隊(duì)，北京 102206)

介紹了康普頓背散射技術(shù)的原理、技術(shù)特點(diǎn)及其在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)中的應(yīng)用前景。依據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)，制備了燃燒室模擬脫粘缺陷試樣。使用ComScan 160Ⅱ型康普頓背散射成像檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)模擬試樣進(jìn)行了初步檢測(cè)。結(jié)果表明：康普頓背散射成像系統(tǒng)能夠有效檢測(cè)出固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)第一、第二界面脫粘以及絕熱層內(nèi)部脫粘等缺陷，對(duì)復(fù)合材料表面及近表面缺陷的單側(cè)檢測(cè)具有較大的優(yōu)勢(shì)，為大型工件單側(cè)檢測(cè)提供了可能。

康普頓背散射；模擬試樣；層析掃描

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天產(chǎn)品的生產(chǎn)和研制過(guò)程中，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量判斷、失效分析、出廠驗(yàn)收及壽命監(jiān)控等環(huán)節(jié)發(fā)揮著巨大作用。目前，固體發(fā)動(dòng)機(jī)第一界面通常采用超聲波檢測(cè)法，第二、三界面及內(nèi)部缺陷主要采用射線檢測(cè)法。射線檢測(cè)法包括射線照相法和工業(yè)CT法。射線照相法的缺點(diǎn)是圖像重疊，不能準(zhǔn)確地對(duì)缺陷定位，容易造成誤判；工業(yè)CT法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，硬件上需要高精度掃描臺(tái)，軟件上需要圖像重建技術(shù)，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，成本高，使用和維護(hù)困難[1-2]?？灯疹D背散射成像技術(shù)(CST)是一種可確定缺陷位置、大小和深度，并可進(jìn)行快速計(jì)算機(jī)重建的非破壞性X射線檢測(cè)系統(tǒng)，其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)是：?jiǎn)蝹?cè)檢測(cè)，即射線源和探測(cè)器位于被檢工件的同一側(cè)，受被檢工件厚度影響??；靈敏度高，可以檢測(cè)出體積效應(yīng)不明顯，尺寸較小的缺陷；具有層析功能，可以精確檢測(cè)缺陷的分布[3]?？灯疹D背散射系統(tǒng)獨(dú)特的特點(diǎn)決定了其對(duì)復(fù)合材料殼體及近表面粘接面的檢測(cè)具有較大的優(yōu)勢(shì)，特別是在檢測(cè)大、厚以及不可拆卸的工件等方面具有傳統(tǒng)X射線技術(shù)所不具有的優(yōu)勢(shì)，可填補(bǔ)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體及近表面粘接面無(wú)有效檢測(cè)手段的空白。

由于CST檢測(cè)技術(shù)具有以上特點(diǎn)，在國(guó)外航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的研究[4-5]。國(guó)內(nèi)由于缺少相關(guān)的技術(shù)設(shè)備，此項(xiàng)技術(shù)的研究和實(shí)際應(yīng)用尚處于探索階段。筆者所在項(xiàng)目組利用康普頓背散射成像檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)制備的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室典型缺陷試樣進(jìn)行了檢測(cè)，初步探索了康普頓檢測(cè)技術(shù)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)中應(yīng)用的可行性。

1 康普頓背散射成像原理

射入試件的X射線或γ射線與試件原子殼層軌道電子或自由電子相互作用會(huì)引起電子反沖，此時(shí)能量被減弱的入射光子將沿新的方向傳播，稱為康普頓散射。入射光子發(fā)生康普頓散射的概率常稱為康普頓散射宏觀散射截面，其除了與入射光子的能量和物質(zhì)的原子序數(shù)相關(guān)外，還與物質(zhì)的原子量和密度相關(guān)。近似地，康普頓散射作用與入射光子的能量成反比，與靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z成正比[6-7]。康普頓背散射系統(tǒng)就是采用上述散射線成像的技術(shù)，其工作原理如圖1所示(圖中I0為射線源發(fā)出的射線；Is，s為試樣中不同點(diǎn)產(chǎn)生的散射線；w為試樣中的缺陷尺寸)。

圖1 康普頓背散射成像技術(shù)原理示意

如圖1(a)所示，X射線照射到工件上，由于檢測(cè)器前面有準(zhǔn)直器，所以從工件不同深層產(chǎn)生的散射線將到達(dá)不同的檢測(cè)器。如圖1(b)所示，如果工件某一層中的不同點(diǎn)存在性質(zhì)差異，所產(chǎn)生的散射線將不同，檢測(cè)器測(cè)量到的數(shù)據(jù)也將不同，從而可對(duì)工件中該層的情況作出判斷[8-9]。

2 試驗(yàn)制備與結(jié)果

2.1 試樣制作

根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的典型缺陷制備了模擬試樣。試樣結(jié)構(gòu)及缺陷埋設(shè)情況如下：試樣外層為玻璃纖維復(fù)合材料模壓件(厚度為5 mm)，內(nèi)層為三元乙丙絕熱層(厚度為8 mm)；貼片時(shí)采用挖空絕熱層的方法制備脫粘模擬缺陷，脫粘截面為波紋狀層間空隙，線條寬度約為1 mm，曲線總長(zhǎng)為12 mm。復(fù)合材料試樣實(shí)物及模擬缺陷示意如圖2，3所示。

