新型X射线和光学诊断技术在含能材料研究中的应用

工程6（2020）992研究含能材料与交叉学科含能材料研究中的新型X射线和光学诊断技术张艺扬a，陈森a，杨才a，陆磊b，段凡a，石锦春a，刘伟，黄俊宇a，刘伟，罗胜年baPeac多尺度科学研究所，成都610031，中国b西南交通大学材料科学与工程学院，成都610031阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年5月25日修订2020年6月3日接受2020年8月11日网上发售保留字：含能材料X射线太赫兹和光学诊断多尺度测量A B S T R A C T含能材料（EM）在制造和加工期间或在诸如冲击压缩的外部刺激下的热机械、物理和化学过程发现新现象、获取新数据和理解潜在机制都需要时间和空间分辨诊断。 在这里，我们提出了一个简短的审查新的诊断，无论是新兴的或已经存在，但很少被应用到EM，包括二维（2D）和三维（3D）的X射线成像，X射线衍射，相干X射线衍射成像，小角度X射线散射，太赫兹和光学吸收/发射光谱，一维（1D）和二维激光为基础的速度/位移干涉。所涉及的典型空间尺度是晶格（纳米和微米）和典型时间尺度（飞秒、皮秒、纳秒、微秒和毫秒）。目标科学问题和工程问题包括缺陷、强度、变形、热点、相变、反应和冲击敏感性。测量和数据分析的基本原理，以及这些说明性的例子。先进的测量和实验的复杂性也需要进一步发展相应的数据分析和解释方法，以及多尺度建模。©2020 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍高能材料（EM）储存了大量的化学能，这些化学能可以在热或机械刺激下迅速释放[1根据储存的化学能量和释放速率，EM通常分为炸药（一次炸药或二次炸药）、推进剂和烟火剂[3，5]。对EM的持续兴趣受到其广泛的民用和军事应用以及基础科学的推动[6]。对EM中的机械，物理和化学过程的透彻理解不仅需要预测和控制其性能，而且还需要解决EM日益增加的环境和安全问题[1，7]。在制造和加工过程中或在冲击压缩等外部刺激下，EM中的热机械、物理和化学过程涉及多个时间和空间尺度[6，8]。微观结构（晶格缺陷、空隙、裂纹、界面等）在制造和加工过程中产生，*通讯作者。电子邮件地址：jcshi@pims.ac.cn（J. Shi），jyhuang@pims.ac.cn（J. Huang）。从亚纳米到毫米[9，10]，可以影响它们对外部刺激的反应，以及它们随后的化学动力学和整体性能[11，12]。在热或机械刺激下，这种微结构可能会导致应变，应力或加热局部化，导致局部化学反应在外部刺激时，机械和物理（例如，塑性变形[17，18]、相变[19，20]和热点形成）和化学（例如，化学动力学[12，21]和碳凝聚物形成[22，23]）过程的时间尺度从飞秒到微秒，空间尺度从单分子和晶格到微米或更大。例如，冲击引起的化学引发通常发生在分子水平和亚皮秒尺度[15，24到了中尺度，传播的冲击波与EM的复杂微观结构相互作用，产生相变和热点;冲击到爆轰转变（SDT）[29]在宏观尺度上表现出来在激光烧蚀中，制造和加工以及外部激励的时间尺度[30，31]，100ns平板冲击载荷[32霍普金森压杆（SHPB）加载[35，36]，在combus中 10 ms[37，38]和100 s的制造。 鉴于https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.06.0192095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engY. Zhang et 其他/工程 沪公网安备31010502000119号993由于EM在其生命周期的各个阶段具有多个时间和空间尺度，可靠的工程模拟必须采用基于物理的预测模型，该模型结合了多尺度结构和物理化学动力学[6，7，39]，需要时间和空间分辨的测量。虽然EM的静态[9，40-由于外部刺激引起的EM中的物理和化学事件发生在极端条件下[6，18，33]，因此诊断应该是非破坏性和穿透性的，具有高空间和时间分辨率。常规技术，如具有匹配反射率的光学显微镜[43]、共焦扫描激光显微镜[44]、偏振光显微镜[33]和扫描电子显微镜[45]，只能提供表面测量，并且应该补充具有透视能力和适当时间分辨率的诊断，或提供额外信息。