Рентгеновская аппаратура и методики для диагностики динамических процессов в многофазных средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, доктор технических наук Пальчиков, Евгений Иванович

• Пальчиков, Евгений Иванович
• доктор технических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор технических наук Пальчиков, Евгений Иванович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1.ИМУЛЬСНЫЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ АППАРАТЫ ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ

РАДИОГРАФИИ.

1.1. Особенности динамической радиографии. Терминология. Классификация

1.2. Методы и приборы для получения мощных рентгеновских импульсов.

1.3. Современные источники импульсного рентгеновского излучения.

1.4. Особенности конструктивных и схемотехнических решений известных импульсных рентгеновских аппаратов.

1.5. Пути повышения КПД и лучевой отдачи ИРА для целей динамической радиографии. Основные задачи следующих глав диссертации.

1.6. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛЬНОТОЧНЫХ

ПОРТАТИВНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ИРА.

2.1. Электротехнический анализ передачи энергии в трансформаторе Тесла с сильно связанными контурами.

2.2. Влияние омических потерь в контурах на работу и энергетические параметры трансформатора Тесла.

2.3. Способ повышения коэффициента связи безжелезных высоковольтных импульсных трансформаторов.

2.4. Компенсация зарядов на вторичной обмотке трансформатора с концентратором потока.

2.5. Модифицированная теоретическая модель трансформатора на основе спирального генератора.

2.6. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3.РАЗРАБОТКА СИЛЬНОТОЧНЫХ ИРА С ПОВЫШЕННЫМ КПД И

ЛУЧЕВОЙ ОТДАЧЕЙ.

3.1. Аппарат для рентгеновской съёмки быстропротекающих процессов в средах малой плотности. Принципиальная схема и особенности построения

3.2. Технические решения безжелезного трансформатора с различными концентраторами магнитного потока.

3.3. Разрядная цепь с неоднородной формирующей линией и раздельным срабатыванием разрядника-обострителя и рентгеновской трубки.

3.4. Экспериментальное исследование характеристик ИРА.

3.5. Реализации аппарата ПИР-100/240 в промышленных вариантах.

3.6. Исследование динамической электрической прочности трансформаторного масла и перфторированных органических соединений.

3.7. Разрядная цепь, совмещённая со скин-экраном и с незаряжаемой обмоткой вторичного контура трансформатора Тесла.

3.8. Модифицированный спиральный генератор высоких напряжений и импульсный рентгеновский аппарат на его основе.

3.9. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4.РЕНТГЕНОВСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ДИНАМИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В МНОГОФАЗНЫХ СРЕДАХ.

4.1. Комбинированное оптико-рентгенографическое излучение кавитации.

4.2. Исследование полидисперсных струйных течений.

4.3. Съёмка движущихся биологических объектов.

4.4. Съёмка объектов с предельно высокими скоростями.

4.5. Измерение яркости и длительности послесвечения усиливающих рентгеновских экранов при интенсивном импульсном возбуждении.

4.6. Рентгеновское исследование многофазных течений в пористых средах.

4.7. Цифровая фильтрация помех от рассеянного излучения.

4.8. Методика исследования многофазных процессов в пористых средах с учётом точных спектральных характеристик источника, материалов и детектора.'.

4.9. Разработка метода количественного рентгеновского анализа состава объектов для исследования быстропротекающих процессов.

4.10. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Рентгеновская аппаратура и методики для диагностики динамических процессов в многофазных средах»

Среди разнообразных методов исследования движения материала и его распределения в пространстве видное место принадлежит рентгеновской методике. В ряде случаев она оказывается практически единственной, позволяющей получить достоверную информацию об исследуемом объекте.

