同步辐射光源和中子衍射在材料研究中的应用
同步辐射技术在化学领域中的应用

同步辐射技术在化学领域中的应用化学领域中,同步辐射技术是一项非常重要的技术,可以用来研究材料的内部结构和化学反应产物的分析。
同步辐射技术是一种非常高级的技术,因为它可以提供非常高分辨率的图像和分析结果。
同步辐射的原理是什么?同步辐射是一种非常特殊的辐射,它是由带电粒子(例如电子)在加速器中运动时产生的。
当这些带电粒子在非常高速度下旋转时,它们会产生特殊的电磁辐射。
这种辐射具有非常高的能量和灵敏度,可以被用来探测材料的内部构造。
同步辐射和化学领域的应用同步辐射技术在化学领域中的应用非常广泛,可以用来研究各种不同的化学反应,例如光化学反应、催化反应、电化学反应等等。
其中,同步辐射X射线荧光(TXRF)技术和同步辐射X射线吸收( XAFS)技术是化学领域中应用最广泛的两种技术。
TXRF技术可以用来分析材料中极微量的元素,可以提供非常准确的分析结果。
这种技术可以被用来研究各种不同的材料,例如环境污染物、生物材料以及工业催化剂等等。
它的应用范围非常广泛,因为可以提供非常高的分辨率和精度。
XAFS技术可以用来研究材料的表面和内部结构,包括晶体、液体、气体和杂质等。
这种技术可以被用来研究各种不同的化学反应机理,包括催化、氧化还原、光化学反应和电化学反应等等。
在纳米材料方面,XAFS可以提供非常准确的表面和界面信息,对于研究材料的电子结构和化学反应机理非常重要。
同步辐射技术是现代化学研究中必不可少的一项技术,因为可以提供非常高的分辨率和精度。
随着技术的进步,同步辐射领域的发展将会更加迅速,为化学研究和应用开辟更加广阔的空间。
核物理在材料辐照损伤研究中的应用

核物理在材料辐照损伤研究中的应用在当今科技飞速发展的时代,材料科学领域的研究不断取得新的突破,其中核物理在材料辐照损伤研究中的应用具有极其重要的意义。
材料在核反应堆、太空探索、医疗设备等众多领域中会受到各种辐射的影响,导致其性能下降甚至失效。
为了保障这些关键应用的可靠性和安全性,深入研究材料的辐照损伤机制并开发出抗辐照性能优异的材料显得至关重要。
首先,我们来了解一下什么是材料辐照损伤。
当材料暴露在高能粒子(如中子、质子、电子等)的辐射下,粒子与材料中的原子发生相互作用,传递能量,从而导致原子移位、产生缺陷、化学键断裂等一系列微观结构的变化。
这些变化会逐渐累积,影响材料的力学性能、电学性能、热学性能等宏观特性。
核物理在材料辐照损伤研究中的一个重要应用是利用粒子加速器产生的高能粒子束对材料进行辐照实验。
通过精确控制粒子的种类、能量、剂量等参数,可以模拟材料在不同辐射环境下的损伤情况。
例如,在研究核反应堆材料时,可以使用中子源模拟反应堆内的中子辐照环境,观察材料在长期辐照下的微观结构演变和性能变化。
这种实验方法能够为材料的设计和优化提供直接的依据。
同步辐射光源也是核物理研究中的重要工具,在材料辐照损伤研究中发挥着关键作用。
同步辐射光源具有高强度、高准直性、宽频谱等优异特性,能够为材料的微观结构分析提供极其灵敏和精确的手段。
例如,利用 X 射线衍射技术可以研究辐照后材料的晶体结构变化;小角 X 射线散射技术可以探测材料中纳米尺度的缺陷和析出相;X 射线吸收精细结构谱能够获取材料中原子的局域结构和化学环境信息。
这些技术的综合应用使得我们能够深入理解辐照损伤对材料微观结构的影响机制。
核物理中的各种探测技术对于研究材料辐照损伤也是不可或缺的。
例如,正电子湮没技术可以探测材料中的空位型缺陷;电子显微镜技术能够直接观察辐照导致的微观结构变化,如位错、晶界等;离子束分析技术可以确定材料中元素的分布和浓度变化。
这些探测技术相互补充,为全面揭示材料辐照损伤的本质提供了有力的支持。
同步辐射光源的新型应用

同步辐射光源的新型应用同步辐射光源是一种非常重要的科学研究工具,它可以提供极强的光束,并且光束的频率、能量和偏振性能都可以调节。
