Разработка новых технологий и конструкций мобильных рентгеновских интроскопов
На правах рукописи
Буклей Александр Александрович
РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОНСТРУКЦИЙ МОБИЛЬНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ИНТРОСКОПОВ
Специальность 05.11.13
«Приборы и методы контроля природной среды, веществ,
материалов и изделий»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена в ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «СПЕКТР» и ООО «Флэш электроникс»
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук Артемьев Борис Викторович
Доктор технических наук, профессор Леонов Борис Иванович
Доктор технических наук, профессор Горшков Вячеслав Алексеевич
Ведущая организация:
Академия управления МВД России
Защита состоится 16 декабря 2009 года в 10 часов на заседании
Диссертационного совета Д.520.010.01
ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»
по адресу: г. Москва, ул. Усачева, д. 35, строение 1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»
Автореферат разослан _____________________ 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук,
профессор Королев М.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Важнейшей составляющей мероприятий, направленных на совершенствование антитеррористической деятельности, следует считать оснащение специальных подразделений эффективной поисковой и досмотровой аппаратурой. Аппаратурные методы обнаружения предметов террористического назначения реализуются в комплексе средств технической диагностики. При этом наиболее информативными и надежными являются методы и средства радиационной интроскопии.
В конце 80-х – начале 90-х годов прошлого века производство отечественной аппаратуры рентгеновской интроскопии значительно отставало от потребностей правоохранительных органов. Оснащение силовых структур громоздкими рентгенографическими аппаратами и переносными комплексами Vidisco (Израиль), «Лебеда» (Россия), уже не удовлетворяли предъявляемым к ним требованиям ни по производительности, ни по качеству диагностики. Эксплуатационные характеристики не позволяли их использовать в реальных условиях вне помещений, а высокая цена импортной аппаратуры сдерживала массовое внедрение этих комплексов в практику.
Повышение требований к технической оснащенности антитеррористических и других спецподразделений поставило на повестку дня целый комплекс задач по созданию и развитию массового производства отечественной рентгеновской досмотровой и поисковой аппаратуры, отвечающей современным требованиям к ее основным эксплуатационным параметрам: малые вес и габариты переносной аппаратуры, высокая производительность при высоком качестве рентгеновских изображений, возможность эксплуатации в условиях ограниченного доступа к объекту, безопасность персонала, работа в широком диапазоне климатических условий. Необходимость реализации указанных требований явилась предпосылкой к постановке и выполнению данной работы, обусловив ее актуальность
Актуальность работы подтверждена также рядом указов Президента Российской Федерации и постановлений Правительства Российской Федерации, в том числе:
- постановлением Правительства РФ от 10 Марта 1999 г. №270 «О Федеральной целевой программе по усилению борьбы с преступностью на 1999-2000 годы»;
- указом Президента РФ от 23 сентября 1999 г. № 1255с «О мерах по повышению эффективности контртеррористических операций на территории Северо-Кавказского региона Российской Федерации» (с изм. и доп. от 22 января 2001 г., 30 июня 2003 г.).
Цель работы
Целью работы является создание мобильных рентгеновских интроскопов, предназначенных для оснащения антитеррористических подразделений правоохранительных органов, дефектоскопических лабораторий строительных организаций ТЭК, на основе развития методов рентгеновской интроскопии, разработки специальной элементной базы, внедрения современных технологий и освоения серийного производства отечественной рентгеновской аппаратуры.
Реализация поставленной цели достигается решением ряда задач
1. Анализ существующих технологий и средств рентгеновской диагностики применительно к задачам досмотра транспортных средств, багажа, ручной клади, отдельных предметов и упаковок. Исследование методических и технических особенностей разминирования штатных и самодельных взрывных устройств. Исследование характерных демаскирующих признаков устройств съема информации. Оптимизация номенклатуры технических средств рентгеновской диагностики. Выработка тактико-технических требований к рентгеновской технике, обеспечивающих качественное улучшение деятельности специальных подразделений, направленной на снижение вероятности осуществления терактов, обеспечение информационной безопасности, безопасности объектов государственной охраны и техногенных катастроф.
2. Разработка новых технологий для создания высоковольтной элементной базы, а именно: рентгеновских трубок, газонаполненных разрядников, низкоимпедансных высоковольтных конденсаторов. Создание соответствующей технологической базы и освоение серийного выпуска изделий.
3. Разработка математических моделей и алгоритмов расчета импульсных рентгеновских генераторов на основе трансформатора Тесла, работающих как на первой, так и на второй полуволне.
4. Разработка модели и определение условий локализации неоднородностей в досматриваемом объекте методом обратно рассеянного излучения.
5. Создание мобильных рентгеновских интроскопов, предназначенных для решения задач по обеспечению безопасности государственных объектов страны, проведение ее сертификации, наладка серийного выпуска, обеспечение оснащения разработанной техникой специальных подразделений правоохранительных органов и дефектоскопических лабораторий, отработка методики и технологии их применения.
Методы исследований
Теоретические исследования проводились с использованием методов математического анализа, теории вероятностей и математической статистики. Решение дифференциальных уравнений выполнялось методом Рунге-Кутта 4-го порядка.
Математическое моделирование проводилось с использованием пакета Visual Studio на языке программирования С ++.
Экспериментальные исследования выполнялись с использованием высокочастотных осциллографов, специально разработанных импульсных дозиметрических приборов, высоковольтных делителей, шунтов и других стандартных методов и средств.
Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований достигалось путем через использования сертифицированных и поверенных образцов, мер, а также метрологически поверенной аппаратуры.
Научная новизна работы
Для реализации поставленной цели были выполнены комплексные теоретические и экспериментальные исследования и научно-технические разработки, обеспечившие достижение качественно нового технологического уровня в данной области, в том числе
1) теоретически и экспериментально исследованы процессы взаимодействия прямого и обратного рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 10 до 100 кэВ с различными материалами и изделиями из них. Определены условия, необходимые для локализации типовых объектов при обратном рассеянии по критерию отношения сигнал/шум. Исследованы и определены предельная толщина и чувствительность контроля многослойных конструкций на основе метода обратно рассеянного излучения в зависимости от параметров рентгеновского излучения;
2) разработаны математические модели импульсных рентгеновских аппаратов на основе различных схем построения с учетом эффекта близости, скин-эффекта, емкостных связей индуктивности первичного контура. Теоретически установлены и экспериментально подтверждены зависимости влияния конструктивных, технических (габаритные размеры, количество витков, способ намотки), физических (коэффициент связи, рассогласованность частот, сопротивление, емкость, индуктивность) параметров трансформатора на КПД передачи энергии из емкостного накопителя первичного контура во вторичный контур;
3) разработаны алгоритмы оптимизации параметров трансформатора при передаче энергии на первой и второй полуволне;
4) теоретически и экспериментально исследовано влияние величины разрядной емкости на суммарный выход рентгеновского излучения за период ресурса импульсной рентгеновской трубки. Сформулированы принципы выбора величины разрядной емкости в импульсных интроскопах в зависимости от толщины и плотности контролируемого материала.
