一種微波輻射效應的sr-ct無損檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微波輻射效應的SR-CT無損檢測裝置。該裝置為分體式結構，包括微波源及其控制系統、波導、微波輻射腔體等部分。微波源及其控制系統可實現特定微波輻射功率的調節(jié)和控制，波導實現微波的傳輸。微波輻射腔體可對材料進行微波輻射處理，其內部的雙重保溫結構可實現材料的通光、保溫、測溫、氣氛保護等功能；其底部的獨立多維精密電控位移旋轉臺可實現SR-CT技術所要求的材料高精度旋轉，同時還可實現材料沿垂直同步輻射光方向的位置調節(jié)以及在旋轉臺臺面中心的精確定位?；谠撎自O備可實現生物醫(yī)學材料、航空材料、納米材料等先進材料在微波輻射作用下其內部微結構特征的微納米分辨率的三維、無損、實時原位在線探測。
【專利說明】一種微波輻射效應的SR-CT無損檢測裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微波輻射極端條件下材料內部微觀特征及其演化的微納尺度同步輻射CT (“同步輻射CT”簡稱“SR-CT”)無損檢測裝置，應用于生物醫(yī)學材料、航空材料、納米材料等先進材料在微波輻射效應作用下其微觀特征及其演化過程的三維、無損、原位在線觀測和分析，是材料科學、物理化學、生物以及無損檢測技術等多學科交叉領域中的實驗檢測平臺。
【背景技術】
[0002]微波由于其似光性、穿透性和非電離性等特點，被廣泛應用于雷達通信、醫(yī)學、生物學、工業(yè)生產、科學研究以及日常生活等諸多方面。其中，微波在生物醫(yī)學、工業(yè)生產等方面的應用是利用了微波輻射效應能夠改變材料內部的微觀特征，這些微觀特征是決定材料使用性能的本質原因。因此，要深入了解微波輻射效應并掌握該技術在各領域中的應用，必須對微波輻射效應作用下材料內部微觀特征及其演化過程進行微納尺度下的三維、無損、原位在線觀測和分析。然而，由于受微波的高溫和強輻射等極端條件的制約，采用傳統實驗觀測技術(如掃描電鏡、透射電鏡等)來對材料內部微觀特征及其演化進行三維、無損、原位在線觀測存在較大的技術難題，尤其是微波輻射對這些儀器和人體造成的破壞和損害更是增加了檢測的技術難度。
[0003]SR-CT技術是一種先進的非接觸式材料無損檢測技術，具有無損檢測、實時跟蹤和三維觀測等諸多優(yōu)越特性，且其分辨率可達到納米量級。設計一套材料微波輻射效應的SR-CT無損檢測實驗平臺，能夠實現材料在微波輻射作用下對其微觀特征及其演化過程進行三維、實時、無損的動態(tài)觀測和分析，這不僅能夠為生物醫(yī)學材料、航空材料、納米材料等先進材料的微波輻射效應研究提供有力的實驗技術支持，而且也將為其他行業(yè)中與微波輻射效應相關的材料內部微觀特征探測與表征提供一個良好的檢測平臺。然而，設計一套該檢測裝置需要克服諸多技術難題，目前在國際上尚未見到與該檢測裝置相關的報道。
[0004]為實現在高溫及微波輻射效應作用下對材料內部微納尺度結構特征及其演化過程的SR-CT在線觀測和微觀機理分析，本發(fā)明提供一種微波輻射效應的SR-CT無損檢測裝置。
[0005]該裝置將在國家大型同步輻射實驗平臺上進行工作。根據微波技術、同步輻射CT原理(詳見“【具體實施方式】”部分)以及同步輻射實驗平臺的工作環(huán)境，本裝置需要解決的問題包括:1)裝置結構及其尺寸與同步輻射實驗環(huán)境的匹配；2)如何在滿足同步輻射X光源能夠穿過材料的前提下，實現小尺寸材料(微納米SR-CT技術要求其直徑在2_以內)的有效加熱、保溫、測溫、氣氛保護和防止微波泄漏；3)如何實現材料在微納米同步輻射CT實驗過程中的精確定位和連續(xù)高精度旋轉。下面將對這些問題作簡要介紹，并提出相應的技術方案。

【發(fā)明內容】
