автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Рентгеновская аппаратура и методики для диагностики динамических процессов в многофазных средах

На правах рукописи

Пальчиков Евгений Иванович

РЕНТГЕНОВСКАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДИКИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МНОГОФАЗНЫХ СРЕДАХ

05.11.13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Новосибирск - 2009 г.

003489982

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Артемьев Борис Викторович

доктор технических наук профессор Горшков Вячеслав Алексеевич

доктор технических наук профессор Шкатов Пётр Николаевич

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

Защита диссертации состоится 10'реёр&'АЯ 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 520.010.01 в ЗАО «НИИИН МНПО "СПЕКТР"» по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачёва д.35, стр.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО "СПЕКТР"».

Автореферат разослан . 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета д.т.н. профессор М.В. Королёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. 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 нагруже-нии (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 народнохозяйственное 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, утверждённом 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», утвержденных 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.

Целями настоящей работы являются:

1. Разработка рентгеновской аппаратуры и методик для регистрации динамики движения многофазных сред и для измерения распределения в пространстве компонентов 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 проведенных 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.

Связь работы с государственными программами и НИР

Тема диссертационной работы связана с темами НИОКР Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева 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 плотно-

стях энергии в гидродинамике однородных и многофазных сред (структура течений, синтез наноструктурных соединений, волновые процессы)»

№ гос. регистрации 01.2.004.06863. Проект 7.2.2. «Гидродинамические и магнитогидродинамические 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 № 97-0100712 (Рентгенографическое наблюдение влияния вибрации на движение неоднородных несмешивающихся жидкостей через пористые среды.), РФФИ № 0101-00937 (Определение количественных и качественных параметров динамики гетерогенных сред при помощи оцифрованных изображений), в которых автор был руководителем.

На защиту выносятся:

1. Математические модели высоковольтных трансформаторов для ИРА. В частности:

Математическая модель трансформатора импульсного рентгеновского аппарата и результаты моделирования на ЭВМ работы импульсного резонансного трансформатора с учётом затухания. Проведенное с помощью разработанной модели определение величины оптимального коэффициента связи Ь при работе на первой полуволне, при котором достигается максимальный КПД.

Новый подход к анализу работы разных видов спирального генератора высоковольтных импульсов. Теоретические модели для различных видов спирального генератора, пригодные для инженерных расчётов.

2. Новые принципы построения трансформаторов и разрядных цепей ИРА.

Принцип повышения коэффициента связи и КПД безжелезного высоковольтного импульсного трансформатора путём концентрации магнитного потока с использованием явления резкого скин-эффекта. Экспериментальное и теоретическое исследование КПД спиральных генераторов. Результаты экспериментального исследования динамической прочности ряда перфторирован-ных жидкостей и трансформаторного масла.

Принцип построения разрядной цепи низковольтного ИРА с раздельным срабатыванием разрядника-обосгрителя и рентгеновской трубки, реализованный в виде неоднородной формирующей линии с участком гибкого коаксиала между ударной ёмкостью и трубкой. Анализ работы разрядной цепи ИРА в виде неоднородной формирующей линии и особенности согласования такой

разрядной цепи с портативными рентгеновскими трубками.

Принципиальные решения, использованные при создании высоковольтных импульсных трансформаторов аппаратов ПИР-100/240, ПИР-600М, ПИР-1200 и их промышленных аналогов. В частности, оптимизированная малоиндуктивная разрядная цепь, совмещённая с трансформатором Тесла, скин-экранами и с незаряжаемостью вторичной обмотки

Радикальная модификация спирального генератора с улучшением КПД и формы выходного импульса.

3. Новые рентгеновские методики диагностики динамических процессов в многофазных средах.

Новые импульсные рентгенографические методики исследования быстро-протекающих процессов и результаты, полученные с их помощью при апробации аппарата ПИР-100/240 на реальных прикладных и научно-исследовательских задачах (кавитация, впрыск топлива в камеру сгорания и др.).

Методы 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.

Математические цифровые методы фильтрации помех на изображении от рассеянного излучения, позволившие улучшить точность измерений концентраций компонентов многофазной среды в широких пучках на 1 - 2 порядка.

Методы сканирования и обработки данных в установке моделирования нефтяного пласта с использованием двумерного массива детекторов, позволяющие получать динамику 2Б, ЗБ - распределений вещества в пространстве и томографические сечения.

4. Метрологические основы для методики количественной регистрации быстропротекающих процессов (БПП) в многофазных средах.

Метод количественного анализа быстропротекающих процессов в многофазных средах с использованием точных спектральных характеристик рентгеновского источника, поглощающих сред и материала детектора путём получения двух снимков в разных областях спектра за одну вспышку.

Экспериментально полученные спектры ИРА с различными рентгеновскими трубками и анализ характеристик поля излучения различных рентгеновских трубок, необходимый для количественного исследования быстропротекающих и однократных процессов.

Теоретическая значимость полученных результатов состоит:

в разработке моделей расчёта процессов в трансформаторе Тесла и спиральном генераторе высоковольтных импульсов для ИРА, пригодных для точных инженерных расчётов и оптимизации реальных устройств;

в разработке математического метода цифровой фильтрации помех от рассеянного излучения в широких пучках при регистрации двумерных изображений, позволившего на порядки улучшить точность количественных измерений

концентраций компонентов многофазных сред в замкнутых контейнерах;

в разработке метода расчёта концентраций компонентов многофазной среды с применением точных спектральных характеристик излучателя, объекта и детектора. Данная модель максимально использует известные на настоящий момент данные по взаимодействию излучения с веществом для количественного измерения толщин и концентраций объектов сложного состава.

Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что на основе предложенных новых принципов построения трансформаторов Тесла и разрядных цепей, совмещенных с трансформаторами Тесла, в ИГиЛ были созданы аппараты ПИР-100/240, ПИР-600М, ПИР-1200 [1-5]. После проведенных совместно с МНПО "Спектр" опытно-конструкторских работ был создан ряд импульсных рентгеновских аппаратов Торнадо-100/240, ПИР-600/1200, ПИР-600А, РАПИД, которые выпускались мелкими партиями МНПО "Спектр", под защитой патентов [6-14]. Аппараты затем были адаптированы авторами совместно со специалистами министерства приборостроения (НИИ Интроскопии) для производства и далее выпущены в количестве 200 единиц (ПИР-600А) на заводе СевКавРентген и 50 единиц (РАПИД) в НИИ Геодезия. Созданными ИРА были оснащены баллистические стенды и взрывные лаборатории ряда организаций Министерства машиностроения, Министерства обороны, Министерства общего машиностроения, и других. Созданными ИРА были также оснащены лаборатории и стенды ряда отраслевых научно-исследовательских институтов и институтов Академии наук.

Разработаны методы количественного анализа динамики многофазных сред с использованием спектральных характеристик рентгеновского источника, поглощающих сред и материала детектора. Решена научно-техническая задача по созданию принципиально нового, более точного рентгеновского метода измерения характеристик образцов нефтеносных пород в условиях нефтяного пласта. Более точное определение характеристик позволяет точнее моделировать условия разработки конкретных месторождений и рациональнее использовать природные ресурсы. Промышленные рентгеновские установки по измерению фазовых проницаемостей образцов созданы в России впервые. По сравнению с зарубежными аналогами, измеряющими одномерное распределение плотности, они измеряют 2В и ЗБ распределения концентраций, могут производить томографические срезы.

Научная новизна.

Автором предложены новые принципы построения трансформаторов и разрядных цепей ИРА, защищенные авторскими свидетельствами и патентами Швеции, Англии, Франции. На основе этих принципов впервые в СССР разработан и создан ряд ИРА мягкого излучения (100 - 240 кэВ), по дозовым и мас-согабаритным параметрам превосходящих лучшие зарубежные и отечественные образцы. Создан превосходящий лучшие зарубежные образцы по портативности и автономности ИРА жёсткого излучения на 600 — 1200 кэВ при одинаковой или большей дозе за импульс.

Предложен новый принцип формирования магнитного поля в пространстве, повышения коэффициента связи и КПД безжелезного высоковольтного импульсного трансформатора, основанный на применении проводящих оболочек сложной формы, работающих в условиях резкого скин-эффекта.

Впервые проведён подробный теоретический анализ и оптимизация КПД трансформатора Тесла для работы на первой полуволне выходного напряжения.

Впервые разработаны теоретические модели различных видов спиральных генераторов высоковольтных импульсов, позволяющие проводить расчёты с точностью, пригодной для инженерного проектирования устройств на спиральных генераторах. Предложены и исследованы - теоретически и экспериментально - новые разновидности спиральных генераторов.

Применение созданных ИРА в задачах по изучению кавитационного разрушения воды, кумулятивных струй, впрыска топлива в камеру сгорания позволило получить новые данные о явлениях, недоступные ранее при других методах исследования. Рентгенографические исследования этих процессов были проведены впервые и поэтому вызвали большой интерес как в России, так и за рубежом.

Разработаны рентгеновские методы количественных измерений в многокомпонентных гетерогенных средах в замкнутых контейнерах при работе с широкими пучками. Применение предложенных математических методов цифровой фильтрации рассеянного излучения позволило улучшить точность измерений в широких пучках на 1 - 2 порядка и отказаться при этом от применения растров и узких коллиматоров при регистрации динамических процессов.

Точный учёт спектральных характеристик излучения позволил сократить количество необходимых калибровок и повысил точность измерений.

Полученные томограммы течений решают спорные вопросы о распределении течения и неоднородностей в объёме образца. При этом повышается достоверность исследований.

Все результаты диссертации, выносимые на защиту, являются новыми.

Методы исследования. В работе используются аналитические, численные и экспериментальные методы исследования. В исследовании процессов в трансформаторе Тесла и спиральном генераторе применяются численные методы Рунге-Кута, С.К. Годунова, операторный метод Лапласа; при расчёте концентраций веществ и спектров ИРА - прямое-обратное преобразование Фурье, функциональный анализ, операционное исчисление. Применяются методы математического моделирования и вычислительного эксперимента с помощью персональных ЭВМ. Экспериментальные методы связаны с электрическими и оптическими измерениями импульсных величин, регистрацией, оцифровкой и обработкой изображений, генерацией ударных волн, многофазных потоков веществ, больших токов и высоких напряжений.

Результаты теоретических расчётов и моделирования на ЭВМ проверены измерениями и экспериментами.