这些特点使得同步辐射光源在各种领域都有着广泛的应用。
在最近的一些研究中,科学家们发现同步辐射光源还可以被应用于新的领域,本文将对这些新的领域进行探讨。
一、材料科学中的应用同步辐射光源被广泛应用于材料科学中,尤其是对于纳米材料的研究。
一种新型的应用是利用同步辐射光源来探测材料中的电子结构和化学键。
通过利用高能的同步辐射光束来激发材料中的电子,可以得到材料中电子的荷质比,从而更好地了解材料压缩和变形的机制。
此外,同步辐射光源还可以对单个原子进行高空间和时间分辨率的操作,这有助于我们更好地了解材料中的纳米结构和表面性质。
二、医学科学中的应用同步辐射光源在医学领域的应用仍处于起步阶段,但已经陆续出现了一些新型的应用。
一种新型应用是在中医药领域中的应用,利用同步辐射光源对中药材的药理学特性进行研究,从而更好地理解中药的药效机制。
另外,同步辐射光源还可以用于医学成像的研究。
由于同步辐射光源的高亮度和单色性,它可以提供高分辨率、高对比度和高灵敏度的X射线成像,这些特点使得同步辐射光源成为医学成像领域的新型研究工具。
三、环境科学中的应用同步辐射光源在环境科学中的应用通常是用于大气环境和气候变化的研究。
一种新型应用是利用同步辐射光源来研究大气污染的来源和化学组成。
同步辐射光源可以提供高空间和时间分辨率的X射线光束,可以帮助研究人员确定大气污染的来源和类型,从而更好地进行减排和治理。
另外,同步辐射光源还可以用于研究气候变化的机制,通过利用同步辐射光源来掌握大气中温室气体的浓度变化和分布变化,从而更好地了解全球气候的变化情况。
总之,同步辐射光源是一个非常有前景的科学研究工具,其应用领域目前正在不断扩大。
未来,我们可以期待同步辐射光源在更多的领域得到广泛应用,从而推动科学研究的新发展。
同步辐射X射线技术在材料研究中的应用

同步辐射X射线技术在材料研究中的应用同步辐射X射线技术是一种先进的分析工具,它可以在高能光束的作用下对物体进行高分辨率的结构分析,广泛应用于材料科学研究中。
本文将详细介绍同步辐射X射线技术在材料研究中的应用。
一、同步辐射X射线技术简介同步辐射X射线技术是一种利用电子加速器产生高能量X射线的方法。
同步辐射源是具有同步加速器的设备,它能够产生连续的、高亮度、高能量的X射线。
这些X射线具有非常高的单色性和方向性,能够提供非常高的空间和时间分辨率,对物体的表面和内部结构进行分析。
二、同步辐射X射线技术在材料科学中的应用1. 晶体结构研究同步辐射X射线技术可以用于研究晶体的结构。
由于X射线的单色性和方向性,同步辐射X射线技术能够分析晶体的大量结构信息,包括晶格常数、原子位置、电子云和晶体中缺陷等。
这些结构信息对于材料的性能分析和改进非常重要,可以为材料的设计和生产提供重要的参考。
2. 表面和界面分析同步辐射X射线技术还可以用于表面和界面的分析。
X射线的高能量和方向性使得同步辐射X射线技术能够对材料表面和界面进行非常高精度的分析,包括表面和界面的原子结构、化学成分和电子结构等。
这些信息对于材料表面和界面的性能分析和优化非常重要,能够为材料的应用提供重要的支持。
3. 应力分析同步辐射X射线技术还可以用于材料的应力分析。
应力分析对于材料的结构和性能分析非常重要,同步辐射X射线技术能够通过对材料的表面和内部进行X射线散射分析,确定材料的微观应力分布,为材料的设计和分析提供重要的参考。
4. 磁性材料研究同步辐射X射线技术还可以用于磁性材料的研究。
磁性材料具有特殊的磁性行为和微观结构,同步辐射X射线技术能够通过对材料的磁性行为和微观结构进行分析,掌握磁性材料的内在规律和特性,为磁性材料的应用提供重要的支持。
三、结语同步辐射X射线技术是一种非常重要的分析工具,对材料科学的研究和应用具有重要的影响。
