МОБИЛЬНЫЙ РАДИОГРАФИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС И ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ БЕТАТРОННОГО ТИПА ДЛЯ РАДИОГРАФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
MOBILE RADIOGRAPHIC SYSTEM AND BETATRON-TYPE RADIATION SOURCE FOR RADIOGRAPHIC SYSTEM

Изобретение относится к области импульсной рентгеновской техники, в частности к способам и устройствам для получения изображения быстропротекающих, в частности, взрывных, процессов в оптически непрозрачных объектах исследования, и может быть использовано при радиографии динамических объектов большой оптической толщины.
Известен радиографический комплекс - установка DARHT [1, статья «Подтверждение срабатывания боеприпасов без ядерных испытаний» автор Гарольд Дэвис, проект DARHT, апрель 2008 г., LA-UR-08-04937]. Установка DARHT представляет собой двухосевую радиографическую установку для гидродинамических испытаний, которая позволяет получать радиографические изображения в процессе гидродинамических испытаний, иначе называемых «гидротестов». Установка DARHT, с ее двумя осями регистрации, позволяет получить последовательно, в течение короткого промежутка времени четыре изображения по одной оси и отдельное изображение по ортогональной оси, что дает в сумме 5 изображений объекта исследований.
Основной элемент установки DARHT - два линейных ускорителя, расположенных друг относительно друга под углом 90 градусов, с энергией выхода соответственно 17,5МэВ и 20МэВ и током в пучке ускорителей, соответственно, 2,1кА, делящимся на 4 импульса, и 1,9кА. Основными системами ускорителей являются инжектор и ускоряющие ячейки. Ускоряющие ячейки диаметром 0,6 м и 2 м в количестве 64 и 74 соответственно для каждой оси определяют размеры ускорителей, длина которых составляет порядка 100 метров. Все испытания на данной установке проводятся с использованием взрывозащитной камеры (ВЗК), внутри которой находится объект исследования. В установке также используются коллиматоры, а регистраторы осуществляют сбор информации в виде изображения исследуемых объектов.
К недостаткам данного радиографического комплекса можно отнести стационарность, большие размеры комплекса, в том числе за счет габаритов облучающих источников (ускорителей), необходимость строительства специальных защитных сооружений под него, большие финансовые затраты на строительство и эксплуатацию этого комплекса. Кроме того, данная установка DARHT ограничена пятью изображениями объекта исследования в процессе одного эксперимента.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является радиографическая (в частности, рентгеновская) установка для получения изображения быстропротекающего процесса [2, патент РФ на полезную модель 87810, 20.10.2009], реализующая способ регистрации радиографического изображения быстропротекающих процессов в неоднородных объектах исследования, состоящий в обеспечении радиографии областей объекта исследований с различными оптическими толщинами в соответствующих им различных энергетических диапазонах. Данная установка является по сути радиографическим комплексом.
Радиографический комплекс содержит в своем составе основной источник рентгеновского излучения БИМ (источник излучения бетатронного типа) [3, доклад «UNCORED BETATRON BIM-M A SOURSE OF BREMSSTRAHLUNG FOR FLASH RADIOGRAPHY» Yu.P. Kuropatkin, V.D. Mironenko, V.N. Suvorov, D.I. Zenkov. B.F. Tkachenko конференция PULSE POWER 1998 г. С.-Петербург, стр. 1669-1673], формирующий импульс излучения длительностью, существенно меньшей длительности регистрируемого процесса. БИМ состоит из собственно бетатрона, устройства сброса электронного пучка на мишень и инжектора, включающего в свой состав 12-каскадный умножитель напряжения, собранный по схеме Аркадьева-Маркса на основе конденсаторов емкостью 0,1 мкФ и размерами 460×155×330 мм, формирователь импульса электронного пучка, состоящий из одиночной формирующей линии и последовательно за ней расположенной передающей линии, и устройство проводки электронного пучка. Источник излучения связан с системами его жизнеобеспечения.
Размеры стационарной платформы, на которой собран БИМ, составляют 7×3 м. Кроме того, комплекс содержит, по меньшей мере, один добавочный источник рентгеновского излучения с отличным от основного энергетическим спектральным диапазоном, различающимся с вышеназванным как минимум на порядок по граничной энергии. Энергетические диапазоны источников заданы в соответствии с оптической толщиной более плотной области объекта исследования и менее плотной. Напротив источников излучения за расположенным на стационарной базе объектом исследования установлены соответствующие им системы регистрации. Источники излучения пространственно разнесены с обеспечением возможности получения изображений в различных ракурсах без перекрытия энергетических диапазонов излучения от источников. Рентгеновская установка снабжена системой синхронизации источников излучения и коллиматорами.
К недостаткам можно отнести большие размеры источников излучения, стационарность такой установки. Для ее эксплуатации необходимо строительство специальных защитных сооружений. Минимальное расстояние от источника излучения до объекта исследования строго фиксированное и составляет порядка 5 метров. При проведении взрывных экспериментов возникают проблемы по защите окружающей среды. Кроме того, регистраторы находятся в специальном взрывозащитном сооружении, толщина которого способствует увеличению расстояния от объекта исследования до регистратора и, как следствие, ослаблению теневого изображения на рентгенограмме объекта и понижению информативности опыта. Максимальное количество изображений, которое можно получить с помощью данной установки равно 7.