Апробация работы. Основные положения настоящей работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

14 и 16 Международные конгрессы по высокоскоростной фотографии и фотонике (Москва, 1980, Страссбург, Франция, 1984); XI Международный симпозиум по разряду и электрической изоляции в вакууме (Берлин, ГДР, 1984); Симпозиум IUTAM по оптическим методам в динамике жидкостей и твёрдых тел (Либлице, Чехословакия, 1984); 109 и 120 собрания Американского акустического общества ASA (США, Остин, 1985, Сан-Диего, 1990); V Международная конференция по генерации мегагауссных магнитных полей (Новосибирск, 1989); 13 Международный конгресс по акустике (Белград, Югославия, 1989); 5 Международный симпозиум по визуализации потоков (Прага, Чехословакия, 1989); Всесоюзный симпозиум "Акустическая кавитация и проблемы интенсификации технологических процессов" (Одесса 1989); 68 конференция Японского общества по инженерной механике JSME (Сендаи, Япония, 1990); III и IV Международные конференции «Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике» (Новосибирск, 1990, Казань, 1995); 14 Международный акустический конгресс (Китай, 1992); IV, V, VI рабочие семинары СНГ «Акустика неоднородных сред» (Новосибирск, 1996, 1998, 2000); IV Сибирский семинар «Устойчивость течений гомогенных и гетерогенных жидкостей» (Новосибирск, 1997); 8 Международный симпозиум по визуализации потоков (Сорренто, Италия, 1998); X и XII Всероссийские семинары «Динамика многофазных сред» (Новосибирск, 1999, 2001); II Международный семинар по электрической проводимости, конвекции и пробою в жидкости CNRS (Гренобль, Франция, 2000); VI Международная научная конференция «Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей» (Санкт-Петербург, 2000); Международный научный семинар «Инновационные технологии - 2001» (Красноярск, 2001); VI Международный корейско-русский симпозиум по науке и технологиям (Новосибирск, 2002); 14 Международная конференция по диэлектрическим жидкостям (Грац, Австрия, 2002); VII трёхгодичный Международный симпозиум по контролю, измерению и визуализации жидкостей (Сорренто, Италия, 2003); V международная конференция по многофазным потокам ICMF (Иокогама, Япония, 2004); XV и XVII Международные конференциии по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 2004, 2008); IV Всемирный конгресс по томографии индустриальных процессов (Аизу, Япония,

2005); II научно-практическая конференция «Проблемы нефтегазового комплекса Западной Сибири и пути повышения его эффективности» (Когалым,

2006); II Международный семинар по томографии процессов (как часть V Международного симпозиума по измерительной технике для многофазных потоков) (Макао, Китай, 2006); IX и XI Международные конференции «Харитонов-ские тематические научные чтения» - Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны (Саров, 2007, 2009); XII Международная конференция по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (Новосибирск, 2008); III Международный семинар по томографии про-

цессов «Обоснование измерений, калибровка и обработка данных» (Токио, Япония, 2009), IV Международный симпозиум по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям (Сочи, 2009); семинар Института ядерной радиационной физики РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров, 2007), семинары взрывных отделов Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН.

Публикации. Основные научные результаты работы изложены в 53 научных статьях в журналах и трудах конференций. Из этого количества 18 статей -в научных журналах из списка ВАК для публикации результатов докторских диссертаций (14 статей - в отечественных журналах, 4 статьи - в ведущих зарубежных журналах). 24 научных работы опубликовано в трудах международных конференций. Имеется пять авторских свидетельств и три зарубежных патента на изобретения в области исследований.

Личный вклад автора в научные результаты диссертации. Автору принадлежат новые принципы построения безжелезных трансформаторов Тесла, технические и конструктивные решения оптимизированных малоиндуктивных разрядных цепей, совмещённых с трансформатором Тесла, скин-экранами, и с незаряжаемой вторичной обмоткой. Данные принципы и решения послужили основой для создания импульсных рентгеновских аппаратов ПИР-100/240, ПИР-600М и их промышленных аналогов.

Автору также принадлежат новые принципы построения модифицированного спирального генератора, на основе которого построен ИРА с высоким КПД.

В установках рентгеновской регистрации течений флюидов в образцах нефтеносной породы автором предложены: 1. модифицированные схемы облучения и регистрации, 2. фильтрация изображений с учётом аппаратной функции для рассеянного излучения, 3. использование точных спектральных характеристик источника, среды и детектора при обработке данных. Автором выполнена постановка экспериментальной части исследования и определения динамической электрической прочности жидких диэлектриков. В работах по моделированию процессов в трансформаторе Тесла и спиральном генераторе, определению спектров ИРА, количественном анализе динамических процессов в многофазных средах автору принадлежат постановка, обоснование задач и полученные при этом основные научные результаты.

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Анализ современного состояния импульсной рентгеновской аппаратуры для динамической радиографии. Основные задачи исследования

В первой главе диссертационной работы даётся краткий исторический обзор работ, посвящённых динамической радиографии. Первые успешные опыты по получению мощных коротких импульсов рентгеновского излучения были проведены в 1938 г. Штеенбеком, Кингдоном и Танисом. Новые пути создания импульсных рентгеновских источников были предложены В.А. Цу-керманом с сотрудниками (1950-1980 гг.). Большое значение для развития представлений о процессах, происходящих в рентгеновских трубках с холодным катодом, оказали работы Г.А. Месяца и его сотрудников. Новое поколение ИРА для динамической радиографии было разработано и внедрено в промышленность благодаря усилиям В.В. Клюева с сотрудниками (1980-1988 гг.). За рубежом пионером промышленного производства ИРА, признанным авторитетом в разработке рентгеновских трубок с автоэлектронной эмиссией и создании малоиндуктивных мощных генераторов импульсных напряжений были У.П. Дайк и сотрудники его корпорации (1950-1970 гг.).

В главе собраны и систематизированы принципы построения и характеристики более 60 типов отечественных и зарубежных ИРА. На основе многостороннего анализа, с учётом технологических возможностей отечественной промышленности, потребности лабораторий в простых, компактных и надёжных импульсных рентгеновских источниках с высокими дозовыми параметрами, в качестве наиболее перспективной выбрана схема с безжелезным трансформатором Тесла и формирующей линией на выходе. Кроме основных технических свойств, таких как КПД, доза за вспышку, длительность и нужный диапазон спектра излучения, к необходимым качествам следует причислить: малое энергопотребление (вплоть до автономных батарей), возможность проводить регламентные работы и смену комплектующих на месте (без транспортировки на завод-изготовитель), независимость от коммуникаций (вода, сжатый газ, силовая сеть), взрывобезопасность при попадании осколков. Сформулированы основные задачи исследований, необходимых для того, чтобы создать ИРА для регистрации быстропротекающих процессов (БПП), превосходящий по параметрам лучшие мировые образцы и при этом столь же удобный и простой в эксплуатации как, например, осциллограф. Выделим некоторые из них:

1. Для поиска оптимальных путей достижения высоких выходных параметров и успешной разработки ИРА необходим теоретический анализ работы трансформатора Тесла на первом пике вторичного напряжения. Необходим также поиск новых путей повышения коэффициента связи трансформатора без ферромагнитных сердечников, без потери электрической прочности изоляции и без увеличения его габаритов.

2. Необходимы новые технические решения в конструкции разрядной цепи портативного ИРА, позволяющие повысить лучевую отдачу диодной рентгеновской трубки с взрывной эмиссией, а также оптимизация разрядной цепи,

конструктивно совмещённой с трансформатором Тесла.

3. Для уменьшения габаритов и массы ИРА необходимо исследование динамической электрической прочности жидких диэлектриков.

4. Спиральный генератор является наиболее простым и наименее исследованным источником импульсов высокого напряжения. Необходима теоретическая модель спирального генератора, пригодная для использования в построении реальных ИРА. Необходима более удобная для работы на первой полуволне схемотехническая модификация спирального генератора, позволяющая получить более высокие значения КПД.

5. Характеристики аппарата необходимо рассматривать в комплексе, поэтому окончательное заключение о возможностях и эксплуатационных качествах аппарата может дать только апробация на реальных научных и прикладных задачах.

Глава 2. Математическое моделирование сильноточных портативных трансформаторов для ИРА

В первых двух разделах главы разработаны математические модели резонансных трансформаторов с ударным возбуждением (трансформаторов Тесла) для питания ИРА (рис. 1).

В нашем случае в начальный момент времени заряд на вторичной ёмкости С2 отсутствует, напряжение на первичной ёмкости Сх равно С/10. Первичная Ь\ и вторичная £2 индуктивности имеют взаимную индукцию М. Коэффициент связи контуров к = М/^ЦГ2 • Для описания переходных процессов в цепях

трансформатора, изображённого на рис. 1, после замыкания ключа £ в момент времени г = О, использовались уравнения, начальные условия, и знаки для токов, записанные в следующем виде:

й2ЦХ Л2 </2С/,

Щ ^+МС2 ^ + л■ с Ёк = _с/ м 1 2 сИ ¿11 1

мс, ^+12с2 ^+я2с2 =-и2 1 Ж2 ^ 2 Л2 1 2 Л

I т - г <Мг

Ш

<И]Х

Л

с/С/,

л

= 0 = 0

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема импульсного резонансного трансформатора с ударным возбуждением

Так как данная система в случае ненулевых Яг не имеет аналитического решения, дня математического моделирования использовались численные методы.

С использованием разработанных моделей методом численного эксперимента проведён подробный анализ работы трансформатора Тесла на первом пике выходного напряжения при высоких коэффициентах связи с учётом затухания.

Выработаны рекомендации по оптимизации трансформаторов и определены величины оптимальных коэффициентов связи при работе на первой полуволне в зависимости от добротности контуров, при которых достигается максимальный КПД [15]. Наиболее важные результаты заключаются в следующем:

а) Для идеальных связанных контуров существует пороговое значение коэффициента связи ко, такое, что при к > ко наибольшая энергия сосредотачивается во вторичной ёмкости в момент первого максимума напряжения на ней. Расчёты дают значение ко = 0,8.

б) При приближении коэффициента связи к 1 время нарастания напряжения ударного трансформатора без потерь неограниченно уменьшается, а КПД приближается к 1 (рис. 2 а).

Рис. 2. (а) - зависимость времени выхода I, вторичного напряжения £/2(0 на первый максимум от коэффициента связи контуров к,

(б) - зависимость коэффициента передачи энергии во вторичную ёмкость (77) на первом максимуме вторичного напряжения от коэффициента связи (к) при различных значениях добротностей первичного {<2\) и вторичного (2У контуров

в) Введение затухания в контурах приводит к уменьшению порогового значения коэффициента связи ко.

г) При к-* 1 омические потери в трансформаторе с затуханием возрастают из-за увеличения циркулирующих в нём противотоков, что приводит к аномально быстрому затуханию высокочастотной компоненты колебаний и резкому падению КПД. В результате для контуров с заданными добротностями & и 01 имеется оптимальное значение < 1, при котором КПД максимален (рис. 2 б).

Оптимальные значения к, для реально достижимых добротностей, однако, весьма высоки, и увеличение связи контуров ударного трансформатора до Ь

остаётся по прежнему главным направлением совершенствования трансформаторных высоковольтных источников и повышения их эффективности.