本文主要介绍了同步辐射X射线技术在材料研究中的应用,包括晶体结构研究、表面和界面分析、应力分析和磁性材料研究等。
同步辐射成像技术在材料研究中的应用探讨

同步辐射成像技术在材料研究中的应用探讨同步辐射成像技术是一种高精度、高清晰度的成像技术,其分辨率可达到亚微米级别。
该技术利用了加速器产生的同步辐射光,并通过同步辐射光束线将其聚焦在研究对象上,然后通过探测器将辐射光信号转化为图像。
同步辐射成像技术的应用非常广泛,其中材料研究是其中的重要领域之一。
同步辐射成像技术在材料研究中的应用主要体现在以下几个方面:1.材料的内部结构表征同步辐射成像技术可以用来对材料的内部结构进行表征,包括纹理、相位、动力学等。
由于同步辐射成像技术的分辨率非常高,且可以在不同的角度和状态下观察材料,因此可以更加准确地分析材料的内部结构,如晶体结构的缺陷和畸变等。
2.材料的成分分析同步辐射成像技术可以通过对样品在不同能量下的反射、透射、荧光等信号进行测量,进而分析材料的成分。
此外,同步辐射成像技术还可以进行X射线吸收谱、X射线荧光谱等分析,来研究材料的元素分布、化学状态等信息。
3.材料的微观结构成像同步辐射成像技术可以通过对样品的透射信号进行计算重建,得到高分辨率的材料微观结构图像。
利用该技术,可以对材料的晶格结构、晶界、表面、孔隙等进行观察和分析,从而深刻认识材料的物理性质和化学性质。
4.材料的动力学观察同步辐射成像技术可以实现非常快速的成像,可以在毫秒级别以下的时间分辨率内进行材料的动力学观察,例如材料的相变、电荷迁移等过程。
同时,在同步辐射光束线上还可以通过荧光激发方式对样品进行时间分辨率的研究,揭示材料物理和化学过程的动态变化。
总之,同步辐射成像技术在材料研究中有着广泛的应用前景。
它可以在不破坏样品的情况下对于材料进行高效高精度的检测和表征,从而为材料科学的研究提供了重要的手段和方向。
核物理研究中的前沿技术应用

核物理研究中的前沿技术应用在当今科技飞速发展的时代,核物理研究领域也不断涌现出一系列令人瞩目的前沿技术,这些技术不仅推动了核物理学科的进步,也为解决能源、医疗、材料等众多领域的问题提供了新的途径和可能性。
粒子加速器技术是核物理研究中的一项关键技术。
它能够将带电粒子加速到极高的能量,为研究微观世界的基本结构和相互作用提供了强有力的工具。
例如,大型强子对撞机(LHC)就是世界上最强大的粒子加速器之一,通过让质子以接近光速的速度对撞,科学家们发现了希格斯玻色子等重要粒子,进一步验证了标准模型,并为探索新物理打开了窗口。
除了粒子加速器,探测器技术的发展也至关重要。
高灵敏度、高分辨率的探测器能够捕捉到极其微弱的信号,帮助科学家获取更精确的数据。
比如,在高能物理实验中,使用的硅微条探测器可以精确测量粒子的径迹和能量;而在核天体物理研究中,利用闪烁体探测器可以探测到来自遥远天体的微弱核反应信号。
同步辐射光源技术在核物理研究中也发挥着重要作用。
同步辐射光具有高强度、高准直性、宽频谱等优点,可用于研究物质的结构、成分和性能。
通过对原子核和材料的同步辐射实验,能够深入了解原子核的内部结构和材料的微观特性,为开发新型材料和改进核反应堆设计提供理论依据。
在核物理研究中,计算技术的应用也不可或缺。
随着研究的深入,所涉及的数据量和计算复杂度呈指数增长,高性能计算和模拟技术成为解决问题的重要手段。
科学家们利用超级计算机,通过数值模拟来研究原子核的结构和反应过程,预测实验结果,为实验设计提供指导。
例如,量子色动力学(QCD)的数值模拟帮助我们更好地理解强相互作用的本质。
在医疗领域,核物理技术的应用为疾病的诊断和治疗带来了革命性的变化。
正电子发射断层扫描(PET)技术利用放射性同位素标记的化合物,能够在分子水平上检测人体内部的生理和病理过程,为癌症等疾病的早期诊断提供了极其灵敏的方法。
而放射性同位素治疗则通过向患者体内引入特定的放射性同位素,利用其释放的射线杀死癌细胞,达到治疗肿瘤的目的。