Создание мобильного радиографического комплекса позволит оперативно, с наименьшими финансовыми и трудовыми затратами повысить интенсивность в точке исследования как минимум в 2÷2,5 раза, что обеспечит более качественную радиографию областей объекта исследований с большими оптическими толщинами и повышение информативности опыта. Кроме того, позволит оптимизировать геометрию опыта изменением положения источника излучения и регистратора относительно объекта исследования, а совместно с выбором необходимого энергетического диапазона источника излучения позволит обеспечить радиографию областей объекта исследований с различными оптическими толщинами.
Технический результат при создании комплекса заключается в увеличении просвечивающей как минимум в 2÷2,5 раза и разрешающей способности заявляемого комплекса, при уменьшении погрешности измерений, без нанесения вреда окружающей среде, за счет обеспечения его мобильности при проведении экспериментов.
Кроме того, заявляемый комплекс позволяет увеличить количество изображений по сравнению с прототипом.
Технический результат для источника излучения состоит в обеспечении его малогабаритности с целью использования в составе мобильного радиографического комплекса.
Технический результат для радиографического комплекса достигается за счет того, что в отличие от известного радиографического комплекса для получения изображения быстропротекающих процессов в объекте исследования, содержащего, по меньшей мере, один радиографический многоимпульсный источник излучения с соответствующей ему системой регистрации, в предложенном комплексе в его состав входит как минимум один передвижной модуль с малогабаритным источником излучения и взрывозащитная камера с расположенным в ней объектом исследования, причем составляющие комплекса установлены с возможностью изменения взаимного положения.
Технический результат для источника излучения бетатронного типа в составе радиографического комплекса достигается за счет того, что в отличие от известного источника излучения бетатронного типа, содержащего бетатрон, устройство сброса электронного пучка на мишень и инжектор, состоящий из формирователя импульса электронного пучка, умножителя напряжения, собранного по схеме Аркадьева-Маркса, и устройства проводки электронного пучка, в предложенном источнике формирователем импульса электронного пучка служит двойная формирующая линия, а умножитель напряжения выбран малогабаритный за счет использования в качестве накопителей электрической энергии конденсаторов с компактными размерами и высокой плотностью запасаемой энергии.
Кроме того, в радиографическом комплексе может быть осуществлена оптимизация эксперимента за счет изменения геометрии опыта посредством обеспечения мобильности составляющих комплекса, что обеспечит достижение более высокой интенсивности излучения в точке исследования при повышении разрешающей способности и уменьшении погрешности измерений.
Кроме того, в радиографическом комплексе может быть обеспечена автономность малогабаритного источника излучения при использовании автономного источника питания.
Физическая основа заявляемого изобретения такова. В прототипе минимальное расстояние от источника излучения до объекта исследования строго фиксированное и составляет 5 метров. Эта величина зависит от толщины стены защитного сооружения, где находится источник излучения, от конструкции сборки объекта исследования и от мощности взрывного устройства, используемого в эксперименте. Как известно, интенсивность излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника излучения.
В отличие от прототипа в заявленном изобретении минимальное расстояние от источника излучения до объекта исследования, помещенного в ВЗК, за счет мобильности, реализуемой посредством использования как минимум одного передвижного модуля с малогабаритным источником излучения, будет составлять порядка 1 метра. Одновременно использование ВЗК с расположенным в ней объектом исследования позволит приблизить регистратор к объекту. Отпадает необходимость защитного сооружения для регистраторов, что позволяет приблизить их к объекту исследования.
За счет уменьшения расстояния от источника излучения до объекта исследования интенсивность излучения в точке объекта исследования вырастет как минимум в 2÷2,5 раза и, как следствие, увеличится просвечивающая способность заявляемого комплекса. Одновременно за счет уменьшения расстояния от объекта исследования до регистратора контрастность теневого изображения на радиограмме объекта также будет увеличиваться. Оптимизация геометрии опыта положением источника излучения и регистратора относительно объекта исследования обеспечит получение более качественных радиограмм областей объекта исследования с большими оптическими толщинами, обеспечит повышение разрешающей способности, а также уменьшение погрешности измерений.
Такой комплекс с одним источником излучения способен генерировать до трех импульсов и соответственно получать до трех изображений объекта исследования в одном эксперименте. В зависимости от количества источников излучения комплекса максимальное число изображений объекта исследования в одном эксперименте будет кратным трем.
Использование ВЗК для размещения объекта исследования при проведении взрывных экспериментов связано с требованиями по защите окружающей среды. Камера локализует все опасные материалы, что делает предлагаемый подход к решению задачи благоприятным с точки зрения экологии. Кроме того, локализация последствий эксперимента с объектом исследования сокращает промежутки времени между опытами за счет значительного снижения времени, необходимого для очистки зоны эксперимента.