[0006]針對上述技術難題，本發(fā)明提出了一種微波輻射效應的SR-CT無損檢測裝置，包括五部分:x光源及光路、微波輻射系統、保溫及測溫系統、多維精密位移電控旋轉系統和圖像采集及重建系統。本發(fā)明的改進主要在于微波輻射系統及多維精密位移電控旋轉系統兩個方面。
[0007]第一部分:X光源及光路
[0008]如圖4所示，X射線由X光源產生，并按照固定的光路傳播。
[0009]第二部分:微波輻射系統(圖3)
[0010]微波輻射系統的主要包括以下部件:微波源及微波源保護控制系統、波導、微波輻射腔體。各部件之間通過法蘭連接，具體組裝方式見圖3。
[0011]微波源及微波源保護控制系統(圖3標號I部分)是微波發(fā)生裝置，產生微波的頻率是2450±50MHz，功率在O?3kW范圍內連續(xù)可調。
[0012]波導(圖3標號2部分)是傳輸微波的裝置，本發(fā)明中使用的波導均為標準BJ22型，波導長度根據微波源到微波輻射腔體的實際距離設計。
[0013]微波輻射腔體(圖3標號3至標號15部分)是對材料進行微波輻射的裝置，主要由六面金屬壁(標號7)包圍形成矩形空腔，同時頂面預留微波饋入端口，一個側面上設計爐門(標號12)，與爐門相鄰的兩個側面上各有一個通光孔(標號11)，與爐門相對的側面上有一個測溫孔(標號8)，底面上有一個剛玉柱通孔(標號13);此外還有調節(jié)微波輻射腔體高度的升降底座(標號10)。
[0014]第三部分:保溫及測溫系統
[0015]保溫及測溫系統包括以下部件:雙層保溫結構、紅外測溫系統。雙層保溫結構是減少微波輻射腔體中熱量散失的裝置，包括緊貼微波輻射腔金屬壁的外層保溫結構(4、6)和倒扣于微波輻射腔體底部轉軸孔上的內層保溫結構(如圖1所示)；紅外測溫系統(9)是測量樣品溫度的裝置，位于測溫孔(8)外側；
[0016]第四部分:多維精密位移電控旋轉系統(如圖2所示)
[0017]本部分主要由以下部件構成:三個電控位移臺、一個精密旋轉臺、一個電控升降臺、鋁合金轉接裝置、剛玉柱。各部件之間通過螺栓連接或固定，具體組裝順序見圖2。
[0018]剛玉柱(圖2標號16)用于承載材料，長度為19cm ;上端插入微波輻射腔體的底面通孔(圖3標號13)，下端連接轉接裝置。
[0019]鋁合金轉接裝置(圖2標號17)用于連接上面的剛玉柱和下面的位移臺，使剛玉柱可以移動和旋轉。
[0020]兩個MTS202型電控位移臺(圖2標號18、19)的調節(jié)方向相互垂直，可以調節(jié)剛玉柱在水平X和Y方向的位移。
[0021]精密旋轉臺(圖2標號20)用于實現剛玉柱的高精度旋轉。
[0022]一個MTS203電控位移臺(圖2標號21)用于調節(jié)沿光源方向的位移。
[0023]一個MVSlOl剪式電控升降臺(圖2標號22)用于調節(jié)豎直高度。
[0024]第五部分:圖像采集及重建系統
[0025]圖像采集及重建系統包括X-ray (XD、處理系統。如圖4所示，X-ray CXD可以接收從右側通光孔出射的同步輻射X射線并將其轉換為數字信號；處理系統可以重建出樣品材料內部的、三維的微結構形貌圖。[0026]基于上述技術方案，本發(fā)明的機械總圖及基于該發(fā)明的SR-CT實驗分析系統如圖3和圖4所示。目前，基于該套測試平臺，已成功實現了金屬、陶瓷等多種材料在1600°C以上高溫微波輻射作用下，分辨率為0.37 μ m的同步輻射CT在線觀測。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是，提供一套新型的材料高溫及微波輻射效應的SR-CT無損檢測實驗裝置，它可有效克服傳統實驗觀測技術的缺點，實現在高溫、微波輻射等極端外場作用下，對生物材料、航空材料、納米材料等先進材料的微納尺度結構形貌及其演化進行三維、無損、原位在線的觀測和分析。本發(fā)明將為深入研究溫度場、微波輻射場等多種耦合外場與各種先進材料之間相互作用的微觀機制，改進材料微波處理工藝提供有力的技術支持。此外，本發(fā)明對于發(fā)展極端條件下的材料無損檢測技術也具有積極的推動作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明中的內層保溫結構三維立體圖及機械圖。
