激光和射線檢測特種部件的安全性分析方法

高正明，趙 娟

(荊楚理工學(xué)院 a.計算機工程學(xué)院; b.電子信息工程學(xué)院， 湖北 荊門 448000)

激光檢測技術(shù)、射線檢測技術(shù)(包括X、γ、中子、質(zhì)子檢測技術(shù)等)在地方企事業(yè)單位已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在實驗室條件下也能應(yīng)用于軍用特種材料如放射性材料和高能炸藥等，如國家表面物理與化學(xué)重點實驗室徐欽英等報道了利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)快速定量分析鈾材料中的雜質(zhì)元素的工作[1]，中國工程物理研究院流體物理研究所程晉明等研究了X射線相襯成像法觀測高能炸藥內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)靜態(tài)擴展過程[2]，還有不少關(guān)于高能炸藥藥柱殘余應(yīng)力大小測量[3]、裝藥均勻性檢測[4]以及鍋爐尺寸檢測[5]、裂紋檢測[6]、星系導(dǎo)航定位[7]等的報道。但高強度的激光、射線輻照將嚴(yán)重影響物質(zhì)性能參數(shù)甚至形態(tài)變化，如金屬材料在高強度激光輻照作用下發(fā)生相變[8]、復(fù)合材料在紫外光輻照條件下表現(xiàn)出增容效應(yīng)[9]、高分子材料受輻照后性能參數(shù)發(fā)生變化[10]、溫度升高[11]等。此外，粒子還有可能破壞高能炸藥分子的化學(xué)鍵，并在高能炸藥部件內(nèi)部形成能量沉積，加速高能炸藥的熱分解[12]。這些成果揭示了激光、射線的輻照對材料性能有著直接影響的事實。

激光、X和γ射線的基本粒子為光子。根據(jù)相對論，光子屬于微觀粒子，與物質(zhì)原子核外電子發(fā)生光電效應(yīng)、電子對效應(yīng)和散射作用等，也可以與核內(nèi)中子、質(zhì)子發(fā)生核反應(yīng)。由于光子束是由大量具有一定能量的光子組成，因此無論低頻段的紅外光、可見光和紫外光，還是高頻段的X或γ射線，均與物質(zhì)組成的微觀粒子發(fā)生作用，不同程度地影響物質(zhì)宏觀性能。而中子、質(zhì)子和物質(zhì)原子核發(fā)生散射、激發(fā)和核反應(yīng)，有一定的幾率使原子物理特性發(fā)生明顯改變，在需要充分保證部件質(zhì)量性能參數(shù)穩(wěn)定的軍事應(yīng)用場景中，更難以讓人接受。因此，即使激光、射線檢測技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用，但是激光、射線檢測技術(shù)的軍事應(yīng)用仍然較少，尤其是在軍用放射性材料和高能炸藥質(zhì)量性能參數(shù)檢測的應(yīng)用，更是存在著廣泛的安全性疑慮。

目前工程上常規(guī)的安全性評價方法主要是基于實驗結(jié)果的量級評價法，即通過在某一很高量級射線輻照條件下材料性能才發(fā)生明顯變化的實驗事實，推導(dǎo)出低量級輻照條件對材料性能影響不大的結(jié)論。但是由于軍用特種部件質(zhì)量性能參數(shù)檢測的長期性和持續(xù)性，量級評價法雖然可以給出可信的結(jié)論，但是并不能提供可以量化的結(jié)果，無法有效開展影響程度評估和安全性評價。為此，本研究結(jié)合“十二五”國防預(yù)先研究項目研究之機，在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，基于核反應(yīng)截面的物理意義和時間-溫度迭加原理，論證了激光、射線檢測技術(shù)應(yīng)用于放射性材料和高能炸藥的安全性[13,14]，提出了激光、射線檢測技術(shù)在軍用特種部件質(zhì)量性能參數(shù)檢測中的應(yīng)用安全性分析方法。

