Регистрирующая аппаратура для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Жуланов, Владимир Викторович

• Жуланов, Владимир Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жуланов, Владимир Викторович

Введение

Глава 1. Экспериментальная станция «Экстремальные состояния вещества»

1.1. Существующие методы исследования быстропротекающих процессов.

1.2. Источник СИ на накопительном кольце ВЭПП-3.

1.3. Станция «Экстремальные состояния вещества» и возможные эксперименты на ней.

1.3.1. Распределение интенсивности излучения, прошедшего через образец.

1.3.2. Малоугловое рентгеновское рассеяние.

1.4. Требования к регистрирующей аппаратуре.

Глава 2. Рентгеновский детектор ШМЕХ

2.1. Варианты регистрирующей структуры, считывающей электроники

2.2. Описание детектора БГМЕХ.

2.2.1. Обоснование выбраного варианта.

2.2.2. Регистрирующая часть детектора Б1МЕХ.

2.2.3. Считывающая электроника.

2.2.4. Интерфейсная часть детектора БМЕХ.

2.3. Интерфейс детектора Б1МЕХ

2.3.1. Сетевой интерфейс детектора Б1МЕХ.

2.3.2. Программный интерфейс детектора Б1МЕХ.

Глава 3. Синхронизация процессов во время эксперимента

3.1. Быстрый затвор.

3.2. Задача синхронизации событий.

Глава 4. Характеристики детектора

4.1. Пространственное разрешение.

4.2. Временное разрешение.

4.3. Точность измерения сигнала. Динамический диапазон.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Регистрирующая аппаратура для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения»

Стремительное развитие полупроводниковой техники за последние несколько десятилетий открыло много возможностей для создания измерительного оборудования на принципиально новом уровне, для разработки новых методик проведения физических экспериментов и, как следствие, для получения знаний о природе явлений, недоступных ранее. Это особенно относится к исследованию поведения материалов в экстремальных условиях, при которых большие температура, давление и скорость протекания реакции затрудняют прямое наблюдение за изучаемым объектом. В то же время, изучение таких процессов представляет большой интерес как с точки зрения получения характеристик изучаемого вещества в экстремальных условиях, так и с точки зрения получения новых материалов.

Распространённым способом создания экстремальных условий является нагружение изучаемого образца ударной волной, получаемой при детонации взрывчатого вещества (ВВ). При этом экстремальные условия возникают на короткое время и надёжно воспроизводятся. Свойства ВВ, задающего энергетическое воздействие на образец, определяют успех того или иного эксперимента. Поэтому изучение протекания химической реакции в самом ВВ также является важной задачей.

С середины двадцатого века стали активно проводиться исследования в области изучения ударных и детонационных волн с целью получения термодинамических уравнений состояния конденсированных сред в широком диапазоне давлений и температур [1, 2]. Были разработаны различные методы измерения скорости ударных волн, скорости движения поверхности образца, массовой скорости, регистрации давления и температуры, что открыло новые возможности для исследования свойств различных материалов и химически активных веществ при ударно-волновом нагружении.

Для регистрации положения плотных сред, таких как кумулятивная струя или осколки нагружаемого объекта, при проведении исследований ударно-волновых процессов может использоваться рентгеновское излучение [3, 4]. В 1999 году в ВНИИЭФ (г. Саров) были предприняты попытки измерения распределения плотности при детонации зарядов ВВ [3]. Однако, временное (~0,2 мкс) и пространственное (~2 мм) разрешения, получаемые при использовании рентгеновских трубок, недостаточны для исследования структуры фронта детонационной волны.

Другим источником рентгеновского излучения является движение заряженных частиц, например, электронов, по криволинейной траектории (орбите) в накопительном кольце. Такое излучение называется синхротронным и имеет качественно лучшие характеристики по сравнению с излучением рент-геновкой трубки. Синхротронное излучение (СИ) открывает принципиально новые возможности по исследованию детонационных и ударно-волновых процессов.

В Институте ядерной физики СО РАН накоплен большой- опыт использования СИ для проведения экспериментов по малоугловому рентгеновскому рассеянию (МУРР) и дифракгоскопии статических или относительно медленно протекающих процессов горения и фазового перехода по сравнению со скоростью протекания ударно-волновых процессов [5]. Характерные времена для процессов горения составляют ~10"3 с. Для динамической диагностики детонационных и ударно-волновых процессов требуется временное разрешение ~10"9 с и пространственное разрешение ~0,1 мм, что в итоге представляет сложную задачу с точки зрения разработки регистрирующей аппаратуры и методики проведения экспериментов. В решении этих проблем заключалась основная задача настоящей работы.