[0029]圖2是本發(fā)明中的獨立式多維精密位移電控旋轉系統總體結構圖與俯視圖。
[0030]該圖中16.剛玉柱(19cm)，17.鋁合金轉接裝置；18.MTS202電控位移臺:調節(jié)材料水平X方向的位移；19.MTS202電控位移臺:調節(jié)材料水平Y方向的位移；20.精密旋轉臺:實現材料高精度旋轉；21.MTS203電控位移臺:調節(jié)材料光源方向的位移；22.MVSlOl剪式電控升降臺:調節(jié)材料豎直高度。
[0031]圖3是微波輻射效應SR-CT無損檢測裝置的總體結構機械圖。
[0032]該圖中1.微波源及微波源控制系統，2.波導，3.琺瑯，4、6.多晶莫來石保溫材料，
5.空腔，7.金屬腔壁，8.測溫孔，9.紅外測溫儀，10.升降底座，11.通光孔，12.爐門，13.剛玉柱通孔，14.內層保溫罩，15.外層保溫罩，23.環(huán)形器與水負載。
[0033]圖4是基于本發(fā)明的SR-CT實驗分析系統示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和實施例對本專利進一步說明。
[0035]如圖4所示，本發(fā)明具體實施時包含以下部分:同步輻射光源及光路、微波輻射系統、保溫及測溫系統、多維精密位移旋轉系統、圖像采集及重建系統。各部分具體實施過程和實施例如下:
[0036]一、X光源及光路
[0037]檢測過程中，X射線經過一系列光學元件后由微波諧振腔5的左側通光孔11進入微波諧振腔，穿透樣品后從右側通光孔射出微波諧振腔，然后由X-ray CCD接收成像。在具體實施過程中，X射線可有同步輻射光源和X射線機產生，其光束類型包括但不限于平行束和扇形束等；
[0038]二、微波輻射系統
[0039]微波輻射系統主要由微波源及微波源保護控制系統1、波導2、微波諧振腔體5、環(huán)形器和水負載23組成。由于高分辨率、高襯度SR-CT實驗平臺對設備的空間尺寸及通光孔的位置有嚴格限制(通光孔離腔體底部的高度不得超過400_)，因此采用了諧振腔體與微波源分離的分體式結構設計，從而保證了諧振腔體能夠在SR-CT實驗平臺所提供的有限空間內正常工作。具體實施過程中，微波諧振腔被裝配于SR-CT實驗平臺上并通過波導連接到微波源。通過計算機控制開啟微波源及改變微波源的輸出功率。微波源產生微波并通過波導傳輸至琺瑯3，然后饋入微波諧振腔內，對腔體內的材料樣品產生微波輻射效應。此外，未被材料吸收的微波將反射至環(huán)形器并由水負載吸收。其中，微波源可選用包含但不限于2450Mhz和915MHz兩種頻率，微波諧振腔體包括但不限于矩形諧振腔和圓形諧振腔，其工作模式包括但不限于多模式諧振、TE單模式諧振和TM單模式諧振。
[0040]三、保溫及測溫系統
[0041]保溫及測溫系統主要由雙層保溫結構(4、6、圖1)、紅外測溫系統9組成。由于本發(fā)明中材料對微波輻射能量的吸收是熱量的唯一來源，而SR-CT實驗平臺既嚴格限制了樣品的尺寸(小于3mm)，又要求微波諧振腔體不能完全密封(保留通光孔)，導致了對小尺寸樣品在不完全密閉空間內的高溫微波輻射處理的技術難題。為了解決該技術難題，本發(fā)明設計了雙層保溫結構。具體實施過程中，雙層保溫結構由多晶莫來石材料制成，外層保溫結構
4、6緊貼微波諧振腔的金屬壁7，內層保溫結構(如圖1所示)倒扣于微波諧振腔底部的轉軸孔13上；以非接觸方式通過紅外測溫儀9測量溫度，并且溫度數據可以作為調節(jié)微波源輸出功率的依據。
[0042]四、多維精密位移及旋轉系統