X射线源、太赫兹（THz）源、探测器以及光谱学和成像系统[46，47]的显著进步为解决EM的诊断挑战提供了例如，先进的同步加速器X射线源[46，48]和X射线自由电子激光器（XFEL）[49，50]提供飞秒和皮秒级脉冲持续时间，以及前所未有的高空间和时间分辨率，以解决EM中的结构和物理化学动力学。在这里，我们提出了一个简短的审查新的X射线和光学诊断EM，无论是新兴的或已经存在，但很少应用于EM。这些诊断针对的是诸如缺陷、强度[51]、变形[18]、热点、相变、反应和冲击灵敏度[52，53]等科学问题和工程问题。这篇评论强调他们的能力，时间和/或空间分辨测量。此外，测量和数据分析的基本原则，并说明这些例子在第2中，我们介绍了二维（2D）和三维（3D）X射线成像技术，包括X射线相衬成像（PCI）、X射线计算机断层扫描（CT）、X射线衍射（XRD）、相干衍射成像（CDI）和小角X射线散射（SAXS）。第3节介绍了THz和光吸收与发射光谱学，包括THz吸收光谱学、热解和激光诱导击穿光谱学（LIBS），以及超快成像干涉测量学，包括用于任何反射器的一维（1D）和二维速度干涉仪系统（VISAR）和瞬态成像位移干涉仪（TIDI）。第4节总结了这一审查。2. x射线诊断先进的同步加速器和XFEL X射线源具有高亮度、高相干性、高重复率和短脉冲持续时间，可对各种材料和工艺进行原位、实时、多尺度测量[49，50，54，55]。常见的X射线诊断是在实空间成像，在倒易空间衍射和X射线光谱学超出了本综述的范围，将不进行讨论。不同的X射线诊断涉及不同的长度尺度，因此涉及不同的空间分辨率。 图图1（a）示出了三种类型的X射线诊断：成像（包括PCI和CT）、散射（包括SAXS）和XRD，分别具有微米和亚微米、1 -100 nm的典型长度尺度和晶格间距（λ）[46，56]。CDI通过相位恢复在傅立叶空间中进行，并且可以实现亚纳米尺度的空间分辨率。这样一套丰富的X射线诊断使得在多个空间尺度上对EM进行结构表征是可行的。Fig. 1. X射线原位多尺度测量。(a)XRD、SAXS/CDI和PCI/CT技术的示意图。给出了典型的XRD、SAXS和数字图像相关（DIC）数据。这里，qx和qy是倒易空间的基本向量，x和y是实空间的基本向量。(b)用于气枪加载的实验装置以及（a）中所示的X射线成像和衍射/散射诊断，以及光学干涉测量系统（多普勒针系统（DPS））。加载可以通过材料测试系统（MTS）、SHPB、激光器、磁驱动设备、激波管等进行。插图：典型同步加速器填充模式的时间结构BCDI：布拉格CDI。对于单束同步加速器X射线测量，加载装置、X射线快门、X射线脉冲序列和探测器根据来自同步加速器的射频信号进行定时，该射频信号用作这四个关键部件之间的同步主时钟[46]。时间特性，即，X射线脉冲串的脉冲宽度和脉冲间隔由电子束团填充的时间结构决定图1（b）插图显示了高级光子源的标准填充模式的示例：脉冲宽度为~80 ps，脉冲间隔为153.4 ns。相应地，X射线测量的最高时间分辨率受到脉冲宽度（~100 ps）和帧速率（脉冲间隔）的限制。相比之下，XFEL实验中的最高时间分辨率为10直线加速器相干光源（LCLS）为10ms，LCLS-II为1ls，欧洲XFEL为220 ns对于微秒级分辨率，同步加速器填充模式的时间结构变得无关紧要，并且X射线可以被处理为连续波，而时间分辨率通过探测器的电子快门来实现。考虑到不同的时间分辨率，除了多个长度尺度外，还可以在多个时间尺度上研究EMs中的物理和化学过程。EM可以经受不同的刺激或加载，例如激光、气枪、SHPB、材料测试系统（MTS）和激波管，具有不同的加载速率、事件持续时间以及应力和温度条件。图1（b）所示为基于同步加速器的原位实时多尺度X射线测量装置[57]（使用气枪加载）的示例[56]。由气枪发射的弹丸撞击EM目标，引起物理化学变化，其用X射线成像和衍射以及光学速度计探测。由于事件持续时间为100-2.1. X线PCI与数字图像相关基于衍射的PCI提取相位信息，并确保通过材料的X射线束的衰减[58，59]。非均匀相位物体诱导空间994Y. Zhang等人/工程 沪公网安备31010502000119号ðÞðÞrX射线的相位的变化，以及透射波前中的局部曲率。在这种波前的传播和干涉过程中，强度变化I x;y与该相位分布的拉普拉斯算子，2/x;y，产生边缘增强[58]。