УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОТ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ С МАГНИТНОЙ ИМПЛОЗИЕЙ ЛАЙНЕРА
APPARATUS FOR PROTECTING X-RAY DIAGNOSTIC SYSTEM FROM DAMAGE IN EXPERIMENTS WITH LINER MAGNETIC IMPLOSION

Настоящее изобретение относится к области физики высоких плотностей энергии и регистрации быстропротекающих процессов рентгенографированием, а именно к устройствам защиты рентгеновской диагностической системы (рентгенографическая пленка, рентгеновская трубка источника излучения) от повреждений при проведении взрывных опытов по исследованию магнитной имплозии лайнера.
При магнитной имплозии лайнера основная опасность поражения рентгеновской диагностической системы исходит от обратного токопровода, который под действием магнитного поля образует веер осколков, шрапнелью разлетающихся в пределах угла 2π.
Известно устройство (Чокин Дж.П., Карлотти X., Жестин М., Кахен Дж., Бюше Дж., Ванпоперинж Дж., Кадуш О., Азра А., Муйе М., Вернье Г., Авдошин В.В., Чернышев В.К., Иванов В.А., Пак С.В., Скобелев А.Н., Волков Г.И., Егорычев Б.Т. Взрывной генератор высокой импульсной мощности для имплозии твердотельных лайнеров. Мегагауссная мегаамперная импульсная технология и применение // Труды седьмой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Саров, 5-10 августа, 1996 г. / под ред. В.К.Чернышева, В.Д.Селемира, Л.Н.Пляшкевича, том 1, стр.267-273) обеспечения защиты рентгеновской диагностической системы от повреждений осколками обратного токопровода, предусматривающее гарантированное отсутствие осколков в пределах углового сектора, направленного от рентгеновской трубки источника излучения к кассете с пленкой.
С целью получения подробной информации о состоянии наружной поверхности и симметрии схождения лайнера 1 к оси при рентгенографировании, а также защиты кассеты 3 с рентгенографической пленкой и рентгеновской трубки источника излучения 2 от повреждений осколками обратного токопровода 4, в нем сделаны «окна», выполненные в виде прямоугольных отверстий как со стороны рентгеновской трубки аппарата 2, так и со стороны кассеты 3 в направлении рентгенографирования. Кассета с рентгенографической пленкой 3 помещена в камеру 7 напротив рентгеновской трубки 2.
Камера 7, кассета с рентгенографической пленкой 3, рентгеновская трубка источника излучения 2, обратный токопровод 4, лайнер 1, центральный измерительный блок (ЦИБ) 5 размещены за защитой, состоящей из толстостенной металлической плиты 6, бетонных блоков 8 и насыпи из песка 9, которые надежно защищают рентгеновскую диагностическую систему от повреждения осколками от спирального взрывомагнитного генератора (СВМГ) 10 и взрывного обострителя тока (ВОТ) 11. Кроме того, воздействие ударной волны уменьшалось за счет расстояния (около 3 метров) между рентгеновской диагностической системой и спиральным взрывомагнитным генератором со взрывным обострителем тока. Источник энергии соединялся с камерой 7 с помощью достаточно длинной передающей линии 12 (фиг.1).
«Окна» позволили применить при рентгенографировании лайнера рентгеновский источник с малой дозой, повысить контрастность снимков (из-за уменьшенной толщины просвечиваемого материала) и предотвратить разлет осколков от токопровода как в направлении рентгенографической пленки, так и в сторону рентгеновской трубки.
Описанное устройство является аналогом заявляемого объекта и было успешно реализовано при проведении совместного эксперимента ВНИИЭФ-CEA/DAM.
Недостатком аналога является высокая стоимость изготовления.
Указанный недостаток аналога обусловлен тем, что в процессе магнитной имплозии лайнера из-за наличия «окон» в обратном токопроводе возникает азимутальная токовая асимметрия на лайнере. Для уменьшения возникающей азимутальной токовой асимметрии обратный токопровод, снабженный «окнами», приходилось устанавливать на радиусе, значительно превышающем начальный радиус лайнера, что приводило к значительному увеличению индуктивности лайнерной нагрузки, а следовательно, к увеличению в несколько раз запасаемой энергии источника и его соответствующему удорожанию.
