Разработка и оптимизация газоразрядного преобразователя для визуализации пространственно-модулированных полей рентгеновского излучения нано- и пикосекундной длительности и создание приборов неразрушающего контроля на его основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Алхимов, Василий Юрьевич

• Алхимов, Василий Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алхимов, Василий Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВИДИМОЕ.

1.1. Конструктивные особенности газоразрядного преобразователя импульсного рентгеновского излучения в видимое.

1.2. Формирование первичного ионизационного эффекта в газоразрядном преобразователе.

1.3. Основы теории разряда в газе при атмосферном давлении.

1.4. Визуализации скрытого изображения в ГРП.

1.5. Преобразование ультрафиолетового излучения газового разряда в видимое.

ВЫВОДЫ.

2. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРП ДЛЯ РАБОТЫ С ИМПУЛЬСАМИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ.

2.1. Оптимизация конструктивных параметров ГРП.

2.2 Временные параметры ГРП.

2.2.1. Физико-математическая модель формирования плотности ионизации.

2.2.2. Временные параметры газоразрядного преобразователя рентгеновского изображения.

2.2.3. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.

2.3. Роль вторичных механизмов в развитии многоканального импульсного разряда в условиях ГРП.

2.3.1. Влияние ассоциативной ионизации на развитие разряда.

2.3.2. Учет фотоионизации резонансно возбужденных атомов фотонами образующимися при уширении спектральных линий.

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ИНТРОСКОПА НА ОСНОВЕ ГРП ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПОЛЕЙ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ.

3.1. Функциональные схемы интроскопов на основе ГРП.

3.2. Экспериментальная установка для исследований ГРП.

3.3.Двухканальный задающий генератор.

3.4. Генераторы импульсов высокого напряжения источники постоянного высокого напряжения для их питания.

3.5. Источники постоянного высокого напряжения.

4. ПИКОСЕКУНДНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ГРП.

4.1.Импульсный рентгеновский пикосскундный излучатель.

4.1.1. Импульсные рентгеновские аппараты.

4.1.2. Пикосекундный генератор высоковольтных импульсов.

4.2.Мощность и доза рентгеновского излучения пикосекундного излучателя.

4.3. Режим опережения импульсом излучения импульса питания ГРП.

4.4. Квазистационарный режим питания ГРП.

4.5. Документирование изображений.

4.6. Применение пикосекундных установок.

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО ИНТРОСКОПА НА ОСНОВЕ ГРП.

5.1. Система параметров ГРП как рентгено-оптического преобразователя.

5.2. Методика и результаты исследований отпаянных образцов ГРП.

5.3. Испытания наносекундного рентгеновского интроскопа на основе ГРП.

5.4. Блок записи видеоизображений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и оптимизация газоразрядного преобразователя для визуализации пространственно-модулированных полей рентгеновского излучения нано- и пикосекундной длительности и создание приборов неразрушающего контроля на его основе»

Актуальность работы

Рентгеновское излучение применяется в науке и технике уже более 100 лет. Широкое распространение рентгеновские методы нашли в неразрушающем контроле в промышленности и в медицине. Это объясняется высокой информативностью этих методов, которые позволяют получить теневую картину контролируемого объекта. Но рентгеновское излучение обладает существенным недостатком - оно вредно воздействует на живые организмы. Поэтому разработка новых детекторов рентгеновского излучения, обладающих высокой чувствительностью является актуальной задачей.

Развитие рентгеновских методов заключается в непрерывном расширении круга решаемых задач, в повышении требований к скорости и качеству контроля, в требовании снижения радиационных нагрузок и повышения мобильности установок, в появлении новых условий контроля. Одним из наиболее важных направлений является создание усилителей рентгеновского изображения для систем малодозового контроля. Такие системы, например, используются для исследования динамических процессов, протекающих в агрессивных средах, непрозрачных для видимого излучения. Условия радиационного контроля динамических процессов в агрессивных средах требует или увеличение расстояния источник ионизирующего излучения - преобразователь, или защитных экранов для аппаратуры. Как первое, так и второе связано с применением высокочувствительных преобразователей ионизирующего излучения. В связи с угрозами террористических актов необходимо создание оборудования для контроля недозволенных вложений в багаже, которые должны быть безопасны для окружающих и обслуживающего персонала и мобильны. В этом плане перспективно применение газоразрядных преобразователей (ГРП), так как они удовлетворяют следующим требованиям: высокая дозовая чувствительность, большая площадь рабочего поля, низкая себестоимость (что важно при возможности разрушения регистратора). Работа ГРП может быть синхронизирована с интересующей стадией процесса, преобразователь имеет малое время восстановления диэлектрической прочности газа, возможно регулирование времени памяти преобразователя.