Практические результаты работы
Разработаны и поставлены на серийное производство рентгеновские комплексы специального назначения стационарного и портативного исполнения, значительно превосходящие по своим характеристикам лучшие отечественные и зарубежные образцы или не имеющие аналогов:
1. Для оперативного обследования отдельных предметов и объектов в масштабе реального времени и в условиях ограниченного времени досмотра – малодозовый портативный рентгеновский комплекс «Шмель-90/К».
2. Для оперативного обследования отдельных предметов и объектов в полевых усло-виях – портативные рентгенотелевизионные комплексы («Шмель-240ТВ», «Колибри-150ТВ») с предельной просвечивающей способностью по стали до 40 мм, разрешением не хуже 0,12 мм, общей массой не более 25 кг, автономным питанием, работающие в широком температурном диапазоне -30+60 °С. «Шмель-240ТВ» - единственный портативный комплекс, позволяющий осуществлять в нестационарных условиях досмотр топливных баков и газовых баллонов автотранспорта.
3. Для оперативного обследования крупногабаритных объектов (автотранспорта и помещений), а также подповерхностного контроля объектов при реализации только одностороннего доступа – ручной рентгеновский сканер «Ватсон», выявляющий неоднородность структуры за пластиком (45 мм), резиной (25 мм), сталью (1,5 мм) и мобильный рентгеновский сканер «Ватсон-ТВ» с визуализацией рентгеновского изображения, разрешающей способностью 0,6 пар линий на мм. Рентгеновский сканер «Ватсон» не имеет аналогов.
4. Для контроля качества сварных соединений при строительстве и проведении регламентных работ газо-нефтепроводов различного сечения - портативные рентгеновские аппараты «Шмель-220/250» и «Шмель-350», обеспечивающие просвечивания материалов, с толщиной эквивалентных по ослаблению рентгеновского излучения стали от 6 до 50 мм, с чувствительность контроля по 2 классу ОСТ 102-51-85, работающие в широком температурном диапазоне от -40 до +60 °С.
5. Специальной рентгеновской техникой, разработанной в рамках данной работы, оснащены: таможенные пункты пропуска, метрополитены России, центральные железнодорожные и автовокзалы России, а также практически все подразделения ОМОН, мобильные взрывотехнические лаборатории. На основании ведомственной программы продолжается переоснащение современной техникой территориальных органов ФСБ России и подразделений ФСО, осуществляющих охрану организаций и отдельных лиц, представляющих Российскую Федерацию за рубежом.
Всего за период с 1993 по 2008 г.г. изготовлено и поставлено в спецподразделения МО, МВД, ФСБ, ФСО, ФТС, ФСИН России более 1200 единиц разработанной рентгеновской техники.
6. Изготовлено и поставлено в различные организации ТЭК России более 900 импульсных рентгеновских интроскопов серии «Шмель» модели на 220, 250, 350 кВ. Только аппаратами «Шмель» проконтролировано более 20 000 км магистральных газо-нефтепроводов.
С помощью разработанной техники с 1993 по 2008 г.г. обнаружено и обезврежено более тысячи взрывных устройств, обнаружено несколько тысяч контрабандных товаров и ограниченных к свободному перемещению предметов.
7. Внедрение разработанной техники позволило
- снизить вероятность проведения терактов за счет своевременного обнаружения взрывных устройств при их ввозе в страну и перемещении;
- ограничить утечку сведений, составляющих государственную тайну, вследствие упреждающего обнаружения прослушивающих устройств, внедренных в оргтехнику, линии связи, оборудование, помещения государственных учреждений;
- обеспечить безопасность объектов государственной охраны в период официальных визитов и командировок;
- увеличить в 3-4 раза пропускную способность контрольно-пропускных пунктов на государственной границе, в том числе и необорудованных, путём сокращения до 10 раз времени досмотра автотранспорта и багажа;
- повысить эффективность обезвреживания замаскированных самодельных и штатных взрывных устройств за счёт ускорения их бесконтактной идентификации и определения конструкции исполнительного механизма, а также безопасность сапёров при обезвреживании;
- повысить производительность труда при проведении контроля сварных соединений в экстремальных условиях севера и юга России.
Защищаемые положения
1.Теоретические исследования взаимодействия прямого и обратного рентгеновского излучения с многослойными конструкциями. Обоснование выбора диапазона оптимальных энергий излучения при регистрации обратно рассеянного излучения по критерию отношения сигнал/шум.
2. Теоретические исследования по созданию математических моделей преобразования энергии в трансформаторе Тесла.
3. Новые алгоритмы оптимизации параметров трансформатора Тесла и созданные на их основе импульсные интроскопы.
4. Технические решения при создании мобильных интроскопов и их конструкции.
5. Технологические решения при создании высоковольтной элементной базы.
6. Новые методы измерений при разработке импульсных интроскопов.
Апробация работы
Основные результаты работы опубликованы в отечественных периодических изданиях, докладывались и обсуждались на российских и международных научных конференциях, приборы автора демонстрировались на различных международных выставках и были оценены 9 медалями.
Публикации
34 научные работы, включая публикации в журналах, тезисы докладов научно-технических конференций, отчеты НИОКР с государственной регистрацией, 6 авторских свидетельств СССР и 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включаю-щего 111 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 198 страницах, включая 63 рисунка и 38 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении сформулированы цель работы и проблема, подлежащая решению. Показана актуальность темы диссертации. Сформулированы научная новизна и практическая ценность работы. Приведены сведения об ее апробации.
Первая глава посвящена анализу средств и методов рентгеновской интроскопии и определению путей дальнейшего развития данного направления.
В разделе «Рентгеновский метод и средства интроскопии, предназначенные для поиска и досмотра на основе метода проникающего излучения» проводится анализ состояния оснащения правоохранительных органов средствами рентгеновской интроскопии, обобщаются задачи, стоящие перед подразделениями различных силовых структур.
Отечественные силовые структуры остро нуждались в эффективной рентгеновской технике, способной осуществлять досмотр полостей автотранспорта, подозрительных объектов, оргтехники, помещений. При этом техника должна быть безопасной для оператора, получать изображения досматриваемых объектов в реальном масштабе времени с уровнем качества, сравнимым с рентгеновской пленкой, в том числе и в полевых условиях при отрицательных температурах.
В связи с этим одной из целей настоящей работы стало создание рентгеновской специальной техники для противодействия терроризму, обеспечения общественной и государственной безопасности за счет развития рентгеновского метода, внедрения современных технологий, освоения серийного производства отечественных комплектующих и создания собственного программного обеспечения.