Ix;y/r2/x;y1因此，PCI特别适合于EM等低密度材料的高分辨率成像目前，基于同步辐射和XFEL的先进X射线PCI允许在100 ps[46，56]和10100 fs[49，50]时间分辨率分别。聚合物粘结炸药（PBX）是最广泛使用的钝感高能炸药[33，60]。部分溶解的晶体-粘合剂区域中的晶体-粘合剂界面处的晶体内缺陷或粘合剂本身内的缺陷都可能导致热点成核[13，14]，并在异常条件下引发爆燃或爆炸。利用高速同步辐射X射线PCI技术研究了PBX在不同温度下的变形和损伤超声波动态加载[35]、SHPB [35，61]和气枪[62，63]。 时间和空间分辨率可以分别达到~1ls和1-10 l m [46，48]。 图图2（a）显示了基于八氢-1，3，5，7-四硝基-1，3，5，7-四唑辛（HMX）的在SHPB加载下具有稀疏分布的晶体颗粒的PBX样品[35]。由于边缘的原因，晶体颗粒可以与聚合物基质（其具有相似的密度）增强高分辨力PCI图像显示95ls时晶体分层和240ls时颗粒断裂。在EM样品上的应变映射，突出了应变局部化和机械能沉积，对于了解热点的形成显微结构的X射线投影（例如，PBX中的晶体颗粒）可以提供用于相关分析的自然散斑，以跟踪位移/应变场[64 X射线数字图像相关（DIC）的计算原理和步骤与传统的光学DIC[67]. 然而，由于PCI，X射线DIC提供了更小（50l或更少）的散斑和更高的空间分辨率（10l或更好）[68]。的可以针对局部区域，例如，PBX中的粒子矩阵接口。当内部特征（例如，爆炸性晶体颗粒）通过PCI产生散斑[57，69]。 内部变形可以在超过光学DIC的长度尺度上进行研究。光学DIC受限于低温并且可能在或接近于去电离极限时失效。另一方面，X射线DIC提供了一种灵活的方法来测量表面和内部变形场，这取决于散斑的制备方式，并为“2.5D”应变测量开辟了新的视野。此外，X射线DIC可以与XRD结合，以提供晶格尺度变形机制[48，57]，如第2.4所述。图 2（b）介绍了在动态拉伸下铝板中预设内部空隙周围的X射线DIC应变映射的首次研究[64]。拉氏拉伸（E11）和剪切（E12）应变浓度观察到成核和增长周围的空洞随着载荷的增加。位移和应变误差如下0.01像素和0.01%。2.2. 原位和动态CT及细观有限元模拟基于实验室或同步加速器的CT作为一种独特的工具，用于对各种材料[70-72]（包括EM [10，43，73，74]）的微观结构进行无损3D表征随着X射线源的迅速发展，原位CT技术在研究炸药或模拟物在爆炸条件下的变形和破坏方面得到了广泛的应用。图二、（a）在SHPB压缩下PBX的X射线PCI图像序列;（b）在动态拉伸下铝板中空穴生长的X射线PCI图像序列(c) 相应的拉格朗日剪应变场（E12）和拉应变场（E11）（a）复制自Ref。[35]经AIP Publishing许可，©2016;（c）经AIPPublishing许可，转载自参考文献[64]，©2014。Y. Zhang et 其他/工程 沪公网安备31010502000119号995p机械加载（例如，处理、运输或绿色压实）[75为原位CT扫描设计了包括微型MTS在内的各种测力传感器[71，72]。虽然实验室CT可用于原位测试，但同步加速器CT通常提供更好的穿透力和时间及空间分辨率组合[72]。图3（a）显示了压缩条件下柱状颗粒填料的CT表征示例[70]。在3D图像中清楚显示了颗粒旋转和断裂，与力位移曲线中的应力下降一致。颗粒、颗粒内孔隙和裂纹网络的3D形态可以通过拓扑分析（包括回转张量和分形）进行量化[70，79]。可以通过数字体积相关（DVC）从体积图像序列中推导出3D位移/应变场[72，73，75]。对于PBX样品，晶体颗粒作为DVC的自然散斑。为3D变形映射开发了各种增量DVC算法[80]。 提出了3D相关标准来建立参考帧和当前帧之间的对应关系，类似于DIC。为了达到较高的精度，通常采用迭代相关法。图3（c）[73]显示了来自CT表征的3D微观结构以及聚合物键合糖（PBS）（一种爆炸模拟物）的相应DVC分析。PBS样品中轴向位移场的演化具有很好的相关性它的异质微结构以及脱粘和颗粒断裂。使用同步辐射源，CT的时间分辨率可以提高到~5 ms（每秒208张断层图像）[81]。这种动态CT已应用于动态过程，包括发泡[81，82]、烧结[83]和开裂[84，85]。图3（b）呈现了在1Hz下捕获的气泡结构的两个代表性3D图像。