介紹

了解材料在沖擊壓縮引起的快速演變的極端條件下的響應(yīng)，對許多工作涉及高應(yīng)變率現(xiàn)象的行業(yè)具有重要意義，如航空航天設(shè)計(jì)、先進(jìn)材料加工和采礦、可再生能源研究和國防技術(shù)。

“通過同步輻射x射線照相術(shù)對材料動(dòng)態(tài)變形的研究有望揭示基本損傷的新細(xì)節(jié)凝聚態(tài)中的過程…”

在這樣的極端環(huán)境中，加載條件通常只持續(xù)幾微秒，材料的整體力學(xué)行為由許多細(xì)觀損傷過程的相互作用決定。然而，這些基本變形過程(例如，局部相變、應(yīng)變局部化和裂紋模式生長)的演變是無法通過基于可見輻射的常用診斷(如光子多普勒測速儀和高速成像)來實(shí)現(xiàn)的。因此，為了更好地了解當(dāng)前材料的性能，并幫助智能設(shè)計(jì)具有預(yù)定義特性的材料，需要能夠無障礙地觀察材料內(nèi)損傷的新技術(shù)。

長期以來，室內(nèi)x射線照相術(shù)一直被用于極端環(huán)境中，以成像材料的地下變形。近年來，第三代同步加速器光源和自由電子激光器已將宏觀樣品的動(dòng)態(tài)x射線成像能力擴(kuò)展到亞微米和亞納秒尺度。這些增強(qiáng)的能力不僅可以更深入地了解材料變形，而且對探測器技術(shù)提出了更高的要求。

在本申請說明中，討論了使用高能同步輻射x射線照相來研究高Z材料中的沖擊誘導(dǎo)變形。這項(xiàng)研究的關(guān)鍵是普林斯頓儀器公司的PI-MAX4:1024i增強(qiáng)型CCD(ICCD)相機(jī)，該相機(jī)帶有第三代無膜增強(qiáng)器，可以在低光子場景中快速成像。

沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)的X射線成像

高能、高分辨率x射線成像實(shí)驗(yàn)在鉆石光源同步加速器的Beamline I12上進(jìn)行。由專門設(shè)計(jì)的便攜式氣槍1發(fā)射的射彈(圓柱形鋼或銅飛片：2毫米厚，12.5毫米直徑)將定義明確、可重復(fù)的沖擊波驅(qū)動(dòng)到目標(biāo)中。沖擊速度在250–850 ms-1之間，產(chǎn)生的沖擊壓力和材料運(yùn)動(dòng)分別約為5–20 GPa和數(shù)百ms-1。撞擊后，通過高能(50–250 keV)x射線照相術(shù)和補(bǔ)充測速儀診斷來檢查目標(biāo)損傷。圖1展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)置，顯示了如何使用單晶閃爍體、光學(xué)繼電器和PI-MAX4:1024i ICCD相機(jī)拍攝射線照片。

圖1。鉆石光源沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)的典型實(shí)驗(yàn)裝置。飛片撞擊后，同步輻射x射線照相和測速探頭材料實(shí)時(shí)變形。

圖2和圖3分別顯示了組裝在Beamline I12的實(shí)驗(yàn)裝置的照片和PI-MAX4 ICCD相機(jī)的光學(xué)繼電器的照片。Beamline I12的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)室的大尺寸(11 x 7 x 4 m)便于進(jìn)行大規(guī)模實(shí)驗(yàn)，允許同時(shí)進(jìn)行多種診斷。為了防止康普頓散射x射線的損壞，光學(xué)繼電器和相機(jī)用2毫米的鉛屏蔽。

圖2:第二個(gè)實(shí)驗(yàn)艙(EH2)中的沖擊壓縮成像設(shè)備的注釋照片，鉆石光源處的光束線I12。插圖：一種典型的射彈，由聚碳酸酯彈托和銅質(zhì)飛片組成。

圖3。x射線成像系統(tǒng)的注釋照片。x射線被單晶閃爍體轉(zhuǎn)換為可見輻射。然后，通過快速選通PI-MAX4 ICCD相機(jī)的第三代無膠片增強(qiáng)器來記錄射線照片。

用于能量吸收的周期性3D打印結(jié)構(gòu)

具有明確定義、可定制孔隙率的周期性結(jié)構(gòu)對安全應(yīng)用非常感興趣，在安全應(yīng)用中，沖擊或爆破應(yīng)力可能通過連續(xù)的孔隙坍塌過程消散。為了更詳細(xì)地檢查爆炸緩解過程的復(fù)雜性，通過選擇性激光熔化(SLM)生產(chǎn)了定義明確的不銹鋼晶格結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)射線照相測試。圖4(a)顯示了典型SLM晶格結(jié)構(gòu)的照片，圖4(b)顯示了沖擊實(shí)驗(yàn)的說明。

