凝聚态物质冲击变形的成像

介绍

了解材料在冲击压缩引起的快速演变的极端条件下的响应，对许多工作涉及高应变率现象的行业具有重要意义，如航空航天设计、先进材料加工和采矿、可再生能源研究和国防技术。

“通过同步辐射x射线照相术对材料动态变形的研究有望揭示基本损伤的新细节凝聚态中的过程…”

在这样的极端环境中，加载条件通常只持续几微秒，材料的整体力学行为由许多细观损伤过程的相互作用决定。然而，这些基本变形过程(例如，局部相变、应变局部化和裂纹模式生长)的演变是无法通过基于可见辐射的常用诊断(如光子多普勒测速仪和高速成像)来实现的。因此，为了更好地了解当前材料的性能，并帮助智能设计具有预定义特性的材料，需要能够无障碍地观察材料内损伤的新技术。

长期以来，室内x射线照相术一直被用于极端环境中，以成像材料的地下变形。近年来，第三代同步加速器光源和自由电子激光器已将宏观样品的动态x射线成像能力扩展到亚微米和亚纳秒尺度。这些增强的能力不仅可以更深入地了解材料变形，而且对探测器技术提出了更高的要求。

在本申请说明中，讨论了使用高能同步辐射x射线照相来研究高Z材料中的冲击诱导变形。这项研究的关键是普林斯顿仪器公司的PI-MAX4:1024i增强型CCD(ICCD)相机，该相机带有第三代无膜增强器，可以在低光子场景中快速成像。

冲击压缩实验的X射线成像

高能、高分辨率x射线成像实验在钻石光源同步加速器的Beamline I12上进行。由专门设计的便携式气枪1发射的射弹(圆柱形钢或铜飞片：2毫米厚，12.5毫米直径)将定义明确、可重复的冲击波驱动到目标中。冲击速度在250–850 ms-1之间，产生的冲击压力和材料运动分别约为5–20 GPa和数百ms-1。撞击后，通过高能(50–250 keV)x射线照相术和补充测速仪诊断来检查目标损伤。图1展示了实验设置，显示了如何使用单晶闪烁体、光学继电器和PI-MAX4:1024i ICCD相机拍摄射线照片。

图1。钻石光源冲击压缩实验的典型实验装置。飞片撞击后，同步辐射x射线照相和测速探头材料实时变形。

图2和图3分别显示了组装在Beamline I12的实验装置的照片和PI-MAX4 ICCD相机的光学继电器的照片。Beamline I12的第二个实验室的大尺寸(11 x 7 x 4 m)便于进行大规模实验，允许同时进行多种诊断。为了防止康普顿散射x射线的损坏，光学继电器和相机用2毫米的铅屏蔽。

图2:第二个实验舱(EH2)中的冲击压缩成像设备的注释照片，钻石光源处的光束线I12。插图：一种典型的射弹，由聚碳酸酯弹托和铜质飞片组成。

图3。x射线成像系统的注释照片。x射线被单晶闪烁体转换为可见辐射。然后，通过快速选通PI-MAX4 ICCD相机的第三代无胶片增强器来记录射线照片。

用于能量吸收的周期性3D打印结构

具有明确定义、可定制孔隙率的周期性结构对安全应用非常感兴趣，在安全应用中，冲击或爆破应力可能通过连续的孔隙坍塌过程消散。为了更详细地检查爆炸缓解过程的复杂性，通过选择性激光熔化(SLM)生产了定义明确的不锈钢晶格结构，并进行了动态射线照相测试。图4(a)显示了典型SLM晶格结构的照片，图4(b)显示了冲击实验的说明。

图4。(a) 本申请说明中讨论的SLM钢格的照片，尺寸为8 x 8 x 8 mm。插图从两个不同的角度显示了晶格的示意图。(b) 冲击实验插图。气枪驱动的圆柱形钢飞片以500 ms-1的速度撞击立方体钢格架。

尽管可见辐射方法，如轮廓中的高速成像，可以揭示开放结构中孔隙坍塌过程的动力学，但需要穿透x射线辐射来解决整个系统的密度变化。然后，这些测量结果可以反馈到材料模型中，以指导性能更好的系统的设计。图5显示了在冲击实验之前和期间拍摄的一系列原位射线照片。每次拍摄一张射线照片，视场为12.5 x 12.5 mm，曝光时间为500 ns。在每个动态图像中，圆柱形抛射体从左侧进入。进行重复实验以频闪方式逐步完成变形过程。

图5。(a) 撞击前对准的SLM钢格架的静态原位射线照片。(b–d)撞击后分别拍摄了2.4μs、6.1μs和8.4μs的动态原位射线照片。射线照片显示为假彩色，以强调密度对比度。在每一张动态射线照片中，白色箭头突出显示了埋藏界面结构、飞片致密化和孔隙坍塌过程的发展。

动态射线照片揭示了损伤在整个晶格结构中的局部传播。未来的工作将继续将射线照片中观察到的变形与3D水力编码模拟的预测进行比较，为评估材料强度和设计模型提供新的数据。

重要的ICCD新技术

上述实验中使用的高度先进的PI-MAX4:1024i科学相机(见图6)采用了普林斯顿仪器公司独有的皮秒门控技术。通过采用最先进的电子器件和光纤将增强器与CCD传感器结合，这项技术使新型PI-MAX4:1024i相机能够在不牺牲量子效率的情况下，以<500ps的速度对传统图像增强器(通常实现约2至3ns的选通)进行选通。PI-MAX4:1024i内置集成可编程定时发生器SuperSynchro，进一步增强了相机在高精度、时间分辨应用中的实用性。

图6。PI-MAX4:1024i ICCD相机采用与行间转移CCD光纤连接的几种en II或Gen III无膜增强器中的一种，以接近视频速率(每秒26帧)运行。

需要注意的是，PI-MAX®4系列的另一款新产品PI-MAX4:2048f现在的成像面积和分辨率是目前任何其他科学ICCD相机的四倍。这种大幅面相机采用2k x 2k CCD光纤耦合到几个直径为25mm的第二代或第三代无膜增强器中的一个，提供SuperSynchro、高帧率(6MHz/16位数字化)和1MHz的持续门控重复率。

使用最新版本的Princeton Instruments LightField®数据采集软件(可选)，可以简单地完全控制所有PI-MAX4:1024i和PI-MAX4:2048f硬件功能。通过极其直观的LightField用户界面提供了精密增强器门控控制和门延迟，以及一系列方便捕获和导出成像数据的新颖功能。

总结

通过同步辐射x射线照相术对材料动态变形的研究有望揭示凝聚态基本损伤过程的新细节，可用于评估领先数值模型的结果。新颖的实验数据和先进的建模之间的相互作用有助于为先进的材料加工、航空航天、国防和可再生能源行业设计性能更好的材料。

普林斯顿仪器公司的PI-MAX4:1024i ICCD相机使研究人员能够在超快的时间尺度上探测材料行为，其分辨率足以评估领先的预测模型。普林斯顿仪器公司的SuperSynchro技术与第三代无膜增强器相结合，在选通和灵敏度方面提供了无与伦比的灵活性，从而有助于在低信噪比情况下成像。

审核编辑 黄宇