X射线CT技术在工艺矿物学中的应用

工艺矿物学主要通过研究各类矿石性质为制定合理的选冶工艺流程提供理论依据,在矿床综合评价以及矿产资源合理高效利用过程中均发挥着重要作用。在工艺矿物学的研究过程中,利用传统分析手段往往只能获取矿石的二维平面信息,而缺乏对矿石三维矿物学和结构的了解。近年来,X射线CT技术因其独特的对样品三维结构特征的无损提取能力,在国际上已逐步应用于工艺矿物学研究领域。介绍了X射线CT的结构、成像原理,以及利用X射线CT对矿物粒度、解离特征、矿物量等重要工艺矿物学参数进行量化表征的典型应用实例。随着X射线CT硬件设备的性能提升和数字图像处理技术的不断发展,X射线CT技术将可能成为工艺矿物学研究中的重要分析测试手段。

基于X射线CT技术的混凝土角钢筋锈蚀空间扩展研究

本文利用X射线CT技术研究了混凝土中角部钢筋的锈蚀空间扩展过程。将钢筋混凝土试样置于干湿循环的腐蚀环境中加速钢筋的腐蚀,通过显微层析法获得其三维X-CT图像并处理表征钢筋混凝土的不同材料相,包括钢筋、砂浆、锈蚀产物、孔隙和裂缝。经对混凝土内产生的裂缝和钢筋锈胀效应分析显示,在靠近钢筋的孔隙周围易出现由于在试样制备过程中预先残留的氧气和水分导致的点蚀。此外,还发现主要由混凝土中钢筋径向不均匀锈蚀引起明显的横向裂纹。我们还利用混凝土钢筋试样的锈蚀分布参数构建了基于von Mises的非均匀锈蚀模型。通过对比试验验证,该模型能有效反映混凝土锈蚀开裂过程。采用干湿循环腐蚀环境与X-CT扫描相结合的形式,可以为钢筋混凝土结构锈蚀过程、锈蚀分布和腐蚀开裂的预测提供一种新方法。

弯曲射线CT技术探测冲击地压区域数值模拟研究

本文简述了射线追踪技术的数学原理，利用编制的反演程序对冲击地压模型进行了数值模拟研究，讨论了四种数据采集方式对反演结果的影响，结果表明该反演算法和程序稳定性好、精度较高，可以清晰地反演出冲击地压区域分布。

弯曲射线CT技术探测岩石破裂区域试验研究

在单向弹性约束下，对室内岩样加载至其单轴抗压强度的1/2和2/3应力水平后卸载，其内部形成了破裂区。使用SYC-3B型声波仪和高频传感器，应用完全投影方式采集了卸载后岩样弹性波走时数据，对此数据应用弯曲射线CT技术进行了反演，反演结果清晰地显示了破裂区分布规律，这表明弯曲射线CT技术探测岩样破裂区分布是可行的。

采用X射线CT技术评价沥青路面结构内部质量均匀性

利用沥青路面芯样,简单采取压实度指标评价施工质量,无法有效反映沥青混合料的体积组成特性和内部结构信息。利用高精度X射线CT锥束扫描成像技术生成了虚拟重构试件,并采用了竖向分层切片与颗粒数字处理与分析技术。为评价芯样位置路面结构的竖向颗粒离析,提出了粗集料不均匀系数、试件颗粒竖向变异系数等指标。结果表明:同一级配混合料在不同施工控制条件下,沥青路面内部结构存在明显差异;粗集料颗粒在试件内部分布呈现中间均匀、两端离析的规律;施工控制较好的路段其试件均匀性曲线平缓,竖向变异系数小。

基于X射线微米CT扫描技术的煤岩孔裂隙多尺度精细表征——以沁水盆地南部马必东区块为例

深入探究煤层气赋存和运移机理,不仅需要分析煤岩孔裂隙结构的空间分布特征,还需对其进行定量表征。为此,以沁水盆地南部马必东区块3#煤层为研究对象,应用X射线微米CT扫描技术,先构建低精度CT扫描煤岩母样三维数字化模型,再通过高精度CT扫描构建煤岩子样三维数字化模型。在此基础上,利用Avizo图像处理软件,重构煤岩孔裂隙系统,实现煤岩孔裂隙的多尺度定量表征。研究结果表明,沁水盆地南部马必东区块3#煤层发育多尺度孔裂隙结构。煤岩孔裂隙宏观上以C型为主,微观上以E型为主。煤岩发育成孤立片状分布的宏观孔裂隙及连通性较差的孔裂隙。据子样和母样矿物含量的相关性可知,较大规模的孔裂隙多被矿物充填,限制了煤层气的渗流和产出。

