康普顿背散射技术在固体火箭发动机检测中的应用

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(中国人民解放军96630部队，北京 102206)

康普顿背散射技术在固体火箭发动机检测中的应用

林德峰，陈仲华，刘曼曼，贾庆龙，刘利华

(中国人民解放军96630部队，北京 102206)

介绍了康普顿背散射技术的原理、技术特点及其在固体火箭发动机检测中的应用前景。依据固体火箭发动机燃烧室结构，制备了燃烧室模拟脱粘缺陷试样。使用ComScan 160Ⅱ型康普顿背散射成像检测系统，对模拟试样进行了初步检测。结果表明：康普顿背散射成像系统能够有效检测出固体火箭发动机第一、第二界面脱粘以及绝热层内部脱粘等缺陷，对复合材料表面及近表面缺陷的单侧检测具有较大的优势，为大型工件单侧检测提供了可能。

康普顿背散射；模拟试样；层析扫描

无损检测技术已经广泛应用于航天产品的生产和研制过程中，在固体火箭发动机质量判断、失效分析、出厂验收及寿命监控等环节发挥着巨大作用。目前，固体发动机第一界面通常采用超声波检测法，第二、三界面及内部缺陷主要采用射线检测法。射线检测法包括射线照相法和工业CT法。射线照相法的缺点是图像重叠，不能准确地对缺陷定位，容易造成误判；工业CT法的缺点是系统复杂，硬件上需要高精度扫描台，软件上需要图像重建技术，测试时间长，成本高，使用和维护困难[1-2]。康普顿背散射成像技术(CST)是一种可确定缺陷位置、大小和深度，并可进行快速计算机重建的非破坏性X射线检测系统，其主要技术优势是：单侧检测，即射线源和探测器位于被检工件的同一侧，受被检工件厚度影响小；灵敏度高，可以检测出体积效应不明显，尺寸较小的缺陷；具有层析功能，可以精确检测缺陷的分布[3]。康普顿背散射系统独特的特点决定了其对复合材料壳体及近表面粘接面的检测具有较大的优势，特别是在检测大、厚以及不可拆卸的工件等方面具有传统X射线技术所不具有的优势，可填补固体发动机壳体及近表面粘接面无有效检测手段的空白。

由于CST检测技术具有以上特点，在国外航空航天领域得到了广泛的研究[4-5]。国内由于缺少相关的技术设备，此项技术的研究和实际应用尚处于探索阶段。笔者所在项目组利用康普顿背散射成像检测系统，对制备的固体火箭发动机燃烧室典型缺陷试样进行了检测，初步探索了康普顿检测技术在固体火箭发动机检测中应用的可行性。

1 康普顿背散射成像原理

射入试件的X射线或γ射线与试件原子壳层轨道电子或自由电子相互作用会引起电子反冲，此时能量被减弱的入射光子将沿新的方向传播，称为康普顿散射。入射光子发生康普顿散射的概率常称为康普顿散射宏观散射截面，其除了与入射光子的能量和物质的原子序数相关外，还与物质的原子量和密度相关。近似地，康普顿散射作用与入射光子的能量成反比，与靶物质的原子序数Z成正比[6-7]。康普顿背散射系统就是采用上述散射线成像的技术，其工作原理如图1所示(图中I0为射线源发出的射线；Is，s为试样中不同点产生的散射线；w为试样中的缺陷尺寸)。

图1 康普顿背散射成像技术原理示意

如图1(a)所示，X射线照射到工件上，由于检测器前面有准直器，所以从工件不同深层产生的散射线将到达不同的检测器。如图1(b)所示，如果工件某一层中的不同点存在性质差异，所产生的散射线将不同，检测器测量到的数据也将不同，从而可对工件中该层的情况作出判断[8-9]。

2 试验制备与结果

2.1 试样制作

根据固体火箭发动机燃烧室的典型缺陷制备了模拟试样。试样结构及缺陷埋设情况如下：试样外层为玻璃纤维复合材料模压件(厚度为5 mm)，内层为三元乙丙绝热层(厚度为8 mm)；贴片时采用挖空绝热层的方法制备脱粘模拟缺陷，脱粘截面为波纹状层间空隙，线条宽度约为1 mm，曲线总长为12 mm。复合材料试样实物及模拟缺陷示意如图2，3所示。