Полученные нами результаты дают возможность разрабатывать переносные недорогие системы рентгеновского контроля для применения в промышленности, на транспорте и в медицине.

Цель работы - разработка высокочувствительного газоразрядного преобразователя для визуализации полей импульсного рентгеновского излучения наносекундной и субнаносекундной длительности и создание на его основе малодозового прибора неразрушающего контроля объектов в промышленности, технике, в области обеспечения безопасности перевозок на транспорте и медицине.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование процессов взаимодействия рентгеновского излучения с конструктивными материалами преобразователя, оптимизация конструкции и применяемых материалов для получения скрытого изображения с требуемыми параметрами.

2. Исследование процессов развития газового разряда в условиях множественного развития параллельных лавин, процессов усиления скрытого первичного изображения. Выбор оптимального газового наполнения.

3. Исследование процессов распространения видимого излучения в собственном газе и способов повышения светоотдачи.

4. Исследование характерных времен процессов преобразования импульсного рентгеновского излучения в видимое. Решение проблемы синхронизации коротких рентгеновских импульсов и импульсов питания преобразователя.

5. Разработка структурных и принципиальных схем приборов на основе

ГРП.

6. Проведение экспериментальных исследований параметров ГРП в различных режимах работы и его применимости для решения задач в неразрушающем контроле.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан новый газоразрядный преобразователь, позволивший получить видимые изображения пространственного распределения полей импульсного рентгеновского излучения при длительности импульса излучения менее 500 пс и дозе излучения в плоскости преобразователя не более 10 мкР (2.58-10"9 Кл/кг).

2. Теоретически оценена роль вторичных механизмов в развитии разряда и их вклад в конечный коэффициент усиления первичной ионизации, проведены экспериментальные измерения яркости свечения преобразователей и коэффициента газового усиления, которые удовлетворительно согласуются с теоретическими оценками;

3. Экспериментально исследованы временные параметры преобразователя: время памяти (время, в течение которого сохраняется без рекомбинации первичная ионизационная картина), и зависимость этого параметра от добавок электроотрицательных газов (воздух, кислород), а также зависимость качества получаемого изображения от длительности временной задержки импульса высоковольтного питания относительно импульса рентгеновского излучения; сформулированы технические требования к источникам импульсного высоковольтного питания преобразователей;

4. Реализован квазистационарный режим питания газоразрядного преобразователя при котором импульс рентгеновского излучения длительность менее 1 не накладывается на высоковольтный импульс питания преобразователя, в результате чего повышается коэффициент использования рентгеновского излучения и в 5 раз повышается дозовая чувствительность преобразователя.

Практическая ценность работы

1. Разработанный макет рентгентелевизионного интроскопа на основе ГРП обладает повышенной радиационной безопасностью, уменьшенными габаритами и весом. Продемонстрирована возможность использования интроскопа на основе ГРП для решения ряда актуальных задач в неразрушающем контроле: контроль содержимого багажа, в том числе в нестационарных условиях, регистрация динамических процессов за непрозрачными преградами, противодействие террористической деятельности. Показана перспективность применения прибора для целей медицинской диагностики

2. ГРП позволяет получать изображения объектов контроля при его облучении импульсным рентгеновским излучением с длительностью импульса 100 не и менее при дозе облучения ~ 10 мкр/имп с разрешением 1 линия/мм.

Результаты работы используются в учебном процессе при обучении студентов ТПУ в курсе «Радиационный контроль», а также в ООО НИИ ТКБ «Проект» для разработки экспериментальных образцов приборов неразрушающего контроля на основе газоразрядных преобразователей рентгеновского излучения в видимое.