Обычные безжелезные высоковольтные трансформаторы имеют невысокий КПД, связанный с большим рассеянием магнитного потока в толстом слое изоляции между обмотеами и с низким из-за этого коэффициентом связи. В третьем разделе главы предложен разработанный нами принцип повышения коэффициента связи и КПД безжелезного высоковольтного импульсного трансформатора, основанный на концентрации магнитного потока с использованием явления резкого скин-эффекта. При этом с помощью дополнительных проводящих оболочек (скин-экранов) изменяется распределение магнитного потока в пространстве, что позволяет сконцентрировать магнитный поток внутри объёма, ограниченного вторичной обмоткой, и тем самым существенно увеличить коэффициент связи. Принцип действия скин-экрана показан на рис. 3.

В четвёртом разделе главы предложены варианты конструкций скин-экранов, совмещенных с незаряжаемой вторичной обмоткой. Наличие электрических зарядов на вторичной обмотке дополнительно ухудшает КПД источников на трансформаторе Тесла и повышает вероятность межвитковых пробоев при внезапной коммутации на нагрузку. Создание незаряжаемой вторичной обмотки, подсоединение параллельно вторичной обмотке большой сосредоточенной ёмкости, увеличение коэффициента связи позволяют уменьшить вредное влияние этого фактора.

* * * ?

ш

\Т* ПТ

Рис. 3. Магнитное поле одиночного витка без скин-экрана (а) и со скин-экраном (б); форма тока, протекающего по внутренней (в) и внешней (г) стороне скин-экрана

В последнем, пятом разделе главы предложены новые подходы к анализу работы спирального генератора высоковольтных импульсов. Показано, что спиральный генератор Фитча - Хауэлла является частным случаем трансформатора Белкина - Жарковой. Проведена радикальная модификация модели, предложенной Рюлем и Герцигером, повышающая точность расчёта в несколько раз. В отличие от предыдущих моделей, пригодных для качественных оценок по порядку величины, разработанная модель пригодна для количественных расчётов с высокой точностью [16].

Глава 3. Разработка сильноточных ИРА с повышенным КПД и лучевой отдачей

В главе обсуждаются принципиальные схемы, новые технические решения и конструктивные особенности аппаратов ПИР-100/240, ПИР-600М,

ПИР-600/1200 и других, разработанных и созданных в ИГиЛ СО РАН согласно научным обоснованиям, изложенным в начале второй главы и принципов оптимизации, изложенных в третьей главе. Описывается конструкция и работа разрядных цепей с повышенной лучевой отдачей. Проводятся измерения характеристик созданных ИРА, сравнение приборов с ближайшими аналогами. Исследуются КПД различных вариантов спиральных генераторов. Предлагается новая модель ИРА на основе разработанного модифицированного спирального генератора. Приводится история разработки ИРА в ИГиЛ СО РАН и их внедрения в промышленность. Приводятся параметры промышленных аппаратов Торнадо-100/240, РАПИД, ПИР-600А, созданных на основе технических решений ПИР-100/240 и ПИР-600М.

В первых пяти разделах главы описан импульсный рентгеновский аппарат ПИР-100/240 с рабочим напряжениями 100-240 кВ, удовлетворяющий требованиям к приборам для динамической радиографии и съемки быстропротекающих процессов, перечисленным в первой главе (рис. 4).

Рис. 4. Слева: Схема компоновки узлов аппарата ПИР-100/240. Сх - накопительная ёмкость первичного контура; - управляемый разрядник; Л - двухшинная линия, соединяющая коаксиальные выводы ёмкости С] с держателем разрядника 5]; Ь\ - первичная обмотка, Ь2 - вторичная обмотка; СЭ - скин-экран; 0 - герметичный корпус вторичной обмотки; С2 ~ батарея конденсаторов вторичного контура (ударная ёмкость); - разрядник-обостритель.

Справа: Герметичный проводящий магнитопрозрачный корпус вторичной обмотки, а - окна; б - прорези. Прорези и окна залиты компаундом.

Построенный по трансформаторной схеме, он обладает рядом преимуществ перед аппаратами, использующими генератор Аркадьева - Маркса, главные из которых - быстрая низкоимпедансная разрядная цепь, простота, малое число деталей, малое число деталей с ограниченным ресурсом (всего 3), надёжность [1, 2, 5, 15]. Улучшения параметров аппарата достигнуты благодаря следующим мерам:

КПД трансформатора повышен (до 42% на первой полуволне) за счет уве-

личения коэффициента связи (до ¿=0,79) и уменьшения омических потерь в контурах - с помощью специального скинового концентратора магнитного потока, тщательного выбора геометрии трансформатора и увеличения числа витков первичной обмотки до разумных пределов.

Увеличена лучевая отдача импульсной рентгеновской трубки. Для этого применяется разрядная цепь с неоднородной формирующей линией и раздельным срабатыванием трубки и разрядника-обострителя (рис. 5, слева) [4, 15, 17]. На основе анализа работы разрядной цепи показано, что неоднородная формирующая линия позволяет получать на трубке импульсы с крутизной нарастания и амплитудой напряжения вдвое большей, чем это можно было бы достигнуть с обычной однородной формирующей линией (рис 5, справа). Таким образом, обладая конструктивной простотой, неоднородная формирующая линия имеет параметры, близкие к сложной в изготовлении низкоомной двойной формирующей линии.

Рис. 5. Слева: Компоновка элементов разрядной цепи. С2 - ударная ёмкость; 5 -разрядник-обостритель; КК - коаксиальный кабель; РТ - рентгеновская трубка; О, -коаксиальный проводящий кожух батареи С2; Ь2 - индуктивность вторичного контура.

Справа: Форма электрического импульса создаваемого высоковольтным генератором аппарата на входе длинного кабеля с волновым сопротивлением р (а) и эквивалентная схема источника высоковольтных импульсов, наблюдаемая со стороны рентгеновской трубки, подсоединённой к выходному концу длинного кабеля (б). Хф ть - характерные времена нарастания и спада импульса, гт - момент максимума напряжения, (/его - напряжение на С2.

Совмещение линии задержки, необходимой для формирования участка разрядной цепи, с гибким кабелем длиной до 6 метров для выносной трубки и возможность подсоединения к одному аппарату двух и более выносных трубок создаёт ряд эксплуатационных преимуществ, расширяет область применения ИРА.

Благодаря новым принципам построения, научно обоснованному техническому решению и проведённой оптимизации аппарат ПИР-100/240 и его промышленные аналоги Торнадо-100/240, РАПИД в своем классе рабочих напряжений (100^-240 кВ) по параметрам превосходит лучшие зарубежные образцы,

выпускаемые фирмами Hewlett Packard (Titan Pulserad) (США) И Scanditronics (Швеция), лидирующими в производстве ИРА для регистрации БПП на мировом рынке. При одинаковом или несколько большем выходе дозы за вспышку он имеет в 5 - 8 раз меньший вес и в 10 - 100 раз меньшее энергопотребление. По сравнению с серийно выпускаемыми отечественными аппаратами с рабочими напряжениями 100-300 кВ, аппарат превосходит их по дозовым параметрам в 3 - 10 раз (табл. 1).

Конструкция прибора ПИР-100/240 оригинальна, защищена авторскими свидетельствами и патентами [6-9], и не имеет близких аналогов как среди отечественных, так и среди зарубежных импульсных рентгеновских аппаратов.

Табл. 1

Основные технические характеристики ИРА ПИР-100/240.

№ Характеристика Номинальное значение

1 Ударная ёмкость, пФ 3300 2100 1660

2 Рабочее напряжение, кВ 80-100 100-150 180-240

3 Доза за 1 импульс на расстоянии 1 м от фокуса, мР 1,8 4 7,9 (17,7)*

4 Длительность импульса излучения, измеренная по полувысоте, не От 20 до 80

5 Ток рентгеновской трубки, А От 2-103 до 4-103

6 Диаметр эффективного фокусного пятна 2,3±0,7 мм

7 Время задержки от подачи сигнала пуска до выхода рентгеновского излучения, мке 2±0,1

8 Максимальная частота следования импульсов, мин"1 4

9 Длина кабеля между аппаратом и трубкой, м 0,5-6

10 Габариты (мм) аппарата Пульта управления излучателя 660x280x470 180x100x80 070x250

11 Общий вес, кг 55

12 Потребляемая мощность, Вт В режиме зарядки В дежурном режиме 18 6

♦При использовании термолюминесцентного дозиметра и трубки ИМА5-320Д с

бериллиевым окном.

В разделе 6 главы 3 проведён сравнительный анализ динамической электрической прочности ряда перфторированных органических жидкостей и трансформаторного масла [20-25].

Обнаружена сильная зависимость электрической прочности перфторанов -в 1,5-2 раза - от наличия в них растворённых газов.

Как наиболее перспективный из исследованных перфторанов для использования в качестве жидкого диэлектрика выделен перфтордибутиловый эфир,

динамическая электрическая прочность которого после тщательной очистки и дегазации существенно выше, чем у трансформаторного масла (рис. 6).

Проведённые эксперименты подтверждают стохастический характер пробоя всех жидких диэлектриков, предсказанный теоретически в работах, что необходимо принимать во внимание при проектировании электротехнических устройств, в которых используются жидкие диэлектрики. В этом представлении среднее значение статистического времени запаздывания пробоя выражается через интеграл (?) = , где /ЛЕ) - вероятность пробоя за единицу

времени на единице площади электрода при напряженности поля Е на поверхности электрода. Из набора экспериментальных данных по зависимости </> от приложенного напряжения для известной геометрии межэлектродного промежутка можно найти зависимость ц(Е). В простейшем случае для системы с плоскими электродами ц(Е) = (<7) • 5')"1, где £ - площадь электрода. В реальных

случаях необходимо вычислить распределение электрического поля вдоль поверхности для каждой конкретной конфигурации электродов, используемых в экспериментах, а затем решить обратную задачу о восстановлении подынтегральной функции ц(£). На рис. 6 показаны экспериментально полученные значения функции ц (£) от напряжённости электрического поля.

Рис. 6. Значения функции ц (£), восстановленные из эксперимента, / и 2- аппроксимации функции ц (Е) для перфтордибугилового эфира и трансформаторного масла, соответственно. 3 - значения функции ц (£), восстановленные в наших работах для трансформаторного масла по экспериментальным данным, взятым из других работ.

Полученные данные позволили осмысленно и целенаправленно подойти к оптимизации изоляции высоковольтных цепей ИРА.

В седьмом разделе главы описаны конструктивные решения импульсных рентгеновских аппаратов ПИР-600М, ПИР 1200 с рабочими напряжениями 600 и 1200 кВ, удовлетворяющим требованиям к приборам для динамической радиографии и съемки быстропротекающих процессов, перечисленным нами ранее. В аппаратах применена оптимизированная малоиндукгавная разрядная цепь, совмещённая с трансформатором Тесла, скин-экранами и с незаряжаемой вторич-

0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 i Электрическое поле (МВ/см)

ной обмоткой [5]. Детально конструкция ПИР-600М показана на рис. 7.