圖4。(a) 本申請說明中討論的SLM鋼格的照片，尺寸為8 x 8 x 8 mm。插圖從兩個(gè)不同的角度顯示了晶格的示意圖。(b) 沖擊實(shí)驗(yàn)插圖。氣槍驅(qū)動(dòng)的圓柱形鋼飛片以500 ms-1的速度撞擊立方體鋼格架。

盡管可見輻射方法，如輪廓中的高速成像，可以揭示開放結(jié)構(gòu)中孔隙坍塌過程的動(dòng)力學(xué)，但需要穿透x射線輻射來解決整個(gè)系統(tǒng)的密度變化。然后，這些測量結(jié)果可以反饋到材料模型中，以指導(dǎo)性能更好的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖5顯示了在沖擊實(shí)驗(yàn)之前和期間拍攝的一系列原位射線照片。每次拍攝一張射線照片，視場為12.5 x 12.5 mm，曝光時(shí)間為500 ns。在每個(gè)動(dòng)態(tài)圖像中，圓柱形拋射體從左側(cè)進(jìn)入。進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)以頻閃方式逐步完成變形過程。

圖5。(a) 撞擊前對準(zhǔn)的SLM鋼格架的靜態(tài)原位射線照片。(b–d)撞擊后分別拍攝了2.4μs、6.1μs和8.4μs的動(dòng)態(tài)原位射線照片。射線照片顯示為假彩色，以強(qiáng)調(diào)密度對比度。在每一張動(dòng)態(tài)射線照片中，白色箭頭突出顯示了埋藏界面結(jié)構(gòu)、飛片致密化和孔隙坍塌過程的發(fā)展。

動(dòng)態(tài)射線照片揭示了損傷在整個(gè)晶格結(jié)構(gòu)中的局部傳播。未來的工作將繼續(xù)將射線照片中觀察到的變形與3D水力編碼模擬的預(yù)測進(jìn)行比較，為評估材料強(qiáng)度和設(shè)計(jì)模型提供新的數(shù)據(jù)。

重要的ICCD新技術(shù)

上述實(shí)驗(yàn)中使用的高度先進(jìn)的PI-MAX4:1024i科學(xué)相機(jī)(見圖6)采用了普林斯頓儀器公司獨(dú)有的皮秒門控技術(shù)。通過采用最先進(jìn)的電子器件和光纖將增強(qiáng)器與CCD傳感器結(jié)合，這項(xiàng)技術(shù)使新型PI-MAX4:1024i相機(jī)能夠在不犧牲量子效率的情況下，以<500ps的速度對傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)器(通常實(shí)現(xiàn)約2至3ns的選通)進(jìn)行選通。PI-MAX4:1024i內(nèi)置集成可編程定時(shí)發(fā)生器SuperSynchro，進(jìn)一步增強(qiáng)了相機(jī)在高精度、時(shí)間分辨應(yīng)用中的實(shí)用性。

圖6。PI-MAX4:1024i ICCD相機(jī)采用與行間轉(zhuǎn)移CCD光纖連接的幾種en II或Gen III無膜增強(qiáng)器中的一種，以接近視頻速率(每秒26幀)運(yùn)行。

需要注意的是，PI-MAX?4系列的另一款新產(chǎn)品PI-MAX4:2048f現(xiàn)在的成像面積和分辨率是目前任何其他科學(xué)ICCD相機(jī)的四倍。這種大幅面相機(jī)采用2k x 2k CCD光纖耦合到幾個(gè)直徑為25mm的第二代或第三代無膜增強(qiáng)器中的一個(gè)，提供SuperSynchro、高幀率(6MHz/16位數(shù)字化)和1MHz的持續(xù)門控重復(fù)率。

使用最新版本的Princeton Instruments LightField?數(shù)據(jù)采集軟件(可選)，可以簡單地完全控制所有PI-MAX4:1024i和PI-MAX4:2048f硬件功能。通過極其直觀的LightField用戶界面提供了精密增強(qiáng)器門控控制和門延遲，以及一系列方便捕獲和導(dǎo)出成像數(shù)據(jù)的新穎功能。

總結(jié)

通過同步輻射x射線照相術(shù)對材料動(dòng)態(tài)變形的研究有望揭示凝聚態(tài)基本損傷過程的新細(xì)節(jié)，可用于評估領(lǐng)先數(shù)值模型的結(jié)果。新穎的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的建模之間的相互作用有助于為先進(jìn)的材料加工、航空航天、國防和可再生能源行業(yè)設(shè)計(jì)性能更好的材料。

普林斯頓儀器公司的PI-MAX4:1024i ICCD相機(jī)使研究人員能夠在超快的時(shí)間尺度上探測材料行為，其分辨率足以評估領(lǐng)先的預(yù)測模型。普林斯頓儀器公司的SuperSynchro技術(shù)與第三代無膜增強(qiáng)器相結(jié)合，在選通和靈敏度方面提供了無與倫比的靈活性，從而有助于在低信噪比情況下成像。

審核編輯 黃宇