通过粒子成像测速仪（PIV）对气泡的速度场进行量化[86]。这些信息对于理解堆积动力学是有用的，例如，在炸药晶体的压实过程中.虽然亚秒级的时间分辨率不足以分辨高瞬态冲击或冲击事件，但动态CT可以捕获PBX在低加载速率下的变形动力学或绘制PBX中的空隙产生和流体流动在制造和加工过程中，或在热分解下[87]。最近，一种基于闪光X射线照相术的高速CT系统被证明具有亚微秒时间分辨率和亚毫米空间分辨率的多个源和检测器[88]，而断层图像的数量和质量仍有待通过集成更多的X射线源和检测器来改进。这些技术对于研究电磁波的冲击爆轰是很有希望的此外，从动态CT获得的PBX的3D微观结构可用作有限元建模（FEM）的输入和比较[67，89]。模拟程序、材料模型和参数[89图3（d）显示，中尺度FEM很好地再现了晶体-粘合剂分层和晶间开裂[67]。然而，为了简单起见，在先前的研究中采用了具有有限数量晶体颗粒的2D网格[67，89]。可充分描述宏观尺度行为的3D代表性体积元素的适当尺寸仍有待阐明[67，76]。利用更高分辨率的图像和先进的图像处理技术，具有真实、复杂3D配置的中尺度FEM同时，相变和化学反应动力学可以通过用户子程序集成到细观有限元中，例如。UMAT/VUMAT[92].2.3. XRD、CDI和SAXS2.3.1. XRDXRD本质上是通过散射X射线显示有序/无序晶格中原子的电子密度此外，它还是无损测定晶体结构、相组成、相变和途径、晶粒尺寸、织构、变形（包括应变张量）以及间接测定残余应力和强度的不可缺少的工具XRD可以在多晶和单晶固体以及液体上图3.第三章。（a）(b)1 Hz下发泡过程的动态CT表征，显示从PIV获得的两个断层图像（左）和位移场u（右）。(c)准静态压缩下颗粒堆积的三维轴向位移场。(d)基于PBX样品断层图像的2D FEM模型（左）和在两种体积应变下模拟的2D最大主应变场em（右）。（a）复制自Ref。[70]经Elsevier许可，©2020;（b）和（c）转载自参考文献[73]经Elsevier许可，©2012;（d）转载自Ref.[75]经MDPI许可，©2017。996Y. Zhang等人/工程 沪公网安备31010502000119号X.Σ- 是的ΣΣðÞ简体中文¼例如，为了阐明1，3，5-三硝基六氢-1，3，5-三嗪（RDX）的多晶型结构，1899年首次合成了一种广泛使用的炸药[93]，在常压和高压下，结合单晶和粉末衍射对其多晶型进行了研究。在环境条件下，RDX存在稳定的α-RDX和亚稳定的β-RDX。它们的晶体结构-大部分用单晶XRD[94-98]获得RDX具有复杂的相图，如金刚石压砧单元（DAC）技术[19，40，99]所确定，并且富含多晶型物，包括c-、d-、e-相和最近发现的n-和g -相。RDX[100]。RDX的静态压缩衍射实验主要用DAC进行[40，101，102]。对于冲击压缩，对RDX进行了非原位和原位XRD测量[103，104]，但迄今为止尚未公布后者的数据尽管如此，尽管具有同步加速器或XFEL源的动态XRD已被很好地建立用于冲击压缩[46，56，105，106]，但其在EM中的应用才刚刚出现。为了说明应用瞬态X射线衍射（TXD）研究冲击压缩下EM的可行性，我们对单晶（图4）[102，107]和多晶RDX（图5）进行了XRD模拟，涉及其相变、状态方程和模拟板冲击载荷下的强度。 在模拟中，散射矢量q处的模拟结构的衍射强度I是结构因子F与其复共轭Fω的乘积[108，109]，即，IqFω qFq 2与NFqfjexpiq·rj3第1页其中i表示虚数单位，rj是原子构型中第j个原子的位置;fj是第j个原子的原子散射因子，取决于q。对于a？c RDX在~ 4.0 GPa下的相变[101，110]（图4（a）和（b）），我们计算相应的典型的同步辐射和XFEL光源的单晶衍射图。我们在先进光子源中选择了一个同步波荡器源的一次谐波（周期为18 mm，间隙为13 mm），带宽为8%（图4（g））。值得注意的是，波荡器带宽是可调的，这是单晶衍射的一个优点。单晶衍射图（图4（c）和（d））在相变时显示出显著的差异。此外，在这些实验中可实现的Q分辨率对于部分相位分析而言足够高，尽管其对称性低且单位晶胞大。对于带宽为0.1%的XFEL源，也可以获得合理的单晶衍射图案（图1和图2）。 4（e）和（f））用于部分相位分析。