基于X-CT技术的多孔排水沥青混合料空隙竖向分布特性

采用X-CT技术、数字图像处理技术与分形理论相结合对多孔沥青混合料的空隙竖向分布特性进行了研究,结果表明:空隙特征图像可以定性描述多孔沥青混合料的连通情况和分布特性,多孔沥青混合料中没有面内连通情况;所研究的6个截面空隙率分布范围为17.7%~22.2%;不同截面的空隙数量最大相差16个,约占空隙总量的四分之一;空隙轮廓分维数均大于其相应的空隙面积分维数,且与空隙数量和空隙率无关。空隙级配图显示,同一试件内两个正交截面空隙的级配大多分布在4~8 mm内,但分布形态各异。经对比分析发现,横向空隙与竖向空隙除最大直径相差2 mm外,等效直径分布较为接近。

在铀矿石工艺矿物学研究中引入CT技术的探索

为加强对矿石微裂隙及其与目标矿物之间的分布关系研究,提高工艺矿物学研究在水冶工艺中的作用,文章以棉花坑铀矿石为例进行了工艺矿物学研究,并引入X射线三维显微CT技术,从三维数字化角度对原矿颗粒中的金属矿物和孔裂隙结构的相关参数进行了统计、处理和对比。研究表明,棉花坑铀矿石矿物成分简单,影响选冶的有害组分少,铀以易选冶的沥青铀矿、铀黑和硅钙铀矿形式存在,部分沥青铀矿充填矿物裂隙或溶蚀孔洞,微裂隙与铀矿物等金属矿物的分布形态和区域重合度较低,可能导致溶浸液不能充分与其接触从而影响浸出效果,需对棉花坑铀矿石进一步细磨,提高超细铀矿物的解离程度,改善堆浸效果。通过引入CT技术,有效提取了矿石颗粒中不同组分的三维形态和分布图像,并计算出不同组分体积占比,该方法得到的参数相对可靠、稳定,具有参考价值。

我国射线检测技术的发展

射线检测技术包括射线照相检验、射线实时成像检验和射线层析检测等多种技术的无损检测手段。由于射线检测技术具有可自我监控检测工作质量和检测技术正确性的特性,已成为重要和广泛应用的无损检测技术。

超声散射CT技术发展综述

概述超声散射CT(computed tomography)理论的发展过程,分别对X射线CT技术、医学超声CT技术、无散射超声CT技术及超声衍射CT技术相关理论的发展、基本思想及优缺点进行了概述,介绍了主要用于工业超声CT检测的超声散射CT技术的基本概念,特点及意义等。散射超声CT技术不仅不需要反投影重构,而且在一定程度上弥补了线性超声CT方法由于线性假设或弱散射假设带来的不足,具有广阔的应用前景。

燃料组件高能X射线CT扫描控制子系统设计

对于应用于燃料组件照射后检测的高能X射线CT技术,扫描控制子系统的性能直接影响到重建图像的质量。本课题利用微型计算机、ACR9000专业运动控制器、安川伺服驱动器、安川交流伺服电机等设计了一套服务于二代扫描方式的扫描控制子系统,系统不仅能驱动燃料组件与探测系统相对运动,还为计算机提供了精确的空间位置数据,为乏燃料组件的照射后成像检测打下了坚实基础。

复杂地下水环境下喷膜防水材料损伤的CT试验

利用X射线CT技术对复杂地下水环境下喷膜防水材料的损伤情况进行了研究,探讨了此方法在喷膜防水材料失效性判断中的有效性.以NaCl,Na2SO4,NaOH及两两混合溶液为介质,对喷膜防水材料进行浸泡腐蚀试验后再CT扫描,利用CT数和CT方差的变化来实现其失效性的评价.结果表明:上述3种单溶液中NaOH溶液对材料的损伤最大,NaCl溶液最小;溶液两两混合后对材料的损伤影响相比单溶液有所变化,但并非都增大;在两两混合溶液中,其中一种介质种类的改变会导致另一种介质的浓度对材料损伤的敏感度发生变化.由此可知,CT数和CT方差可以作为喷膜防水材料损伤评价方法的有效指标.

岩石CT断层序列图像裂纹三维重建的实现

利用大津阈值法(OSTU法)对微观岩石CT断层图像中的裂隙和孔隙图像进行了分割,得到了二维CT断层图像中孔隙和裂隙分布。在此基础上,利用Marching Cube算法进行了连续CT断层图像的三维重建,实现了岩石加载试验中裂纹萌生阶段的裂纹分布的可视化。对比二维分割图像和三维重建图像,结果表明,三维重建图像能克服二维分割图像只能从片面上反映岩体裂纹分布的局限性,因而能更加直观、真实、准确地反映岩石加载试验过程中裂纹在空间的分布情况。