1 基于核反應(yīng)截面物理意義的安全性分析方法

粒子與放射性物質(zhì)作用的幾率用反應(yīng)截面表征，其數(shù)值大小等于一個一定能量的粒子垂直入射到單位面積上僅一個靶核的靶發(fā)生核反應(yīng)的機率，其單位是靶(b，10-24cm2)。因此，物質(zhì)對不同能量的粒子的反應(yīng)截面，表征著該物質(zhì)與粒子的作用幾率。若限定物質(zhì)與粒子的反應(yīng)幾率低于某一給定指標(biāo)α，如常用的工程應(yīng)用數(shù)學(xué)指標(biāo)0.1%、1%、5%等，就可以估算該指標(biāo)對應(yīng)的激光、射線檢測物質(zhì)時的強度限制。

對于激光、X或γ射線檢測技術(shù)，反應(yīng)幾率可表征為光子與物質(zhì)各反應(yīng)道的總反應(yīng)截面，若被檢測對象為單一物質(zhì)，則有

σt=σph+σcs+σis+σpp

(1)

式(1)中:σt為總反應(yīng)截面數(shù)據(jù)；σph為光電反應(yīng)截面；σcs為彈性散射截面；σis為非彈性散射截面；σpp為電子對產(chǎn)生截面。

若被檢測對象為化合物或混合物，則有

(2)

式(2)中：mi為各元素成分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；σt,i為各元素成分i的總反應(yīng)截面數(shù)據(jù)。若設(shè)η為物質(zhì)中一個原子核在光輻照時單位時間內(nèi)發(fā)生的核反應(yīng)機率，其與光源頻率υ、照射到材料表面的光子強度即輻照強度P之間有如下關(guān)系：

η=Np·σt=P·σt/(h·υ)=P·σt·λ/(h·c)

(3)

式(3)中：有光子能量E=hυ=hc/λ；Np為粒子束輻照區(qū)平均粒子個數(shù)。

反之，若已知光子能量和強度，結(jié)合EPDL數(shù)據(jù)庫[15]，可根據(jù)式(3)估計物質(zhì)原子核反應(yīng)幾率，可據(jù)此估計激光、X或γ射線檢測技術(shù)對軍用特種部件的影響程度，評估其應(yīng)用安全性。該方法同樣適用于射線粒子為中子、質(zhì)子等的檢測技術(shù)應(yīng)用安全性評估。

2 基于時間-溫度迭回原理的安全性分析方法

激光、射線均為能量粒子，束流強度很高時，在物質(zhì)輻照區(qū)域具有熱效應(yīng)。物質(zhì)的溫度表征物質(zhì)微觀粒子的運動情況，溫度越高，運動速度越快，大部分化合物的穩(wěn)定性就越差，這種現(xiàn)象對高能炸藥材料來講尤為明顯。隨著溫度的升高，高能炸藥的熱分解加速，分解速率可采用布氏法、熱重量分析法予以明確[16]。考慮到實際操作性，布氏法、熱重量分解法等主要采用高溫加速分解的方法開展研究。而考慮到炸藥的安全性和熱安定性[17]，高能炸藥的貯存管理要求穩(wěn)定的溫度保障條件，長期貯存過程中炸藥的熱分解可通過時間-溫度迭加原理與布氏法、熱重量分析法的研究結(jié)果對應(yīng)起來。

軍用高能炸藥需要長期貯存，炸藥的溫度邊界較為穩(wěn)定，但仍然存在熱分解現(xiàn)象，此時，可采用時間-溫度迭加原理，將長期貯存的熱分解對應(yīng)起來。

微觀上講，物質(zhì)吸收輻照粒子的機率與物質(zhì)原子核電荷量、質(zhì)量、原胞體積和粒子能量等參數(shù)相關(guān)[8]，吸收表現(xiàn)為該物質(zhì)與微觀粒子的相互作用。當(dāng)粒子束輻照到物質(zhì)表面時，一部分粒子與物質(zhì)發(fā)生相互作用，一部分未發(fā)生相互作用的粒子將穿透物質(zhì)表面到達(dá)材料內(nèi)部，粒子束的強度隨著穿透距離的增加而逐漸降低，根據(jù)原子核物理學(xué)理論可知，粒子穿透距離為x的射線束的能量I與初始能量I0之間的關(guān)系

I=I0e-μmρx

(4)

式中：μm為質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ為密度?；衔锘蚧旌衔锟偟馁|(zhì)量吸收系數(shù)是各元素相應(yīng)量的函數(shù)

