CN102109474A - 基于电子对效应检测材料缺陷的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于电子对效应检测材料缺陷的方法及系统。该方法包括以下步骤：提供能与被检测材料发生电子对效应的低能X射线；用所述低能X射线照射所述被检测材料，通过电子对效应在所述被检测材料内产生正电子；利用γ射线探测器测量由于所述正电子的湮没而放出的γ光子能谱；和分析所述γ光子能谱以确定所述被检测材料内是否存在缺陷。该方法利用低能X射线在被检测材料内部发生电子对效应产生的正电子实现对被检测材料内部缺陷的检测，因为正电子是在材料内部较为均匀的产生，所述正电子湮没后放出的511keV γ射线会均匀地带出材料内部的微观结构信息。并且，较低能量X射线在购置、使用成本方面更低，防护要求少、便于现场使用。
Description
技术领域
本发明总的涉及利用X射线对材料缺陷进行检测的技术，更具体地，涉及基于电子对效应检测材料缺陷的方法及系统。
背景技术
正电子分析技术的应用越来越广泛。已知，作为负电子的反粒子，正电子在产生之后会和前者发生湮没效应，湮没的过程及其产物与材料中的负电子特性非常相关。通过测量正电子在材料中的寿命、正负电子湮没之后放出的两个能量期望值为511keV的γ射线角度关联，或者(主要)由于负电子动量导致的511keV γ射线全能峰展宽，可以对材料原子层次的结构特性进行研究。
正电子分析技术目前所用射线源主要来自同位素源和加速器，通过正电子照射物体表面的方式来对材料进行分析。这种方式能够方便地对小样品进行测量，可以在较好的信噪比下对样品做正电子分析。然而，由于射线源和样品是分离的，正电子需要从表面射入样品，而正电子在样品中的射程很小，因此这种方式只能对材料的表面～mm厚度的部分进行分析。
现需要一种能够基于电子对效应的正电子分析技术对材料内部的缺陷进行检测的方法和相应的检测系统。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种基于电子对效应检测材料缺陷的方法。该方法包括以下步骤：提供能与被检测材料发生电子对效应的低能X射线；用所述低能X射线照射所述被检测材料，通过电子对效应在所述被检测材料内产生正电子；利用γ射线探测器测量由于所述正电子的湮没而放出的γ光子能谱；和分析所述γ光子能谱以确定所述被检测材料内是否存在缺陷。该方法利用低能X射线在被检测材料内部发生电子对效应产生的正电子实现对被检测材料内部缺陷的检测，因为正电子是在材料内部较为均匀的产生，所述正电子湮没后放出的511keV γ射线会均匀地带出材料内部的微观结构信息。并且，较低能量X射线在购置、使用成本方面更低，防护要求少、便于现场使用。
作为该方法的一个优选实施例，低能X射线为低于7MeV的轫致辐射X射线。这样，在检测时基本不必担心光中子问题(只有2H，9Be等少数核素的光中子阈值小于7MeV)。
本发明的目的之二是提供一种基于电子对效应检测材料缺陷的系统，其包括：低能X射线发生器，用于提供能与被检测材料发生电子对效应以产生正电子的低能X射线；γ射线探测器，用于测量由于正电子的湮没而放出的γ光子能谱；和能谱分析装置，用于分析所述γ光子能谱以确定所述被检测材料是否存在缺陷。该系统是根据上述基于电子对效应检测材料缺陷的方法对材料内部的缺陷进行检测，因此具有与上述方法相似的益处。
通过阅读下列的详细描述及参考附图，本发明的其他目的和优点将变得很明显。
附图说明
图1为根据本发明检测材料缺陷的示意图。
具体实施方式
图1显示了本发明的方法和系统的最佳实施例的原理图。如图所述，由电子加速器产生的数MeV的电子在轰击钨靶之后，会产生能量值低于7MeV的轫致辐射X射线，这些X射线经过X射线准直器(1)之后射向被检测的材料，再经过X射线准直器(2)进行第二次准直，然后照射到被检测材料的某个局部位置。
射入被检测材料的X射线可以与之发生多种反应，包括光电效应、康普顿散射、电子对效应、瑞利散射等。当X射线与被检测材料发生电子对效应时，会产生正电子和负电子。产生的正电子在被检测物体中进行减速、慢化，当材料中存在某些缺陷的时候，这些正电子会被具有略微负电性的缺陷所吸引，与那里的负电子发生湮没反应，放出期望值为511keV的γ光子。由于γ光子的能量偏离511keV的程度与负电子的动量特性相关，而负电子的动量特性又与材料的缺陷特性有关，因此可以通过对这些γ光子能量分布(即能谱)的分析来实现对材料缺陷特性的分析。
在图1中，采用高纯锗探测器来对湮没γ光子能谱进行测量。为了实现有效地γ能谱测量，还需要对高纯锗探测器进行制冷，这需要一个制冷机构。在本实施例中，制冷机构为制冷机。当然，在其他实施例中，也可以使用液氮杜瓦瓶或其他制冷装置对探测器进行制冷。探测器还需要有良好的屏蔽以阻挡由加速器靶点射向探测器的X射线。在探测器的前面，设置X射线准直器(3)和(4)，以限定探测器的探测方向。
考虑到射向探测器的光子不仅有511keV的湮没光子，而且有发生了康普顿散射的光子、光电效应后的X射线、光电效应后的轫致辐射X射线，因此为了提高信本比，在X射线准直器(4)之前增加射线硬化体。硬化体的材料一般选择高原子序数的材料，例如铅金属或含有铅的材料，其它金属铁、铜、铋也是备选材料。硬化体的厚度则由被检测物体的情况决定。
在本发明的系统中，由于X射线在射向被检测物体时被准直为一个射线束，而探测器在测量时其方向也被准直为一个束，这两个束相交之后会形成一个点。探测器所测量到的511keV湮没光子的能谱就反映了这个点的材料缺陷信息。为了实现对材料内部不同位置的正电子分析，本系统包括检测样品的移动装置和探测器的移动和旋转装置。通过检测样品的移动装置，样品可以两个维度平移，即前后移动和上下移动，方向如图1所示。通过探测器的移动和旋转装置，探测器可以进行旋转和前后移动(即一个维度的平移)，方向也如图1所示。通过这样的移动机构，就可以利用准直后的X射线束和准直后的测量方向来对样品的三维位置进行分析，得到其内部各点的缺陷特性。由于这些移动和旋转装置采用的都是现有技术，因此在此不对它们进行细述。