对于多晶衍射，来自变形样品的衍射环携带关于相位和应变以及强度的信息。正如我们最近所证明的[51]，辛格理论[111]可用于从用适当设计的衍射检测几何结构获得的衍射环图5（a）中的几何形状可以被认为是冲击压缩下的动态XRD的示例。w表示衍射平面法线和加载方向之间的角度，并且可以从衍射角和方位角计算。图5（b）中示出了2D衍射检测器上的w的分布。此外，从具有布拉格定律的2D衍射图案中提取的晶格间距dmhkl通过以下方式dmhkldPhkl11- 3cos2wQhkl4其中，dPhkl表示由于等效静水应力而导致的特定衍射平面（hkl）的d间距，并且Q取决于强度，见图4。用单束同步加速器和XFEL源（模拟）对冲击压缩RDX进行单晶XRD测量。(a)α-RDX的晶体结构[107]。(b)c-RDX的晶体结构[102]。分别为α-RDX和c-RDX的“粉红色”同步加速器源（c）和（d）以及XFEL源（e）和（f）的2D XRD图案这里，2h表示衍射角，并且v是方位角。投影在衍射图案上的衍射矢量的角度。(g)代表性的波荡器X射线光谱，其中k表示X射线的波长XFEL：22.68 keV，0.1%带宽（BW）。剩余强度和单晶弹性顺应性。剩余强度t由下式给出： f，其中G为总剪切力模量，并且对于所有晶体系统，参数f对多晶α-RDX样品进行了5%的单轴压缩模拟载荷作用下的平板撞击图5（a）中的几何形状，以及冲击压缩前后的相应衍射图样，如图11和12所示。5（c）和（d）。在环境条件下拟合衍射环，灰产量Q0，导致零剩余强度和体积应变，如预期的那样。对于冲击压缩过程中的衍射图案，获得的剩余强度为t= 0.88 GPa，剪切模量G= 7.83GPa[112]，体积应变为预设的因此，Singh方法可用于获得冲击压缩过程中的体积应变和剩余强度，如金属所示[51]。Y. Zhang et 其他/工程 沪公网安备31010502000119号997ð Þð Þð Þ ð Þ我也是。qLrsre·e·dr.我也是。qre·dr..图五、用25 keV单色X射线对冲击压缩的多晶RDX进行XRD测量（模拟）。（a）w的加载和衍射几何形状，冲击方向和特定衍射平面的法线之间的角度（！n）。（b）垂直于入射X射线束设置的2D衍射检测器上的w的分布（c）未压缩的和（d）5%压缩的α-RDX的XRD图案。2.3.2. CDI单个晶粒或单个颗粒代表EM的最小结构成分，其尺寸、形状和内部缺陷会显著影响EM的性能[113]。例如，对高能炸药冲击波感度的已经尝试通过减少晶体缺陷来降低冲击敏感性[115，116]。解析单粒子结构和动力学与EM的合成、处理和性能直接相关[113，117]。相干XRD成像技术，特别是布拉格CDI（BCDI）和平面波CDI（PCDI），是一组能够实现亚纳米和纳米级空间分辨率的新型X射线显微镜工具[118，119]。 BCDI用于通过轻微旋转晶粒来研究单晶晶粒的3D布拉格节点（图13）。 6（a）），并可以解决其三维结构，三维应变，和内部缺陷，包括孪生和位错[119-122]。在布拉格节点附近的给定散射矢量q处的散射强度Iq可以写为：无机/金属纳米粒子[126，127]的应用对于多晶组件或聚合物基体内的单个晶粒，上述信息可用于推断外部载荷下的晶粒响应和缺陷动力学也可以通过原位BCDI测量得到，如参考文献1所示[119，128]。考 虑 到 BCDI 实 验 对 EM 的 复 杂 性 ， 先 进 的 模 拟 工 具 （ 如GAPD[108]）对于实验设计和数据解释至关重要。图图6（b）示出了用GAPD计算的Cu纳米棒的3D布拉格节点。它的内部孪晶缺陷可以很好地重建（图6（c））。BCDI对于高速或超快测量可能不现实，因为需要样品旋转。此外，入射X射线的亮度受到严格限制，以减轻对EM样本的辐射损伤[129]。利用来自XFEL的强飞秒X射线脉冲，单次激发PCDI已被证明能够以约10 fs的时间分辨率解析瞬态纳米级动力学[125]。图图6（d）呈现具有单个XFEL的细菌的PCDI模式.Z10伊奎雷2伊古乌尔脉冲和相应的重建2D结构[130]。利用单次脉冲多普勒技术研究了蔗糖纳米球的爆炸动力学，发现其具有其中qL<$r<$是晶格的电子密度，s<$r<$是晶体函数，并且Ur表示与它们的理想晶格位置一致的原子的位移场。PCDI旨在通过检测相干散射的X射线[123与BCDI不同，PCDI的散射强度Iq仅由粒子在泵浦后500 fs鉴于蔗糖和有机炸药之间的相似性[132]，这种测量可以扩展到EM。