HMX和RDX晶体微细结构μCT表征

利用微焦点CT技术研究了HMX和RDX单晶体和松装大量RDX晶体的微细结构,得到了炸药晶体的三维细微形貌、内部孔隙的定位定量、密度分布等信息,结果显示,结晶品质好的单晶体外观棱角分明,晶面光洁,内部密度均匀,但也有很多微孔隙;而结晶品质较差的单晶体的表面不光滑,棱角不明显,内部孔隙数量多,有较大体积的孔洞,而且密度分布不均匀,有局部密度较高的区域。松装大量炸药晶体平均孔隙率及孔隙数量分布统计表明,经过特定工艺处理过的高品质与其原料相比在各个缺陷大小范围内数量减少,孔隙率减小;在一定程度范围内,越小的孔洞数量越多,但对整个晶体的孔隙率影响越来越小,说明晶体内部微米级以上孔隙是影响晶体密度及其它性能的很重要的因素。

应用同步辐射X射线多模态成像研究死亡延迟时间对脑组织染色的影响

用于科学研究的人脑组织通常由遗体捐赠来获取,然而死亡延迟时间(Post-mortem Delay,PMD)是影响人脑组织染色的重要因素之一,目前对于PMD如何影响人脑组织的染色尚缺乏研究。本工作利用取脑后放置不同时间的小鼠脑组织来模拟人脑PMD的状态,采用高尔基染色、尼氏染色对其大脑皮层区域染色并进行光学显微镜成像,重点运用同步辐射X射线微米CT成像技术研究PMD对小鼠脑组织高尔基染色的影响。结果表明:随着PMD的增长,神经元的完整性和复杂性呈现明显的降低趋势,神经元的树突棘的数目明显减少,同步辐射X射线微米CT成像的结果也证实了锥体神经元纤维结构随放置时间的延长逐渐变短直至消失。研究结果将为人脑组织高尔基染色方法的建立和同步辐射X射线成像奠定基础。

基于虚拟抗压试验的沥青混合料质量均匀性评价方法研究

沥青路面质量均匀性评价指标过于单一、宏观,缺乏细观结构力学特性的评价方法。选取了6个沥青路面芯样,首先利用AVIZO软件改进了对CT图像组分识别与处理技术,使颗粒与颗粒间能较好地分离。其次编写了MATLAB程序将各组分空间分布信息导入ABAQUS平台中,实现了沥青混合料数值芯样重构。最终,对低温弹性体的有限元抗压力学模型进行抗压力学分析,并利用截面抗压应力均值和应力分量不均匀系数作为评价指标。结果表明:(1)S33(在Z轴方向的应力分量)应力场可直观地认识应力分布与接触面积的关系,在空隙分布较为均匀的截面中,S33的应力均值偏小;(2)利用截面抗压应力均值和应力分量分布不均匀系数指标,可有效描述沥青混合料芯样的质量不均匀性。

低温下叠氮聚醚推进剂冲击损伤特性与动态力学性能

利用仪器化落锤冲击试验机在-40℃下对叠氮聚醚推进剂进行了冲击加载模拟实验,通过X射线微层析成像技术(X-μCT)表征了推进剂的冲击损伤特性,并采用动态力学分析研究了叠氮聚醚推进剂在不同加载频率下的动态力学性能。结果表明,叠氮聚醚推进剂动态力学参数表现出显著的加载频率依赖性,当加载频率由1 Hz增大至20 Hz时,其玻璃化转变温度由-38.1℃升高至-23.1℃;相应测试条件下,推进剂试样在冲击加载能量不低于2 J时发生断裂,未冲断推进剂无宏观裂纹产生,但其内高氯酸铵(AP)颗粒已部分破碎;被冲断试样冲击曲线中包含不稳定裂纹扩展过程,表明叠氮聚醚推进剂在低温下具有一定的脆性材料特征,推测其损伤模式为含缺陷的AP颗粒首先发生穿晶断裂,初始微裂纹扩展于基体中并相互贯通扩大,最终导致试样断裂。

基于药物晶体的立体形态参数辨识硫酸氢氯吡格雷的不同晶型

晶体的三维形态与晶型有着天然的相关性,本文基于晶体立体形态参数,建立以硫酸氢氯吡格雷的晶型辨识方法与模型。采用同步辐射光源X射线显微CT技术(synchrotron radiation X-ray microscopic CT technology,SR-μCT)和多层感知器(multilayer perceptron,MLP)神经网络数学建模相结合的方法,以两种晶型硫酸氢氯吡格雷晶体(clopidogrel bisulfate)与微晶纤维素丸芯的混合物为样本,通过对样本进行CT扫描并重构,构建三维结构模型,得到7组三维形态参数,再基于多层感知器神经网络算法建立数学模型,用于晶型的辨识和预测。所建模型对硫酸氢氯吡格雷晶型的预测成功率为92.7%,ROC曲线下面积为96.2%。通过描述晶体三维形态可以对药物晶型进行有效辨识。晶体的体积(volume)、顶角数(number of vertices)和表面积(area)对于硫酸氢氯吡格雷晶型的确定起决定性作用。