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基于X射线体视成像实现高温合金熔体凝固三维显微结构的原位观测

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金属学报 2023年

作者：王飞翔陈忠奉尹晓宇熊良华谢红兰邓彪肖体乔上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心

同步辐射X射线成像有着较高的穿透性和空间分辨率，在高温金属熔体凝固过程中微观组织形貌演化的原位观测方面有着巨大应用前景。但是二维投影成像往往丢失样品的深度信息而无法三维表征。受限于CT原位装置的时间分辨率，现有成像方法... 详细信息

同步辐射X射线成像有着较高的穿透性和空间分辨率，在高温金属熔体凝固过程中微观组织形貌演化的原位观测方面有着巨大应用前景。但是二维投影成像往往丢失样品的深度信息而无法三维表征。受限于CT原位装置的时间分辨率，现有成像方法很难对高温金属熔体凝固组织进行三维动态形貌观察。本工作提出了一种可快速获取三维空间信息的同步辐射体视成像技术，利用双目视差原理，通过旋转载物台获得2个角度的透视投影图像，经立体匹配后获取双目视差实现目标物体深度信息的重建。相较于CT成像，该方法可以快速实现对目标物的准确三维重建。利用深度关系确定的静态螺旋金属丝样品，验证了该方法的有效性。并将该方法应用在高温合金熔体凝固过程的三维表征中，成功地重建了凝固组织在厚度方向的位向关系。

关键词：同步辐射体视成像深度信息快速重建高温合金熔体凝固

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水牛角角鞘的各向异性研究

实验力学 2022年第4期37卷 465-474页

作者：赵锦红徐明举谢红兰黄俊宇西南交通大学材料科学与工程学院四川成都610031 中国科学院上海应用物理研究所上海201204

水牛角角鞘是一种具有优异力学性能的生物材料,本文主要研究其力学性能和变形损伤机理的各向异性。首先,通过同步辐射断层扫描技术和扫描电镜分别获得了角鞘在初始状态下的三维结构和3个不同方向(纵向、横向和径向)的微观形貌,发现角鞘... 详细信息

水牛角角鞘是一种具有优异力学性能的生物材料,本文主要研究其力学性能和变形损伤机理的各向异性。首先,通过同步辐射断层扫描技术和扫描电镜分别获得了角鞘在初始状态下的三维结构和3个不同方向(纵向、横向和径向)的微观形貌,发现角鞘由波浪状片层沿径向堆叠而成,大量沿纵向生长的长条形孔隙随机镶嵌其中。随后利用自制的微型材料试验机开展了角鞘沿3个方向的准静态压缩实验,并通过准原位扫描电镜表征技术观测试样的变形损伤过程。宏观应力-应变曲线表明,角鞘表现出明显的各向异性:纵向具有最高的屈服强度,而径向表现出最大的塑性硬化率。准原位扫描电镜图像揭示了不同方向的裂纹成核和扩展模式存在明显差异。纵向上,片层屈曲诱导初始孔隙沿横向扩张,并沿层间界面相互贯通形成宏观裂纹;横向上,波浪状片层在压缩载荷下会发生显著的弯曲变形,层间易发生滑移开裂;径向上,层间相互挤压将初始孔隙压实,此后试样内出现沿45°方向的“X”形剪切带。变形机制的差异本质上来源于角鞘特殊的微观结构——波浪状片层和单向排布的长条形孔隙,最终导致了宏观力学性能的各向异性。上述结果不仅解释了牛角优异力学性能的物理基础,而且对仿生材料设计具有参考意义。

关键词：生物材料力学性能各向异性变形损伤

准静态拉伸下固体推进剂三维结构变形损伤失效机理研究

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固体火箭技术 2023年第2期46卷 186-194页

作者：魏晋芳赖国栋柴海伟谢红兰王宁桑丽鹏张峰涛西南交通大学物理科学与技术学院成都630031 西南交通大学材料科学与工程学院教育部先进材料与技术重点实验室成都630031 中国科学院上海应用物理研究所上海100864 航天化学动力重点实验室襄阳441003 湖北航天化学技术研究所襄阳441003

为揭示固体推进剂在准静态拉伸下变形损伤过程,依靠微型材料试验机在上海同步辐射光源BL13W1线站搭建了原位显微CT测试系统,对HTPB推进剂试样在准静态拉伸下变形损伤过程进行了三维原位实时表征,像素尺寸3.74μm。基于上述试验结果,分... 详细信息

