自寻式正电子液对零件内腔及表面缺陷定位的装置及方法

摘要

本发明提出了一种自寻式正电子液对零件内腔及表面缺陷定位的装置及方法，基于正电子湮没原理及液体在抽真空过程中会先沸腾然后冻结的特性，同时正电子液中的放射性核素在衰变时并不受温度、存在状态等因素的影响，依然会产生正电子并对零件复杂内腔及表面空间几何结构的3D成像，实现零件内壁及表面缺陷的检测及定位。

说明书

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种自寻式正电子液对零件内腔及表面 3D精确成像的缺陷定位装置及方法。

背景技术

早在1928年英国物理学家DiracPAM在研究电子的量子理论时预言电子有反电 子，1932年美国物理学家AndersonCD在研究宇宙射线的云室照片中发现了正电子的 存在，标志着人类开始研究正电子。目前有两种正电子产生方法，一种是通过回旋加速 器或反应堆，利用核反应生成缺中子放射源，如²²Na，⁶⁴Cu，⁵⁸Co，¹⁸F。另一种是采用 PIPA(诱发正电子)方法，利用能量为数十兆电子伏的直线加速器产生高能γ射线，经 过准直处理后直接打入材料内部，并与材料内部的原子核产生轫致辐射，再通过电子对 效应产生正电子。

如今，人们将正电子湮没技术推广到了化学、生物学以及医学等领域，但到目前为 止，对正电子的研究及技术成果仅限于生物医疗与材料微观结构领域，并未涉及到无损 检测技术领域，更未涉及对零件复杂内腔和表面空间几何结构的3D成像及缺陷定位的 研究。目前，在工业零件无损检测领域中尚未发现基于正电子湮没理论的实际检测方法 或相关研究文献。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种自寻式正电子液对零件内腔及表面缺陷定 位的装置及方法，实现对零件复杂内腔及表面空间几何结构的3D成像来实现零件内壁 及表面缺陷的检测及定位。

技术方案：一种自寻式正电子液对零件内腔及表面缺陷定位的装置，包括刚性密闭 容器、真空泵、正电子灌注系统以及γ光子探测及成像设备；所述刚性密闭容器内部设 有可升降支撑架，待测零件置于所述可升降支撑架上；所述正电子灌注系统包括放射性 核素活度计、管路以及正电子液储液器，所述正电子液储液器通过管路连接刚性密闭容 器上的正电子液注入口，所述真空泵连接刚性密闭容器上的抽真空口，放射性核素活度 计设置在所述管路上；所述γ光子探测及成像设备用于对刚性密闭容器的零件进行γ光 子探测及成像处理。

基于自寻式正电子液对零件内腔及表面缺陷定位装置的缺陷定位方法，包括以下步 骤：

步骤一，将具有活度的放射性核素与载体溶剂混合，制备得到正电子液；

步骤二，将待测零件置于刚性密闭容器内的可升降支撑架上，并注入所述正电子液， 保证零件整个浸没在正电子液中；

步骤三，对所述刚性密闭容器进行抽真空处理，并在正电子液冻结初期收缩支撑架， 使零件与可升降支撑架分离，使零件在没有支撑的情况下完全冻结于正电子液中；

步骤四，将刚性密闭容器置于γ光子探测及成像设备中，对零件进行静态2D成像， 然后重构零件内腔及表面空间几何形状的3D图像，最后通过所述3D图像确定缺陷的 位置。

作为本发明的优选方案，选择所述放射性核素的半衰期为缺陷定位测试时间的5倍 以上。

有益效果：目前，对于工业零件内腔及表面空间几何结构的3D成像及缺陷定位进 行无损检测的唯一方法是采用工业CT，该方法在实际检测中存在很大局限性。采用自 寻式正电子液注入法进行无损检测则具有如下几方面突出的技术优点：