泵浦可以是光学激光器或来自XFEL的X射线脉冲。对于具有分裂和延迟方案的X射线泵和探测器，第一个X射线脉冲可用于点燃和粒子的同时结构分析，而第二个X射线脉冲可在一定延迟下探测点燃/爆炸动力学[131]。这些实验使我们能够解决. Z10伊奎雷.单个粒子的生长、燃烧或爆炸动力学ð6Þ[113，133虽然CDI很少应用于新兴市场，但它确实表现出独特的潜力。通过BCDI研究的单个晶粒可以是孤立的，在多晶组件内，或嵌入聚合物基质（如PBX）中。对于孤立的晶粒，可以获得关于三维结构、三维应变和内部缺陷的信息。此外，方法和实验仪器2.3.3. SAXS在制造和加工过程中引入的固有结构异质性（图7（a）），从纳米到微米长度尺度，可能对EM的安全性和性能产生重大影响[141-144]。此外，委员会认为，2ð5Þ998Y. Zhang等人/工程 沪公网安备31010502000119号见图6。(a)CDI示意图。ki和kf分别是入射和衍射X射线波矢量。q表示衍射波矢量。(b)具有单个孪晶的铜样品的倒易空间的qx，qy和qz是倒易空间的三个基本向量（c）重建（b）。（d）金黄色葡萄球菌的代表性衍射图案和重建图像。（d）复制自Ref。[130]经Springer Nature许可，©2016。见图7。用SAXS测量解决EM的结构不均匀性和动力学。(a)爆轰模型示意图，以及相应的亚微米结构的初始炸药和爆轰产物.炸药的化学分解发生在化学反应区（CRZ）。PN和PCJ分别表示峰值压力和化学反应停止的Chapman-Jouguet（CJ）平面处的压力(b)Guinier方法和Porod（c）使用散射轮廓拟合方法导出的颗粒/空隙尺寸分布函数（PVDF）(d) 纳米EM的典型形态。(e)不同纳米结构的SAXS曲线。(f)由具有优选取向的纳米棒组成的致密系统的各向异性SAXS图案。(c)经国际晶体学联合会许可，转载自参考文献[136]，©2019;（d）转载自参考文献[136]。[137-140]经Elsevier许可，分别为©2016、©2020、©2017和©2017。纳米结构可以形成为外延产物。例如，固体碳被认为是富碳高能炸药爆炸产物的主要成分（图1）。[145表征这种纳米结构的初始或动态加载过程中（它们的形成和生长动力学）是必不可少的，以建立SAXS是敏感的电子密度变化或对比度跨越长度尺度范围从几纳米到微米，是非常适合在这些尺度的EM的结构表征。SAXS测量可以非破坏性地获得丰富的信息，如粒度分布（单分散或多分散）和孔形态（开放或封闭）。对于由颗粒组成的单分散体系Y. Zhang et 其他/工程 沪公网安备31010502000119号999G或具有对比度Dq的空隙，回转半径Rg和表面积S可以通过Guinier方法我是说，我是说，-q2R2=37和波罗德Iq2pDq2q-4S8（图7（b））。这里，I是散射强度，q是散射矢量的模。对于多分散体系，可以通过曲线拟合获得粒度分布（图1）。 7（c））。小角X射线散射已成功应用于获得高能炸药粉末和压制丸粒的表面积和内部空隙及粒度分布[148]。例如，基于同步加速器的原位SAXS测量显示，热循环导致基于1，3，5-三氨基-2，4，6-三硝基苯（TATB）的PBXs中的空隙尺寸更大，空隙浓度更高[149]，并且可以被视为PBX制造中的应用。高度明亮的先进光源也使我们能够研究高度瞬态过程[46，150]。基于同步加速器或XFEL源的时间分辨SAXS（TR-SAXS）有望回答某些未解决的问题，特别是那些由于其高度瞬态性质和缺乏适当的诊断工具而无法解决的例如，进行了基于同步加速器的粉红光束TR-SAXS测量，以探索去离子后碳凝聚的形成机制[151-最近的研究表明，金刚石颗粒在爆炸后300 ns内形成并略微生长[155，156]，尽管需要将TR-SAXS与同时动态XRD结合起来研究上述过程纳米能量材料（nanoEMs）代表了一种有趣的一组具有高能量密度和优异燃烧性能的EM[134，157，158]。纳米EM可以呈现各种形态（图7（d）），如纳米球[159]、纳米棒/纳米线[160]、网络[161]、纳米层[162]和核SAXS也有利于表征这些纳米结构（图7（e）），包括粒度分布和纳米棒半径。值得一提的是，SAXS测量的解释可以从先进的模拟工具中受益匪浅，例如SLADS[165]和GAPD，特别是对于无法用传统模拟/分析方法模拟或建模的纳米结构。