Анализ задач, стоящих перед различными силовыми ведомствами, позволил, получить данные, приведенные в табл. 1, из которых следует, что представляется целесообразным разработать одновременно удовлетворяющие требованиям различных ведомств портативные рентгенотелевизионные интроскопы с просвечивающей способностью более 40 мм по стали (газовые баллоны, бензобаки, технологические полости), общей массой не более 25 кг, всепогодного исполнения. Однако создание таких интроскопов требовало разработки импульсного рентгеновского аппарата с напряжением 240-250 кВ и общей массой не более 10 кг, включая автономный источник электропитания. Анализ номенклатуры и характеристик серийно выпускаемых импульсных рентгеновских аппаратов показал невозможность их использования в интроскопах. Дальнейшее развитие сдерживало отсутствие специальной элементной базы, удовлетворяющей критериям надежности, ресурса, массо-габаритным параметрам, которая обеспечивала бы условия эффективного преобразования энергии от аккумуляторных батарей в энергию рентгеновского излучения.
В разделе «Рентгеновский метод и средства интроскопии, предназначенные для поиска и досмотра на основе метода обратно-рассеянного излучения» приводятся обзор и анализ существующих средств досмотра, основанных на методе регистрации обратно рассеянного излучения. Отмечается, что данный метод не имеет альтернативы в случае невозможности двустороннего доступа к досматриваемому объекту.
Подробный анализ технических параметров, выпускаемых интроскопов, приведенных в табл. 2 и 3, позволяет сделать вывод о целесообразности дальнейшего развития метода регистрации обратно-рассеянного излучения с последующим созданием мобильного (передвижного) и портативного (ручного) сканера:
1. Мобильный комплекс должен получать изображение содержимого объекта контроля и может быть применен в тех случаях, когда использование портативных рентгенотелевизионных комплексов ограничено или невозможно в силу необходимости организации двустороннего доступа к объекту. Подобный мобильный комплекс позволит производить контроль стен, полов, потолков помещений на наличие устройств съема информации и взрывных устройств. Он также может быть использован для обнаружения противопехотных и противотанковых мин.
2. Ручной рентгеновский сканер должен представлять результаты досмотра в цифровом или аналоговом виде, где значению уровня рассеянного излучения соответствует текущее положение прибора. В качестве источника излучения необходимо использовать рентгеновский
генератор, применение которого позволяет расширить динамический диапазон, а следовательно и чувствительность метода. Ручной сканер не дает возможности получить четкое изображение, а лишь позволяет определить его общие контуры. С помощью данного сканера можно значительно ускорить досмотр однотипных полостей и деталей (колес, дверных полостей автотранспорта, внутренних перегородок пассажирских железнодорожных вагонов, мебели и т.п.).
Мощным средством моделирования процессов взаимодействия частиц и излучения с веществом является набор средств программирования (программная библиотека) GEANT, в котором используется метод Монте-Карло и предусмотренны средства описания различного рода взаимодействий в общем виде. Это позволяет задать практически любую геометрию, химический состав, количество объектов, участвующих во взаимодействии, учесть различные
Таблица 1
Перечень задач, которые необходимо решать подразделениям различных силовых ведомств
| № | Задача | Министерство, ведомство, служба | Применение |
| 1 | Борьба с терроризмом | МВД России ФСБ России | Обследование транспортных средств, контейнеров, бесхозных сумок и прочих объектов с целью обнаружения оружия, взрывчатых веществ и взрывных устройств. Определение конструкции исполнительного механизма при обезвреживании взрывных устройств |
| 2 | Противодействие распространению наркотических веществ Противодействие неза-конному ввозу и выво-зу материальных, худо-жественных и истори-ческих ценностей | ФТС России, ФСКН России | Досмотр транспортных средств, багажа и грузов с целью обнаружения наркотических веществ и контрабанды |
| 3 | Обеспечение безопасности объектов государственной охраны | ФСО России | Досмотр подарков, сувениров и других предметов, поступающих в адрес объектов государственной охраны |
| 4 | Обеспечение информационной безопасности | Подразделения РЭБ МО, ВМФ, ФСБ России | Досмотр стен, перекрытий, перегородок, линий связи, мебели и оргтехники с целью обнаружения устройств съема информации |
Таблица 2
Досмотровые комплексы на основе регистрации обратно рассеянного излучения
| Наименование | Тип исполнения | Используемый источник излучения | Общая масса | Страна-производитель |
| Комплекс Shaped Energy System | стационарный (досмотр грузового автотранспорта) | ускоритель 3,8 МэВ | США | |
| Рентгеновский комплекс Cargo Search | стационарный (досмотр грузового автотранспорта и контейнеров) | рентгеновский аппарат 450 кВ | США | |
| Рентгеновский комплекс Mobile Search | мобильный на автомобильном шасси (досмотр грузового автотранспорта и контейнеров) | рентгеновский аппарат 450 кВ | 18 900 кг | США |
| Рентгеновский комплекс 101 Van Micro-Dose Inspection System | мобильный на автомобильном шасси (досмотр грузов и багажа) | рентгеновский аппарат 140 кВ | 6 150 кг | США |
Таблица 3
Ручные сканеры на основе регистрации обратно рассеянного излучения
| Наименование | Тип исполнения | Используемый источник излучения | Общая масса | Страна-производитель |
| Ручной сканер Buster | портативный ручной (проверка помещений, досмотр транспортных средств) | изотоп 133Ba | 1,2 кг | США |
виды взаимодействий всех порядков, спектр источника излучения.
Недостатками использования программной библиотеки GEANT являются большой объем работ по написанию программы, а также необходимость больших вычислительных мощностей и значительный штат сотрудников для проведения вычислений. Поэтому GEANT целесообразно использовать, например, при разработке и моделировании уникальных дорогостоящих установок для изучения процессов взаимодействия элементарных частиц с веществом. Для количественных оценок параметров рентгеновских интроскопов целесообразно применять приближенные упрощенные модели.
Существует модель для определения интенсивности обратно рассеянного рентгеновского излучения от слоя однородного по химическому составу материала, за которым находится инородный объект. Она построена в предположении, что единственным видом взаимодействия излучения с веществом является рассеяние. В нашем случае, когда должно анализироваться в первую очередь изменение интенсивности обратно рассеянного излучения, вызванное наличием инородного объекта, данный подход использовать нецелесообразно из-за ограничений и недостатков, которыми он обладает.
Таким образом, необходимо использовать иную модель зависимости интенсивности обратно рассеянного излучения от характеристик инородного объекта и преграды, за которой он находится. Для определения возможностей рентгеновского устройства, основанного на регистрации обратно рассеянного излучения, необходимо также определить критерии выявления инородного объекта.
