WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Алхимов Василий Юрьевич РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННО-МОДУЛИРОВАННЫХ ПОЛЕЙ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАНО- И ПИКОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ И СОЗДАНИЕ ПРИБОРОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НА ЕГО ОСНОВЕ Специальность 05.11.13. - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск – 2008

Работа выполнена в Томском политехническом университете, г. Томск.

Научный консультант: Кулешов Валерий Константинович., д.т.н. профессор, Томский политехнический университет, г. Томск.

Официальные оппоненты: Алексей Григорьевич Якунин д.т.н., профессор, АлГТУ им. И.И.Ползунова, г.Барнаул Вавилов Станислав Платонович к.т.н., доцент, Томский политехнический университет, г. Томск

Ведущая организация: ООО НИИ ТКБ «Проект», г.Томск

Защита диссертации состоится 30 декабря 2008 г. в 11-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.004.06 Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова по адресу:

656038, Алтайский край, г. Барнаул, пр. Ленина,46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова.

Автореферат разослан: «_» ноября 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Д. Е. Кривобоков 2

Общая характеристика работы

Представляемая работа направлена на решение проблемы разработки приборов для регистрации импульсных полей ионизирующих излучений, обладающих высокой чувствительностью, простотой и технологичностью, и разработки аппаратуры неразрушающего контроля на их 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. Полученные результаты дают возможность разрабатывать переносные недорогие системы рентгеновского контроля для применения в медицине, промышленности, на транспорте Цель работы - разработка и оптимизация высокочувствительного газоразрядного преобразователя рентгеновского излучения 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 1. Разработан новый газоразрядный преобразователь рентгеновского излучения в видимое, позволивший получить изображения пространственного распределения полей импульсного рентгеновского излучения при длительности импульса излучения менее 500 пс и дозе излучения в плоскости преобразователя не более мкР (2.5810-9 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 нс 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 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.

2. ГРП позволяет получать изображения объектов контроля при его облучении импульсным рентгеновским излучением с длительностью импульса до 100 нс 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 № 06-08-00772, 2006-г.г. «Исследование инициированного рентгеновским излучением плоскостного многоканального разряда в инертных газах при атмосферном давлении».

Тезисы выносимые на защиту 1. Использование газоразрядного преобразователя рентгеновского излучения в видимое в качестве детектора импульсного рентгеновского излучения наносекундной длительности позволяет строить приборы неразрушающего контроля работающих в режиме регистрации изображения объекта контроля за один импульс рентгеновского излучения. Доза получаемая объектом контроля составляет 10мкР;

2. Учет процессов ассоциативной ионизации и фотоионизации атомов резонансными фотонами, распространяющимися на крыльях спектральных линий, позволяет провести теоретический расчет коэффициента усиления первичной ионизации и оценить яркость свечения ГРП удовлетворительно согласующиеся с экспериментальными измерениями;

3. Результаты экспериментальных исследований времени памяти преобразователя и зависимость этого параметра от добавок электроотрицательного газа (воздух), а также зависимости качества получаемого изображения от длительности временной задержки импульса высоковольтного питания относительно импульса рентгеновского излучения;

4. Применение квазистационарного режима питания позволяет использовать в качестве рабочего газа воздух и снизить требуемую дозу облучения объекта контроля в 5 раз при сохранении качества получаемого изображения.

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, Post-graduates and Young Scientists «Modern 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 MTT2005» Томск, 29.03-2.04 2005г.

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

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и задачи исследований, кратко излагается содержание глав, отмечается научная новизна работы.

Первая глава посвящена общим принципам работы газоразрядных преобразователей рентгеновского излучения в видимое.

Газоразрядный преобразователь рентгеновского изображения в видимое (ГРП) представляет из себя газовый детектор ионизирующего излучения. Газоразрядные преобразователи разработаны на базе искровых камер, применяемых в ядерной физике для регистрации треков элементарных частиц. В ГРП для визуализации поля рентгеновского излучения используется коллективный разряд, т.е. используется приблизительно 102 – искр на см2, развивающихся одновременно, которые формируют плоское видимое изображение объекта контроля. Таким образом, ГРП сочетает в себе свойства детектора рентгеновского излучения и усилителя яркости видимого изображения.

Схематично современная конструкция отпаянного ГРП с резистивным слоем представлена на рисунке 1.