На защиту выносятся следующие положения:

• разработка регистрирующей аппаратуры для проведения экспериментов по изучению детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения, включающей в себя быстрый рентгеновский детектор Б1МЕХ, техническое средство, ограничивающее интегральных входной поток в детектор;

• разработка методики проведения экспериментов по изучению детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения, включающей в себя постановку экспериментов и синхронизацию процессов во время эксперимента.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Жуланов, Владимир Викторович

Заключение

В качестве главного результата диссертации необходимо указать построение аппаратно-программного комплекса для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения (СИ) и методики проведения таких экспериментов. Основные компоненты комплекса:

• однокоординатный детектор СИ ШМЕХ;

• быстрый затвор;

• датчик положения детонационной волны;

• генератор импульса инициирования детонатора;

• ЭВМ с необходимым программным обеспечением.

Использование специализированной интегральной схемы в качестве ключевого компонента считывающей электроники и ПЛИС в качестве управляющего компонента позволило изготовить компактный многоканальный детектор с высокой плотностью каналов. Основные характеристики изготовленного детектора:

• пространственное разрешение (ширина на полувысоте) — ~0,2 мм;

• динамический диапазон (максимальное отношение сигнал/шум) — -100;

• временное разрешение (время сбора заряда <150 не) позволяет полностью разделить сигнал от последовательных вспышек СИ. При этом временное разрешение методики определяется длительностью вспышки СИ — ~1 не;

• эффективность регистрации квантов с энергией ~20 кэВ составляет более 50%.

Более чем 6-летний опыт работы экспериментальной станции «Экстремальные состояния вещества» показал значительные возможности метода раздельной регистрации излучения отдельных вспышек СИ, как при непосредственном просвечивании образца (импульсной рентгенографии), так и при регистрации малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР). Впервые в мире было проведено исследование поведения многих материалов в экстремальных условиях с использованием СИ. В частности:

• измерены радиусы кривизны фронта детонации цилиндрических прессованных зарядов малого диаметра из гексогена, тротила и сплавов из тротила(50%) и гексогена(50%);

• измерено МУРР при детонации тротила, гексогена и сплавов из троти-ла(50%) и гексогена(50%);

• проведены эксперименты по МУРР с введённым во взрывчатое вещество (ВВ) наноалмазов.

• проведены эксперименты по исследованию сжатия аэрогеля ударной волной.

В заключение автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю, Аульченко Владимиру Михайловичу, за руководство и всевозможную поддержку; Шехтману Льву Исаевичу, Толочко Борису Петровичу, Тену Константину Алексеевичу, Прууэлу Эдуарду Рейновичу, Зинину Эдуарду Ивановичу, Федотову Михаилу Геннадьевичу, Кутовенко Валентине Дмитриевне и Титову Виталию Михайловичу за советы и поддержку на всем протяжении работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жуланов, Владимир Викторович, 2011 год

1. Под редакцией H.A. Златина. Физика быстропротекающих процессов. Москва: Мир, 1971 г., том 1., 520 стр.

2. Г.И. Капель, C.B. Разоренов, A.B. Уткин, В.Е. Фортов. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. Москва: Янус-К, 1996 г., 408 стр.

3. В.Н. Козловский. Информация в импульсной рентгенографии. Снежинск: РФЯЦ-ВНИИТФ, 2006 г., 304 стр.

4. Д.А. Уртьев, P.M. Эриксон, Б. Хейс, M.JI. Паркер Измерение давления и массовой скорости в твердых телах при динамическом нагружении. // Физика горения и взрыва, 1986 г., т. 22, № 5, стр. 113-126.

5. А.Ю. Долгобородов. Исследования ударного сжатия и детонации конденсированных веществ пирометрическими методами. // Экстремальные состояния веществ. Детонация. Ударные волны. Саров: РФЯЦ-ВНИИЯФ, 2003 г., стр. 300-306.

6. В.В.Даниленко, Н.И.Куракин, Н.П. Козерук. Электроконтактная методика регистрации (х, ^-диаграмм. // Физика горения и взрыва, 1989 г., т. 25, № 5, стр. 89-92.

7. А.И. Свалухин. Введение в пространственно-временную регистрацию. Снежинск: ВНИИТФ, 2010 г.

8. А.В. Федоров, А.В. Меньших, Н.Б.Ягодин. Структура детонационного фронта в гетерогенных ВВ. // Химическая физика, 1999 г., т. 18, № 11, стр. 64-68.

9. E.I. Zinin. Stroboscopic method of electro-optical picosecond-resolution chronography and its application in synchrotron radiation experiments. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1983, V. 208, p. 439-441.

10. E.I. Zinin, V.A. Pustovarov. Time-resolved luminescence station on the SR-channel of VEPP-3 storage ring in Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS. // Известия высших учебных заведений, 2006 г., № 4,стр. 165-168.

11. Р.В. Фетисов. Синхротронное излучение. Методы исследования структуры веществ. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2007 г.

12. Домашняя страница ХОР 2.3 http: //www. esrf. ей/ UsersAndScience/Experiments/TBS/SciSoft/xop2.3/

13. Клаус Групен. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск: Сибирский хронограф, 1999 г.

