温度对X射线与物质相互作用的影响及其测量研究

本项目基于X射线辐射理论和物体在不同温度下对辐射光子能量的吸收和反射，研究X光子与物质的相互作用的温度特性，给出相同原子序数物质的X射线衰减的温度修正理论和温度场成像机理。在此基础之上，提出物体温度场的计算机层析重建理论和方法，得到物体断层温度场分布，并利用信息重建理论方法给出物体温度场的三维模型。通过实际样件的温度场测量，验证所提出的温度效应理论及其测量方法。本项目利用X射线成像研究物体温度场成像的新原理和新方法，达到透视测量物体或结构内部温度场的目的。这将为X射线光学成像以及研究物质内部的热传导过程提供新的理论与实验依据和手段，具有重要的理论价值和应用前景。

温度测量在工程热分析中应用极为广泛。该项目研究了X射线的物理效应及其温度成像理论，提出了结构体内部温度的测量方法，以及X射线与物质的相互作用的材料特性分析理论。主要研究内容和重要结果包括：（1）基于X射线辐射理论和物体在不同温度下对辐射光子能量的吸收，研究了X光子与物质的相互作用的温度特性。通过研究X射线图像与被透射物体温度之间的关系，给出了物体热膨胀的X射线衰减的理论和温度场成像模型，得出所测物体温度和图像灰度值之间的关系。实验表明，对白炽灯丝的最大测量误差为28.31%,最小测量误差为2.96%；对电热丝的最大测量误差为39.32%,最小测量误差为6.47%。为了克服射线源量子噪声对图像灰度产生的误差，研究了射线辐射强度对量子起伏的影响，辐射强度愈大量子起伏愈小。并提出了PN-RCF滤波器去除脉冲噪声的算法，作为提高温度测量精度的一种手段。（2）运用蒙特卡罗方法，研究了X射线对单一物质与掺杂物质的相互作用，借助MCNP程序模拟X射线分别经过纯金和掺杂的金块后透射的情况，通过比较我们发现，在黄金中掺杂铜杂质后，对于特定频率的X射线，在某些频谱范围，光子对材料的穿透特性会发生明显的改变，入射的X射线最佳能量为0.3 MeV，且在0.11~0.16 MeV的能谱范围内尤为明显，为黄金掺铜的检测提供了一个新的思路。同时，研究了石墨烯中的电子被X射线打出变为自由电子时在石墨烯材料中的运动情况。（3）研究了基于X射线与红外热成像融合的构件内部热源分布与温度场测量方法。提出了红外与X光小波变换、金字塔等图像融合方法获得构件内部发热源。融合图像的信息熵比红外图像提高了12.53%，经过小波变换融合的红外与X光图像融合在继承了两幅图像信息基础上进行了折中，更有利于内部热源的探测。同时，针对红外热成像中的热源模糊不清，给出了一种采用高斯点扩展函数的方法增强热源的清晰度和对比度的方法，清晰度和对比度分别提高了1.087%和0.138%。（4）提出了两种内置式物体内部温度测量方法，设计了螺旋型水银温度计和双金属结构，并给出了X射线成像测温理论，建立了水银柱图像长度和双金属变形的温度模型。实验结果表明，两种方法所测量的构件内部温度与实际温度之间的最大误差分别小于0.6℃和1.3℃。