В разделе «Рентгеновский метод и средства интроскопии, предназначенные для контроля сварных соединений при строительстве и эксплуатации газонефтепроводов» приводится обзор и анализ существующих рентгеновских интроскопов, основанных на применении различных источников излучения: изотопных источников, аппаратов постоянного потенциала, импульсных аппаратов с длительностью импульса не более 20 нс. В последнее время строительные организации предпочитают работать с аппаратами постоянного потенциала в силу существенных преимуществ, связанных прежде всего с качеством получаемых рентгеновских снимков. Однако жесткие климатические условия (низкая температура, болотистая или горная местность) не позволяют использовать аппараты постоянного потенциала, в силу их значительных массо-габаритных параметров. В таких случаях ранее активно использовались изотопные источники и импульсные рентгеновские аппараты. Изотопные источники не обеспечивают приемлемого качества и производительности контроля, кроме того, их применение сопряжено с большими организационными проблемами. Импульсные аппараты из-за низкого ресурса элементной базы (рентгеновской трубки, высоковольтных конденсаторов, разрядников) и самого аппарата в целом, ограниченной просвечивающей способностью не могут активно применяться при строительстве газо-нефтепроводов. Таким образом, становится актуальной разработка нового поколения импульсных рентгенографических интроскопов.
Развитие импульсных рентгеновских интроскопов сдерживает отсутствие конкретных математических моделей процессов, происходящих в импульсном трансформаторе и разрядном контуре. Проведено достаточное большое количество исследований в данном направлении, как правило, они носят общий характер, что не дает разработчику данной техники возможности глубоко исследовать переходные процессы. Известные модели позволяют качественно оценить происходящие процессы, но не дают точных численных значений.
Таким образом, дальнейшее развитие импульсных рентгеновских интроскопов требует разработки оптимальной математической модели, описывающей процесс переноса накопленной энергии из первичного контура на рентгеновскую трубку, а также методик расчета импульсных рентгеновских генераторов на основе трансформатора Тесла, дающих достоверные данные, близкие к результатам экспериментальных измерений.
Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям математических моделей, описывающих процесс переноса накопленной энергии в емкостных накопителях первичного контура в емкостной накопитель вторичного контура, разработке алгоритма оптимизации импульсных рентгеновских генераторов на основе трансформатора Тесла, а также теоретическим исследованиям по построению математических моделей, позволяющим определять достоверность локализации неоднородности при регистрации обратно-рассеянного излучения.
В разделе «Разработка математических моделей импульсных высоковольтных трансформаторов Тесла на напряжение 250 кВ. Алгоритмы оптимизации параметров трансформатора» для решения системы дифференциальных уравнений (1) - (2), описывающих
переходные процессы, происходящие в трансформаторе Тесла и не имеющих аналитического решения, введено дополнительное дифференциальное уравнение (3). Последнее позволяет, с
U1+R1(f)·I1+(L1+ L1par)·dI1/dt+M·dI2/dt=0 (1)
U2+R2(f)·I2+(L2+ L2par)·dI2/dt+M·dI1/dt=0 (2)
U3+R3(f)·I3+(L3+ L3par)·dI3/dt+M13·dI1/dt+M23·dI2/dt =0 (3)
одной стороны, численно решать систему уравнений (1)-(3), с другой стороны, данное уравнение (3) описывает колебательный процесс, происходящий в первичном контуре трансформатора Тесла, негативно влияющий на КПД передачи энергии из первичного контура во вторичный. Предпосылками для введения уравнения (3) явились следующие экспериментальные результаты и физические процессы. Модель, описываемая уравнениями (1), (2) качественно точно описывает переходный процесс в трансформаторе, однако не объясняет наблюдаемые на практике быстро затухающие высокочастотные колебания в первичном контуре. Экспериментальные исследования выявили зависимость этих колебаний от емкости первичной обмотки L1. Отсутствие в модели высокочастотных колебаний в первичном контуре приводит к существенно большей амплитуде напряжения (в 1,2-1,5 раз) во вторичном контуре U2, вычисленной на основе модели, чем в полученной экспериментально. Данные просчеты в математических моделях, в конечном счете, приводят при проектировании к снижению КПД преобразования энергии трансформатором.
Для описания процесса высокочастотных колебаний в первичном контуре предложена следующая модель.
В начальный момент времени емкость первичной обмотки не заряжена. При замыкании коммутатора (разрядника) эта емкость заряжается от первичного конденсатора через паразитную индуктивность L1par и частично через сопротивление обмотки R1 (т.к. сопротивление обмотки распределено в самой обмотке). Поскольку паразитная индуктивность сравнительно мала, то существенное значение приобретает качество первичной обмотки, а именно, индуктивность, обусловленная полем, проникающим между витками образует колебательный контур с емкостью первичной обмотки, колебания в котором мы и наблюдаем. Для математической модели предложено ввести дополнительную обмотку с индуктивностью L3, равной индуктивности первичной обмотки L1, и коэффициентом связи с первичной обмоткой, близким к единице. Емкость в этом контуре равна емкости первичной обмотки. Эта обмотка описывает неидеальность первичной обмотки, а коэффициент связи с первичной обмоткой является математическим выражением этой неидеальности. В частности, если коэффициент связи с первичной обмоткой равен 1, то обмотка идеальна.
Для эффективного практического использования программа должна достаточно быстро находить решение системы дифференциальных уравнений (1) – (3). Это возможно реализовать с помощью ряда методов (Эйлера, Рунге-Кутта и др.). С помощью MathCad были исследованы ряд методов и установлено, что метод Рунге-Кутта 4-го порядка обеспечивает достаточную точность при относительной простоте вычислений. Средством программирования был выбран язык С++ из пакета Visual Studio. Это средство программирования позволяет реализовать алгоритмы вычислений и оптимизации, представить и сохранить данные в удобной для пользователя форме.
Программа позволяет производить следующие вычисления:
– вычислять токи и напряжения в контурах при заданных параметрах трансформатора;
– производить оптимизацию заданных физических параметров, таких, как сопротивление, емкость, индуктивность;
– производить оптимизацию заданных технических параметров (габаритных размеров, количества витков в обмотках, способа намотки).
Результаты вычислений могут быть сохранены для дальнейшего использования.
Вычисление токов и напряжений в обмотках является основной функцией программы. Эта функция производит вычисления на заданном временном интервале при заданных параметрах трансформатора.
Критерием оптимизации параметров трансформатора выбран КПД. Оптимизация выполняется путем нахождения максимального КПД при вариациях заданных переменных.
Оптимизация технических параметров производится с помощью анализа выходного сигнала (нахождение максимального КПД) при вариации технических параметров с последующим вычислением связанных с ними физических параметров.
Технические параметры трансформатора, такие, как электропрочность изоляции, удельная энергия первичного конденсатора, размеры разрядника, ограничивают возможности реализации рентгеновского аппарата, поэтому наряду с абсолютным значением КПД большой интерес представляет определение максимально достижимого КПД в заданном объеме.