Трехэлектродная рентгеновская трубка 1 подсоединена катодом к баку 7 и анодом - к высоковольтному электроду 8. Вторичная обмотка 6 присоединена к электродам 7 и 8 в точках 9 и 10. Электроды 7 и 8 разрядного конденсатора с окнами 13 и прорезями 15 прозрачны для магнитного поля одиночного витка 4 (первичной обмотки) и вторичной обмотки 6. Магнитопрозрачный заземлённый электрод 21 с прорезями 24 и окнами 23 увеличивает ёмкость разрядной цепи вдвое без увеличения внешних размеров всего устройства. Введением переменного шага обмотки 6 достигается то, что ЭДС индукции на витках соответствует электрическому потенциалу в зазоре между электродами 7 и 8 и электрическое поле внутри конденсатора разрядной цепи не искажается. Все цилиндрические электроды 7, 8, 21 являются скин-экранами, выравнивающими магнитное поле вдоль обмотки 6.

Рис. 7. Запатентованная компоновка разрядной цепи аппарата ПИР-600М

В результате предложенных конструктивных решений первичная и вторичная индуктивности, вторичная (ударная) ёмкость и малоиндуктивная разрядная цепь занимают единое пространство в объёме бака. Иными словами, весь трансформатор Тесла (за исключением первичной ёмкости) находится внутри разрядной цепи, и вся конструкция занимает минимальный объём.

Разработанная конструкция позволяет раздельно регулировать магнитные поля, электрические поля трансформатора и параметры (импеданс) разрядной цепи, несмотря на то, что все они занимают единый объём. Таким образом удаётся оптимизировать всё устройство в целом по дозовым, массогабаритным параметрам и по электрической прочности.

По дозовым характеристикам аппараты ПИР-600А и ПИР-1200 (12,6 и 14 мР на расстоянии 1 м за вспышку соответственно) в своем классе напряжений не уступают как отечественным, так и зарубежным ИРА, при этом лучше соответствуя требованиям к ИРА, изложенным нами ранее в первой главе.

Конструктивные решения, примененные в аппаратах серии ПИР-600М, ПИР-

1200 и их промышленном аналоге ПИР-600А, отражены в авторских свидетельствах автора с коллегами и запатентованы в Англии, Франции и Швеции [10-14].

В восьмом разделе главы приводятся результаты испытаний двух видов изготовленных генераторов: спирального генератора Фитча — Хауэлла и трансформатора Белкина — Жарковой - с разным числом дополнительных внешних витков, различными способами коммутации и различными магнитопроводами. Предложен новый тип спирального генератора с повышенным КПД, имеющий амплитуду первой полуволны во много раз большую, чем второй [26].

Для описания работы генераторов разработана новая теоретическая модель, описывающая трансформатор Белкина - Жарковой с разным числом дополнительных внешних витков и, как частный случай, - спиральный генератор Фитча - Хауэлла [16].

Уравнения, описывающие распространение электромагнитной волны в активной и пассивной линиях спирального генератора в безразмерном виде выглядят следующим образом:

Здесь иа,1а, ир, ¡р - нормированные напряжения и токи в активной и пассивной линиях соответственно, N- число витков, /5 - ток стекания вдоль витков, (г'а+'р) - ток через коммутатор и иъ - выходное напряжение генератора. В случае численного решения мы можем учесть как взаимодействие между

ТОКс1А1г' Т Т I тя V тл гтр гтеттр тппл ГТ1Л/ГГР 1Т1ЛплV оыртцнйХ ВИТКОВ:

где кго, к$р, А5а - коэффициенты связи между контурами, замыкающими активную и пассивную линию, контуром замыкающим пассивную линию и спиралью генератора, и контуром замыкающим активную линию и спиралью генератора, соответственно; п - число дополнительных витков внешней шины вокруг генератора, аь - безразмерная собственная частота спирального генератора.

Численные решения распространения волн вдоль активной и пассивной линий находились методом Годунова первого порядка.

Начальные условия записываются как:

иа (х,0) = -1, ир (х,0) = 1, га (х,0) = /Дх,0) = I, = 0 •

Л Л ш 2

Экспериментально и теоретически показано, что простой модификацией спирального генератора (добавлением всего лишь одного витка к внешней шине) можно радикально изменить коэффициент связи контуров трансформатора, форму колебаний на выходе и увеличить КПД устройства (рис. 8).

Для различных сборок с фиксированным внешним размером 21 см и толщиной изоляции на 600 - 1000 кВ экспериментально получены КПД до 40% на первой полуволне и более 50% на второй полуволне.

Выработаны рекомендации по оптимизации и использованию различных видов спирального генератора с повышенным КПД для создания импульсного рентгеновского аппарата.

На основе трансформатора Белкина - Жарковой с одним дополнительным внешним витком изготовлен и испытан макет импульсного рентгеновского аппарата с выходными параметрами, достаточными для регистрации быстро-протекающих процессов.

а

Рис. 8. Схема модифицированного спирального генератора (а), осциллограммы напряжения на выходе генератора до модификации (б) и после модификации (в)

В результате выполненных работ, описанных в третьей главе, были получены предпосылки для успешного промышленного внедрения аппаратов:

Различные модели разработанных в ИГиЛ импульсных рентгеновских аппаратов и их промышленные модификации выпускались малыми партиями в МНПО «Спектр» на базе мастерских НИИИнтроскопии, заводом «Кон-трольприбор» (г. Москва) и заводом СевКавРентген (г. Майский).

Аппарат ПИР-100/240 выпускался в виде промышленных моделей Торнадо-100/240 в количестве более 20 экземпляров (НИИИнтроскопии и завод «Контрольприбор» МНПО «Спектр») и РАПИД (НИИ «Геодезия», г. Красноармейск) в количестве более 50 экземпляров.

НИИИнтроскопии и завод «Контрольприбор» МНПО «Спектр» выпустили ПИР-600/1200, ПИР-бООМв количестве более 15 экземпляров.

Заводом СевКавРентген было выпущено 200 аппаратов ПИР-600А.

Выпущенные аппараты отличались оригинальностью технического реше-

ния, простотой изготовления, а по дозовым, массо-габаритным характеристикам, энергопотреблению и автономности превосходили лучшие отечественные и зарубежные аппараты того же класса.

Таким образом, была решена крупная научно-техническая задача, позволившая создать новое поколение импульсных рентгеновских аппаратов на напряжения 100-240 кВ и 600-1200 кВ и оснастить баллистические стенды и взрывные лаборатории ряда организаций Министерства машиностроения, Министерства обороны, Министерства общего машиностроения и других. Созданными ИРА были также оснащены лаборатории и стенды в ИГиЛ СО АН, ИТПМ СО АН, МВТУ им.Баумана (г.Москва), НИИМаш (г. Дзержинск), НИХТИ (г. Люберцы), НПО "Молния", НИИ "Геодезия" (г. Красноармейск), ФИАЭ имени И.В. Курчатова, ИВТАН, НИМИ, НИИЭФА (г. Ленинград) и др.

Параметры реализованных на практике вариантов разрядных цепей, совмещённых с незаряжаемой обмоткой вторичного контура трансформатора Тесла и скин-экранами, и аппаратов, созданных на основе данной концепции, приведены в табл. 2.

Табл. 2

^ Аппарат Параметр ПИР-600М ПИР-1200 ПИР-600 /1200 ПИР-600А ЧИМ РА-100 РИСК-СК-150 Барьер-200

О внешнего электрода, мм 240 300 300 300 80 94 94

О высоковольтного электрода, мм 160 160 200 220 60 70 60

Б внутреннего электрода, мм 80 - 90 140 5 5 5

Емкость С2, пФ 250 130 290 350 33 36 20

Длина цепи, мм 560 650 650 650 50 56 56

Амплитуда напряжения на трубке, кВ 600 1200 600 600 100 150 200

Доза за одну вспышку на расстоянии 1 м, мР 7 14 9,3 12,6 0,05 0,1 -

Рентгеновские трубки И А-8 ИА-11 ИА-8 ИА-8 ИМА 6-Д ИМА2-150Д -

Глава 4. Рентгеновские методы диагностики динамических процессов в многофазных средах

В первых разделах главы приводятся примеры применения разработанных ИРА для исследования быстропротекающих процессов в многофазных средах -кавитационного разрушения жидкости в волнах разгрузки (рис. 9), впрыска топлива в камеру сгорания двигателя, процесса детонации и высокоскоростного удара, движущихся биологических объектов. Далее проводится обзор возможных экспериментальных методик и установок для количественных измере-

ний динамики движения многофазных флюидов в пористых средах. Предлагаются новые методики сканирования, фильтрации помех от рассеянного излучения, расчётов концентраций с применением точных спектральных характеристик излучателя, объекта и детектора. Описывается конструкция созданной для использования новых методик рентгеновской установки, предназначенной для измерения фазовых проницаемостей образцов нефтеносной породы в условиях нефтяного пласта, пространственной динамики фильтрации флюидов и для томографических измерений. Приводятся результаты экспериментов по измерению параметров многофазных объектов, полученные на основе новых методик на рентгеновских установках с широкими пучками излучения. В последнем разделе для регистрации быстропротекающих процессов в многофазных средах предложена методика получения двух снимков в разных областях спектра за одну вспышку, позволяющая раздельно измерять толщину (концентрацию) каждой фазы. Изучены спектры излучения ИРА, проведён ряд калибровочных экспериментов с помощью цифровой рентгеновской съёмки тест-объектов на люминофоры с памятью (¡п^еРМе), в результате чего создана основа для применения методики количественной регистрации быстропротекающих процессов в многофазных средах с использованием подробных рентгеновских спектральных характеристик ИРА, поглощающих сред и детектора.

Рис. 9. Съемка кавитационного разрушения воды, (а) - гидродинамическая ударная труба: поршень 2 ускоряется сжатым воздухом в вакуумном канале 1 и ударяется о мембрану 3. Волна сжатия в воде 4 отражается от свободной поверхности 5, превращаясь в волну разгрузки, (б) - оптическая картина разрушения через 200 ¡is после отражения от поверхности воды волны с фронтом <2 цв, длительностью 60 ps и амплитудой 250 Бар. (в) - синхронный рентгеновский теневой снимок, (г) - синхронный томографический разрез вдоль оси трубы.

В итоге проведённых исследований, описанных в четвёртой главе, получены следующие результаты:

1. С помощью разработанных рентгеновских методик (теневых, с преобразованием Абеля и томографических) и специально разработанного рентгеновского аппарата ПИР-100/240 удалось в деталях изучить процесс кавитационного разрушения жидкости на поздних стадиях в импульсных волнах разрежения (см. рис. 9) [28-41]. Такое разрушение имеет место вблизи поверхности воды

при подводном взрыве. Получены временные зависимости плотности кавити-рующей среды и порога необратимого разрушения от параметров нагружения. Экспериментально подтверждена физическая модель процесса разрушения, позволяющая предсказывать время релаксации среды к состоянию «насыпной плотности» пузырьков.