7
Известно устройство (Чернышев В.К., Петрухин А.А., Васюков В.А., Чернышев В.В., Кузяев А.И., Егорычев Б.Т. Патент RU №2242781, МПК G03B 42/02 «Устройство защиты рентгеновской пленки в экспериментах с магнитной имплозией лайнера», опубл. 10.05.2004 г.) обеспечения защиты рентгенографической пленки от повреждений осколками обратного токопровода при проведении взрывных опытов по магнитной имплозии лайнера, содержащее (см. фиг.2) стальной защитный бокс 13 с размещенной внутри него рентгеновской трубкой источника излучения 2, кассету с рентгенографической пленкой 3, помещенной в защитный корпус 14, выполненный в виде двух скрепленных между собой конусов. Защитный корпус помещен в контейнер 15, выполненный в виде толстостенной металлической трубы, с установленным на ее переднем торце толстостенным металлическим диском 16 с прямоугольной амбразурой, закрытой бронежилетом 17, а на ее заднем торце - сплошной металлической крышкой 18. Между амбразурой, защитным корпусом с кассетой и крышкой размещены мягкие подушки, выполненные в виде пакета легко сжимаемых прокладок 19. Контейнер устанавливается на опорном кольце 25 с таким расчетом, чтобы он мог быть легко отброшен ударной волной на небольшое расстояние.
Кроме того, между кассетой 3 и обратным токопроводом 4 в клиновидной рентгеновской «тени» от центрального измерительного блока (ЦИБ) 5, размещенного на оси обратного токопровода и лайнера 1, установлены взрывной затвор и стопор 20, причем взрывной затвор выполнен в виде двух металлических пластин 21, клиновидного заряда ВВ 22 между ними, утолщенного в направлении кассеты, детонационного канала 23, примыкающего к утолщенному торцу, и детонатора 24, а стопор 20 - в виде толстой металлической пластины (фиг.2).
Устройство работает следующим образом. С помощью импульса тока амплитудой 30 МА от ВМИЭ (взрывомагнитного источника энергии) 10 осуществляется магнитная имплозия лайнера. Импульс магнитного давления на обратный токопровод разрывает его и сообщает осколкам обратного токопровода скорость 2-2,5 км/с. Направление опасной (с точки зрения поражения пленки) части осколков обратного токопровода совпадает с направлением рентгеновского пучка на съемную кассету с рентгенографической пленкой. При срабатывании детонатора и детонационного канала детонация передается клиновидному заряду ВВ взрывного затвора, который разворачивает металлические пластины, отражая летящие на пленку осколки. Ударной волной от взрыва ВВ ВМИЭ контейнер с кассетой легко отбрасывается на небольшое расстояние, одновременно защищая кассету от осколков ВМИЭ. С помощью подобного устройства защиты кассеты с рентгенографической пленкой от повреждений во взрывном опыте в ALT-2 удалось защитить кассету, получить ценную информацию о магнитной имплозии лайнера на рентгенографической пленке и существенно снизить стоимость опыта по сравнению с аналогом.
Также в прототипе устранен другой недостаток аналога, связанный с наличием «окон» в обратном токопроводе и приводящий в процессе магнитной имплозии лайнера к азимутальной токовой асимметрии; благодаря отсутствию «окон» снижена индуктивность нагрузки, потребляемая от ВМИЭ энергия и стоимость устройства защиты.
Основными недостатками прототипа являются:
- недостаточная защита рентгеновской трубки источника излучения от осколков обратного токопровода. После проведения эксперимента трубка выходит из строя, что приводит к значительному удорожанию эксперимента, поскольку стоимость трубки составляет $30k, что сравнимо со стоимостью всего эксперимента;
- использование взрывного затвора в качестве активного элемента защиты пленки приводит к удорожанию устройства и появлению проблемы разновременности срабатывания взрывного затвора и рентгеновского аппарата, т.е. имеется вероятность того, что пластины взрывного затвора закроют пленку раньше, чем будет произведен импульс рентгеновского пучка.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, обеспечивающего защиту рентгеновской диагностики от повреждений осколками обратного токопровода и ВМИЭ без повышения стоимости.