Объем рентгеновского аппарата состоит из относительно небольшого объема электроники, линейно зависящего от энергии, объема первичного и вторичного контуров, оптимизируемого объема трансформатора. В настоящей работе рассматривается трансформатор с конической вторичной обмоткой и ленточной первичной обмоткой.
По постановке задачи постоянными являются только выходное напряжение трансформатора и максимальное напряжение в первичном контуре, поэтому при оптимизации входное напряжение нормировалось выходным. Задача оптимизации сводится к следующему: по заданному выходному напряжению определить зависимость максимально достижимого КПД от объема аппарата и соответствующую конфигурацию. Практически это реализовано следующим образом:
1) по заданной поверхностной электропрочности и выходному напряжению U2 определялась минимальная длина вторичной обмотки L;
2) по заданной объемной электропрочности определялся минимальный внутренний диаметр первичной обмотки D;
3) задано L1=1…N1max и L2=N2min...N2max. Вычислялись L1, L2 – индуктивности обмоток, R1, R2 – сопротивления обмоток, CL1 – емкость первичной обмотки, k – коэффициент связи между обмотками;
4) задано C2=C2min...C2max. и C1=C1min...C1max.; U10=1. Необходимо найти КПД;
5) определяли U2 и нормировали U10=U10/U2·U20.
Оптимизация параметров аппарата осуществлялась в несколько этапов. Первоначально было исследовано влияние коэффициента связи на КПД трансформатора. Было установлено, что никакие комбинации других параметров трансформатора ни могут привести к возрастанию КПД при снижении коэффициента связи. Это означает, что при оптимизации параметров аппарата достаточно рассмотреть случай максимально достижимого коэффициента связи.
Таблица 4
| 1/2 | КПД,% |
| 2 | 27,6 |
| 1,4 | 38,1 |
| 1,2 | 41,5 |
| 1,0 | 43,2 |
| 0,83 | 42,3 |
| 0,71 | 39,6 |
| 0,5 | 29,7 |
Рис.1
Таблица 4 и рис. 1. Зависимости КПД передачи энергии из первичного контура во вторичный от рассогласования резонансных частот контуров, полученные на основании разработанной программы.
Далее было установлено, что КПД аппарата ухудшается при рассогласовании резонансных частот в контурах (рис.1, табл. 4). Это позволило сократить для дальнейшего анализа одну независимую переменную, т.е при оптимизации использовалось условие
L1·C1=L2 ·C2. При анализе конечной конфигурации это ограничение устранялось.
На следующем этапе исследовалось влияние длины трансформатора. Расчет показывает, что с увеличением длины трансформатора независимо от его других параметров КПД преобразования энергии незначительно падает (рис. 2, табл. 5).
Таблица 5
| Длина трансфор-матора, мм | КПД, % |
| 50 | 44,2 |
| 100 | 44,1 |
| 200 | 43,4 |
| 300 | 42,7 |
Рис.2
Таблица 5 и рис. 2. Зависимости КПД передачи энергии из первичного контура во вторичный от длины трансформатора на первой полуволне.
Таким образом, оптимальной является минимально возможная длина трансформатора. Минимальная длина трансформатора определяется длиной его вторичной обмотки, которая в свою очередь обусловлена поверхностной электропрочностью каркаса катушки. Это позволяет связать еще два параметра трансформатора – выходное напряжение и длину.
На следующем этапе было исследовано влияние диаметра трансформатора на его КПД. Для определения максимального КПД как функции диаметра трансформатора независимо варьировались количество витков в обмотках и емкость вторичного конденсатора. По заданному диаметру с учетом максимальности коэффициента связи и количества витков в обмотках рассчитывались геометрические параметры трансформатора. Исходя из геометрических параметров находили электрические, которые и являлись входными параметрами при определении КПД. Анализ показал, что эта зависимость имеет монотонный характер, т.е. КПД возрастает с увеличением диаметра (рис.3, табл. 6).
Полученная зависимость позволяет сделать вывод, что для мобильных аппаратов на
250 кВ КПД находится в диапазоне 40-60 % в зависимости от диаметра трансформатора. Достижение КПД более 60 % неоправданно в связи с существенным возрастанием габаритов.
Таблица 6
| Диаметр транс-форматора, мм | Достижимый КПД, % |
| 30 | 11 |
| 40 | 23 |
| 50 | 31 |
| 60 | 40 |
| 70 | 46 |
| 80 | 51 |
| 90 | 55 |
| 100 | 58 |
| 120 | 64 |
| 200 | 73 |
Рис.3
Таблица 6 и рис. 3. Зависимость достижимого КПД от диаметра трансформатора при передаче энергии на первой полуволне
Проведенный анализ влияния параметров трансформатора на его КПД позволяет сделать выбор одного из его основных параметров - наружного диаметра при разумном компромиссе между КПД и габаритами трансформатора этот параметр находиться в диапазоне 60-100 мм. Учет вторичных технологических параметров позволяет остановиться на размере 70 мм. Этот вариант и рассматривается ниже.
При фиксированном диаметре для комбинации остальных параметров существует оптимум. Например, расчет для диаметра 70 мм дает максимальный КПД=46,2 % при количестве витков в первичной обмотке N1=5, во вторичной обмотке N2=161, вторичной емкости C2=10,7 пФ. Эти данные однозначно определяют трансформатор. Однако остается открытым вопрос о стабильности выходного напряжения, т.е. влиянии таких параметров, как технологические отклонения в емкостях, рассогласование частот и т.п. Расчет показывает, что в широком диапазоне значений вторичной емкости существует оптимальное значение количества витков во вторичной обмотке, при котором КПД отличается от максимального менее чем на 0,1%. Это иллюстрируется табл. 7. На практике это означает, что выходная емкость может быть без ущерба для КПД оптимизирована из технологических соображений.
Следующий вопрос - оптимизация скорости нарастания напряжения на вторичной емкости. Расчет показывает, что в широком диапазоне значений резонансной частоты вторичного контура существует оптимальное значение количества витков в первичной обмотке,
при котором КПД отличается от максимального менее чем на 2 %. Это иллюстрируется табл. 8, где представлены значения оптимального количества витков в первичной обмотке как функция от количества витков во вторичной обмотке при емкости вторичного контура 35 пФ. На практике это означает, что коэффициент трансформации и скорость нарастания выходного напряжения могут быть без ущерба для КПД оптимизированы исходя из технологических соображений.
Оптимизация первичной обмотки заключается в определении степени влияния на параметры трансформатора способа намотки. Приведенные выше результаты получены для рулонной намотки. Однако возможен и другой способ – намотка узкой лентой с перекрытием витков (примерно 10% от ширины ленты, для предотвращения проникновения поля между витками). При этом влияние на параметры трансформатора оказывают следующие факторы:
- сопротивление обмотки по постоянному току увеличивается пропорционально количеству витков;
- коэффициент увеличения сопротивления по переменному току уменьшается пропорционально количеству витков;
- коэффициент связи увеличивается пропорционально количеству витков.