2. С помощью аппарата ПИР-100 отлажена методика наблюдения полидисперсных струйных течений при впрыске топлива в камеру сгорания [1, 5, 31]. Было показано, что при высоких степенях сжатия струя топлива продвигается в газ подобно тому, как кумулятивная струя проникает в преграду (рис. 10). Были сопоставлены пульсации, неоднородности струи и режимы впрыска. По внутренней структуре струй, зарегистрированной рентгеновским методом, была построена новая модель смесеобразования для сильно форсированного дизельного двигателя.

Рис. 10. Снимок струи топлива, впрыснутой в сжатый воздух внутри камеры сгорания. Длина струи 60 мм. Аппарат ПИР-100, трубка ИМА6-Д, безэкранная съёмка на плёнку РМ-1.

3. Аппарат ПИР-100/240 наилучшим образом подходит для съёмки биологических объектов в динамике. Из всех измеренных материалов (сталь, дюраль Д16Т, фторопласт, вода) для воды и многофазных биологических объектов наблюдается самая высокая чувствительность и самый широкий диапазон толщин, доступный для контроля - от 10 до 200 мм. Наиболее перспективные области применений - спортивная медицина (рис. 11), военная медицина -баллистика ранений, контроль динамики движения органов во время ударов и резких ускорений, съемка объектов, которые трудно обездвижить, или съемка в движении, на транспорте.

Рис. 11. Деформация кисти руки при выполнении упражнения каратэ в момент разрушения деревянной дощечки

4. Как показали проведённые экспериментальные исследования на динамических объектах при взрыве и высокоскоростном ударе, с помощью аппаратов ПИР-100/240 и ПИР-600М можно проводить съёмки баллистических объектов, ударных и детонационных волн движущихся со скоростями до 6-7 км/с, без заметной динамической нерезкости [5, 15]. При дистанциях объект-регистратор и объект-источник, обычно соблюдаемых во взрывном эксперименте, для аппарата ПИР-100/240 динамическая нерезкость в два раза меньше геометрической, а для ПИР-600М - динамическая нерезкость одного порядка с геометрической. Высокий уровень дозы за импульс и широкий спектр излучения разработанных ИРА позволяет увидеть не только скачки уплотнения в районе фронта детонации, но и

Рис. 12. Снимок взрывного обжатия трубы до стержня, полученный аппаратом ПИР-600М на пленку РМ-1 с усиливающим экраном ЭУВ-2 (Са\У04) при расстояниях фокус - плёнка 1,2 м, объект - плёнка 30 см. В эксперименте металлической труба с диаметром 35 мм и толщиной стенки 0,8 мм обжимается цилиндрическим зарядом взрывчатого вещества с внешним диаметром 70 мм. Видны: труба, ВВ, фронт детонации, разлёт продуктов детонации, ударная волна в продуктах детонации, сплошной стержень, получающийся при схлопывании трубы.

5. Проведено измерение быстрого этапа спада люминесценции для 10 типов наиболее распространенных рентгеновских усиливающих экранов при

высокой мощности дозы ~ 106 Р/с и малой длительности воздействия т= 33

Л

не [42]. Из рассмотренных экранов наилучшим преобразователем для скоростной кинорентгеноскопической системы является экран ЭРС-Ц Сз1:Т1, который обладает высоким значением произведения яркости свечения на время быстрой релаксации и позволяет снимать с частотой до 250000 кадр/с.

6. Предложена с схема регистрации течения флюидов в образце нефтеносной породы в виде серии двумерных изображений, полученных широким пучком излучения (рис. 13) [43-46]. Показано, что данная схема обладает рядом преимуществ. Для получения данных о процессе фильтрации и насыщения используется весь объём образца, а не малая его часть. Это повышает точность измерения концентраций флюидов, позволяет получать томографические сечения и определять количественно степень неоднородности образца и неодно-родностей насыщения в процессе фильтрации.

Приёмник рентгеновского изображения

КоплимированныЙ широкий пучсж излучения

Рис. 13. Сканирование в виде серии сдвинутых двумерных конических проекций

С помощью экспериментальных Ш-, 20- и ЗО-рентгеновских измерений по насыщению образцов флюидом показано, что в представлении данных о водонасыщенности и пористости образцов необходимо указывать степень и характеристики неоднородностей (рис. 14).

04 Й ^^ 0.8 та . . .. _

£0.7 -

| 0.3 з § 0.6 5 п .4 \

\ ч ХЛ^ЧЧЧЧ

X У ■

/ \ ЧЧчч^ч

Рис. 14. Различные виды представления динамики движения границы раздела фаз в пористой среде по результатам рентгеновского сканирования одного и того же процесса: (а) - график насыщения пор всего образца в зависимости от времени, (б) - графики насыщения образца от координаты вдоль оси в различные моменты времени, (в) - двумерные проекции течения, сделанные в разные моменты времени, (г) - 3-мерные поверхности одинаковой концентрации в разные моменты времени.

Расширенные характеристики в описании образца позволяют дополнительно классифицировать образцы, более корректно их сравнивать, а также применять более точные модели для описания фильтрации флюидов и процесса во-донасыщения [47-59].

7. Предложенная и экспериментально проверенная нами процедура цифровой фильтрации помех от рассеянного излучения с учетом функции отклика системы позволяет проводить количественные измерения ослабления излучения образцами на двумерных рентгеновских изображениях в широких пучках без применения коллиматоров и растров, повышая точность измерений на 1 - 2 порядка [54,55].

Суть метода заключается в следующем. Изображение, получаемое на детекторе, представляется в следующем виде: нхо ,у0) = ЯД*, у) 8(хо~х>уо-у)&<1у' где *о> уй ~ координаты точкй на

регистрируемом изображении;/(лу) - искомая функция распределения яркости; F (х,у) - функция, регистрируемая детектором излучения; £ (ху) - функция отклика (рассеяния). Как видно из выражения, регистрируемое изображение является свёрткой искомого изображения с функцией отклика системы. Результат обратного преобразования Фурье над образом искомой функции является искомым изображением без влияния рассеянного излучения (рис. 15). Функции отклика измерялась экспериментально путём съёмки толстой свинцовой пластины с отверстием на фоне кернодержателя с сухим образцом и дальнейшей прецизионной оцифровке с суммированиям сигнала по радиальным кольцам. Влияние объекта исследования (флюида) на форму функции рассеяния выявлено не было. Это объясняется тем фактом, что рассеяние рентгеновского излучения происходит не столько на флюиде, сколько на образце породы и на гораздо более толстых деталях кернодержателя (стенка с прочностью 1000 атм.) и жидкости в обечайке кернодержателя. Результат фильтрации показан на рисунке.

Рис. 15. Распределение яркости в узкой полосе поперек керна с различными коллиматорами: (а) - до фильтрации, (б) - после цифровой фильтрации вклада от рассеянного излучения

8. Применяющиеся на практике рентгеновские методики измерения насыщенности образцов породы при исследовании течений двух- и трёхфазных

флюидов используют предположение о монохроматичности рентгеновского излучения и поэтому обладают малой точностью. Нами предложена методика измерений, использующая точные спектральные характеристики источника, спектров ослабления материалов и поглощения детектора.

Выражение для яркости пикселя в этом случае можно записать следующим образом:

£тах (

1 И1

А = К ] 10{Е)ехр (Я)А*,

7 Р,

1-ехр

Р,

<1Е

где ~(е) — массовый коэффициент ослабления излучения с энергией е для г-р,

го вещества, [см2/г]; Х1 - толщина вещества с номером / вдоль луча, [см]; р. -

плотность 1-го вещества, [г/см3]; 10(е) - начальная интенсивность излучения с

энергией е, то есть спектр рентгеновского аппарата; к - коэффициент, характеризующий преобразование люминофором рентгеновского излучения в оптическое и оптического излучения в сигнал цифровой камеры - параметров, слабо зависящих от энергии рентгеновского излучения.

Для нескольких напряжений на рентгеновской трубке и, соответственно, разных спектров излучения рентгеновского аппарата получим систему уравнений:

\ ' А

Епип

1-ехр] -—{Е)р,с1,

Р>

где п - порядковый номер эксперимента; 1п(е) - спектр излучения рентгеновского аппарата с напряжением на трубке е„\ к„ - коэффициент, определяемый из калибровочного снимка.

Таким образом, получена система интегральных уравнений для определения неизвестных толщин оу, решая систему, можно определить искомые толщины.

В случае нескольких однородных веществ получаем систему интегральных уравнений, для решения которой составляется функционал:

п

где введено обозначение:

£шах

а,-к Г /((£)ехр

- А

1-ехр

к р>

(Ш

£пи'п \

Вектор х = на котором функционал Р {х!рс2,...рс„}имеет мини-

мум, соответствует наилучшему решению данной системы интегральных уравнений. В случае когда рентгеновское излучение ослабляется одним веществом, поиск минимума функционала проводится методом деления отрезка пополам (в результате численных расчётов определено, что Т7 (*]) имеет один минимум на

интересующем нас интервале). В случае нескольких веществ задача поиска минимума функционала решается с использованием метода перебора. Апробация разработанной методики в эксперименте на трёхфазной среде дала результаты, удовлетворяющие ОСТ 39-235-89, чего не могут сделать ни зарубежные, ни отечественные установки, использующие рентгеновское сканирование.

С применением данных методик сканирования и обработки данных организациями НОЦ ЮКОС-Новосибирск, ЗАО «Геологика» и ООО «Гло-Бел Нефте-сервис» произведён по индивидуальным заказам ряд установок, работающих в нефтяных научно-проектных институтах, среди которых ТомскНИПИНефть и ООО «ПечорНИПИнефть» (г. Архангельск). Промышленные рентгеновские установки по измерению фазовых проницаемостей образцов по данной методике созданы впервые. По сравнению с зарубежными аналогами, измеряющими одномерное распределение плотности, они измеряют 2D и 3D распределения концентраций, могут производить томографические срезы.

Таким образом, разработаны и проверены на практике методы количественного 2D- и ЗО-анализа динамики многофазных сред с использованием спектральных характеристик рентгеновского источника, поглощающих сред и материала детектора. Решена важная научно-техническая задача по созданию принципиально нового, более точного рентгеновского метода измерения характеристик образцов нефтеносных пород в условиях нефтяного пласта. Более точное определение характеристик позволяет точнее моделировать условия разработки конкретных месторождений и рациональнее использовать природные ресурсы.

