康普頓背散射技術在固體火箭發動機檢測中的應用

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(中國人民解放軍96630部隊，北京 102206)

康普頓背散射技術在固體火箭發動機檢測中的應用

林德峰，陳仲華，劉曼曼，賈慶龍，劉利華

(中國人民解放軍96630部隊，北京 102206)

介紹了康普頓背散射技術的原理、技術特點及其在固體火箭發動機檢測中的應用前景。依據固體火箭發動機燃燒室結構，制備了燃燒室模擬脫粘缺陷試樣。使用ComScan 160Ⅱ型康普頓背散射成像檢測系統，對模擬試樣進行了初步檢測。結果表明：康普頓背散射成像系統能夠有效檢測出固體火箭發動機第一、第二界面脫粘以及絕熱層內部脫粘等缺陷，對復合材料表面及近表面缺陷的單側檢測具有較大的優勢，為大型工件單側檢測提供了可能。

康普頓背散射；模擬試樣；層析掃描

無損檢測技術已經廣泛應用于航天產品的生產和研制過程中，在固體火箭發動機質量判斷、失效分析、出廠驗收及壽命監控等環節發揮著巨大作用。目前，固體發動機第一界面通常采用超聲波檢測法，第二、三界面及內部缺陷主要采用射線檢測法。射線檢測法包括射線照相法和工業CT法。射線照相法的缺點是圖像重疊，不能準確地對缺陷定位，容易造成誤判；工業CT法的缺點是系統復雜，硬件上需要高精度掃描臺，軟件上需要圖像重建技術，測試時間長，成本高，使用和維護困難[1-2]。康普頓背散射成像技術(CST)是一種可確定缺陷位置、大小和深度，并可進行快速計算機重建的非破壞性X射線檢測系統，其主要技術優勢是：單側檢測，即射線源和探測器位于被檢工件的同一側，受被檢工件厚度影響小；靈敏度高，可以檢測出體積效應不明顯，尺寸較小的缺陷；具有層析功能，可以精確檢測缺陷的分布[3]。康普頓背散射系統獨特的特點決定了其對復合材料殼體及近表面粘接面的檢測具有較大的優勢，特別是在檢測大、厚以及不可拆卸的工件等方面具有傳統X射線技術所不具有的優勢，可填補固體發動機殼體及近表面粘接面無有效檢測手段的空白。

由于CST檢測技術具有以上特點，在國外航空航天領域得到了廣泛的研究[4-5]。國內由于缺少相關的技術設備，此項技術的研究和實際應用尚處于探索階段。筆者所在項目組利用康普頓背散射成像檢測系統，對制備的固體火箭發動機燃燒室典型缺陷試樣進行了檢測，初步探索了康普頓檢測技術在固體火箭發動機檢測中應用的可行性。

1 康普頓背散射成像原理

射入試件的X射線或γ射線與試件原子殼層軌道電子或自由電子相互作用會引起電子反沖，此時能量被減弱的入射光子將沿新的方向傳播，稱為康普頓散射。入射光子發生康普頓散射的概率常稱為康普頓散射宏觀散射截面，其除了與入射光子的能量和物質的原子序數相關外，還與物質的原子量和密度相關。近似地，康普頓散射作用與入射光子的能量成反比，與靶物質的原子序數Z成正比[6-7]。康普頓背散射系統就是采用上述散射線成像的技術，其工作原理如圖1所示(圖中I0為射線源發出的射線；Is，s為試樣中不同點產生的散射線；w為試樣中的缺陷尺寸)。

圖1 康普頓背散射成像技術原理示意

如圖1(a)所示，X射線照射到工件上，由于檢測器前面有準直器，所以從工件不同深層產生的散射線將到達不同的檢測器。如圖1(b)所示，如果工件某一層中的不同點存在性質差異，所產生的散射線將不同，檢測器測量到的數據也將不同，從而可對工件中該層的情況作出判斷[8-9]。

2 試驗制備與結果

2.1 試樣制作

根據固體火箭發動機燃燒室的典型缺陷制備了模擬試樣。試樣結構及缺陷埋設情況如下：試樣外層為玻璃纖維復合材料模壓件(厚度為5 mm)，內層為三元乙丙絕熱層(厚度為8 mm)；貼片時采用挖空絕熱層的方法制備脫粘模擬缺陷，脫粘截面為波紋狀層間空隙，線條寬度約為1 mm，曲線總長為12 mm。復合材料試樣實物及模擬缺陷示意如圖2，3所示。