Таблица 7
Зависимость оптимального количества витков вторичной обмотки и КПД от емкости вторичного контура
| Емкость вторичного контура, пФ | Оптимальное количество витков вторичной обмотки | КПД, % |
| 10 | 195 | 46,14 |
| 20 | 121 | 46,19 |
| 30 | 97 | 46,19 |
| 40 | 96 | 46,11 |
| 80 | 60 | 46,12 |
Таблица 8
Зависимость оптимального количества витков первичной обмотки и КПД от количества витков вторичной обмотки при C2=35 пФ
| Количество витков вторичной обмотки | Оптимальное количество витков первичной обмотки | КПД, % |
| 50 | 4 | 45,3 |
| 100 | 5 | 46,1 |
| 200 | 7 | 45,3 |
| 300 | 8 | 44,4 |
Эти факторы имеют разнонаправленный характер. Поэтому результат зависит от конкретных условий. Особенностью этого способа намотки является то, что увеличение числа витков не изменяет коэффициента связи, поэтому до определенного предела КПД растет с увеличением числа витков в первичной обмотке, т.к. при этом снижаются высокочастотные потери. Проведя вычисления для этой конфигурации, получим следующие результаты. Для диаметра 70 мм максимальный КПД=52,47 % при количестве витков в первичной обмотке N1=48, количестве витков во вторичной обмотке N2=465, вторичной емкости C2=60 пФ. Зависимость КПД от влияния количества витков в обмотках качественно не отличается от первой конфигурации первичной обмотки. Для интересного с инженерной точки зрения случая емкости вторичного контура 35 пФ в табл. 9 представлены значения оптимального количества витков в первичной обмотке как функция количества витков во вторичной обмотке.
Выше рассматривались практические примеры (в частности: расчет для емкости вторичного контура 35 пФ). Имеется еще ряд параметров, которые ограничивают возможности оптимизации. На практике невозможно обеспечить произвольное значение первичного напряжения. Обычно оно находиться в диапазоне 5-10 кВ. Кроме того, скорость нарастания напряжения на вторичном разряднике не может быть меньше определенного паспортного значения. В табл. 10 приведены расчеты КПД и входного напряжения при заданных параметрах: C2=35, N2=250, N1=4-7. Из таблицы видно, что в этой конфигурации при напряжении ~ 9 кВ КПД уступает теоретическому максимуму всего 4 %.
При работе на второй полуволне абсолютное значение КПД аппарата отступает на второй план, т.к. при коэффициенте связи 0.6 и отсутствии потерь КПД=100 %. Большее значение приобретает отношение амплитуды второй полуволны к первой, поскольку это определяет устойчивость работы аппарата. В табл. 11 приведена расчетная зависимость отношения амплитуды второй полуволны к первой от коэффициента связи и соответствующий КПД без учета потерь. Из табл. 11 следует, что снижение коэффициента связи до 0,5 при незначительной потере КПД (9 %) позволяет существенно повысить отношение U2max/U1max (20 %). Дальнейшее снижение коэффициента связи не целесообразно, т.к. связано со значительной потерей КПД.
В данном случае оптимизация упрощается тем, что теоретически достижимый предел уже определен из коэффициента связи 0,5 (КПД=91%). Этот коэффициент достигается путем
Таблица 9
Зависимость оптимального количества витков первичной обмотки и КПД от количества витков вторичной обмотки (намотка узкой лентой)
| Количество витков вторичной обмотки | Оптимальное количество витков первичной обмотки | КПД,% |
| 50 | 4 | 47,3 |
| 100 | 9 | 50,1 |
| 200 | 10 | 51,2 |
| 300 | 10 | 50,8 |
Таблица 10
Зависимость необходимого напряжения зарядки U1 емкостного накопителя C2 и КПД от количества витков в первичном разрядном контуре
| N1 | КПД, % | U1 |
| 4 | 43 | 6.3 |
| 5 | 46 | 7.6 |
| 6 | 48 | 8.9 |
| 7 | 49 | 10.2 |
Таблица 11
Влияние коэффициента связи на отношение максимумов второй и первой полуволн и КПД
| Коэффициент связи | U2max/U1max | КПД, % |
| 0,1 | 2,6 | 6 |
| 0,2 | 2,6 | 22 |
| 0,3 | 2,4 | 45 |
| 0,4 | 2,3 | 70 |
| 0,5 | 2,1 | 91 |
| 0,6 | 1,8 | 100 |
намотке первичной обмотки узкой лентой при диаметре 35 мм. В этом собственно и состоит оптимизация. Дальнейшие рассуждения аналогичны случаю первой полуволны. Так же, как в случае первой полуволны, при фиксированном коэффициенте связи (в данном случае мы рассматриваем не фиксированный внешний диаметр, а коэффициент связи, т.к. небольшое изменение внешнего диаметра при разумном увеличении числа витков в первичной обмотке не может существенно повлиять на конечный результат) КПД растет с абсолютным ростом числа витков, приближаясь к теоретическому пределу 91%. Поскольку индуктивность обмотки зависит от площади поперечного сечения, то для сохранения индуктивности, которая вместе с емкостью вторичного контура определяет скорость нарастания напряжения на разряднике, пропорционально уменьшению диаметра необходимо увеличить количество витков во вторичной обмотке. В нашем случае это N2=2·250=500. Оптимальное количество витков в первичной обмотке при этом равно 68 и КПД=86%, что соответствует первичному напряжению 50 кВ.
При оптимизации первичной обмотки необходимо определить способ намотки и количество витков. Как было установлено выше, при C2=35 пФ, N2=500 первичное напряжение, соответствующее максимальному КПД, равно 50 кВ. На практике, как указывалось выше, это напряжение лежит в области 5-10 кВ. Определим сначала количество витков в первичной обмотке, обеспечивающее это напряжение и соответствующий КПД. В табл. 12 приведены расчеты КПД и входного напряжения при заданных C2=35 пФ, N2=500, N1=10-16.
Для рулонной первичной обмотки с учетом коррекции диаметра эти зависимости представлены в табл. 13.
Таблица 12
Зависимость КПД и необходимого первичного напряжения U1 от количества витков первичной обмотки N1 (намотка узкой лентой)
| N1 | КПД, % | U1 |
| 10 | 73 | 6.7 |
| 12 | 77 | 7.9 |
| 14 | 79 | 9.0 |
| 16 | 81 | 10.2 |
Таблица 13
Зависимость КПД, первичного напряжения U1 и диаметра трансформатора от количества витков первичной обмотки N1 (рулонная намотка)
| N1 | КПД, % | U1 | Диаметр, мм |
| 10 | 67 | 7.0 | 41 |
| 12 | 70 | 8.1 | 43 |
| 14 | 70 | 9.5 | 44 |
| 16 | 70 | 11 | 45 |
В разделе «Построение модели и определение условий локализации неоднородностей в досматриваемом объекте методом обратно рассеянного излучения» приведены теоретические исследования процессов взаимодействия прямого и обратного рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 10 до 100 кэВ с различными материалами и изделиями из них. Определены условия, необходимые для локализации типовых объектов при обратном рассеянии по критерию отношения сигнал/шум. Исследованы и определены - предельная толщина и чувствительность контроля многослойных конструкций на основе метода обратно рассеянного излучения в зависимости от параметров рентгеновского излучения.
