介紹

了解材料在沖擊壓縮引起的快速演變的極端條件下的響應，對許多工作涉及高應變率現象的行業具有重要意義，如航空航天設計、先進材料加工和采礦、可再生能源研究和國防技術。

“通過同步輻射x射線照相術對材料動態變形的研究有望揭示基本損傷的新細節凝聚態中的過程…”

在這樣的極端環境中，加載條件通常只持續幾微秒，材料的整體力學行為由許多細觀損傷過程的相互作用決定。然而，這些基本變形過程(例如，局部相變、應變局部化和裂紋模式生長)的演變是無法通過基于可見輻射的常用診斷(如光子多普勒測速儀和高速成像)來實現的。因此，為了更好地了解當前材料的性能，并幫助智能設計具有預定義特性的材料，需要能夠無障礙地觀察材料內損傷的新技術。

長期以來，室內x射線照相術一直被用于極端環境中，以成像材料的地下變形。近年來，第三代同步加速器光源和自由電子激光器已將宏觀樣品的動態x射線成像能力擴展到亞微米和亞納秒尺度。這些增強的能力不僅可以更深入地了解材料變形，而且對探測器技術提出了更高的要求。

在本申請說明中，討論了使用高能同步輻射x射線照相來研究高Z材料中的沖擊誘導變形。這項研究的關鍵是普林斯頓儀器公司的PI-MAX4:1024i增強型CCD(ICCD)相機，該相機帶有第三代無膜增強器，可以在低光子場景中快速成像。

沖擊壓縮實驗的X射線成像

高能、高分辨率x射線成像實驗在鉆石光源同步加速器的Beamline I12上進行。由專門設計的便攜式氣槍1發射的射彈(圓柱形鋼或銅飛片：2毫米厚，12.5毫米直徑)將定義明確、可重復的沖擊波驅動到目標中。沖擊速度在250–850 ms-1之間，產生的沖擊壓力和材料運動分別約為5–20 GPa和數百ms-1。撞擊后，通過高能(50–250 keV)x射線照相術和補充測速儀診斷來檢查目標損傷。圖1展示了實驗設置，顯示了如何使用單晶閃爍體、光學繼電器和PI-MAX4:1024i ICCD相機拍攝射線照片。

圖1。鉆石光源沖擊壓縮實驗的典型實驗裝置。飛片撞擊后，同步輻射x射線照相和測速探頭材料實時變形。

圖2和圖3分別顯示了組裝在Beamline I12的實驗裝置的照片和PI-MAX4 ICCD相機的光學繼電器的照片。Beamline I12的第二個實驗室的大尺寸(11 x 7 x 4 m)便于進行大規模實驗，允許同時進行多種診斷。為了防止康普頓散射x射線的損壞，光學繼電器和相機用2毫米的鉛屏蔽。

圖2:第二個實驗艙(EH2)中的沖擊壓縮成像設備的注釋照片，鉆石光源處的光束線I12。插圖：一種典型的射彈，由聚碳酸酯彈托和銅質飛片組成。

圖3。x射線成像系統的注釋照片。x射線被單晶閃爍體轉換為可見輻射。然后，通過快速選通PI-MAX4 ICCD相機的第三代無膠片增強器來記錄射線照片。

用于能量吸收的周期性3D打印結構

具有明確定義、可定制孔隙率的周期性結構對安全應用非常感興趣，在安全應用中，沖擊或爆破應力可能通過連續的孔隙坍塌過程消散。為了更詳細地檢查爆炸緩解過程的復雜性，通過選擇性激光熔化(SLM)生產了定義明確的不銹鋼晶格結構，并進行了動態射線照相測試。圖4(a)顯示了典型SLM晶格結構的照片，圖4(b)顯示了沖擊實驗的說明。

圖4。(a) 本申請說明中討論的SLM鋼格的照片，尺寸為8 x 8 x 8 mm。插圖從兩個不同的角度顯示了晶格的示意圖。(b) 沖擊實驗插圖。氣槍驅動的圓柱形鋼飛片以500 ms-1的速度撞擊立方體鋼格架。

盡管可見輻射方法，如輪廓中的高速成像，可以揭示開放結構中孔隙坍塌過程的動力學，但需要穿透x射線輻射來解決整個系統的密度變化。然后，這些測量結果可以反饋到材料模型中，以指導性能更好的系統的設計。圖5顯示了在沖擊實驗之前和期間拍攝的一系列原位射線照片。每次拍攝一張射線照片，視場為12.5 x 12.5 mm，曝光時間為500 ns。在每個動態圖像中，圓柱形拋射體從左側進入。進行重復實驗以頻閃方式逐步完成變形過程。

圖5。(a) 撞擊前對準的SLM鋼格架的靜態原位射線照片。(b–d)撞擊后分別拍攝了2.4μs、6.1μs和8.4μs的動態原位射線照片。射線照片顯示為假彩色，以強調密度對比度。在每一張動態射線照片中，白色箭頭突出顯示了埋藏界面結構、飛片致密化和孔隙坍塌過程的發展。

動態射線照片揭示了損傷在整個晶格結構中的局部傳播。未來的工作將繼續將射線照片中觀察到的變形與3D水力編碼模擬的預測進行比較，為評估材料強度和設計模型提供新的數據。

重要的ICCD新技術

上述實驗中使用的高度先進的PI-MAX4:1024i科學相機(見圖6)采用了普林斯頓儀器公司獨有的皮秒門控技術。通過采用最先進的電子器件和光纖將增強器與CCD傳感器結合，這項技術使新型PI-MAX4:1024i相機能夠在不犧牲量子效率的情況下，以<500ps的速度對傳統圖像增強器(通常實現約2至3ns的選通)進行選通。PI-MAX4:1024i內置集成可編程定時發生器SuperSynchro，進一步增強了相機在高精度、時間分辨應用中的實用性。

圖6。PI-MAX4:1024i ICCD相機采用與行間轉移CCD光纖連接的幾種en II或Gen III無膜增強器中的一種，以接近視頻速率(每秒26幀)運行。

需要注意的是，PI-MAX?4系列的另一款新產品PI-MAX4:2048f現在的成像面積和分辨率是目前任何其他科學ICCD相機的四倍。這種大幅面相機采用2k x 2k CCD光纖耦合到幾個直徑為25mm的第二代或第三代無膜增強器中的一個，提供SuperSynchro、高幀率(6MHz/16位數字化)和1MHz的持續門控重復率。

使用最新版本的Princeton Instruments LightField?數據采集軟件(可選)，可以簡單地完全控制所有PI-MAX4:1024i和PI-MAX4:2048f硬件功能。通過極其直觀的LightField用戶界面提供了精密增強器門控控制和門延遲，以及一系列方便捕獲和導出成像數據的新穎功能。

總結

通過同步輻射x射線照相術對材料動態變形的研究有望揭示凝聚態基本損傷過程的新細節，可用于評估領先數值模型的結果。新穎的實驗數據和先進的建模之間的相互作用有助于為先進的材料加工、航空航天、國防和可再生能源行業設計性能更好的材料。

普林斯頓儀器公司的PI-MAX4:1024i ICCD相機使研究人員能夠在超快的時間尺度上探測材料行為，其分辨率足以評估領先的預測模型。普林斯頓儀器公司的SuperSynchro技術與第三代無膜增強器相結合，在選通和靈敏度方面提供了無與倫比的靈活性，從而有助于在低信噪比情況下成像。

審核編輯 黃宇