中国同步辐射光源的运用

中国同步辐射光源的运用
中国同步辐射光源的主要用途是精确的谱校准,它能够准确的表征类
似紫外实验等的精确光谱。
此外,还可以用于特定领域的高敏感度应用,
如生物医学有机分子的分子表征,分子增强X射线能量损失谱,X射线衍射,X射线吸收近端极化(XANES),X射线吸收谱(XAS),计算机辅助
结构反演,和X射线散射光谱的测试。
它也可以用于X射线共振光谱(XRS),同步辐射衍射(SRD),和同步辐射光谱(SRS)等研究领域的
应用。
此外,中国同步辐射光源也可以用于材料表征,通过表征材料表面结
构与物理电子性质,有助于探究材料的电子结构和物理性质。
此外,还可
以用于薄膜厚度和结构表征,晶体衍射表征,组织形貌表征,液晶排列表
征和量子点表征等领域的应用。
最后,中国同步辐射光源可以用于多种应用,如生物学和化学研究,
材料科学,材料工程,环境应用,药物研究,组织和病毒学,细胞生物学,生物医学工程。
X射线和中子衍射在材料研究中的应用

X射线和中子衍射在材料研究中的应用材料科学与工程是现代科学技术的重要支柱之一,而材料的研究和发展一直都是科学技术的前沿和重要基础。
在材料研究领域中,X射线和中子衍射技术被广泛应用,并且在材料领域中起着至关重要的作用。
一、X射线衍射技术X射线是一种电磁辐射,其波长通常在0.08-0.1纳米之间。
X 射线衍射是一种非常有用的工具,可以用来检测材料中的晶体结构。
在材料的晶体结构中,晶体内部的原子间距和原子位置的分布情况都可以通过X射线衍射来确定。
此外,X射线衍射还可以用来确定材料的晶格常数和晶面结构等重要参数。
X射线衍射技术不仅可以帮助研究材料的结构,还可以帮助研究材料的性能。
通过测量材料的晶体结构,可以更好地理解材料的物理性质。
例如,通过研究金属材料的晶体结构,可以预测材料的塑性和强度等性能,从而为材料的设计和制造提供更准确的指导。
二、中子衍射技术中子衍射是一种利用自然界中存在的中子进行研究的技术。
中子衍射技术与X射线衍射技术一样,也可以用来研究晶体结构和晶格常数等参数。
但是,由于中子在物质中的散射截面比X射线大得多,因此中子衍射技术能够更好地研究材料中较重的原子和氢原子等轻元素。
与X射线衍射技术相比,中子衍射技术的另一个优势是可以帮助研究材料的动态性质。
例如,通过研究材料中原子之间的运动,可以更好地了解材料的热力学和动力学性质。
此外,中子衍射技术还可以用来研究磁性材料中的磁结构,这是X射线衍射所无法实现的。
三、应用领域X射线和中子衍射技术在材料研究中有着广泛的应用领域。
例如:1. 金属材料的研究。
在金属材料制造过程中,常常需要控制材料的微观结构和相变过程等特性。
利用X射线和中子衍射技术,可以更好地掌握金属材料的制造过程和性能调控。
2. 纳米材料的研究。
随着纳米材料的广泛应用,掌握纳米材料的结构和性质变得越来越重要。
利用X射线和中子衍射技术,可以测量纳米材料的晶格常数和晶体结构等参数,从而更好地了解纳米材料的特性。
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学术干货|同步辐射光源和中子衍射在材料研究中的
应用
一、什么是同步辐射光源
同步辐射(Synchrotron Radiation)是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿
弧形轨道运动时放出的电磁辐射,由于它最初是在同步加速器上观察到的,
便又被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射”。长期以来,同步辐射是不受高
能物理学家欢迎的东西,因为它消耗了加速器的能量,阻碍粒子能量的提
高。但是,人们很快便了解到同步辐射是具有从远红同步辐射外到X光范
