Введение к работе
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 на-гружении (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 150С).
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.:
-
- Механика жидкости, газа и плазмы, неидеальных и многофазных сред;
-
- 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:
-
Разработка рентгеновской аппаратуры и методик для регистрации динамики движения многофазных сред и измерения распределения в пространстве компонентов объектов сложного состава в замкнутых непрозрачных объёмах (контейнерах, пористых средах).
-
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.
-
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 № 97-01-00712 (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.
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 к* 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-обострителя 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 2D, 3D - распределений вещества в пространстве и томографические сечения.
4. Метрологические основы для методики количественной регистрации
быстропротекающих процессов (Б1111) 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 базе разработанных методов моделирования трансформаторов Тесла и оптимизации 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 2D и 3D 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 ШТАМ 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 «Харитоновские тематические научные чтения» - Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны (Саров, 2007, 2009); XII Международная конференция по генерации мегагауссных магнитных по-
лей и родственным экспериментам (Новосибирск, 2008); III Международный семинар по томографии процессов «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 17 статей - в научных журналах из списка ВАК для публикации результатов докторских диссертаций (13 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: 352 страницы, 24 таблицы, 166 рисунков. Библиография включает 229 наименований.