Определим общие условия обнаружения инородного включения в объекте контроля.
Полезный сигнал
N = N1 – N2, (4)
где N1 – среднее количество квантов, регистрируемых детектором при наличии в объекте контроля инородного включения (объекта поиска), N2 – среднее количество квантов, регистрируемых детектором при отсутствии инородных включений в объекте контроля.
Квантовый шум подчиняется пуассоновскому распределению:
. (5)
Вероятность обнаружения инородного включения в объекте контроля определяется отношением сигнал / шум (С / Ш):
. (6)
Сигнал от объекта контроля при отсутствии инородных включений равен
. (7)
Определим величину сигнала N1 при условии, что поперечные размеры инородного включения больше поперечных размеров сканирующего пучка (рис.4) с учетом его геометрической нерезкости, возникающей вследствие конечного размера фокусного пятна. В N1 входит два слагаемых – сигнал N11 от инородного включения, находящегося на глубине 
в объекте контроля
, (8)
и сигнал N12 от «преграды» – слоя объекта контроля, расположенного над инородным включением, толщиной 
:
, (9)
Рисунок 4. Схема регистрации отраженного потока квантов в направлении детектора площадью Sд от объекта контроля при наличии посторонних включений. Где b - размер фокусного пятна рентгеновского излучателя (м); а - расстояние от фокусного пятна до плоскости коллиматора формирующего геометрические размеры сканирующего пучка (м); Soo – площадь инородного включения; N0 – значение радиационного выхода по количеству квантов в сканирующем пучке излучения (квант·м2/с·см2); Sсп – площадь сканирующего пучка на входе в объект контроля (см2); F1 – расстояние от источника излучения до поверхности объекта контроля (м); SД – площадь детектора (см2); F2 – расстояние от поверхности объекта контроля до входной плоскости детектора (см); 
– дифференциальное квантовое альбедо объекта контроля (доля -квантов, рассеянных в единичный телесный угол), зависящее от – угла, под которым выходят кванты в направлении детектора с поверхности объекта контроля, – угла падения первичного потока квантов на объект контроля, и E – энергии квантов. В дальнейшем с целью упрощения записей примем, что 
. То же упрощение примем и для 1 – альбедо инородного включения: 
; t – время счета квантов в заданном положении сканирующего пучка, с; - эффективность регистрации квантов детектором. µоб – коэффициент ослабления первичных квантов в объекте контроля, 
– коэффициент ослабле-ния обратно рассеянных квантов в объекте контроля. Sсп << F12, Sсп << F22 и SД << F22.
В дальнейших вычислениях, опираясь на прикладное значение разрабатываемой модели, будем считать, что углы 
и 
мало отличаются от 90. С учетом этого замечания, исходя из уравнения (7) – (9) получим следующее выражение для отношения сигнал/шум:
, (10)
где 
– среднее значение альбедо.
Отношение сигнал/шум определяет вероятность обнаружения наличия инородного включения в объекте контроля. Поэтому формула (10) является основной для определения условий обнаружения включений прибором, основанным на методе регистрации обратно рассеянного излучения.
Для оценки основных характеристик прибора – глубины контроля, чувствительности (размера включения, которое может быть обнаружено), производительности контроля – с помощью формулы (10) целесообразно задать отношение сигнал/шум 
. Вероятность обнаружения инородного включения при этом составит 99,7%.
Опираясь на формулу (10) при условии, что отношение сигнал/шум не менее 3, определяем максимальную толщину и чувствительность контроля:
, (11)
. (12)
Для удобства расчетов необходимо перейти от квантов 
к используемому в практике рентгеновского неразрушающего контроля радиационному выходу рентгеновского излучателя 
– значению мощности дозы на расстоянии 1 м от фокуса рентгеновской трубки при анодном токе 1 мА. Они связаны между собой следующим выражением:
(квант·м2 / см2 · с), (13)
где 
– радиационный выход используемого рентгеновского аппарата (мР·м2/мА·с);
– анодный ток рентгеновской трубки (мА); 
– эффективная энергия первичного рентгеновского излучения (кэВ); 
– массовый коэффициент поглощения энергии в воздухе (см2 / г).
С учетом (13) выражения (10), (11) и (12) для практических расчетов примут вид
, (14)
, (15)
. (16)
На основании данных приведенных в справочнике Стром Э., Исраэль Х. «Сечение взаимодействия гамма излучения для энергий от 0,001 до 100 МэВ и элементов с Z от 1 до 100» были рассчитаны разности альбедо для различных комбинаций материалов и энергий излучения. В табл.14 приведены оптимальные энергии квантов прямого пучка излучения при условии
, где 
- толщина материалов объекта и включения, для которых проведен расчет разности альбедо рассеянного излучения.
Таблица 14
Расчетные значения оптимальной энергии квантов прямого пучка излучения для различных комбинаций материалов объекта и включения
| Сочетание материалов | Бетон-железо | Вода- бетон | Вода-железо | Бетон-углерод | Вода-углерод | Железо-углерод |
| 0,41 | 0,41 | 0,74 | -0,62 | -0,047 | -0,73 | |
| Оптимальная энергия Е0, кэВ | 80 | 40 | 50 | 40 | 15 | 40 |
Третья глава посвящена исследованиям и разработке высоковольтной элементной базы, а именно, рентгеновских трубок, газонаполненных разрядников, низкоимпедансных высоковольтных конденсаторов, предназначенных для мобильных рентгеновских интроскопов.
Все выполненные разработки оценивались по совокупности критериев:
1) надежность- обеспечение длительности ресурса работы;
2) эффективность – выход излучения для трубок, стабильность для разрядников, потери для конденсаторов;
3) снижение массы и габаритов.
В разделе «Низкоимпедансные высоковольтные конденсаторы» проведен анализ применяемых в высоковольтных конденсаторах современных материалов и конструктивно-технологических решений, технологий организации пропитки объема конденсатора с последующей разработкой и адаптацией электрических и конструктивных параметров конденсаторов к конкретным условиям применения в рентгеновских аппаратах.