为揭示固体推进剂在准静态拉伸下变形损伤过程,依靠微型材料试验机在上海同步辐射光源BL13W1线站搭建了原位显微CT测试系统,对HTPB推进剂试样在准静态拉伸下变形损伤过程进行了三维原位实时表征,像素尺寸3.74μm。基于上述试验结果,分析了目标微细观结构演化过程及孔隙率与材料宏观损伤之间的关系。结果表明,固体推进剂内部微裂纹的出现早于应力-应变曲线达到拉伸极限强度点。利用图像分割技术精确提取了AP颗粒、Al粉颗粒、微裂纹与HTPB基体相,并对AP颗粒与Al粉颗粒的三维拓扑结构进行了定量描述。微裂纹的成核集中在较大且形貌不规则的AP颗粒与HTPB基体界面。最后,观察到裂纹在固体推进剂内部的水平传播和竖直合并两种传播模式,并以水平传播为主导。

关键词：固体推进剂原位显微CT 三维数字图像分析技术变形损伤失效机制

X射线相衬成像技术测量喷油嘴几何特征尺寸的研究

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内燃机学报 2011年第4期29卷 364-369页

作者：张乐超魏建勤谢红兰齐放和友许沧粟浙江大学动力机械及车辆工程研究所浙江杭州310027 中国科学院上海应用物理研究所上海201800

喷油嘴喷孔的几何特征尺寸对柴油喷雾雾束有着直接的影响,从而也极大地影响了柴油机的各项性能.简要介绍了喷孔几何特征尺寸对柴油喷雾雾束及柴油机性能影响的研究现状,介绍了测量喷孔几何尺寸所用的制模测量法、力传感器测量法,针对其... 详细信息

喷油嘴喷孔的几何特征尺寸对柴油喷雾雾束有着直接的影响,从而也极大地影响了柴油机的各项性能.简要介绍了喷孔几何特征尺寸对柴油喷雾雾束及柴油机性能影响的研究现状,介绍了测量喷孔几何尺寸所用的制模测量法、力传感器测量法,针对其不足,提出利用X射线相衬成像技术测量喷孔几何特征尺寸.运用上海光源(SSRF)的第3代同步辐射光源,成功拍摄了喷油嘴内部图像结构,通过该图像可清晰地观测到包括压力室在内的喷孔内部结构,并较为精确地测量喷孔的直径及长度.

关键词：柴油机 X射线相衬成像喷油嘴几何特征

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原子束多光束干涉实验的一种方法

物理学报 2002年第8期51卷 1696-1699页

作者：高鸿奕陈建文谢红兰陈敏肖体乔朱佩平徐至展中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800 中国科学院上海原子核研究所上海201800 中国科学院高能物理研究所北京100039

提出了一种实现原子物质波干涉的新设想 .采用一个菲涅耳波带片来压缩原子束线宽 ,以此照明一块刻有四缝的铜箔 ,观察原子束的干涉和全息现象。

关键词：多光束干涉实验原子束干涉全息时间相干长度

X射线同轴轮廓成像中影响成像质量的若干因素研究

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物理学报 2007年第8期56卷 4556-4564页

作者：刘丽想杜国浩胡雯谢红兰肖体乔中国科学院上海应用物理研究所上海201800

采用数字模拟方法较为系统地研究了光子能量、样品直径和散射强度对成像质量的影响,克服了已有实验结果的局限性.研究得到成像质量随光子能量的变化关系,模拟结果与已有实验结果相符.研究发现,当其他成像参数不变时,同一样品存在多个光... 详细信息

采用数字模拟方法较为系统地研究了光子能量、样品直径和散射强度对成像质量的影响,克服了已有实验结果的局限性.研究得到成像质量随光子能量的变化关系,模拟结果与已有实验结果相符.研究发现,当其他成像参数不变时,同一样品存在多个光子能量可实现相近的成像质量,且成像质量都较好,这可用于定量相衬成像中多图重构时图像的选择,也为对辐射剂量有要求的样品提供理论依据.得到了不同直径样品在成像质量最佳时所对应的样品到探测器距离,发现这一距离随样品直径的增加而增加.研究了样品厚度或折射率变化导致的散射X射线对成像质量的影响,发现成像衬度随散射的增强呈指数下降,在厚度或折射率分布不规则导致散射的情况下,X射线同轴轮廓成像仍能得到较好的轮廓像.