9. Для регистрации быстропротекающих процессов в двухфазных и трёхфазных средах предложена методика получения двух снимков в разных областях спектра за одну вспышку, позволяющая раздельно измерять толщину (концентрацию) каждой фазы (рис. 16) [60-63].

Рис. 16. Методика получения двух снимков в разных областях спектра за одну вспышку. 1 - источник, 2 - объект сложного состава с внутренними неоднородностями, 3 - детектор изображения в мягкой области излучения, 4 - поглотитель, 5—детектор изображения в жесткой области излучения, 6 - калибровочный клин.

Для яркости пикселя на первом детекторе выражение не отличается от при-

4

3 И5

веденного ранее выражения. Для яркости пикселя на детекторе, стоящем за поглотителем, можно записать:

'^Чо^-г/

п

А=Кп |/„(£)ехр

I Л

1-ехр

. Л

аЕ,

- слагаемое, отвечающее за поглощение рентгеновского

где

излучения в первом ретстраторе и в поглотителе. Решая полученную систему интегральных уравнений, можно определить искомые толщины.

С использованием пяти разработанных нами различных импульсных рентгеновских аппаратов с рабочими напряжениями от 100 до 600 кВ проведена серия экспериментов по цифровой рентгеновской съёмке тест-объектов на люминофоры с памятью (1п^еРЫе) на основе ВаРВпЕи. Для всех используемых источников импульсного рентгеновского излучения построены кривые ослабления для четырёх материалов тест-объектов, получены значения коэффициентов ослабления и приведены характерные энергии в спектрах излучения аппаратов после фильтрации на тест-объектах. Показано, что после первого сканирования значительная часть информации остаётся на люминофоре и учёт результатов повторного сканирования позволяет улучшить динамический диапазон и соотношение сигнал/шум изображения.

Решением обратной задачи, с учётом точных спектральных характеристик детектора и калибровочных сред, на основе экспериментальных измерений по ослаблению рентгеновского излучения, определены спектральные характеристики всех разработанных нами (см. табл. 1, табл 2) импульсных источников рентгеновского излучения с рабочими напряжениями от 100 кВ .до 600 кВ (рис. 17). Также выбрана конструкция рентгеновской трубки, удовлетворяющая требованиям на неоднородность интенсивности вспышки и диаграммы направленности [60-63].

5 -1 1 4 - 0 1 1 о

/ 111

/ ^ТТ4

С 100 200 300 400 500 600 Энергия, КэВ

Рис. 17. Спектр излучения аппарата ПИР-600А, полученный решением обратной задачи

Таким образом, создана основа для применения методики количественной регистрации быстропротекающих процессов в многофазных средах с использованием подробных рентгеновских спектральных характеристик ИРА, поглощающих сред и детектора.

Основные научные результаты диссертации

Основным итогом изложенной работы явились:

• создание новой рентгеновской аппаратуры для диагностики динамических процессов;

• создание новых мощных импульсных рентгеновских аппаратов с повышенным КПД и лучевой отдачей с рабочими напряжениями 100-1200 кВ;

• создание новых рентгеновских методик для количественной регистрации динамических процессов в многофазных средах.

Были решены следующие задачи.

1. Проведено теоретическое моделирование источников высоковольтных импульсов для ИРА. На основе моделирования предложены наилучшие (оптимальные) решения для конкретных конструкций аппаратов. Разработаны математические модели высоковольтных импульсных трансформаторов для питания импульсных рентгеновских аппаратов. Впервые проведен подробный анализ работы трансформатора Тесла на первом пике выходного напряжения при высоких коэффициентах связи с учётом затухания. Показано, что для контуров с заданными добротностями имеется свое оптимальное значение коэффициента связи, при котором КПД максимален. Разработаны новые теоретические модели, описывающие трансформатор Белкина - Жарковой с разным числом дополнительных внешних витков и, как частный случай - спиральный генератор Фитча - Хауэлла. Модели обладают высокой точностью, достаточной для инженерных расчетов.

2. Предложены новые принципы построения ИРА, позволившие увеличить КПД и лучевую отдачу. Для повышения КПД, коэффициента связи обмоток и формирования магнитных полей в безжелезном трансформаторе были предложены принципиально новые элементы в виде проводящих оболочек, работающих в условиях резкого скин-эффекта. Для ИРА на напряжения 100+240 кВ было предложено решение разрядной цепи с раздельным срабатыванием раз-рядника-обострителя и рентгеновской трубки в виде неоднородной формирующей линии с участком гибкого коаксиала между ударной ёмкостью и трубкой, повысившее лучевую отдачу и надежность ИРА. Для высоковольтной серии аппаратов на 600+1200 кВ предложена разрядная цепь в виде формирующей линии, совмещённой с трансформатором Тесла с незаряжаемой вторичной обмоткой и скин-экранами в едином объёме, что повысило КПД устройства, уменьшило его вес и габариты. Создан модифицированный спираль-

ный генератор с повышенным КПД (до 35 % - 53 %), на основе которого изготовлен ИРА с параметрами, подходящими для регистрации быстропротекаю-щих процессов. Проведено исследование динамической электрической прочности жидких диэлектриков. На основе этих решений, результатов теоретических расчетов и оптимизации параметров всего устройства в целом были разработаны ИРА на рабочие напряжения 100+240 и 600+1200 кВ.

3. Созданы новые импульсные рентгеновские аппараты. Разработанные на основе предложенных принципов импульсные рентгеновские аппараты ПИР-100/240, Торнадо-100/240, РАПИД, ПИР-600М, ПИР-1200, ПИР-600/1200, ПИР-600А были конструктивно адаптированы для промышленного производства и выпускались серийно, тиражами от 10-50 до 200 экземпляров. Была решена крупная научно-техническая задача, позволившая создать новое поколение импульсных рентгеновских аппаратов на напряжения 100-240 кВ, 600-1200 кВ и оснастить баллистические стенды й взрывные лаборатории ряда организаций Министерства машиностроения, Министерства обороны, Министерства общего машиностроения и других. По сравнению с зарубежными аналогами при одинаковом или несколько большем выходе дозы за вспышку аппарат ПИР-100/240 имеет в 5-8 раз меньший вес и в 10-100 раз меньшее энергопотребление. По сравнению с серийно выпускаемыми отечественными аппаратами с рабочими напряжениями 100-300 кВ, аппарат превосходит их по дозовым параметрам в 3-10 раз. Ааппараты ПИР-600А отличается оригинальностью технического решения, простотой изготовления, по дозовым характеристикам превосходит лучшие отечественные, а по массо-габаритным характеристикам, энергопотреблению и автономности - лучшие зарубежные аппараты того же класса.

4. Разработаны рентгеновские методики для регистрации быстропроте-кающих динамических процессов в многофазных средах. С помощью разработанных рентгеновских методик (теневых, с преобразованием Абеля и томографических) и специально разработанного рентгеновского аппарата ПИР-100/240 удалось в деталях изучить процесс кавитационного разрушения жидкости на поздних стадиях в импульсных волнах разрежения, впрыск топлива в камеру сгорания двигателя, построить новые теоретические модели процессов. Экспериментально показано, что аппарат ПИР-100/240 хорошо подходит для съёмки биологических объектов в динамике и съёмки взрывных процессов (кумулятивных струй). Все аппараты серии ПИР были испытаны на различных экспериментах с регистрацией быстропротекающих процессов взрыва, ударных и детонационных волн.

5. Предложены и проверены на практике новые методики для диагностики динамических процессов в пористых средах, позволившие увеличить точность измерения концентраций насыщающих среду жидкостей и газа. Предложена схема регистрации течения флюидов в образце нефтеносной породы в виде серии сдвинутых двумерных изображений, полученных широким кониче-

ским пучком излучения, в которой для получения данных о процессе фильтрации и насыщения используется весь объём образца, а не малая его часть. Предложена и экспериментально проверенна процедура цифровой фильтрации помех от рассеянного излучения с учётом функции отклика системы. Предложена новая методика измерений концентраций компонентов флюида, использующая подробные спектральные характеристики источника, спектров ослабления материалов и поглощения детектора, обладающая большей точностью, чем повсеместно применяемые методики с предположением монохроматичности пучка. С применением данных методик произведён по индивидуальным заказам ряд установок, работающих в нефтяных научно-проектных институтах. Промышленные рентгеновские установки по измерению фазовых проницаемо-стей образцов с возможностью измерения 2В и ЗО распределения концентраций и проведения томографических срезов созданы впервые. Таким образом, решена важная научно-техническая задача по созданию принципиально нового, более точного рентгеновского метода измерения характеристик образцов нефтеносных пород в условиях нефтяного пласта. Более точное определение характеристик (1,5-2 % вместо 5-10 %) позволяет точнее моделировать условия разработки конкретных месторождений и рациональнее использовать природные ресурсы.

6. Создана метрологическая основа для применения методики количественной регистрации быстропротекающих процессов в многофазных средах, учитывающей спектральные характеристики источника, поглощающих сред и детектора. Предложена методика получения двух снимков в разных областях рентгеновского спектра за одну вспышку, позволяющая раздельно измерять толщину каждой фазы при исследовании быстропротекающих процессов в 2-фазных средах. Методом решения обратной задачи с учётом точных спектральных характеристик детектора и калибровочных сред, на основе экспериментальных измерений по ослаблению рентгеновского излучения, определены спектральные характеристики ряда импульсных источников рентгеновского излучения с рабочими напряжениями от 100 кВ до 600 кВ. Выбрана конструкция рентгеновской трубки, удовлетворяющая требованиям на неоднородность в интенсивности вспышки и диаграммы направленности. С использованием всех разработанных нами импульсных рентгеновских аппаратов с рабочими напряжениями от 100 до 600 кВ проведена серия калибровочных экспериментов по цифровой рентгеновской съемке тест-объектов на люминофоры с памятью (1п^еР1а1е) на основе ВаРВпЕи, построены кривые ослабления для р(яда материалов тест-объектов, получены значения коэффициентов ослабления и приведены характерные энергии в спектрах излучения аппаратов после фильтрации на тест-объектах.

Список публикаций, содержащих основные результаты работы

1. Биченков Е.И., Клыпин В.В., Пальчиков Е.И., Рабинович PJL, Бузу-ков A.A., Тимошенко Б.П. Импульсные рентгеновские аппараты ПИР-100 и ПИР-600М для исследования быстропротекаюшх процессов // Труды 14 международного конгресса по высокоскоростной фотографии и фотонике, Москва, СССР, 19-24 окт. 1980 г. С. 352-355.

' ' I

2. Алтухов A.A., Биченков Е.И., Гусев Е.А., Пальчиков Е.И., Овсянников B.JI. Сильноточный импульсный рентгеновский аппарат для динамической радиографии//ПТЭ. 1986. № 1. С. 189-192.