9 6 8 10 11 3 5 4 Рис. 1. Современная конструкция ГРП.

1 - контактные дорожки из напыленного Al; 2,7 - стеклянные подложки; 3 - прозрачный электрод, пленка SnO2; 4 - газоразрядный объем; 5 – диэлектрическая рамка; 6 - люминофорный слой;

8 - непрозрачный электрод; 9 - защитная пленка из органического полимера; 10 - вывод непрозрачного электрода; 11- резистивный слой; 12– выравнивающий электрод Процесс формирования видимого изображения в газоразрядном преобразователе можно разделить на 4 стадии:

§ Формирование скрытого электронно-ионного изображения, образующегося в газовом объеме преобразователя под действием импульса ионизирующего излучения;

§ Развитие электронных лавин из центров ионизации под действием приложенного импульса высокого напряжения;

§ формирование оптического излучения (видимого и ультрафиолетового) и его распространение в газовом объеме;

§ Конвертирование ультрафиолетового излучения в видимое на люминофорном слое.

Скрытое электронно-ионное изображение образуется в газовом объеме преобразователя под действием ионизирующего излучения. Характеристики рентгеновского излучателя (длительность импульса излучения, его спектральный состав, доза излучения), а также конструктивные параметры ГРП (состав газа, его атомный номер и давление, величина газового зазора, материал и толщина переднего и заднего электродов) оказывают влияние на параметры пространственного распределения образующихся под действием рентгеновского излучения электронно-ионных пар и, следовательно, на интроскопические и временные характеристики ГРП (контраст, нерезкость видимого изображения и его яркость, время памяти и восстановление газа после пробоя).

Нами сделан вывод, что для рентгеновского излучения пробеги электронов образовавшихся в металлических электродах преобразователя малы и ионизация в газе будет происходить в основном за счет взаимодействия рентгеновского излучения с газом.

Исследования показывают, что наиболее предпочтительным является использование в качестве наполнения тяжелых газов с высоким атомным номером.

Во второй главе рассмотрены некоторые аспекты конструирования и оптимизации параметров ГРП для работы с излучением нано и пикосекундной длительности.

Интроскопические параметры ГРП на стадии формирования скрытого электронного изображения при взаимодействии фотонов рентгеновского излучения импульсных аппаратов на основе рентгеновских трубок с взрывной эмиссией с электродами и газом могут быть получены из решения системы интегро-дифференциальных уравнений (1) r r r r (1) [W + 1- K11]F1(x) - K`12F2 (x) = S1(x), r r r r [W + - K22 ]F2 (x) - K21F1(x) = S2 (x), где Fi (x) = Fi (r,W, E) - дифференциальный по направлениям и энергиям E поток электронов и позитронов (индекс 1) и квантов (индекс 2).

В условиях трехмерной геометрии система уравнений (1) зависит от шести переменных, кроме того достаточно велико число различных типов взаимодействий, которые испытывают электроны и кванты при движении в веществе. Таким образом, решение системы является весьма сложной математической задачей, а наличие неоднородного и ограниченного поглотителя, что имеет место в ГРП, еще более усложняет решение.

В связи с этим, решение системы осуществлялось численным методом Монте-Карло.

В качестве основы была взята программа из работы В.И. Беспалова и А.К. Зайцева для расчетов параметров ГРП при высокоэнергетическом облучении и введены добавления для учета эффектов при низких энергиях падающих квантов.

Расчеты при регистрации излучения импульсных рентгеновских аппаратов с максимальной энергией 120 кэВ показали, что:

§ изменения толщины переднего электрода, выполненного из стекла, в пределах от до 6 мм не дает существенного изменения нерезкости и поглощенной энергии.

Отсутствие переднего электрода приводит к увеличению поглощенной энергии в газовом зазоре при сохранении нерезкости.

§ наличие заднего электрода (толщиной 5 мм) приводит к увеличению поглощенной энергии в газе на 9-17% при ксеноновом наполнении, наличие заднего электрода не приводит к значительным изменения нерезкости ГРП.

§ с увеличением атомного номера газа поглощенная энергия в газе значительно увеличивается.

§ с уменьшением атомного номера газа происходит и увеличение нерезкости изображения.

По результатам расчетов сделан вывод о том, что в качестве рабочего газа наилучшим является ксенон и применение дополнительных металлических конвертеров нецелесообразно.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»