Научные исследования проводились в рамках гранта РФФИ № 06-0800772, 2006-2007 г.г. «Исследование инициированного рентгеновским излучением плоскостного многоканального разряда в инертных газах при атмосферном давлении».

В работе применен теоретико-экспериментальный метод исследования. Использована теория взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, теория столкновений в слабоионизированной атомарной плазме, теорий столкновений в молекулярной плазме, методы численного решения систем интегро-дифференциальных и дифференциальных уравнений. Основные экспериментальные результаты получены с помощью современных измерительных средств, а также с использованием импульсных излучателей и генераторов питания наносекундной и пикосекундной длительности.

Апробация работы

Результаты работы, отраженные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на международных конференциях:

• VIII Международной научно -практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г. Новочеркасск, 28 сентября 2007 г.

• XIII International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists «Modem techniques and technologies» -Томск, 26-30 марта 2007 г.

• XI международной научно-практической конференции «Качество -стратегия XXI века» - Томск, 6-7 декабря 2006.

• X Международной научно-практической конференции «Качество-стратегия XXI века» - Томск, 7-8 декабря 2005.

• 11th International Conference «Modern technique and technologies МТТ2005» Томск, 29.03-2.04 2005г.

Публикации

Основные результаты исследований отражены в 11 публикациях, в том числе 5 публикаций в рецензируемых научных изданиях.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Алхимов, Василий Юрьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Проведены исследования и оптимизация параметров газоразрядного преобразователя импульсного рентгеновского излучения в видимое, которые позволили построить макет рентгеновского интроскопа для регистрации полей импульсного рентгеновского излучения длительностью 100 не и менее.

2. На основе расчетов сделан вывод о том, что в случае наполнения газового промежутка ксеноном, параметры скрытого электронно-ионного изображения определяются параметрами газового наполнения и влияние переднего и заднего электродов незначительно.

3. Проведены расчеты по оптимизации толщины газового промежутка и типа газа. Показано, что наилучшими параметрами обладает ГРП наполненный ксеноном. При нормальном давлении оптимальный размер толщины газового промежутка составляет около 1 см.

4. Проведен анализ роли вторичных механизмов в развитии газового разряда в условиях ГРП. Сделан вывод о том, что учет этих механизмов должен быть произведен в лавинно-стримерном и стримерном режиме ' работы ГРП.

5. Экспериментально исследованы временные параметры преобразователя: время памяти (время, в течение которого сохраняется без рекомбинации первичная ионизационная картина), и зависимость этого параметра от добавок электроотрицательных газов (воздух, кислород), а также зависимость качества получаемого изображения от длительности временной задержки импульса высоковольтного питания относительно импульса рентгеновского излучения; сформулированы технические требования к источникам импульсного высоковольтного питания преобразователей;

6. Построена и экспериментально исследована модель переносного импульсного рентгеновского интроскопа на базе ГРП, показано, что прибор позволяет получать одноимпульсные изображения объектов контроля при длительности рентгеновских импульсов 100 не и дозе в плоскости расположения объекта контроля 10 мкР. Вес прибора не превышает 15 кг.

7. Экспериментально исследована макет интроскопа на базе ГРП с рентгеновским импульсным излучателем с длительностью импульса рентгеновского излучения 500 пс. Реализован режим работы установки, в котором импульс рентгеновского излучения накладывается на более длинный (150 не) импульс питания ГРП. Показано, что дозовая чувствительность ГРП в этом режиме повышается в 5 раз.

8. Проведены экспериментальные исследования параметров приборов на основе ГРП, которые показали возможность получения изображений объектов различной природы с разрешающей способностью не хуже 1 пар линий/мм и контрастной чувствительностью 8% при дозе облучения объекта контроля не выше 10 мкР.

9. Разработана система регистрации изображений с экрана ГРП на основе видеокамеры с высокочувствительной приемной матрицей, синхронизованной с установкой на основе ГРП, и модуль ввода изображения в персональный компьютер.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке высокочувствительного газоразрядного преобразователя для визуализации полей импульсного рентгеновского излучения наносекундной и субнаносекундной длительности и создание на его основе малодозового прибора неразрушающего контроля объектов в промышленности, технике, в области обеспечения безопасности перевозок на транспорте и медицине.