3. Bichenkov E.I., Ovsiannikov V.L., Pal'chikov E.I., Rabinovich R.L., Altuk-hov A.A., Gusev E.A., Leonov B.L. The System for Investigation of HighSpeed Processes // Proc. of 16th Internat. Congr. on High Speed Photography & Photonios, Strasbourg, France, 27-31 August 1984. P. 283-287.

4. Овсянников В.Л., Пальчиков Е.И. Зависимость дозы излучения импульсных рентгеновских приборов от напряжения и ёмкости разрядной цепи. // Труды НИКИМПа «Диагностика качества изделий». Москва: НИИИН. 1984. С. 14-20.

5. Биченков Е.И., Пальчиков Е.И. Приборы и некоторые методы импульсной рентгенографии быстропротекающих процессов // Физика горения и взрыва. 1997. т.ЗЗ, №3. С. 159-167.

6. А. с. № 1058481 СССР, МКИ Н 05 G 1/24. Импульсный рентгеновский генератор / Биченков Е.И., Клыпин В.В., Пальчиков Е.И., Рабинович Р.Л., Скоробогатых Н.Г., Баев В.К., Бузуков A.A., Тимошенко Б.П., Гусев Е.А., Клочко В.А., Кузьмин В.И., Соснин Ф.Р. № 3404494; Заявлено 03.03.82.

7. А. с. № 1257859 СССР, МКИ Н 05 GI/24. Импульсный рентгеновский генератор / Алтухов A.A., Биченков Е.И., Гусев Е.А., Овсянников B.JI., Пальчиков Е.И. № 3849666/24-25; Заявлено 29.01.85.

8. А. с. № 1338116 СССР. Импульсный рентгеновский аппарат. / Алтухов A.A., Биченков Е.И., Гусев Е.А., Доронин Г.С, Набойщиков В.Д., Овсянников В,Л., Пальчиков Е.И. № 40470801/25; Заявлено 1.04.86. // Б.И. 1987. №34. С. 253.

9. А. с. № 1202488 СССР, МКИ Н 05 G 1/24. Импульсный рентгеновский генератор / Алтухов A.A., Биченков Е.И., Гусев Е.А., Клыпин В.В., Леонов Б.И., Овсянников В.Л., Пальчиков Е.И., Рабинович Р.Л., Соснин Ф.Р. - № 3752649/24-25; Заявлено 12.06.84.

10. А. с. № 1040630 СССР, МКИ Н 05 G 1/24. Импульсный рентгеновский аппарат / Биченков Е.И., Клыпин В.В., Пальчиков Е.И., Полюдов В.В., Рабинович Р.Л., Титов В.М., Клочко В.А., Лисицын А.И., Твердохле-бов В.Н., Доронин Г.С, Обухов A.C. - № 3262101/18-25; Заявлено 07.04.81. // Б.И. 1983. № 33. С. 235.

11. А. с. № I088I57 СССР, МКИ Н 05 G 1/24. Импульсный рентгеновский аппарат / Биченков Е.И., Клыпин В.В., Пальчиков Е.И., Рабинович P.JI., Клочко В.А., Лисицын А.И., Дронь Н.А., Рыжков А.Г., Доронин Г.С. № 3574032/18-25; Заявлено 07.04.83. // Б.И. 1984. № 15. С. 219.

12. Konungariket Sverige Patent SE (11)427233, Int. EL. H 05 G 1/24. Rontgena-nordning av pulstyp med ett rontgenror av pulstyp / Bichenkov E.I., Klypin V.V., Palchikov E.I., Poljudov V.V., Rabinovich R.L., Titov V.M., Klochko V.A., Lisitsyn A.I., Tverdokhleb V.N., Doronin G.S., ObukhovA.S. (21)8202341-7; (22)14.03.82.

13. Republique Frncaise Brevet D'Invention (11)2526259, Int. CI. H 05 G 1/22; G 01 N 23/00. Appareil Radiologique a impulsions / Bichenkov E.I., Klypin V.V., Palcnikov E.I., Polyudov V.V., Rabinovich R.L., Titov V.M., Klochko V.A., Lisitsyn A.I., Tverdokhleb V.N., Doronin G.S., Obukhov A.S. (21)8207335; (22) Date de depot 28.04.82.

14. UK Patent GB (11)2119610 B, Int. CI. H 05 G 1/06. Improvements in or Relating to Pulsed X-Ray Units / Bichenkov E.I., Klypin V.V., Palchikov E.I., Polyudov V.V., Rabinovich. H.L., Titov V.M., Klochko V.A., Lisitsyn A.I., Tverdokhleb V.N., Doronin G.S., Obukhov A.S. (21) Application Ho 8211770; (22) Date of filing 23.04.82.

15. Пальчиков Е.И. Исследование условий повышения КПД импульсного рентгеновского аппарата и разработка установки контроля веществ при динамическом нагружении: Дисс. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО АН СССР, Новосибирск; НИИ шпроскопии Минприбор, Москва. 1986.248 с.

16. Биченков Е.И., Башкатов Т.Ю., Пальчиков Е.И., Рябчун А.М. Об уточнении теоретической модели для спирального генератора высоких напряжений // ЖТФ. 2007. Т. 77, вып. 12, С. 66-72.

17. Bichenkov E.I., Ovsiannikov V.L., Pal'chikov E.I. Dose and Duration Measurement of x-ray Flash Dependent on Discharge Circuit Parameters // Proceedings of XI International Symposium Discharges and Electrical Insulation in Vacuum. G.D.R., Berlin, Sept. 24-28,1984. V.2. P. 451-454.

18. Прокопьев A.C., Трубачев A.M., Пальчиков Е.И., Овсянников В.Л. Экспериментальное получение высоковольтных импульсов напряжения от взрывомагнитных генераторов // Тр. V Междунар. конф. по генерации ме-гагауссных магнитных полей и родственным экспериментам, Новосибирск, июнь 1989 г. / Под ред. Титова В.М. и Швецова Г.А. New York: Nova Science Publishers. 1990. С. 595-600. ,

19. Кашлатый P.E., Логвинский Л.М., Пальчиков Е.И., Рябченко В.Э., Цукерман В.Г. Кремниевые фотодиоды для интегральных фотоприемных матриц//Автометрия. 1977. №2. С. 53-61.

20. Kupershtokh A. L., Palchikov Е. I., Karpov D. I., Ershov А. P. Probability Density Function of Electrical Breakdown Initiation in Dielectric Liquids under AC and DC Voltage // Proc. of the 2nd International Workshop on Electrical

Conduction, Convection and Breakdown in Fluids, CNRS, 4-5 May 2000, Grenoble, France. P. 91-94.

21. Kupershtokh A. L., Palchikov E. L, Karpov D. I., Ershov A. P. Stochastic Regularities of Electrical Breakdown Initiation in Dielectric Liquids under AC Voltage // Proc. of the VI International Conference on Modern Problems of Electrophysics and Electrohydrodynamics of Liquids (MPEEL), 26-30 June 2000, Sanct-Peterburg. P. 175-178.

22. Куперштох A. JL„ Пальчиков E. И., Карпов Д. И., Вителас И., Аго-рисД. П., Хараламбакос В. П. Динамическая электрическая прочность перфтордибутилового эфира // Международный научный семинар «Инновационные технологии-2001», Красноярск, 2001. Т. 1. С. 134-138.

23. Kupershtokh A. L., Palchikov Е. I., Karpov D. I., Vitellas I., Agoris D. P., Charalambakos V. P. Stochastic model of breakdown initiation in dielectric liquids // J. Phys. D: Appl. Phys. 2002. V. 35, No. 23. P. 3041-3056.

24. Karpov D. I., Kupershtokh A. L., Palchikov E. I. Dynamic Electric Strength of liquid Perfluorodibutyl Ether // Proc. of the 6th International Symposium on Science and Technology (KORUS-2002), Novosibirsk, Russia, 2002. P. 418-421.

25. Kupershtokh A. L., Palchikov E. I., Karpov D. I., Vitellas I., Agoris D. P., Charalambakos V. P. Stochastic model of breakdown initiation in dielectric liquids under AC voltage // Proc. of the 14th Int. Conf. on Dielectric Liquids, IEEE No. 02CH37319, Graz, Austria, 2002. P. 115-118.

26. E. И. Пальчиков, И. Ю. Красников. Простой источник высоковольтных импульсов // XII Международная конференция по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Июль 13-18, 2008, Новосибирск, Россия. Тезисы докладов. С. 135.

27. Besov A.S., Vorontsov A.V., Gusev I.A., Lyulyukin M.N., Palchikov E.I.. The generator of nanosecond 200 kV pulses for plasmochemical reactors // Fourth International Symposium on Non-equilibrium Processes, Plasma, Combustion, and Atmospheric Phenomena. October 5-9, 2009, Sochi (Dagomys), Russia. P. 198-203.

28. Байков И.Р., Бернгардт A.P., Кедринский B.K., Пальчиков Е.И. Экспериментальные методы исследования динамики кавитационных кластеров И ПМТФ. 1984. № 5. С. 30-34.

29. Berngardt A.R., Bichenkov E.I., Kedrinskii V.K., Pal'chikov E.I. Optic and x-ray Investigation of Water Fracture in Rarefaction Wave at Later Stages // IUTAM Symposium on Optical Methods in Dynamics of Fluids and Solids (Czechoslovakia, Liblice Castle, September 17-21, 1984). / Ed. Pichal M. - Berlin, Heidelberg, New York, Tokio: Springer-Verlag. P. 137-142.

30. Besov A.S., Berngardt A.R., Kedrinskii V.K., Pal'chikov E.I. Diffraction Optic and x-ray Techniques of Cavitation Research. // Abstracts of 109 Meeting of ASA, USA, Austin, Apr. 8-12, 1985. JASA. 1985. V.77. Suppl. 1. P. 34.

31. Berngardt A.R., Ovsiannikov V.L., Palchikov E.I. Pulse Radiography Investigation of Jet Liquid Flow Structure in Nontransparent Medium // Journal of

Flow Visualization and Image Processing (JFVPEI). Volume 1. No 1. Jan. -March 1993. P. 69-73.

32. Бесов A.C., Кедринский B.K., Пальчиков Е.И. Изучение начальной стадии кавитации с помощью дифракционной оптической методики // Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10, вып. 4. С. 240-244.

33. Besov A.S., Bichenkov E.I., Kedrinskii V.K., Palchikov E.I. Investigation of Initial Stage of Cavitation by Diffraction Optic Method // IUTAM Symposium on Optical Methods in Dynamics of Fluids and Solids (Czechoslovakia, Liblice Castle, September 17-21, 1984). / Ed. Pichal M. Berlin, Heidelberg, New York, Tokio: Springer-Verlag. P. 129-135.

34. Бесов A.C., Кедринский B.K., Пальчиков Е.И. О пороговых кавитацион-ных эффектах в импульсных волнах разрежения // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15, вып. 16. С. 23-27.