В источнике излучения особенности его выполнения по сравнению с прототипом в части, касающейся формирователя импульса электронного пучка, обусловлены тем, что замена последовательности одиночной формирующей и передающей линий, образующих формирователь, конструктивно представляющий собой систему из двух последовательных цилиндрических конденсаторов, на двойную формирующую линию, конструктивно представляющую собой систему из двух концентрических цилиндрических конденсаторов, приводит к снижению габаритов формирователя. В части, касающейся умножителя напряжения замена генератора импульсного напряжения (умножителя) по прототипу на малогабаритный генератор (умножитель) за счет использования в качестве накопителей электрической энергии конденсаторов с малыми (компактными) размерами, но с высокой плотностью запасаемой энергии, а также за счет оригинальной конструкции умножителя также приведет к снижению его габаритов. Общим результатом является снижение габаритов инжектора и соответственно источника излучения. Предложенные изменения источника излучения сделают возможным его использование в составе мобильного радиографического комплекса.
На фиг. схематично изображен мобильный радиографический комплекс для получения изображения быстропротекающих процессов во взрывном рентгенографическом эксперименте.
В качестве примера конкретной реализации на фиг. изображен мобильный радиографический комплекс где 1,  2 -  передвижные фургоны на базе прицепов МА3-5224В; 3 - выдвижная платформа; 4 -откидывающаяся стенка фургона 1; 5 - малогабаритный источник жесткого рентгеновского излучения типа БИМ (по прототипу - основной источник); 6 - конденсаторная батарея; 7 - технологическое оборудование; 8 - взрывозащитная камера (ВЗК); 9 - объект исследования; 10 - коллиматоры; 11 - регистратор изображения.
Малогабаритный источник излучения типа БИМ, содержащий собственно бетатрон, устройство сброса электронного пучка на мишень и инжектор, в состав которого входит формирователь импульса электронного пучка, умножитель напряжения, собранный по схеме Аркадьева-Маркса, и устройство проводки электронного пучка [4, Патент РФ на изобретение 2356193, 20.05.2009] с системами жизнеобеспечения составных узлов источника излучения отличается от основного источника по прототипу тем, что в качестве формирователя использована двойная формирующая линия, а умножитель напряжения взят малогабаритный [5. Патент РФ на изобретение 2317637, 20.02.2008], где используется оригинальная конструкция компоновки элементов, а в качестве накопителей электрической энергии выбраны конденсаторы КМК 100-0,017 с емкостью 0,017 мкФ и компактными размерами 245×120×85 мм с высокой плотностью запасаемой энергии на 45% больше, чем в прототипе. Данный параметр зависит от отношения электрической емкости конденсатора к его геометрическому объему. Чем больше эта величина, тем выше плотность запасаемой энергии конденсатора. Таким образом, усовершенствование конструкции инжектора в части, касающейся использования в качестве формирователя импульса электронного пучка двойной формирующей линии, и в качестве генератора импульсного напряжения (умножитель) малогабаритного умножителя предложенного вида, позволило существенно уменьшить, приблизительно в 3 раза, массогабаритные характеристики источника излучения по сравнению с прототипом, что дало возможность уменьшить размеры платформы, на которой собрана бетатронная установка (БИМ), и использовать в составе заявляемого комплекса передвижной модуль с малогабаритным источником излучения.
В реализации физического эксперимента передвижные фургоны (1, 2) и ВЗК (8) с объектом исследования (9) размещаются на экспериментальной площадке. Перед опытом стенка (4) фургона (1) откидывается в горизонтальное положение и устанавливается на регулируемые опоры, входящие в комплект фургона. По этой горизонтальной поверхности, служащей основанием, по своим направляющим выдвигается платформа (3) с размещенным на ней малогабаритным источником излучения (5) на необходимое расстояние от ВЗК  (8). В непосредственной близости от ВЗК размещается система коллиматоров(10). Регистрируют изображения объекта исследования посредством системы регистрации (11). В фургоне 2 находится конденсаторная батарея импульсного питания бетатрона (6) и технологическое оборудование (7). Управление, контроль, прием и обработка данных физического эксперимента осуществляется со стационарного либо с мобильного пульта управления. Фургоны (1, 2) и пульт управления соединяются разъемными кабельными линиями. Первичным источником электрического питания мобильного радиографического комплекса может служить как стационарная электросеть, так и мобильный автономный источник электропитания, что сделает комплекс полностью автономным. Одну взрывозащитную камеру могут обслуживать несколько мобильных радиографических источников излучения.
Таким образом, технический результат при создании комплекса заключается в увеличении просвечивающей как минимум в 2÷2,5 раза и разрешающей способности заявляемого комплекса, при уменьшении погрешности измерений, без нанесения вреда окружающей среде, обеспечении его мобильности за счет малогабаритности составляющих при проведении экспериментов.
Кроме того, максимальное количество изображений объекта исследований в одном эксперименте умножается на число мобильных радиографических источников излучения комплекса и составляет число, кратное трем.