圖2 復合材料試樣實物

2.2 試驗條件

所用設備為YXLON ComScan 160 Ⅱ康普頓背散射成像系統，射線源檢測參數為：管電壓150 kV，管電流16 mA，設備的空間分辨率為1 mm，深度最小切層是0.4 mm，掃描速度為250 min·m-2。康普頓背散射成像檢測系統將被檢測試樣的內部結構以22層斷層數字圖像的形式表達，每層圖像對應一定的深度，所有22個圖像同時存儲在計算機中，系統成像時間為1.25～6.25 min，每層圖像的像素矩陣為256×512。

2.3 結果與分析

試驗時以玻璃纖維復合材料層約2～3 mm深處作為掃描起始位置，逐層向絕熱層掃描，掃描層厚0.45 mm，掃描深度約10 mm，掃描區域面積100 mm×50 mm。圖3中黑色框區域為掃描檢測區域斷面。圖4為康普頓散射系統對樣品不同深度的掃描圖像。

從康普頓掃描圖像可以看出，圖4(a)具有纖維紋理和條狀富樹脂區特征，說明該層是玻璃纖維復合材料層。圖4(b)的局部纖維紋理和條狀富樹脂區特征變弱，表明該層處于兩種材料部分界面。圖4(c)的纖維紋理和條狀富樹脂區特征基本消失，圖像整體灰度下降，表明該層位于絕熱層位置，箭頭指示位置表明有空氣層，與試樣實際狀況一致。圖4(d)所示的層位于絕熱層，箭頭指示位置表明有皺褶狀空氣層(即脫粘缺陷),與試樣實際狀況一致。圖4(e)所示層的上部局部為空氣層，下部為絕熱層。因此，從康普頓層析成像來看，試樣的玻璃纖維層、絕熱層、空氣層的圖像特征有顯著差異；絕熱層和空氣層的界面圖像特征顯著，絕熱層和玻璃纖維層的緊貼型界面圖像特征不顯著。

圖4 試樣的康普頓層析掃描圖像

3 結論

(1) 康普頓散射層析掃描圖像能夠分辨出發動機殼體、絕熱層和空氣層及其之間的界面，康普頓背散射成像系統能夠檢測出固體火箭發動機第一界面、第二界面脫粘以及絕熱層內部脫粘等缺陷。

(2) 可以通過研究康普頓背散射的靈敏度、成像特點及圖像處理算法，進一步提高康普頓背散射檢測厚度、空間分辨率和密度分辨率等指標。

(3) 由于康普頓散射系統研發成本較高，應用對象不夠廣泛，國內的研究較少。但是從康普頓散射層析成像技術特點來講，其在檢測固體火箭發動機燃燒室體積效應不明顯的脫粘、氣孔、疏松等缺陷，特別是檢測噴管絕熱套表面及近表面微裂紋缺陷時，具有工業CT和X射線檢測機所不具有的技術優勢。

[1] 劉海峰，楊興根.背散射技術在固體發動機無損檢測中的應用[J].飛航導彈, 1999(9): 32-35.

[2] 鄭世才.康普頓散射成像技術試驗[J]. 無損檢測, 1995, 17(11): 301-304.

[3] 楊寶剛,吳東流,任華友.復合材料的康普頓背散射成像(CST)檢測的初步研究[C]∥第十二屆全國復合材料學術會議論文集.天津：天津大學出版社，790-792.

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[5] NORTON S J. Compton scattering tomography[J]. J Applied Tomography, 1994, 76(4): 2007-2015.

[6] 李家偉.無損檢測手冊[M].北京:機械工業出版社,2012.

[7] 梁金昆.關于康普頓效應的兩個問題[J]. 無損檢測,1999,21(1):39-41.

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[9] 劉恩承.康普頓散射層析的一些結果和應用考慮[J]. 無損檢測, 1998, 20(8): 222-224.

ApplicationofComptonBackscatteringTechniqueinSRMDetection

LIN Defeng, CHEN Zhonghua, LIU Manman,JIA Qinglong,LIU Lihua

(No.96630 Army of PLA, Beijing 102206, China)

This paper introduces the principle, technical characteristics and application prospect of Compton backscatter technology in SRM testing. According to the structure of the SRM chamber, simulated samples of debonding defect in the chamber were prepared. The ComScan 160ⅡCompton backscatter imaging system was used to test the simulated samples. The results show that the Compton backscatter imaging system can effectively test the defects in the first and second interfaces of the solid rocket motor, as well as the internal debonding in the insulation layer. Therefore, the Compton backscatter imaging system has the obvious advantage in testing the surface and near surface defects of the composite materials in one side, and opens up the possibility for testing the large products.

compton backscatter; simulated sample; tomographic scan

TG115.28

A

1000-6656(2017)12-0051-03

2016-12-16

林德峰(1985-)，男，工程師，研究方向為固體火箭發動機無損檢測

林德峰，dflin@semi.ac.cn

10.11973/wsjc201712012