(5)

根據(jù)熱傳遞學(xué)知識，可估算射線束輻照區(qū)域附近的溫度場分布。

研究表明，高能炸藥的質(zhì)量特性，如由于分解引起的質(zhì)量減少、力學(xué)性能變化等遵循時間-溫度迭加原理[18]，即粘彈性材料中溫度上升的輕微影響與降低應(yīng)變率的影響相近似，數(shù)學(xué)描述為：對于任一力學(xué)量，有

E(T,t)=E[T0,t/αt(T)]

(6)

式中：E為任意力學(xué)量；t為時間；T為溫度；αt(T)為約化因子；t/αt(T)為約化時間。約化因子可以用Williams-Landel-Ferry(WLF)方程[19]表示

(7)

式中：C1、C2為物性常數(shù)；T0等于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg；可取為室內(nèi)溫度(293 K)。

若假定采用激光、射線檢測高能炸藥屬性特征時，其物性變化折算到基準(zhǔn)溫度后不能超過某一指標(biāo)β，即1/αt(T)≦1+β，則根據(jù)式(7)和質(zhì)量減少量、拉伸模量、拉伸強度的約化因子計算可得高能炸藥許可溫升上限，進(jìn)而建立射線束強度-溫升-性能參數(shù)變化之間的關(guān)系，這樣就可以通過限制高能炸藥的性能參數(shù)如彈性模量、強度和質(zhì)量的變化率，在已知對應(yīng)約化因子的條件下，計算射線束強度限值。

反之，在已知相關(guān)參數(shù)的條件下，可通過以上計算得到激光、射線檢測作業(yè)對高能炸藥性能參數(shù)改變的加速作用，評估其影響程度，評價其應(yīng)用安全性。

3 應(yīng)用案例回顧分析與進(jìn)一步研究建議

3.1 激光檢測放射性材料的安全性分析

在軍事應(yīng)用中，一般要求放射性部件保持高度的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，尤其是幾何尺寸和外觀，不能有較大變化。在軍用放射性材料的貯存管理過程中，會定期對其尺寸、外觀進(jìn)行檢測。采用激光掃描法、激光全息成像或結(jié)構(gòu)光法均可替代傳統(tǒng)的人工檢測方式，實現(xiàn)放射性部件的自動化、智能化檢測，減少人員輻照傷害，提高操作安全性。

文獻(xiàn)[13]報道了根據(jù)式(3)計算不同激光強度下激光束中的光子與放射性材料間的相互作用幾率的詳細(xì)過程，如圖1所示。在給定光子能量即激光頻率的情況下，由圖1可知，若激光束流強度不大于104W/m2，光子與放射性材料的作用幾率不大于1‰。反之，對于mW級激光干涉儀，由于激光波紋寬度約1 mm，面功率小于103W/m2，激光與放射性材料的相互作用幾率極低。

3.2 射線檢測高能炸藥的安全性分析

軍用高能炸藥部件的內(nèi)部缺陷、密度大小、保護(hù)膜分布等都可以采用X、γ、中子射線成像法進(jìn)行檢測。粒子與高能炸藥的相互作用幾率也可以根據(jù)式(3)進(jìn)行計算，還可以采用式(6)進(jìn)行估算。文獻(xiàn)[14]報道了不同強度的X、γ射線束能夠在HMX基底中產(chǎn)生的最大溫升，如圖2所示。

取β=5%，即1/αt(T)≦1.05，則由式(7)和質(zhì)量減少量、拉伸模量、拉伸強度的約化因子[18]計算可得高能炸藥溫升上限為0.608 0 K和0.122 4 K，取溫升上限為0.1 K，則由圖2可知，射線的強度限制量級為104W/m2，這一數(shù)值遠(yuǎn)大于常用的X射線、γ射線檢測源的強度。

若已知激光或射線粒子束的功率強度，采用熱傳遞計算得到輻照區(qū)域溫升，進(jìn)而根據(jù)式(6)和式(7)估算較長時間內(nèi)該溫升可能導(dǎo)致的材料性質(zhì)的變化情況，則可以明確激光和射線檢測對部件性能的影響程度。反之，在給定性能指標(biāo)限制的條件下，如幾何尺寸變化、質(zhì)量、密度和雜質(zhì)含量等，則可估算激光或射線檢測技術(shù)應(yīng)用的束流強度限值。