圖2 復(fù)合材料試樣實(shí)物

2.2 試驗(yàn)條件

所用設(shè)備為YXLON ComScan 160 Ⅱ康普頓背散射成像系統(tǒng)，射線源檢測(cè)參數(shù)為：管電壓150 kV，管電流16 mA，設(shè)備的空間分辨率為1 mm，深度最小切層是0.4 mm，掃描速度為250 min·m-2?？灯疹D背散射成像檢測(cè)系統(tǒng)將被檢測(cè)試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以22層斷層數(shù)字圖像的形式表達(dá)，每層圖像對(duì)應(yīng)一定的深度，所有22個(gè)圖像同時(shí)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，系統(tǒng)成像時(shí)間為1.25～6.25 min，每層圖像的像素矩陣為256×512。

2.3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)時(shí)以玻璃纖維復(fù)合材料層約2～3 mm深處作為掃描起始位置，逐層向絕熱層掃描，掃描層厚0.45 mm，掃描深度約10 mm，掃描區(qū)域面積100 mm×50 mm。圖3中黑色框區(qū)域?yàn)閽呙铏z測(cè)區(qū)域斷面。圖4為康普頓散射系統(tǒng)對(duì)樣品不同深度的掃描圖像。

從康普頓掃描圖像可以看出，圖4(a)具有纖維紋理和條狀富樹(shù)脂區(qū)特征，說(shuō)明該層是玻璃纖維復(fù)合材料層。圖4(b)的局部纖維紋理和條狀富樹(shù)脂區(qū)特征變?nèi)?，表明該層處于兩種材料部分界面。圖4(c)的纖維紋理和條狀富樹(shù)脂區(qū)特征基本消失，圖像整體灰度下降，表明該層位于絕熱層位置，箭頭指示位置表明有空氣層，與試樣實(shí)際狀況一致。圖4(d)所示的層位于絕熱層，箭頭指示位置表明有皺褶狀空氣層(即脫粘缺陷),與試樣實(shí)際狀況一致。圖4(e)所示層的上部局部為空氣層，下部為絕熱層。因此，從康普頓層析成像來(lái)看，試樣的玻璃纖維層、絕熱層、空氣層的圖像特征有顯著差異；絕熱層和空氣層的界面圖像特征顯著，絕熱層和玻璃纖維層的緊貼型界面圖像特征不顯著。

圖4 試樣的康普頓層析掃描圖像

3 結(jié)論

(1) 康普頓散射層析掃描圖像能夠分辨出發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、絕熱層和空氣層及其之間的界面，康普頓背散射成像系統(tǒng)能夠檢測(cè)出固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)第一界面、第二界面脫粘以及絕熱層內(nèi)部脫粘等缺陷。

(2) 可以通過(guò)研究康普頓背散射的靈敏度、成像特點(diǎn)及圖像處理算法，進(jìn)一步提高康普頓背散射檢測(cè)厚度、空間分辨率和密度分辨率等指標(biāo)。

(3) 由于康普頓散射系統(tǒng)研發(fā)成本較高，應(yīng)用對(duì)象不夠廣泛，國(guó)內(nèi)的研究較少。但是從康普頓散射層析成像技術(shù)特點(diǎn)來(lái)講，其在檢測(cè)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室體積效應(yīng)不明顯的脫粘、氣孔、疏松等缺陷，特別是檢測(cè)噴管絕熱套表面及近表面微裂紋缺陷時(shí)，具有工業(yè)CT和X射線檢測(cè)機(jī)所不具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

[1] 劉海峰，楊興根.背散射技術(shù)在固體發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈, 1999(9): 32-35.

[2] 鄭世才.康普頓散射成像技術(shù)試驗(yàn)[J]. 無(wú)損檢測(cè), 1995, 17(11): 301-304.

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[6] 李家偉.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[7] 梁金昆.關(guān)于康普頓效應(yīng)的兩個(gè)問(wèn)題[J]. 無(wú)損檢測(cè),1999,21(1):39-41.

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ApplicationofComptonBackscatteringTechniqueinSRMDetection

LIN Defeng, CHEN Zhonghua, LIU Manman,JIA Qinglong,LIU Lihua

(No.96630 Army of PLA, Beijing 102206, China)

This paper introduces the principle, technical characteristics and application prospect of Compton backscatter technology in SRM testing. According to the structure of the SRM chamber, simulated samples of debonding defect in the chamber were prepared. The ComScan 160ⅡCompton backscatter imaging system was used to test the simulated samples. The results show that the Compton backscatter imaging system can effectively test the defects in the first and second interfaces of the solid rocket motor, as well as the internal debonding in the insulation layer. Therefore, the Compton backscatter imaging system has the obvious advantage in testing the surface and near surface defects of the composite materials in one side, and opens up the possibility for testing the large products.

compton backscatter; simulated sample; tomographic scan

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0051-03

2016-12-16

林德峰(1985-)，男，工程師，研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)損檢測(cè)

林德峰，dflin@semi.ac.cn

10.11973/wsjc201712012