14. В.М. Титов, В.Ф. Анисичкин, И.Ю. Мальков. Исследование процессасинтеза ультрадисперсного алмаза в детонационных волнах. // Физика горения и взрыва, 1989 г., т. 35, № 3, стр. 117-126.

15. А.И.Лямкин, Е.А.Петров, А.П.Ершов и др. Получение алмазов из взрывчатых веществ. // ДАН СССР, 1988 г., т. 302, № 3. стр. 611-614.

16. В.В.Даниленко. Синтез и спекание алмаза взрывом. Москва: Энергоатомиздат, 2003 г., 272 стр.

17. L.A. Feigin, L.I. Svergun Structure analysis by small-angle X-ray andneutron scattering. New-York: Plenum Press, 1987, p. 335.i

18. K.A. Ten, KM. Titov, B.P. Tolochko, I.L. Zhogin, L.A. Lukyanchikov,

19. E.R. Pruuel Growth of condensed carbon nanoparticles at detonation of high explosives. // Physics of Extreme states of Matter-2010. Edited by Fortov V.E. at al. Institute of Problems of Chemical Physics, RAS. Chernogolovka, 2010, p. 93-95.

20. Т. Нага, Y. Тапака, Н. Kitamura, Т. Ishikawa. Observation of hard X-ray-pulses with a highly sensitive streak camera. // Nuclear Instruments and' Methods in Physics research A, 2001, V 467-468, p. 1125-1128.

21. LiJi, J.L. Qu, Z.J.Lan, Q.L. Yang, H.Zhang, H.Niu. Sampling-image streak framing technique and its special streak image tube. 11 Nuclear Instruments and Methods in Physics research A, 2002, V 241-246, p. 241-246.

22. N.S.P. King et al. An 800-MeV proton radiography facility for dynamic experiments. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1999, V 424, p. 84-91.

23. G. Potdevin, U. Trunk, H. Graafsma. Performance simulation of a detector for 4th generation photon sources: The AGIPD. I I Nuclear Instruments and Methods in Physics research A, 2009, V 607, p. 51-54.

24. G. Potdevin, U. Trunk, H. Graafsma. HORUS, an HPAD X-ray detector simulation program. I I Journal of Instrumentation, 2009, V 41, doi: 10.1088/1748-0221/4/09/P0901.

25. F. Sauli. GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors. // Nuclear Instruments and Methods in Physics research A, 1997, V 386, p. 531-534.

26. А. Ф. Бузулуцков. Детекторы излучений на основе газовых электронных умножителей (обзор). // Приборы и техника экспериментов, 2007 г., № 7, стр. 5-30.

27. R. Horisberger, D. Pitzl. A novel readout chip for silicon strip detectors with analog pipeline and digitally controlled analog signal processing. // Nuclear Instruments and Methods in Physics research A, 1993, V 326, p. 92-99.28.29.

28. I.Abt at al. The HI detector at HERA. // Nuclear Instruments and Methods in Physics research A, 1997, V 386, p. 310-347.

29. Cortina Systems LXT972A Single-Port 10/100 Mbps PHY Transceiver, rev. 5.2, 2007. http://www.cortina-systems.com/products/ view/35

30. International standard ISO/IEC 7498-1. Information technology. Open Systems Interconnection. Basic reference model: the basic model.

31. User datagram protocol, http: //tools . ietf.org/html/rfc768

32. Transmission control protocol, http : //tools . ietf. org/html/ rfc761

33. V.M. Aulchenko, V.V.Zhulanov at al. One-coordinate X-ray detector OD-3M // Nuclear Instruments and Methods in Physics research A, 2009, V 603,p. 76-79.

34. V.M. Aulchenko, P.A. Papushev, M.R. Sharafutdinov, L.I. Shekhtman,

35. V.M. Titov, B.P. Tolochko and V.V.Zhulanov. Progress with one-coordinate detector for WAXS. // Nuclear Instruments and Methods in Physics research A, 2009, V 603, p. 69-72.

36. RMII specification. RMII consortium, 1998.

37. Address Resolution Protocol, http: / /tools . ietf. org/html/ rfc826

38. Internet Control Message Protocol, http: //tools . ietf. org/html/ rfc792

39. A. Fasso, A. Ferrari, J. Ranft and P.R. Sala. FLUKA: a multi-particle transport code, CERN-2005-10, INFN/TC-05/11, SLAC-R-773 (2005).

40. A. Fasso et al., The physics models of FLUKA: status and recent developments, Computing in High Energy and Nuclear Physics 2003 Conference (CHEP2003), La Jolla, CA, USA, March 24-28, 2003.

41. A. Sharma, R. Veenhof Properties of some gas mixtures used in tracking detectors http: //consult. cern. ch/writeup/garf ield/ examples/gas/trans2000.html

42. S. Bachmann, A. Bressan, L. Ropelewski, F. Sauli. A. Sharma, D. Mormann. Charge amplification and transfer processes in the gas electron multiplier, Nucl. Instrum. Meth. A 438 (1999) 376.

43. А.Л. Михайлова. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2009 г. стр. 430-434.