这两个代码能够计算大的，各向异性的，和密集的纳米粒子系统的散射。图7（f）示出了由具有优选取向的纳米棒组成的致密系统的模拟各向异性SAXS图案。2.4. 同时多尺度测量由于EM中的许多物理和化学过程本质上是多尺度的，因此非常希望在单个激发期间同时获得多个空间尺度的信息。原则上，可以进行单独的“相同”射击以获取不同空间尺度的数据。然而，实际上，没有两个镜头是完全相同的。同时多尺度测量的方法在实验的严格性方面特别有利，并且可以在不同尺度上桥接测量并揭示不同空间尺度上的物理。三种主要类型的X射线诊断，即成像和衍射/散射（图1（a）），可以通过两种或三种类型的组合（如XRD + PCI和XRD + SAXS）同时实施，以获得微观和中观尺度的信息。此外，传统的大规模技术，如激光干涉测量和应变或应力计，可用于宏观测量。因此，原则上，微，中尺度和宏观尺度测量可以在单次发射期间进行。这里，微米级可以被广义地定义为包括晶格和纳米级。对于XRD + PCI测量，可以分别用XRD和PCI获得微尺度（晶格级）和中尺度（例如，就应变场而言）信息例如，将该技术应用于织构化镁合金AZ 31 [57，166]; XRD表明存在/不存在变形孪晶，而PCI表明应变局部化/离域化，并且应力-应变曲线（从应力计获得）表现出不同的应变速率硬化特征。 这种同时多尺度测量首次严格揭示了变形孪晶诱导应变离域，这反过来又导致镁合金AZ31的应变速率硬化增加。这种非线性使得可以建立合理的跨尺度联系，并揭示潜在的物理学XRD + SAXS测量有助于同时获得纳米颗粒的物相和尺寸此外，同时多尺度测量预计将适用于EM。3. 动态太赫兹和光学诊断3.1. 太赫兹与光谱学THz范围位于电磁波谱上的微波和中红外范围之间[47]，跨越0.3-EM的某些振动模式可以产生独特的THz光谱特征，因此可用于EM的检测和识别[168]。此外，太赫兹光谱可以产生EM的吸收系数和折射率[169]。此外，EM分子构型的微小变化可能导致太赫兹光谱的变化。因此，太赫兹光谱可以反映电磁场对外界刺激的动态化学和物理响应。最近，EM的THz光谱已经扩展到低温[170，171]。例如，图8（a）示出了使用THz时域光谱（THz-TDS）在77-300 K下沿[002]方向测量的单晶RDX的温度依赖性THz吸收光谱。当温度升高到约200 K时，RDX在0.5 THz附近的吸收峰消失，表明可能发生了相变。Melinger等人[170]在13-293 K温度范围内用THz-TDS测量了RDX薄膜的THz吸收光谱在80 K以下，有10个以上的THz吸收峰。在80 图图8（a）中，单晶RDX沿[002]方向在0.5THz附近的吸收峰减弱并消失。Damarla等人[172]报道了在303-573 K下使用THz-TDS测量的Teflon基质中RDX粉末的THz吸收 随着温度的升高，RDX在约0.84 THz处的THz吸收峰在378 K处变宽，表明热引发分解。虽然太赫兹吸收光谱已经在静态压缩下探索了分子晶体[173]，但尚未在动态负载下探索。作为一种线性吸收光谱技术，THz吸收光谱的检测灵敏度应远高于非线性光学光谱技术，如相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）和拉曼光谱[174];因此，THz吸收光谱在研究冲击压缩下的EM方面表现出巨大长期以来，光谱学一直用于研究EM中的动态化学和物理过程，特别是由于其1000Y. Zhang等人/工程 沪公网安备31010502000119号~v 0mJ0;J00exp-kBTrotexp -kBTvib图8.第八条。（a）RDX沿[002]的温度依赖性THz吸收光谱（b）Ar稀释的甲烷冲击波的光谱辐射（GW·m-3·Sr-1）（c）Ar气氛中激光烧蚀硝基甲烷产生的CN分子的发射光谱。L表示纵向位置。(c)经Elsevier许可，转载自参考文献[167]，©2020。时间分辨率高[175]。超快光学吸收和拉曼光谱学，包括UV/可见光吸收光谱学[176]、红外吸收光谱学[177]、拉曼光谱学[178]和CARS[179，180]，可以实现高达探测激光脉冲宽度的时间分辨率（其中最短的可以是几十微米）。飞秒）。在对比，超快发射光谱，CI、NI和H a的线（图8（c））。CN分子的旋转和振动温度是在假设局部热动力学平衡的情况下[191]通过拟合以下方程确定的：qv 0;v00S J0;J00~4.F0hc。