1、测试方法：工业CT检测过程是平面异步成像，成像效率低，测试时间长；而自 寻式正电子液注入法检测过程是空间同步成像，成像效率高，测试时间短，成像质量好； 通过自寻式正电子液注入方式，正电子液因其在真空中呈气态的特性可以渗入到零件内 腔结构并对零件内部管道腔体进行无死角填充，且当气态的正电子液完全填充整个密闭 容器时，可使零件表面完全浸入在气态的正电子液中。

2、对于零件复杂结构内腔及表面检测的针对性：含有复杂结构内腔及表面的零件 往往用于液压、发动机、变速箱等动力系统，通过自寻式正电子液注入方式进行无损检 测时，只要选择合适的放射性核素和载体溶剂，正电子液可以直接对零件的内腔及表面 进行实时3D成像，并可实现缺陷的定位；并且正电子液中放射性核素产生的正电子探 测精度高，对零件内壁及表面缺陷的探测尺寸可以达到纳米级，同时该无损检测方法还 具有检测时间短、成本低等优点。对比其他无损检测方法，光学显微镜及透射电镜无法 对零件内腔进行检测；X射线散射的探测深度可以达到1微米，但是对缺陷尺寸的分辨 达不到纳米级。

3、放射性核素在衰变时产生的正电子与零件内壁及表面的电子产生湮没事件，发 射出互成180°的中性γ光子对，该对光子穿透能力极强，穿透200mm厚的铝材质能 量才衰减到1％。以这对γ光子作为缺陷信息载体，可以不受测试环境的温度、压强、 电场、磁场等外界因素干扰，在极其苛刻的周边条件下对零件进行检测。

4、正电子液的放射性核素和其载体溶剂均可根据零件测试需求针对性的定制。根 据实际需要合成相应的放射性核素，并将其溶于水溶性溶剂，包括盐溶液、酸溶液、碱 溶液等；也可溶于油类溶剂，包括润滑油、机油、液压油、燃料等。

附图说明

图1为自寻式正电子液对零件内腔及表面缺陷定位的装置示意图；

图2为刚性密闭容器结构示意图；

图3为采用solidworks画图软件设计的3D打印图纸；

图4为对复合材料块内腔进行正电子液灌注测试所得成像结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的解释。

一种自寻式正电子液对零件内腔及表面缺陷定位的装置及其方法，装置包括刚性密 闭容器、真空泵、正电子灌注系统以及γ光子探测及成像设备。正电子灌注系统包括放 射性核素活度计、管路、正电子液储液器、密闭废弃物罐。刚性密闭容器内部设有用于 摆放待测零件的可升降支撑架，刚性密闭容器的顶部设有正电子液注入口以及抽真空 口，刚性密闭容器的底部设有正电子液排出口。

如图1所示，正电子液储液器上设有液位计，正电子液储液器的出液口通过管路连 接刚性密闭容器上的正电子液主入口，该管路包括依次连接的过滤器、液压泵、线性调 压阀、压力表、单通电磁阀，放射性核素活度计设置在该管路上的任意位置。刚性密闭 容器的底部的正电子液排出口通过另一个单通电磁阀连接到密闭废弃物罐。正电子灌注 系统中的所有器件即管路均放置在壁厚3厘米的铅室中。刚性密闭容器上的抽真空口连 接真空泵。

基于上述自寻式正电子液对零件内腔及表面缺陷定位装置的缺陷定位方法，包括以 下步骤：

步骤一，将具有活度的放射性核素与载体溶剂混合，制备得到正电子液。

该步骤首先需要选取一定活度的放射性核素、合适的载体溶剂，正电子液为按适当 比例混合的水溶性或者油类正电子液，其中，放射性核素由医用回旋加速器系统制备得 到。选择放射性核素种类的主要依据是缺陷定位测试所需要的时间，根据测试时间长短 选择半衰期符合要求的放射性核素。根据实际经验，放射性核素半衰期需要为注入正电 子液、抽真空、探测成像的总测试时间的5倍以上。

在确定好放射性核素之后，需要选择合适的载体溶剂，然后将放射性核素标记在该 载体溶剂中，生成正电子液；载体溶剂选择的标准是：(1)放射性核素能够溶于载体溶 剂；(2)放射性核素不与载体溶剂产生化学反应而改变载体溶剂的成分；(3)生成的正 电子液不会和待测零件产生化学反应而腐蚀损伤待测零件。