围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异
性能的脉冲光源,可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研
究。于是在几乎所有的高能电子加速器上,都建造了“寄生运行”的同步辐
射光束线及各种应用同步光的实验装置。
图1 同步辐射装置示意图
二、同步辐射光源特点
与XRD相比,同步辐射的光强强很多,可以做很精细的扫描,高温或高
压条件下同步辐射的优势比常规X光机衍射明显很多。尤其在超高压下,
百万大气压,同步辐射的光斑可以聚焦到亚微米级别,直接测量高压下的
衍射,如果同时再加高温,那就可以研究高压高温下的融化,这是常规衍
射不可企及的。其特点总结如下:
1、高亮度:第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上亿倍。
2、宽波段:同步辐射光的波长覆盖面大,具有从远红外、可见光、紫外
直到X射线范围内的连续光谱。
3、窄脉冲:同步辐射光是脉冲光,有优良的脉冲时间结构,其宽度在
10-11~10-8秒之间可调,脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级,如化学反
应过程、生命过程、材料结构变化过程和环境污染微观过程等。
4、高准直:同步辐射光的发射集中在以电子运动方向为中心的一个很窄
的圆锥内,张角非常小,几乎是平行光束,堪与激光媲美。
5、高纯净:同步辐射光是在超高真空(储存环中的真空度为10-7~10-9帕)
或高真空(10-4~10-6帕)的条件中产生的,不存在任何由杂质带来的污
染,是非常纯净的光。 可精确预知:同步辐射光的光子通量、角分布和
能谱等均可精确计算,因此它可以作为辐射计量,特别是真空紫外到X射
线波段计量的标准光源。
6、其他特性:高度稳定性、高通量、微束径、准相干等。
三、同步辐射光源在材料研究领域的应用
以下以纳米材料为例,介绍同步辐射在材料研究中的应用
纳米材料由于尺寸小、结构复杂,其单体产生的测量信号往往不足,此外
纳米材料往往不像块体材料那样具有良好的长程有序性,所以某些常规实
验室用于表征块体材料的手段在表征纳米体系时可能失效。因而同步辐射
技术可以在纳米体系的结构和性能表征方面发挥重要作用。
(1) 快速X射线精细谱
同步辐射快速X射线吸收精细结构(QXAFS)谱学方法具有高时间分辨的
特征,不仅具备XAFS在纳米结构研究中的优势,而且由于高时间分辨的
特征,极大地扩展了XAFS在纳米结构研究中的应用。利用QXAFS的时
间分辨特性,并结合原位检测技术,QXAFS能够应用于以下一些纳米结
构研究:物理化学变化的动力学过程研究,如纳米颗粒的成核与生长、薄
膜制备;在压力和温度变化下的相变研究,如纳米相催化剂催化过程研究;
随温度和表面环境变化的表面结构演化研究,如纳米表面功能修饰所引起
的表面/界面电子结构变化的研究等。
图2 用同步辐射X射线衍射进行氢化物沉淀的动力学分析
(2) 时间分辨的X射线激发发光光谱(XEOL)
XEOL是一种用同步辐射X射线激发发光样品,然后测量样品发光光谱的
实验手段。由于同步辐射X射线的能量连续可变,可以通过改变X射线的
能量,选择性地激发样品中不同的元素、不同的相,从而确定发光样品的
发光中心。
(3) X射线纳米探针技术
由于高亮度的第三代同步辐射光源和先进X射线聚焦装置的发展,科学家
们已经能够实现尺寸小于100nm的高强度X射线光束。结合谱学分析与
空间聚焦的X射线纳米探针,使科学家们能够在纳米尺度下获得丰富的物
质结构与性能信息。例如,得到纳米材料单体的晶体结构和电子结构等。
图3 用同步辐射衍射观察残余应力
小结
同步辐射技术在材料微观结构的研究方面有着独特的优势。随着国内第三
代同步辐射光源的逐步发展,可以预见未来同步辐射将越来越多地应用于