探测器与谱仪系统以及计算机系统相连，以对探测器测量到的γ光子能谱进行处理和分析，以确定材料内部是否存在缺陷，以及缺陷的程度。
虽然已经描述了本发明的典型实施例，应该明白本发明不限于这些实施例，对本专业的技术人员来说，本发明的各种变化和改进都能实现，但这些都在本发明权利要求的精神和范围之内。
Claims (29)
1.一种基于电子对效应检测材料缺陷的方法，包括以下步骤：
提供能与被检测材料发生电子对效应的低能X射线；
用所述低能X射线照射所述被检测材料，通过电子对效应在所述被检测材料内产生正电子；
利用γ射线探测器测量由于所述正电子的湮没而放出的γ光子能谱；和
分析所述γ光子能谱以确定所述被检测材料内是否存在缺陷。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括移动所述被检测材料的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括移动和/或转动γ射线探测器的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述γ射线探测器的前面设有射线硬化体以提高信本比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述射线硬化体选自高原子序数的材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述射线硬化体由铅金属或含有铅的材料制成。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述射线硬化体由含有下列金属之一的材料制成：铁、铜、铅、铋。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述低能X射线为低于7MeV的轫致辐射X射线。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述轫致辐射X射线通过MeV级别的电子轰击钨靶产生。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对所述低能X射线进行至少一次准直的步骤。
11.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述方法包括对所述低能X射线进行两次准直的步骤。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对γ光子射线进行至少一次准直的步骤。
13.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述方法包括对所述γ光子射线进行两次准直的步骤。
14.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述方法包括在所述γ射线的第二次准直前对该γ射线进行硬化屏蔽的步骤。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括为所述γ射线探测器提供探测器屏蔽体。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括为所述γ射线探测器提供冷却。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述γ射线探测器为高纯锗探测器。
18.一种基于电子对效应检测材料缺陷的系统，其包括：
低能X射线发生器，用于提供能与被检测材料发生电子对效应以产生正电子的低能X射线；
γ射线探测器，用于测量由于正电子的湮没而放出的γ光子能谱；和
能谱分析装置，用于分析所述γ光子能谱以确定所述被检测材料是否存在缺陷。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述系统还包括射线硬化体，γ射线经由该射线硬化体进入所述γ射线探测器。
20.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述γ射线探测器与所述射线硬化体之间还设有准直器。
21.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述系统还包括移动和/或转动所述γ射线探测器的装置。
22.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述系统还包括移动所述被检测材料的装置。
23.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述系统还包括所述γ射线探测器的探测器屏蔽体。
24.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述系统还包括用于冷却所述γ射线探测器的冷却装置。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于：所述冷却装置为制冷机或液氮杜瓦瓶。
26.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述系统还包括至少一个用于准直低能X射线的准直器。
27.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述系统还包括至少一个用于准直γ射线的准直器。
28.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述能谱分析装置包括谱仪系统。
29.根据权利要求18所述的系统，其特征在于：所述低能X射线发生器包括电子加速器和钨靶，所述电子加速器产生MeV能量级的电子轰击钨靶以产生低于7MeV的轫致辐射X射线。
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