G0hcQ包括光学高温测量和LIBS，可以达到超快探测器的时间分辨率极限，例如条纹相机（1-对于基于光电倍增管的高温测量，光谱辐射在不同波长（通道）处被捕获，并且这种发射光谱经常用于根据普朗克定律推导出冲击温度，图8（b）描绘了用40通道光学高温计测量的在Ar中稀释的冲击气相甲烷的光谱辐射;~4500 ns表示点火事件。Bouyer等人[183]使用16通道高温计在几纳秒内捕获硝基甲烷的SDTSDT的不同阶段，包括冲击入口，超爆轰，强爆轰，稳定爆轰，清楚地观察到。在LIBS中，脉冲激光聚焦到样品上并对其进行烧蚀，从而产生用于发射光谱的微等离子体基于分子和原子发射谱线，LIBS主要用于识别和检测EM[184，185]。为了提高LIBS的灵敏度和选择性，还使用了双纳秒激光脉冲[186]或飞秒激光脉冲[187]已尝试使用时间分辨LIBS来了解激光消融过程中EM的化学反应机制[185，188，189]。最近，Zhao等人[167]使用fs LIBS研究了Ar或N2缓冲气体中硝基甲烷的原子和分子发射他们确定了CN、C2和NH分子的电子带和原子跃迁其中，I是发射强度;n、v和J分别是主量子数、振动量子数和转动量子数;Ce是发射常数;h、c和kB分别是普朗克 是跃迁波数; Trot和Tvib分别是转动和振动温度;Qrot是转动配分函数;qv 0;v 00和SJ0J00分别为Franc k-Condon系数t和H o n-London因子，F0和G 0分别为转动能和振动能。由于LIBS仅检测极少量的原子和分子，其能力可通过灵敏的痕量气体技术（如质谱法）扩展[190]。例如，Civilian et al.[190]使用LIBS和选择离子流管质谱法（SIFT-MS）的组合研究了1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7）。通过SIFT-MS鉴定了在激光诱导的微等离子体中形成的12种稳定的气态化合物;通过LIBS检测C、H和N原子以及CN、OH和NO分子。在联合测量的基础上，提出了FOX-7激光击穿的分解机理。激光诱导的微等离子体的快速膨胀可以产生冲击波，其中断微等离子体中的分子形成[31]。例如，Harilal等人[31]研究了在等离子体前沿产生冲击波的激光烧蚀铝中的分子形成机制。在等离子体的早期阶段膨胀，的休克波抑制燃烧In0;n00;v 0;v00;J0;J00¼Ce腐ð9ÞY. Zhang et 其他/工程 沪公网安备31010502000119号1001·ΣΣ4pcosh通过保持周围的氧气远离微等离子体来处理。在冲击波崩溃之后，分子形成变得普遍。使用条纹相机，Hori et al.[191]从空气中的激光诱导微等离子体获得时间分辨的单次激发LIBS光谱Rabasovic等人[192]利用激光诱导等离子体光谱仪（LIBS）跟踪了空气中激光诱导微等离子体快速膨胀过程中的最大亮度位移，获得了35 km s-1因此，LIBS具有潜在的研究下的激光烧蚀的EM。3.2. 超快成像干涉术超快成像干涉测量允许在动态载荷下对位移/速度场进行时间和空间分辨（1D或2D）测量，并且有利于在结构不均匀性和波前粗糙化以 及 可 能 的 热 点 之 间 建 立 联 系 这 种 干 涉 测 量 诊 断 包 括 1D 线VISAR[193]、2D-VISAR[194]和TIDI[195]。TIDI/2D-VISAR是一种测量离面表面（或界面）位移/速度场的方法，其最高时间分辨率可达探测激光脉冲宽度或时间分辨率探测器的极限（飞秒到纳秒）[196，197]。空间分辨率通常为1-10 l m。TIDI的位移灵敏度和VISAR的速度灵敏度近似为10 nm和10 ms-1。探测光路和参考光路（两臂）内置在TIDI系统中，探测光的相位随着样本对外部刺激的响应而动态变化。这两个臂的干涉由2D检测器记录为Ix;y1r2x;y2rx;ycos½2pf0xUx;y];10其中I是光强度，r是反射系数，f0是条纹的初始频率，U是由加载中位移场可以通过求解U来获得，如下所示：dx;y¼k0Ux;y其中k0是探测光的波长，h是入射光的倾斜角。对于2D-VISAR，两个路径收集来自同一目标的光，并且标准具被放置在参考路径中以引起时间延迟。TIDI和2D-VISAR已用于金属的动态加载，这些成功的应用表明它们在