聚合物泡沫结构及密度分布的相衬犆犜表征技术

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1、第２２卷第１０期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１０２０１０年１０月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＯｃｔ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）１０２３３１０４聚合物泡沫结构及密度分布的相衬犆犜表征技术高党忠，马小军，贾鹏，叶成钢（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳６２１９００）摘要：阐述了利用Ｘ射线相衬成像技术研究高分子有机泡沫材料微观结构的原理及方法，理论分析及实验结果表明，Ｘ射线相衬成像方法可以在相当大的程度上提高低犣聚合物泡沫材料的成像衬度。将相衬成像技术与计算机层析成像技术相结合，获得了泡沫

2、样品的３维骨架结构分布，同时，提出利用统计切片骨架“粒子”质心分布的方法来表征其密度分布均匀性。结果说明，该方法能够在微观层次上实现对泡沫样品３维密度分布的完备表征。关键词：泡沫密度；Ｘ射线相衬成像；层析成像；惯性约束聚变中图分类号：ＴＧ１１５．２２；Ｏ５３２文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１０．２３３１［１］高分子有机泡沫是激光惯性约束聚变（ＩＣＦ）物理实验研究中非常重要的一类靶材料，其尺寸为亚ｍｍ量级，密度一般在５～５０ｍｇ／ｃｍ３，物理实验要求样品结构孔径尽量微小，以保证密度在微观上均匀一致，这对泡沫样品３维密度分布的精密检测

3、提出非常高的要求。以往，泡沫材料密度及其分布只能通过扫描电镜进行［２］破坏性观察与定性表征，而Ｘ射线吸收衬度成像技术，不仅分辨力较低，也仅限于泡沫样品的平均密度的测［３４］量，对样品３维密度分布的表征无能为力。同时，对于以轻元素构成的泡沫材料而言，由于材料的弱吸收或者没有吸收，成像的衬度非常低，因此，如何对这类轻元素材料进行高质量的Ｘ射线成像成为一个重要的研究［５］课题。近年来，Ｘ射线相位成像技术得以迅速发展，它利用Ｘ射线穿透材料后的相位变化来显示图像的衬度，对能量的依赖较小，因而在一些低原子序数（犣）、低密度材料及生物、医疗研究领域得以广泛应用，同时，计算

4、机层析（ＣＴ）成像技术的发展也日益成熟，因此，利用Ｘ射线相衬层析成像技术对微小低犣物体进行实时的高分辨３维分析成为可能。本文利用Ｘ射线相衬成像方法结合ＣＴ成像技术研究泡沫样品微观结构及密度分布，获得了泡沫样品清晰的３维结构图像，同时，建立了对样品３维密度分布表征的数学统计方法。１泡沫样品的Ｘ射线相衬成像［６］对于Ｘ射线，其折射率狀可表示为狀＝１－δ＋ｉβ（１）式中：δ为折射效应的相移项；为Ｘ射线在物质内的吸收效应。对轻元素而言，典型的硬Ｘ射线通过样品时，β［７］相位变化要比吸收变化大３个数量级，因此，利用Ｘ射线透过样品携带的相位信息分析样品内部结构成像在轻元素

5、材料得到了广泛的应用。对于碳氢（ＣＨ）泡沫样品，其“骨架”结构由直径为几μｍ的纤维所组成，当Ｘ射线从这种骨架通过时，必然会使其传播方向发生改变，尽管这个改变量极其微小，但如果在进入探测器之前有一定的传播距离，也能达到一个可观测的程度，由于δ非常微小，因而光线经过纤维样品后的偏折量也极其微小，为了估计Ｘ射线经过样品后的偏折量，需要将问题进行简化。图１是Ｘ射线通过纤维样品的传播途径，假定入射Ｘ射线为平行光束，按照几何光学及Ｓｎｅｌｌ定律，可得Ｘ射线第一次进入样品后的折射角为θ１＝ａｒｃｓｉｎ［（１＋δ）ｓｉｎθ０］（２）式中：θ为Ｘ射线的入射角。将式（２）在δ＝０

6、处泰勒展开，可得０ａｒｃｓｉｎ［（１＋δ）ｓｉｎθ０］≈θ０＋δ－犱（３）２２槡犚－犱即入射Ｘ射线的偏转角度收稿日期：２００９１０２３；修订日期：２０１００５１３基金项目：国家高技术发展计划项目作者简介：高党忠（１９６８—），男，副研究员，主要从事ＩＣＦ靶参数测量技术；ｄｇａｏｃｎ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。２３３２强激光与粒子束第２２卷犱（４）φ１＝δ２２槡犚－犱式中：犱为入射Ｘ射线到纤维轴线的距离；犚为纤维的半径，由于偏转角度极小，一般在１０－５ｒａｄ量级，故偏转后的Ｘ射线射出纤维样品再次发生偏转的角度可近似，Ｘ射线通过纤维样品到达探测器的偏转量

7、可表φ２φ１示为２δ狕Δ犱＝（５）（犚／犱）２槡－１式中：狕为纤维轴心到探测器的距离（即像距）。由式（５）可知，Ｘ射线的偏折量分别与材料的δ、像距狕成正比，随犚／犱接近于１而急剧增大。由于实际光源不是理想的点光源，当样品与探测器有一定的距离时，光源大小犪以半影模糊Δ狉＝（狕／犾）犪的形式强烈地影响１Ｆｉｇ．１ＧｅｏｍｅｔｒｙｆｏｒＸｒａｙｒｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｆｉｂｅｒ着图像分辨力，如果物距犾足够大，可以有效减小半１图１Ｘ射线被纤维折射示意图影模糊宽度。本文实验所用ＣＴ系统物距最大为１２０ｍｍ，光源焦点约为７μｍ，探测器的最高分辨力约为１．５μｍ，为了使半

8、影模糊不至于影响图像的分辨力，其值至少