Создание и выпуск образцов новой и специальной техники требует развития новых направлений научного приборостроения и новых методов контроля процессов и изделий. К одному из перспективных в настоящее время направлений относится разработка импульсных рентгеновских аппаратов (далее ИРА), генерирующих мощные короткие вспышки рентгеновского излучения. Под мощным подразумевается импульс, который на дистанции ~1 м от источника за время менее ~ 10"7 сек может создать экспозиционную дозу, достаточную для получения рентгенограммы на обычной рентгеновской плёнке. Такие параметры необходимы для контроля веществ и изделий при динамическом нагружении (ударе, взрыве, пластической и упругой деформации), для исследования быстропротекающих процессов (детонация, впрыскивание топлива в камеру сгорания, кавитация), дефектоскопии в нестационарных и полевых условиях, в условиях радиоактивной фоновой засветки, непрерывного интенсивного производства, при съёмке биологических объектов в движении и т.п. Актуальной также является задача изучения динамики многофазных сред с получением количественных данных по концентрациям компонентов среды в условиях, когда эти среды находятся в экстремальных условиях по давлению, температуре, кинетической энергии в окружении прочных непрозрачных оболочек. Это касается как регистрации быстропротекающих процессов, так и регистрации относительно медленных процессов в случае моделирования условий нефтяного пласта при исследовании фильтрации смесей жидкостей через пористые образцы породы (статические давления до 1000 атм., температуры до 150° С).

Развитию динамической радиографии уделялось значительное внимание государства.

Учитывая особую важность создания и освоения импульсной рентгеновской аппаратуры ГКНТ СССР постановлениями № 403 от 7.09.82 г. и № 543/288 от 21.10.85 г. включил её разработку в перечень продукции, имеющей важное народнехозяйственное значение.

В настоящее время разработка аппаратуры и методик для импульсной и динамической радиографии по областям своего применения может быть отнесена к следующим пунктам в Перечне приоритетных направлений и критических технологий развития науки, технологий и техники Российской Федерации утверждённых Президентом Российской Федерации 21 мая 2006 г. за номером Пр-842 :

• перспективные вооружения, военная и специальная техника - базовые и критические военные, специальные и промышленные технологии;

• безопасность и противодействие терроризму - технологии обеспечения защиты и жизнедеятельности населения и опасных объектов при угрозах террористических проявлений;

• рациональное природопользование - технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых; а также к «Основным направлениям фундаментальных исследований Российской академии наук», утверждённых постановлением Президиума РАН от

01.07.2003 г.:

• 2.2.2-Механика жидкости, газа и плазмы, неидеальных и многофазных сред;

• 2.2.3 - Физико-химическая газодинамика и процессы при высоких плотностях энергии: горение, детонация, взрыв, высокоскоростной удар и взаимодействие потоков направленной энергии с веществом.

В диапазоне 100-1200 кВ имеется острая потребность в экономичных, малогабаритных и вместе с тем мощных по радиационному выходу ИРА, способных найти широкое применение в лабораториях и на производстве. Большинство промыш-ленно выпускаемых ИРА имеют низкий КПД или низкую дозу завслышку, не позволяющую проводить съёмку однократных процессов. Отчасти это связано с тем, что создание относительно низковольтных (менее 300 кВ) ИРА является неблагодарной задачей - с понижением рабочих напряжений лучевая отдача рентгеновских трубок резко падает. Высоковольтные ИРА (600-1200 кВ) для повышения КПД при ограничении размеров устройства требуют оптимизации изоляции.

В связи с прогрессом технологий, в настоящее время в большинстве случаев применения рентгеновских методик уже недостаточно простой визуализации объектов и процессов. Требуются количественные данные - как можно более точные значения концентраций, толщин и состава компонентов изучаемого объекта. Целями настоящей работы являются:

1. Разработка рентгеновской аппаратуры и методик для регистрации динамики движения многофазных сред и для измерения распределения в пространстве объектов сложного состава в реальном времени в замкнутых непрозрачных объёмах (контейнерах, пористых средах).

2. Исследование путей повышения КПД и лучевой отдачи ИРА, разработка и создание на базе проведённых исследований новых ИРА с рабочими напряжениями 100-1200 кВ, генерирующих мощные импульсы рентгеновского излучения.