Техническим результатом является обеспечение сохранности как рентгеновской трубки, так и кассеты с рентгенографической пленкой в эксперименте с магнитной имплозией лайнера при одновременном устранении активного элемента защиты пленки, каким является взрывной затвор, что удешевляет стоимость эксперимента.
Технический результат достигается тем, что в устройстве защиты рентгеновской диагностической системы от повреждений в экспериментах с магнитной имплозией лайнера, содержащем помещенный в защитный бокс рентгеновский источник и расположенные вдоль оси его излучения пондеромоторный узел, включающий коаксиально расположенные центральный измерительный блок, лайнер и обратный токопровод, а также помещенную в защитный контейнер кассету с рентгенографической пленкой, новым является то, что между защитным боксом с рентгеновским аппаратом и обратным токопроводом, а также между обратным токопроводом и защитным контейнером с пленкой, в угловом секторе рентгеновского пучка от источника к пондеромоторному узлу, совпадающим с клиновидной «тенью», отбрасываемой центральным измерительным блоком, установлено по одному элементу с режущей кромкой, расположенной параллельно оси пондеромоторного узла в направлении к поверхности обратного токопровода.
Между режущими кромками элементов и наружной стенкой обратного токопровода выполнен зазор, равный толщине стенки обратного токопровода. которая варьировалась от 2 до 10 мм.
Элементы с режущей кромкой выполнены в виде пластин, режущая кромка которых имеет угол заточки 20°.
Аксиальная длина элементов с режущей кромкой превышает длину амбразуры контейнера и диаметр отверстия защитного бокса рентгеновского источника. Крепление элементов производится за пределами амбразуры контейнера и отверстия в защитном боксе (фиг.3 и фиг.4).
Элементы с режущей кромкой выполнены из высокопрочной стали марки 95Х18.
Устранение взрывного затвора снимает проблему синхронизации моментов начала пуска затвора и рентгеновского аппарата, а также позволяет снизить затраты на проведение опыта.
Применение в заявляемом устройстве элементов с режущими кромками вместо взрывного затвора позволяет исключить воздействие ударных волн ВВ взрывного затвора на рентгенографическую пленку; защитить рентгеновскую трубку источника излучения от шрапнели разлетающихся фрагментов обратного токопровода при ударе стенки под воздействием давления магнитного поля об режущие кромки. Фрагменты обратного токопровода расходятся в стороны, образуя зоны в виде угловых секторов, свободные от разлета осколков.
Размещение элементов с режущей кромкой в угловом секторе рентгеновского пучка от источника к пондеромоторному узлу, совпадающем с клиновидной «тенью», отбрасываемой центральным измерительным блоком, не вносит дополнительного затенения в рабочую зону кадра на пленке.
Зазор между режущей кромкой элементов и стенкой обратного токопровода выбирается из расчета того, что обратный токопровод под действием давления магнитного поля не разрушается преждевременно до момента начала его дробления на фрагменты и осколки.
Превышение аксиальной длины одного элемента с режущей кромкой длины амбразуры контейнера, а аксиальной длины другого элемента с режущей кромкой - диаметра отверстия защитного бокса рентгеновского источника, а также крепление элементов за пределами амбразуры и отверстия защитного бокса обеспечивает свободное прохождение рентгеновского пучка и получение полезной информации на рентгенографической пленке.
На фиг.1 изображен аналог заявляемого устройства с дополнительными мерами защиты.
На фиг.2 изображен прототип заявляемого устройства.
На фиг.3 и фиг.4 изображено заявляемое устройство.
На фиг.5 показан процесс разрыва обратного токопровода.
На фиг.6 приведена фотография пластины-свидетеля, которая демонстрирует эффективность работы устройства защиты.