В процессе работы проведены теоретические исследования процессов взаимодействия импульсного рентгеновского излучения с конструктивными материалами преобразователя, оптимизация конструкции и применяемых материалов для получения скрытого изображения с требуемыми параметрами.

Нами исследованы процессы развития газового разряда в условиях множественного развития параллельных лавин, процессы усиления скрытого первичного изображения, проведен выбор оптимального газового наполнения, исследованы процессы распространения видимого излучения в собственном газе и способы повышения светоотдачи.

Проведенные исследования характерных времен процессов преобразования импульсного рентгеновского излучения в видимое позволили сформулировать требования к параметрам электронных схем импульсного рентгеновского интроскопа и обеспечить решение проблемы синхронизации коротких рентгеновских импульсов и импульсов питания преобразователя.

Разработаны структурные и принципиальные схемы импульсных нано и субнаносекундных рентгеновских интроскопов на основе ГРП и проведены экспериментальные исследования параметров ГРП в различных режимах работы и его применимости для решения задач в неразрушающем контроле. Разработанный макет рентгеновского интроскопа на основе ГРП обладает повышенной радиационной безопасностью, уменьшенными габаритами и весом. Продемонстрирована возможность использования интроскопа на основе ГРП для решения ряда актуальных задач в неразрушающем контроле: контроль содержимого багажа, в том числе в нестационарных условиях, регистрация динамических процессов за непрозрачными преградами, противодействие террористической деятельности. Показана перспективность применения прибора для целей медицинской диагностики

ГРП позволяет получать изображения объектов контроля при его облучении импульсным рентгеновским излучением с длительностью импульса 100 не и менее при дозе облучения —10 мкр/имп с разрешением 1 линия/мм.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алхимов, Василий Юрьевич, 2008 год

1. Гораховский В. JI. Электрический ток в газе. М .: Наука, 1971 г.

2. Лозинский Э. Д. Фирсов О. В. Теория искры. М .: Атомиздат, 1975 г.

3. Физика визуализации изображений в медицине. T.l./Пер. С англ.; Под ред. С.Уэбба. М.: Мир, 1991.;

4. Блинов Н.Н., Жуков Е.М., и др. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма-изображений. —М.: Энергоатомиздат, 1982, 197 е.;

5. Добромыслов В.А., Румянцев С.В. Радиационная интроскопия. — М.: Атомиздат, 1972. 352 е.;

6. Мик Дж., Карэгс Дж. Электрический пробой в газах. / Перевод с англ, под ред. B.C. Комелысова. М.: Изд. иностр. лит., 1960, с. 605.

7. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М.: Госатомиздат, 1961, с. 323.

8. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. / Перевод с Англ. под ред. B.C. Комелысова. М.: Мир, 1968, с. 420.

9. Полойко Ю. Ф. «Системы цифровой рентгенологии». Новости лучевой диагностики, 1998, №4, стр. 40-41.

10. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Под редакцией Холл Дж., Уатта Дж., Пер. с анг. под редакцией Горбунова А. Д. М.: Мир, 1979 г.

11. Численные методы. Под редакцией Савинский В. А. М.: Высшая школа, 1976 г.

12. Месяц Г. А. Генераторы мощных наносекундных импульсов. М .: Сов. радио, 1974 г.

13. Смирнов Б.М. Процессы ионизации при медленных столкновениях атомов. УФН, 1981, Т. 133, 4, с. 569-616.

14. Ванштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. М.: Наука. 1973, с. 144.

15. А. А. Воронов, В. П. Дедов. Принципы построения и проблемы совершенствования плазменных дисплеев, Оптический Журнал, том 66, № 6, 1999

16. Ланшаков В.Н., Кулешов В.К. Яркость свечения газоразрядно-люминесцентных преобразователей импульсного рентгеновского излучения. Дефектоскопия, 1986, 11, с. 58-62

17. Сорокин О.М., Бланк В.А. Фотокатоды с органическими покрытиями для приемников БУФ области спектра 40-110 нм. Оптико-механич. пром., 6, 1969, с. 37-42.19.