3. Разработка методов количественного анализа динамики многофазных сред с использованием точных спектральных характеристик рентгеновского источника, поглощающих сред и материала детектора, с использованием широких пучков излучения и двумерного массива детекторов.

Тема диссертационной работы связана с темами НИОКР Института гидродинамики СО РАН (ИГиЛ).

Работа проводилась с 1979 по 2009 г. согласно планам научно-исследовательских работ ИГиЛ по темам: «Разработка новых методов и приборов для регистрации быстропротекающих процессов», «Исследование гидродинамики течений с высокими плотностями энергии в многофазных системах», «Разработка импульсных рентгеновских приборов, экспериментальных методик и цифровых методов обработки изображений для визуализации и измерения гидродинамических параметров течения в гетерогенных средах», «Разработка новых, более точных моделей для описания работы спирального генератора и создание на его основе импульсных рентгеновских аппаратов».

По проектам с государственной регистрацией: гос. регистрации 01.2.007.06894. Проект 3.5.7.2. «Нестационарные течения и свойства гетерогенных сред при интенсивных потоках механической, тепловой и электромагнитной энергии», выполненный по программе Сибирского отделения РАН 3.5.7. «Нестационарные процессы при высоких плотностях энергии в гидродинамике однородных и многофазных сред (структура течений, синтез нанострук6 турных соединений, волновые процессы)» гос. регистрации 01.2.004.06863. Проект 7.2.2. «Гидродинамические и магни-тогидродинамические течения сплошной среды при интенсивных потоках механической, тепловой и электромагнитной энергии», выполненный по программе Сибирского отделения РАН 7.2. «Гидродинамика нестационарных процессов в однородных и многофазных средах при высоких плотностях энергии (структура течений, процессы кумуляции, ударные волны)»

Работа выполнялась также согласно грантам РФФИ № 99-02-17049-а (Исследование генерирования токов и электромагнитного излучения при ударном сжатии материалов с фазовыми и химическими превращениями), № 03-01-00274-а (Экспериментальное исследование динамики кавитационного разрушения высоковязких жидких сред (моделирование механизма взрывного извержения вулканов), в которых автор был исполнителем, и грантов № 97-01-00712 (Рентгенографическое наблюдение влияния вибрации на движение неоднородных несмешивающихся жидкостей через пористые среды.), РФФИ № 01-01-00937 (Определение количественных и качественных параметров динамики гетерогенных сред при помощи оцифрованных изображений), в которых автор был руководителем.

Работа была инициирована, в частности, необходимостью контроля кавитационного разрушения воды при подводном взрыве, контроля образования и разрушения кумулятивных струй, контроля распада струи при впрыске топлива в камеру сгорания, контроля движения смеси жидкостей и газа в пористой среде при моделировании процессов вытеснения в нефтяном пласте.

Изменение приборной, элементной базы и компьютерной техники, уровня и объёма накопленных знаний о процессах взаимодействия рентгеновского излучения с веществом, позволили в последние 10-15 лет сместить акценты в постановке задач о создании новых методов количественной рентгенографии. Использование современных средств регистрации и компьютерных средств обработки изображений, разработка методик измерений, детально учитывающих спектральный состав потока, создаваемого излучателем, спектры поглощения входящих в состав исследуемого объекта материалов и спектральные характеристики детектора, позволило повысить информативность, точность и достоверность измерений без усложнения постановки эксперимента.

Объём и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объём работы: 353 страницы, работа содержит 24 таблицы, 166 рисунков. Библиография включает 228 наименований.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Пальчиков, Евгений Иванович, 2009 год

1. Контроль электрофизических и рентгеновских выходных параметров ИРА сильно затрудняется высоким уровнем электромагнитных помех, короткими временами экспозиции, высокими уровнями мощности дозы.

2. Для уменьшение габаритов и массы ИРА необходимо исследование динамической электрической прочности жидких диэлектриков.