Устройство защиты рентгеновской диагностической системы от повреждений в экспериментах с магнитной имплозией лайнера содержит съемную кассету с рентгенографической пленкой 3 в защитном корпусе 14. Защитный корпус 14 помещен в контейнер 15, выполненный в виде толстостенной металлической трубы с установленным на ее переднем торце толстостенным металлическим диском 16 с прямоугольной амбразурой, закрытой бронежилетом 17, а на ее заднем торце - металлической крышкой 18. Между амбразурой, защитным корпусом с кассетой и крышкой размещены мягкие подушки 19, выполненные в виде пакета легко сжимаемых прокладок (см. фиг.3).
На оси излучения рентгеновского источника перпендикулярно оси расположен пондеромоторный узел, включающий коаксиально расположенные центральный измерительный блок (ЦИБ) 5, лайнер 1 и обратный токопровод 4.
Между кассетой с рентгенографической пленкой 3 и обратным токопроводом 4, а также рентгеновской трубкой аппарата 2 и обратным токопроводом 4 в угловом секторе рентгеновского пучка от источника к пондеромоторному узлу, совпадающем с клиновидной «тенью», отбрасываемой центральным измерительным блоком (ЦИБ) 5, установлены элементы с режущими кромками 26 и 27 соответственно. Элементы с режущими кромками выполнены в виде металлических пластин, причем режущие кромки направлены в сторону обратного токопровода 4 и имеют угол заточки 20°.
Защитный бокс с рентгеновской трубкой 13 и контейнер 15 закреплены на опорном кольце 25.
Между режущими кромками элементов 26 и 27 и наружной стенкой обратного токопровода 4 имеется зазор, равный толщине стенки обратного токопровода.
Аксиальная длина элементов с режущими кромками 26 и 27 превышает длину амбразуры контейнера 15 и диаметр отверстия защитного бокса 13, а само крепление элементов производится за пределами амбразуры и отверстия защитного бокса.
Элементы с режущими кромками выполнены из высокопрочной стали марки 95Х18.
Заявляемое устройство защиты рентгеновской диагностической системы от повреждений при проведении взрывных опытов по магнитной имплозии лайнера работает следующим образом.
С помощью мультимегаамперного импульса тока от ВМИЭ осуществляется магнитная имплозия лайнера 1. При разгоне магнитным полем до скоростей 2-2,5 км/с обратный токопровод 4 налетает на каждую из режущих кромок элементов 26 и 27, которые разрезают стенку токопровода на крупные фрагменты, расходящиеся в стороны, образуя зоны, свободные от разлета осколков в виде угловых секторов.
6
С целью подтверждения осуществимости заявленного объекта и достижения технического результата был изготовлен и испытан лабораторный макет устройства. Обратный токопровод из алюминиевого сплава АМГ разгонялся с помощью 150 гр ВВ. На пути обратного токопровода с зазором 10 мм устанавливались элементы с режущей кромкой, выполненные из стали с углом заточки режущей кромки 20°. Длина элементов составляла 350 мм, аксиальная длина - 120 мм. Толщина одного элемента с режущей кромкой составляла 10 мм, а другого - 16 мм.
На пути разлетающихся со скоростью 0,9 км/с осколков обратного токопровода устанавливалась алюминиевая пластина-свидетель, имитирующая кассету с рентгенографической пленкой. На фотографии (фиг.6) видны большие рваные следы по бокам и чистое поле посередине пластины-свидетеля, причем ширина защищенной зоны составила 110 мм, а ширина амбразуры контейнера с рентгенографической пленкой - 80 мм, что доказывает, что предлагаемое устройство обеспечивает эффективную защиту от осколков обратного токопровода.
Таким образом, с помощью подобного устройства защиты рентгеновской диагностической системы от повреждений в модельном газодинамическом эксперименте на пластине - свидетеле удалось получить зоны, свободные от повреждения осколками обратного токопровода, и получить ценную информацию и соответственно снижение стоимости опыта по сравнению с аналогом и прототипом.