材料科学的各个领域。
四、什么又是中子衍射
中子衍射(neutron diffraction)通常指德布罗意波长为约1埃左右的中子
(热中子)通过晶态物质时发生的布拉格衍射。它能得到其它手段不能获
取的结构体应变状态信息,将工程师的梦想变成现实。这种技术的主要优
势在于:○1对于大多数工程材料而言,穿透能力在厘米的量级;○2无损测
量,并能监视现实环境和加载条件下残余应力的演化;○3提供容易调整的
空间分辨,适合解决工程部件的应力梯度问题;○4可测定大块材料内宏观
应力、特殊相应力及晶粒间的应力。
图4 中子源反应堆
五、中子衍射的特点
1、中子具有很强的穿透能力,能够测量具有较大体积固体材料的内部参
与应力。
2、当X射线或电子流与物质相遇产生散射时,主要是以原子中的电子作为
散射中心,因而散射本领随物质的原子序数的增加而增加,并随衍射角2ι的
增加而降低,而中子流不带电,与物质相遇时,主要与原子核相互作用,产生
各向同性的散射,且散射本领和物质的原子序数无一定的关系。
3、中子的磁矩和原子磁矩(即电子和原子核的自旋磁矩和轨道磁矩的总
和)有相互作用,其散射振幅随原子磁矩的大小和取向而变化。
六、中子衍射在材料研究领域的应用
中子衍射技术是一种测量材料或工程部件内部的三维应力状态的方法,在
焊接、热加工与热处理过程中残余应力测量方面有着广泛的应用。
1、测量残余应力
中子衍射残余应力的空间分辨可以很容易的与焊接应力场匹配,提供焊接
近表面和一定深度内全部的应力信息,同时也是焊接后热处理工艺的有力
诊断工具。在工程上应用,中子衍射适合大工件的测量,例如长约1m的
线性管道、钢板和火车轨道等。中子衍射近表面测量方法(与表面距离大于
0.1mm)可用于喷丸、表面硬化和抛光等工艺引起的表面塑形变形。
图5 中子衍射测量残余应力示意图
2、测量材料微观应变
中子衍射原位拉伸实验可以得到材料在受载荷情况下的晶格应变,因此许
多工作基于对材料拉伸过程中的晶格应变来研究材料的性能。通过观察和
分析衍射峰的位移、宽化、不对称性,可以得到孪生层错概率、位错密度、
堆垛层错能,这些信息在数量上则对应材料变形的屈服强度和加工硬化的
数值等。
图6 中子衍射图谱
3、测量储氢能力
中子衍射区别与其他衍射的独特之处在于其可以测量材料的储氢能力。由
于氢是最轻的元素,因而X射线衍射很难探测到材料中的氢元素。但同时
氢有着很大的非相干散射截面,可以在含氢材料的中子射谱中产生非常高
的非相干散射背景。通过用氢的同位素氘来替代氢,可以使中子捕获到化
合物或者系统中氢原子,进而测量出材料的储氢性能。
小结
由于中子衍射测量残余应力相比于其他测试技术的独特性,在焊接残余应
力分布、工件热加工与热处理残余应力分布等宏观部件测量方面有着广泛
的应用。此外,通过中子衍射技术,金属材料的变形机理、金属基复合材
料中基体与增强体、多相材料中各相之间的应力变化规律也得到深入的研
究。然而,中子衍射测量残余应力技术不能像X射线衍射装置一样有便携
性,无法在工作现场进行实时测量,在一定程度上也限制了其商业应用。
因而利用中子衍射进行工件的内部残余应力分布的精确测量,并结合X射
线衍射进行表面残余应力的测量,对热加工、热处理及机加工过程中的残
余应力产生及消减的机理做出分析,最终修正并完善有限元模拟是较为可
行的方案。除热加工领域外,中子衍射技术还可拓展到航空制造业等对零
件残余应力有较高要求的相关领域,如发动机零件修复和增材制造的零件,
为其相关残余应力测定标准的制定提供科学依据,具有一定的应用前景。
参考文献
[1] 钟俊, 孙旭辉. 纳米材料的同步辐射研究[J]. 苏州, 苏州大学, 2012,
228-231.
[2] 徐小严, 吕玉延, 张荻, 吕维洁. 中子衍射测量残余应力研究进展[J].
上海, 上海交通大学, 2015, 120-125.