圖1 不同激光強度下鈾材料單個核子作用幾率(由粗到細(xì)：P=104、103、102、101 W/m2)

圖2 HMX高能炸藥輻照區(qū)域最高溫升-射線強度關(guān)系

3.3 工程化研究建議

基于核反應(yīng)截面的物理含義或時間-溫度迭加原理的方法，均可以估計不同激光或射線束強度對檢測對象的影響程度。前者可評估粒子會不會與物質(zhì)產(chǎn)生較大的相互作用，后者可直接估算粒子束的加溫作用導(dǎo)致材料性能指標(biāo)發(fā)生的變化大小，兩種方法均可以用作激光、射線檢測技術(shù)在軍種特種部件中的應(yīng)用安全性評估與分析，也可以拓展應(yīng)用到這幾種檢測技術(shù)方法在一般部件中的應(yīng)用安全性評估，還可以用于估算核輻射對材料性能的影響，研究材料相容性[12,20]。

該理論在實際工程應(yīng)用時，還需要進(jìn)一步開展研究工作解決以下問題：

1) 影響程度的量化問題

光子、質(zhì)子和中子與物質(zhì)相互作用的形式不同，對材料性能的影響也不同。一般地，光電效應(yīng)、電子對效應(yīng)、彈性勢散射等不會對物質(zhì)的物理性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響，核反應(yīng)和熱效應(yīng)才是關(guān)注的重點。各反應(yīng)道對應(yīng)的反應(yīng)截面數(shù)據(jù)是否同等重要，需要通過進(jìn)一步的研究予以明確。

明確各種相互作用形式的影響方式后，可通過分子動力學(xué)計算方法，明確粒子與物質(zhì)相互作用前后物質(zhì)穩(wěn)定狀態(tài)力學(xué)、化學(xué)性能指標(biāo)的變化[21-23]，如結(jié)構(gòu)件的力學(xué)參數(shù)、含能材料的能量密度參數(shù)等變化情況，量化計算給定相互作用形式下影響程度。

2) WLF方程約化因子參數(shù)的補充

應(yīng)用時間-溫度迭加原理的前提是要有約化因子數(shù)據(jù)，這需要通過大量的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出。

3) 應(yīng)用安全性分析軟硬件平臺的設(shè)計開發(fā)

完整的基于核反應(yīng)截面的物理含義或時間-溫度迭加原理的激光、射線檢測技術(shù)應(yīng)用安全性分析方法涉及原子核物理學(xué)、計算力學(xué)、計算材料學(xué)相關(guān)知識，需要蒙特卡洛、有限元和分子動力學(xué)計算方法的軟件支持，數(shù)據(jù)處理量大，計算硬件環(huán)境要求較高。搭建一套完整高效可操作的、集原子核物理學(xué)、計算力學(xué)、計算材料學(xué)相關(guān)計算于一體的激光、射線檢測技術(shù)應(yīng)用安全性評估平臺，實現(xiàn)激光和射線檢測技術(shù)的應(yīng)用安全性分析流程：“射線粒子參數(shù)計算(工程應(yīng)用和核數(shù)據(jù))-材料性能變化(計算材料學(xué))-宏觀影響分析(計算力學(xué))”和涉及核輻射的材料相容性評估流程“宏觀影響分析(計算力學(xué))-許可材料性能變化(計算材料學(xué))-射線粒子參數(shù)計算(工程應(yīng)用和核數(shù)據(jù))”的科學(xué)估算，需要有針對性地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計與開發(fā)。

4 結(jié)論

在回顧“十二五”軍隊預(yù)先研究項目工作的基礎(chǔ)上，總結(jié)了激光、射線檢測技術(shù)應(yīng)用于軍用特種部件質(zhì)量性能參數(shù)檢測中光子、電子、質(zhì)子、中子等微觀粒子束對被檢對象的影響，或估算物質(zhì)在給定性能變化范圍內(nèi)的耐輻照強度限值。