步骤二，将待测零件置于刚性密闭容器内的可升降支撑架上，并注入正电子液，保 证零件整个浸没在正电子液中。

具体为：首先，将待测零件置于刚性密闭容器内的可升降支撑架上，如图2所示， 该可升降支撑架上具有支柱1和支柱2，两个支柱上设有驱动装置，可分别单独控制来 调整其高度，此时支撑架为升起状态。然后，将刚性密闭容器的盖子盖合密闭后，启动 液压泵，调节线性调压阀压力，连接正电子液主入口的单通电磁阀处于导通状态，而正 电子液排出口的单通电磁阀处于关闭状态。此时，液态的正电子液会在线形调压阀产生 的压力下完全被灌注到密闭容器内，灌注正电子液的过程中通过分别控制两个支柱的升 降来调整零件的位置状态，使得正电子液能够完全灌入零件的腔体，较好的排出部分气 泡。当零件完全浸没在正电子液中时，关闭，连接正电子液主入口的单通电磁阀。

步骤三，正电子液注入密闭容器并完全浸没零件时，由于正电子液具有粘稠性，从 而会使正电子液黏着于零件表面及腔体内壁，会造成气泡的出现，阻止正电子液注继续 入到诸如狭缝这类缺陷中。利用真空泵从刚性密闭容器上的抽真空口对刚性密闭容器进 行抽真空处理，在进行抽真空处理时，正电子液会先沸腾，从而排除气泡的干扰，然后 气态的正电子液会开始逐渐冻结，该过程可使得狭缝类缺陷也有正电子液注入，即实现 自寻式功能，并在正电子液冻结初期收降下支撑架，最终整个待测零件会在没有支撑的 情况下无死角地完全冻结于正电子液中正电子液中放射性核素的衰变特性不会因其由 液态成为固态而改变，依然会产生正电子，以此避免了因为支撑架而造成3D成像及缺 陷定位的实验干扰，为后面步骤中实现零件内壁及表面缺陷的自寻式检测及定位作好准 备。

步骤四，保持管路中两个单通电磁阀处于关闭状态，通过真空泵持续抽正空处理， 使得刚性密闭容器内部保持真空状态。放射性核素在衰变过程中发射正电子，正电子与 待测零件表面接触并与电子发生湮没事件，湮没会产生一对能量相同但方向互成180° 的γ光子；将刚性密闭容器置于γ光子探测及成像设备中，探测并记录这γ光子，通过 建立重建图像像素与γ光子数关系的数学模型，借助计算机求解上述数学模型，对零件 进行静态2D成像，然后重构零件内腔及表面空间几何形状的3D图像，最后通过3D图 像确定缺陷的位置。

图3为采用solidworks画图软件设计的3D打印图纸，其中1为直径15mm、长60mm 的圆柱管，并与直径为15mm、长为45mm的圆柱管2连接，3是螺旋直径为30mm、螺距 为20mm的螺旋管，最后与倾斜角为45°、直角边为10mm的斜管相连接。图4为对该尺 寸3D打印的复合材料块内腔进行正电子液灌注测试所得成像结果。该复合材料块是通 过热熔融堆积式3D打印的方式制作完成，在材料块内有一个环形管腔，该管腔无法通 过外部手段进行无损检测。热熔融堆积式3D打印的零件，在堆积层与层之间由于热胀 冷缩会产生微小的裂纹及缝隙，正电子液不断渗透，核素探针在衰变过程中发射正电子 不断与缝隙表面发生湮没事件，通过γ光子探测及成像设备，可以对这些缝隙进行精确 定位，并可以观察到该复合材料零件中细小的渗漏点和渗漏带。

本发明通过自寻式正电子液注入方法进行零件复杂内腔及表面空间几何结构的3D 成像，并可实现零件内壁及表面缺陷的检测及定位，填补了工业零件无损检测技术的空 白。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。