[0043]樣品位移及旋轉系統由三個電控位移臺18、19、21、一個電控精密旋轉臺20、一個電控升降臺22、鋁合金轉接裝置17、剛玉柱16組成。具體實施過程中，采用MRS100系列精密電控旋轉臺20使樣品按照一定的規(guī)律旋轉，MTS203電控位移臺21可實現材料沿垂直于同步輻射光源方向的位置調節(jié)，水平X和y方向的MTS202位移臺18、19相互成90°夾角重疊排布，用于調節(jié)置于剛玉柱16上端的材料空間位置以實現材料在旋轉臺20中心的精確定位，MVSlOl剪式電控升降臺22可實現樣品在豎直位置的高度調節(jié)，從而實現樣品發(fā)生熱膨脹后的重新歸位該系統；通過鋁合金轉接裝置17將剛玉柱與旋轉系統連接起來，剛玉柱頂部伸入微波諧振腔體中，用于放置樣品，該設計可以使旋轉臺20在遠離高溫微波輻射的情況下將旋轉角度精確的傳遞給樣品，同時也避免了微波諧振腔體振動對樣品運動精度的影響。能夠應用于該系統中的位移臺、旋轉臺、升降臺并不局限于上述型號，可替換為具有微納米級空間定位精度和旋轉精度的其他型號平臺；剛玉柱可以替換為其他由耐高溫、熱膨脹系數低的材料制成的圓柱，如石英柱等。
[0044]五、圖像采集及重建系統
[0045]圖像采集及重建系統由X-ray (XD、處理系統組成。具體實施過程中，從微波諧振腔右側通光孔出射的同步輻射光被X-ray CCD接收，并存儲于計算機硬盤上，然后利用處理系統得到各處理時刻的樣品材料的三維微結構形貌圖，從而實現對微波輻射處理材料的三維、無損、實時原位探測。
【權利要求】
1.一種微波輻射效應的SR-CT無損檢測裝置，其特征在于:包括X光源及光路、微波輻射系統、保溫及測溫系統、多維精密位移電控旋轉系統和圖像采集及重建系統； 所述X光源及光路是產生并傳播X射線的裝置； 所述微波輻射系統包括以下部件:微波源及微波源保護控制系統、波導、微波輻射腔體；各部件之間通過法蘭連接； 所述微波源及微波源保護控制系統是微波發(fā)生裝置，產生微波的頻率是2450±50MHz，功率在O?3kW范圍內連續(xù)可調；所述波導是傳輸微波的裝置，波導長度根據微波源到微波輻射腔體的實際距離設計；微波輻射腔體是對材料進行微波輻射的裝置，包括六面金屬壁(7)包圍形成矩形空腔(5);同時頂面預留微波饋入端口，一個側面上設計爐門(12)，與爐門相鄰的兩個側面上各有一個通光孔(11)，與爐門相對的側面上有一個測溫孔(8)，底面上有一個剛玉柱通孔(13);以及調節(jié)微波輻射腔體高度的升降底座(10)； 所述保溫及測溫系統包括以下部件:雙層保溫結構、紅外測溫系統； 所述雙層保溫結構是減少微波輻射腔體中熱量散失的裝置，包括緊貼微波輻射腔金屬壁的外層保溫結構(4、6)和倒扣于微波輻射腔體底部轉軸孔上的內層保溫結構； 所述紅外測溫系統(9)是測量樣品溫度的裝置，位于測溫孔(8)外側； 所述多維精密位移電控旋轉系統包括以下部件:三個電控位移臺、一個精密旋轉臺、一個電控升降臺、鋁合金轉接裝置、剛玉柱；各部件之間通過螺栓連接或固定； 所述剛玉柱(16)用于承載材料，長度為19cm;上端插入微波輻射腔體的底面通孔(13)，下端連接所述鋁合金轉接裝置； 所述鋁合金轉接裝置(17)用于連接上面的剛玉柱和下面的位移臺，使剛玉柱可以移動和旋轉； 兩個MTS202型電控位移臺(18、19)的調節(jié)方向相互垂直，能調節(jié)剛玉柱在水平X和Y方向的位移； 精密旋轉臺(20)用于實現剛玉柱的高精度旋轉； 一個MTS203電控位移臺(21)用于調節(jié)沿光源方向的位移； 一個MVSlOl剪式電控升降臺(22)用于調節(jié)豎直高度； 所述圖像采集及重建系統包括X-ray CXD和處理系統。
【文檔編號】G01N23/04GK103837554SQ201410097312
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權日:2014年3月17日
【發(fā)明者】許峰, 胡小方, 李永存 申請人:中國科學技術大學