图2 复合材料试样实物

2.2 试验条件

所用设备为YXLON ComScan 160 Ⅱ康普顿背散射成像系统，射线源检测参数为：管电压150 kV，管电流16 mA，设备的空间分辨率为1 mm，深度最小切层是0.4 mm，扫描速度为250 min·m-2。康普顿背散射成像检测系统将被检测试样的内部结构以22层断层数字图像的形式表达，每层图像对应一定的深度，所有22个图像同时存储在计算机中，系统成像时间为1.25～6.25 min，每层图像的像素矩阵为256×512。

2.3 结果与分析

试验时以玻璃纤维复合材料层约2～3 mm深处作为扫描起始位置，逐层向绝热层扫描，扫描层厚0.45 mm，扫描深度约10 mm，扫描区域面积100 mm×50 mm。图3中黑色框区域为扫描检测区域断面。图4为康普顿散射系统对样品不同深度的扫描图像。

从康普顿扫描图像可以看出，图4(a)具有纤维纹理和条状富树脂区特征，说明该层是玻璃纤维复合材料层。图4(b)的局部纤维纹理和条状富树脂区特征变弱，表明该层处于两种材料部分界面。图4(c)的纤维纹理和条状富树脂区特征基本消失，图像整体灰度下降，表明该层位于绝热层位置，箭头指示位置表明有空气层，与试样实际状况一致。图4(d)所示的层位于绝热层，箭头指示位置表明有皱褶状空气层(即脱粘缺陷),与试样实际状况一致。图4(e)所示层的上部局部为空气层，下部为绝热层。因此，从康普顿层析成像来看，试样的玻璃纤维层、绝热层、空气层的图像特征有显著差异；绝热层和空气层的界面图像特征显著，绝热层和玻璃纤维层的紧贴型界面图像特征不显著。

图4 试样的康普顿层析扫描图像

3 结论

(1) 康普顿散射层析扫描图像能够分辨出发动机壳体、绝热层和空气层及其之间的界面，康普顿背散射成像系统能够检测出固体火箭发动机第一界面、第二界面脱粘以及绝热层内部脱粘等缺陷。

(2) 可以通过研究康普顿背散射的灵敏度、成像特点及图像处理算法，进一步提高康普顿背散射检测厚度、空间分辨率和密度分辨率等指标。

(3) 由于康普顿散射系统研发成本较高，应用对象不够广泛，国内的研究较少。但是从康普顿散射层析成像技术特点来讲，其在检测固体火箭发动机燃烧室体积效应不明显的脱粘、气孔、疏松等缺陷，特别是检测喷管绝热套表面及近表面微裂纹缺陷时，具有工业CT和X射线检测机所不具有的技术优势。

[1] 刘海峰，杨兴根.背散射技术在固体发动机无损检测中的应用[J].飞航导弹, 1999(9): 32-35.

[2] 郑世才.康普顿散射成像技术试验[J]. 无损检测, 1995, 17(11): 301-304.

[3] 杨宝刚,吴东流,任华友.复合材料的康普顿背散射成像(CST)检测的初步研究[C]∥第十二届全国复合材料学术会议论文集.天津：天津大学出版社，790-792.

[4] BALOGUN F A, SPYROU N M. Compton scattering tomography in the study of a dense inclusion in a lighter matrix[J]. Nuclear Instruments and Methods in physics Research B, 1993, 83(4): 533-538.

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

[6] 李家伟.无损检测手册[M].北京:机械工业出版社,2012.

[7] 梁金昆.关于康普顿效应的两个问题[J]. 无损检测,1999,21(1):39-41.

[8] 顾本立,葛云.康普顿背散射成像中提高散射粒子检测效率的途径[J]. 无损检测,1996,18(6): 154-156.

[9] 刘恩承.康普顿散射层析的一些结果和应用考虑[J]. 无损检测, 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，工程师，研究方向为固体火箭发动机无损检测

林德峰，dflin@semi.ac.cn

10.11973/wsjc201712012