35. Besov A.S., Kedrinskii V.K., Palchikov E.I. On Threshold Cavitation Effects in Pulse Rarefaction Waves // Proc. of 13th Int. Congress on Acoustics. Yugoslavia, Belgrad. 1989. P. 355-358.

36. Matsumoto Y., Takemura F., Ohashi H., Besov A.S., Kedrinskii V.K., Palchikov E.I. Threshold Cavitation Inception by Pulse Rarefaction Wave // Proc. of 68th conference JSME (Japan Society Mechanical Engineering). Vol "B". Sendai. 1990. 3 p.

37. Бесов А.С., Кедринский B.K., Пальчиков Е.И., Стебновский С.В., Чер-нобаев Н.Н. Динамика кавитационного разрушения жидкости при взрывном нагружении // Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике. Новосибирск, 10-14 сентября 1990 г. С. 144.

38. Бесов А.С., Кедринский В.К., Matsumoto Y., Ohashi Н., Пальчиков Е.И. Структура кавитационных ядер и аномальные свойства воды // Динамика сплошной среды. Сб. науч. тр., вып. 104. Новосибирск: СО РАН, Ин-т гидродинамики. 1992 г. С. 16-28.

39. Бернгардт А.Р., Кедринский В.К., Пальчиков Е.И. Эволюция внутренней структуры зоны разрушения жидкости при импульсном нагружении // Прикладная механика и техническая физика. 1995. N 2. С. 99-105.

40. Бесов А.С., Колтунов К.Ю., Брулев С.О., Кириленко В.Н., Кузьменков С.И., Пальчиков Е.И. Деструкция углеводородов в кавитационной области в присутствии электрического поля при активации водными растворами электролитов // Письма в ЖТФ. 2003. Т. 29, вып. 5. С. 71-77.

41. Palchikov Е. I. Pulse X-ray few-projection tomography of cavitation process // 3rd International Workshop on Process Tomography (JWPT-3). Measurement Validation, Calibration and Data Implementation. April 16-20, 2009, Tokyo, Japan, paper # 25. P. 2. URL: http://region3.isipt.org/iwpt/program.pdf

42. Броневой И.Л., Гусев E.A., Овсянников В.Л., Пальчиков Е.И. Измерение быстрой составляющей затухания рентгенолюминесценции промышленных экранов при импульсном возбуждении аппаратом ПИР-100 // ПТЭ. 1984. №2. С. 208-209.

43. Пальчиков Е.И. Рентгенографическое наблюдение фильтрации жидкости через нефтеносную породу // Прикладная механика и техническая физика. 1997. №6. С. 169-177.

44. Palchikov E.I., Akhmetov D.G., Besov A.S., Sukhinin S.V., Kondratenko D. A. X-ray method for flow visualization of heterogeneous fluid in porous media // 8th International Symposium on Flow Visualization (Italy, Sorrento, September 1-4, 1998): CD-ROM Proceedings / Ed. prof. G.M.Carlomagno, prof. I Grant. - ISSN 0 953^991 0 9, 1998. Paper No 8ISFV-166. National Library of Scotland, Legal Deposit and Donations Unit, 31 Salisbuiy Place, Edinburgh EH9 1SL, Scotland, UK.

45. Gross Amit, Besov Alexey, Damiana Diaz Reck, Shaul Sorek, Gabi Ben-Dor, Britan Alexander, and Palchikov Eugene. Application of Waves for Remediation of Contaminated Aquifers // Environmental Science and Technology. 37 (19). 2003. P. 4481-4486.

46. Пальчиков Е.И. Рентгеновские методы исследования образцов нефтяного пласта с пространственной визуализацией движения флюида // Труды школы-семинара «Физика нефтяного пласта», Новосибирск, 20-24 мая 2002 года / Научно-образовательный центр «ЮКОС-Новосибирск», Новосибирский Государственный университет. 2002. С. 35-56. http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?l+24+l

47. Besov A.S., Skripkin A.G., Schemelinin Yu.A., Palchikov E.I., Cheremisin Alexey N., Mekhontsev D. Yu. Researching the dynamics of movement of gasliquid mixture in a porous medium by means of low-angle tomography // Proceedings of ICMF-2004. Fifth International Conference on Multiphase Flow. (Yokohama, Japan, May 30 - June 4, 2004) / Ed. by Matsumoto Y., Hishida K., Tomiyama A., Mishima K. and Hosokawa S. CD-ROM Proceedings. Paper No 140. http://www.jsmf.gr.jp/index-en.htm

48. Бартули E.P., Бурлев А.Ю., Пальчиков Е.И., Сухинин С.В. Измерение динамики пространственного распределения флюида в пористом образце методом цифровой рентгенографии // Динамика сплошной среды. Сб. науч. тр., вып. 121. Новосибирск: СО РАН, Ин-т гидродинамики. 2002. С. 56-69.

49. Palchikov E.I., Sukhinin S.V., Burlev A.Yu., Bartuli E.R., Mekhontsev D.Yu., Romanjuta M.A., Seleznev K.S. X-ray Tomographic Flow Visualization of Multiphase Fluid Mixture in Porous Media // Seventh Triennial International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization (Sorrento, Italy, August 25-28, 2003) (FLUCOME'03): CD-ROM Proceedings. / Ed. prof. Carlomagno G.M., prof. Grant I. ISBN 0-9533991-4-1. Paper No 101. Published by Optimage, Edinburgh, UK, EH10 5PJ.

50. Bidzhakov V.I., Zhukovskaya E.A., Burlev A.Yu., Burleva O.V., Seleznev K.S., Palchikov E.I. Application of X-Ray Tomography for Scanning Full-Diameter Semiconsolidated Geological Core // Proc. of 4th World Congress on Industrial Process Tomography. Aizu, Japan, 5-8 September 2005. Section of Process modeling and control. Paper No IAI17. V.l p. 285-291.

51. Palchikov E.I., Schemelinin Yu.A., Skripkin A.G., Mekhontsev D.Yu., Kondratiev N.A. Mapping of Residual Oil&Water Saturation in Porous Medium by Means of Digital X-ray Laminography // Particle - Particle Systems Characterization, Volume 23, Issue 3-4 (223-342), October, 2006. WILEY-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim. P. 254-259.

52. Скрипкин А.Г., Тупицин E.B., Щемелинин Ю.А., Пальчиков Е.И. Визуализация пространственного распределения водонасыщенности образцов керна с помощью рентгеновской томографии // Труды второй научно-практической конференция «Проблемы нефтегазового комплекса Западной Сибири и пути повышения его эффективности», 20-21 декабря 2006, Кога-лым, ООО "КогалымНИПИнефть". Издательство научно-технической литературы «Монография», 2006 год. С. 268-273.

53. Skripkin A.G., Schemelinin Yu.A., and Palchikov E.I. Development of System and Method for Serial Measurement of Phase Permeability of Sandstone Core Samples During Filtering of Water, Oil and Gas. MULTIPHASE FLOW: THE ULTIMATE MEASUREMENT CHALLENGE / Cai, X.; Wu, Y.; Huang, Z.; Wang, S.; Wang M. (Eds.), // AIP, 2007, XXI, P. 275-283.

54. Cheremisin A.N., Palchikov E.I., Romanov A.I. Method of the quantitative analysis of multiphase flows with use of spectral characteristics of an X-radiation // Proceedings of ICMF-2004. Fifth International Conference on Multiphase Flow. (Yokohama, Japan, May 30 - June 4, 2004) / Ed. by Matsumoto Y., Hishida K., Tomiyama A., Mishima K. and Hosokawa S. CD-ROM Proceedings. Paper No 575. http://www.jsmf.gr.jp/index-en.htm

55. Palchikov E.I., Cheremisin A.N., Romanov A.I. Method of the quantitative analysis of multiphase media with the use of spectral characteristics of an X-radiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. (NIMA «Elsevier»). 543 (2005) P. 317-321.

56. Биченков Е.И., Пальчиков Е.И., Сухинин C.B., Черемисин А.Н., Романов А.И., Романюта М.А. и Селезнев К.С. Новые рентгенографические методики визуализации и измерения гидродинамических параметров течения в непрозрачных гетерогенных средах // ПМТФ. 2005. №6. С. 159-170.

57. Mekhontsev D.Yu., Mukminov I.R., Palchikov E.I., Schemelinin Yu.A., Skripkin A.G. Mapping of residual oil saturation in porous medium by means of narrow-angle linear tomography // Proc. of 4th World Congress on Industrial Process Tomography. Aizu, Japan, 5-8 September 2005. Section of Industrial Application and Innovation. Paper No PMC04, V.2, P. 867-873.

58. Пальчиков Е.И., Скрипкин А.Г., Щемелинин Ю.Д. Визуализация распределения пластовых жидкостей в пористом образце с помощью малоугловой томографии // Вестник НК Роснефть. 2008. №1. С. 42-45.

59. Скрипкин А.Г., Пальчиков Е.И., Парначёв С.В. Сравнение рентгеновского и резистивиметрического методов определения насыщенности образцов горной породы // Каротажник. 2009. №10. С. 38-44.

60. Пальчиков Е. И., Черемисин Алексей Н. Проблемы количественного

анализа динамики быстропротекающих процессов в многофазных средах с помощью импульсной рентгенографии // Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны: Труды Международной конференции IX харитоновские тематические научные чтения / ред. д.т.н Михайлов. A.JI. РФЯЦ - ВНИИЭФ, Саров, 2007 г. С. 675-680.

61. Пальчиков Е.И., Романов А.И., Черемисин А.Н. Метод количественного анализа динамики многофазных сред с использованием спектральных характеристик рентгеновского излучения // СИ-2004. XV Международная конференция по использованию синхротронного излучения, 19-23 июля 2004 г., г. Новосибирск. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. URL: http://ssrc.inp.nsk.su

62. Palchikov E.I., Kondratyev V.I., Golikov E.V., Cheremisin Alexey N. Testing of BaFBr:Eu ImagePlate detector depending on dose, spectrum of pulse x-ray and scan number // XVII International Synchrotron Radiation Conference SR-2008, 15-20 June, 2008, Novosibirsk, Russia. P. 1-24.

63. Пальчиков E. И., Кондратьев В. И., МатросЬв А. Д., Голиков Е. В., Черемисин Алексей Н. Экспериментальное исследование цифровой импульсной рентгенографии быстропротекающих процессов с помощью BaFBr:Eu Image Plate детектора // Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны: Труды Международной конференции XI харитоновские тематические научные чтения. РФЯЦ - ВНИИЭФ, Саров, 16-20 марта 2009 г. С. 672-678.

Подписано в печать 24.11.2009 Формат бумаги 60x84 1/16 Тираж 100 экз.

Заказ № 23 Объем 2 п.л. Бесплатно

Отпечатано на полиграфическом участке Института гидродинамики

им. М.А. Лаврентьева СО РАН, 630090, Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 15

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.

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.

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.