关键词： x射线同轴轮廓成像成像质量 x射线散射

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Laue弯晶聚焦特性的光线追迹研究

物理学报 2012年第10期61卷 156-164页

作者：陈灿佟亚军谢红兰肖体乔中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院研究生院北京100049

由于可有效降低高热负载的影响,Laue弯晶是插入件辐射高通量密度硬X射线(30 keV以上)聚焦、准直和单色化的最有效的光学元件.研究其聚焦光学特性,对发展高性能、高稳定的Laue弯晶单色器具有重要意义.采用自行发展的光线追迹软件较为系... 详细信息

由于可有效降低高热负载的影响,Laue弯晶是插入件辐射高通量密度硬X射线(30 keV以上)聚焦、准直和单色化的最有效的光学元件.研究其聚焦光学特性,对发展高性能、高稳定的Laue弯晶单色器具有重要意义.采用自行发展的光线追迹软件较为系统地研究了Laue弯晶的聚焦特性,分析了入射光性质及弯晶参数对聚焦光斑、焦距、发散度等主要光学参数的影响.结果表明,衍射能量越高,聚焦光斑越小,并趋于稳定值;弯曲半径越小,聚焦光斑越小,并在其达到一阈值时得到聚焦光斑的极小值,之后随着弯曲半径的变小,由于像差等因素的影响,聚焦光斑反而变大;晶体越厚,聚焦光斑越大,呈线性正比关系.对于衍射光发散度,其随着衍射能量的增大而变小,并趋于稳定值;其与晶体曲率呈线性正比关系.同时通过研究得到弯晶各参数的合理选择范围.

关键词： X射线光学 Laue弯晶聚焦特性光线追迹

20 Hz高时空分辨X射线单色光动态显微CT研究

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核技术 2023年第7期46卷 13-22页

作者：仇正杰李可谢红兰杜国浩邓彪肖体乔中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院上海高等研究院上海同步辐射光源上海201204 中国科学院大学北京100049

与白光X射线动态显微CT(Micro Computed Tomography)相比,单色光X射线动态显微CT具有较低的辐射损伤和较高的密度分辨率,但是更难以平衡其空间和时间分辨率。目前,单色光X射线动态显微CT的最高时间分辨率可达到13.3 Hz,探测器有效像素... 详细信息

与白光X射线动态显微CT(Micro Computed Tomography)相比,单色光X射线动态显微CT具有较低的辐射损伤和较高的密度分辨率,但是更难以平衡其空间和时间分辨率。目前,单色光X射线动态显微CT的最高时间分辨率可达到13.3 Hz,探测器有效像素尺寸为5μm。为了构建具有更高时空分辨率的单色光X射线动态显微CT系统,基于上海光源快速X光成像线站(BL16U2)的高通量密度单色光,将高速转台与三镜头大数值孔径快速X射线成像探测器相结合,构建了实验系统。以速发型聚氨酯材料为研究对象进行了验证实验,在15 keV单色光下动态显微CT的时间分辨率达到了20 Hz,探测器有效像素尺寸为2.2μm。对气泡运动进行相关定量分析,证明该系统具有高时空分辨率和高对比度分辨率,可以对复杂运动系统进行四维时空定量分析,为BL16U2线站用户进行高时空分辨率的复杂原位研究提供了强大的实验平台。

关键词： X射线动态显微CT 快速X射线成像 X射线单色光显微CT 同步辐射

上海同步辐射光源纳米三维成像线站设计、研发及调试

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光学学报 2022年第23期42卷 237-243页

作者：陶芬张玲苏博高若阳杜国浩邓彪谢红兰肖体乔中国科学院上海高等研究院上海光源科学中心上海201204 中国科学院上海应用物理研究所上海201800 中国科学院大学北京100049

全场透射X射线显微镜(TXM)具有纳米量级空间分辨、原位、无损和三维(3D)成像等优点,目前已被广泛应用到多个研究领域中。纳米三维成像线站是上海同步辐射光源(SSRF)二期工程建设内容之一,该线站瞄准前沿领域中的科学问题和国家战略需求... 详细信息

全场透射X射线显微镜(TXM)具有纳米量级空间分辨、原位、无损和三维(3D)成像等优点,目前已被广泛应用到多个研究领域中。纳米三维成像线站是上海同步辐射光源(SSRF)二期工程建设内容之一,该线站瞄准前沿领域中的科学问题和国家战略需求,主要实验方法为TXM和纳米计算机断层扫描(CT),能量范围为5~14 keV,空间分辨率的设计指标为20 nm。该线站基于弯铁光源,光束线采用柱面准直镜、双晶单色器和超环面聚焦镜设计方案。实验线站采用自主设计、整体集成的全场TXM系统,实验站中单毛细管聚焦元件、TXM机械系统、纳米CT控制及数据采集软件均为自主研发。2021年SSRF纳米三维成像线站(BL18B)完成了带光调试与性能测试,实现了20 nm分辨率的TXM成像,是国际上首条基于弯铁光源并实现20 nm分辨率成像的光束线站,测试结果全部达到线站设计指标,2022年该线站将对用户开放使用。

关键词： X射线光学透射X射线显微镜同步辐射单毛细管聚焦镜自主研发