На момент начала разработки импульсных рентгеновских аппаратов отсутствовали конденсаторы, близкие по требуемым техническим и массогабаритным параметрам. В связи с данным обстоятельством была поставлена задача создания ряда специальных малогабаритных импульсных конденсаторов со следующими параметрами:
амплитуда импульсного напряжения 8кВ;
номинальная емкость 0,05-0,15 мкФ;
характер разряда - колебательный с обратной полуволной напряжения до 90%;
частота следования импульсов – 12 - 50 Гц;
длительность импульса тока на уровне 0,1 амплитуды 0,2 -0,5мкс;
диапазон рабочих температур от -50 до +55оС;
наработка 108 -109 разрядов;
объем (масса) не более 0,1-0,2 дм3 (120-300 г).
Так, в разрабатываемых цилиндрического типа конденсаторах был выбран комбинированный диэлектрик исходя из того, что в предполагаемом режиме эксплуатации с большим размахом импульсного напряжения и относительно малой передаваемой мощностью в нагрузку на первом месте стоит борьба с частичными разрядами (ЧР). В малогабаритных конденсаторных секциях с плотной намоткой, малыми свободными объемами, бумага лучше справляется с задачей качественной пропитки диэлектрика. Сочетание бумаги и полипропилена дает также возможность получения хорошей температурной стабильности. Относительно низкое значение температурного коэффициента емкости (ТКЕ) получается благодаря тому, что эти материалы имеют противоположный знак температурного коэффициента диэлектрической проницаемости (ТК).
Необходимость борьбы с ЧР также лежала и в основе выбора диэлектрической жидкости (ДЖ). При выборе толщины диэлектрика и рабочего напряжения секции учитывалась необходимость исключения возникновения интенсивных ЧР в рабочем режиме. Интенсивность ЧР определяется размахом переменной составляющей напряжения. На практике в косинусных конденсаторах, расчетная наработка которых составляет порядка 20 лет, секции работают при размахе напряжения порядка 3-4 кВ, в конденсаторах с более коротким сроком службы величина размаха напряжения может доходить до 5-6 кВ. В настоящей разработке была выбрана величина, близкая к 4 кВ, т.е. конденсатор должен состоять из четырех последовательно соединенных секций. Для удобства монтажа в рентгеновском аппарате (РА) был выбран вариант сборки двух последовательно соединенных конденсаторов, каждый из которых состоит из двух секций. Толщина диэлектрика была определена исходя из расчетной напряженности поля 45 В/мкм. Это в 1,5 раза больше, чем у серийно выпускаемых конденсаторов К75-25, -54, что дало двух кратное улучшение массогабаритных показателей. В качестве электродов конденсаторов выбрана алюминиевая фольга толщиной 7 мкм, широко применяемая в конденсаторах. Выбор в пользу фольги обусловлен, главным образом, высоким уровнем токовых нагрузок. Контактный узел выполнен путем облуживания выступающей с торцов фольги оловянно-цинковым припоем ПОЦ-10. Такое решение в отличие от вкладных выводов, практически не лимитирует токовую нагрузку. Эффективное сечение электродов составляет 2,5 см2. Кроме того, конфигурация токоведущих элементов конструкции обуславливает сравнительно низкую собственную индуктивность конденсатора. Измерения индуктивности методом определения резонансной частоты (ГОСТ 28885, метод 508-1) дают величину 60 нГ+20%, что близко к значению индуктивности, рассчитанному по соотношению для прямолинейного провода круглого сечения соответствующих размеров для низкой частоты (равномерного распределения тока по сечению) с учетом индуктивности выводов:
L = ol(ln4l/d-3/4+64d/45l-d2/16l2)/2 (17)
где o - магнитная постоянная, а l и d - соответственно длина и диаметр проводника (конденсатора или вывода).
Основные характеристики разработанных конденсаторов приведены в табл. 15.
Внешнее конструктивное оформление конденсатора (рис. 5) выполнено в виде намотанной на секцию многослойной оболочки из полиэтилентерефталатной (ПЭТФ) пленки с термоклеевым покрытием, торцы уплотнены эпоксидным компаундом (ЭК). Оригинальный узел
уплотнения включает в себя медный диск, припаянный к торцу, и термоусаживающуюся пленку из ПЭТФ (с продольной усадкой 25-30%), плотно обжимающую диск после термообработки при 100-110оС. Данное решение предотвращает попадание ЭК на торцы секции, тем самым обеспечивая возможность последующей пропитки диэлектрической жидкостью (ДЖ) через трубку вывода. Двойной охват термоусаживающейся оболочки ЭК, обеспечивает надежное уплотнение и исключает утечку ДЖ из конденсатора после герметизации.
Конструкция секции обеспечивает высокое значение коэффициента использования объема (~0,6), т.е. отношения объема конденсатора к активному объему, в котором запасается энергия (удельной энергоемкости к плотности энергии электрического поля).
Особенности технологического изготовления связаны с применяемыми материалами и конструкцией конденсаторов. Они относятся в основном к процессу пропитки. Полипропиленовая пленка обладает свойством набухания (увеличения толщины и массы) при повышенной температуре в среде большинства ДЖ, включая PXE и Jarylec. Процесс вакуумной пропитки других диэлектриков, как правило, ведется при повышенных температурах (80-100оС), при которых понижена вязкость ДЖ и соответственно ускоряется процесс. В случае полипропиленового диэлектрика такой режим приводит к быстрому набуханию пленки на краях, запиранию зазоров и прекращению доступа ДЖ вглубь секции. Низкая вязкость Jarylec позволяет вести пропитку даже при комнатной температуре. Однако в процессе эксплуатации при более высоких температурах начнется процесс набухания и поглощения жидкости пленкой. В данном случае, когда объем свободной ДЖ очень мал, это может привести практически к «осушению» конструкции и в результате к возникновению интенсивных ЧР в рабочих режимах. Чтобы этого избежать, необходимо довести процесс набухания пленки до насыщения еще в процессе пропитки при температуре не ниже рабочей.
Таблица 15
Параметры конденсаторов серии К75-74Р-4кВ для импульсных рентгеновских аппаратов серии «Шмель»
| Параметр | Величина параметра | ||
| Шмель-250 | Шмель-150 | Шмель-90А | |
| Номинальное напряжение амплитуда/размах, кВ | 4/8 | 4/8 | 4/8 |
| Номинальная емкость, мкФ | 0,29 | 0,19 | 0,09 |
| Диэлектрик | 5-слойный 2х10 мкм BOOP+3х8мкм КОН2, пропитанный Jarylec C101, две последовательно соединенные секции | ||
| Электроды | алюминиевая фольга 7мкм | ||
| Напряженность электрического поля, В/мкм | 45 | ||
| Тангенс угла потерь при 1000Гц | 0,0015 | ||
| Температурный коэффициент емкости, 1/оС | 110-4 | ||
| Геометрические размеры корпуса, мм | 51х93 | 44х93 | 35х93 |
| Объем, см2 | 190,0 | 144,5 | 96,2 |
| Диапазон рабочих температур, оС | -40 - +55 | ||
| Индуктивность, нГ | 60 | 65 | 70 |
| Удельная запасаемая энергия, Дж/дм3 | 12,6 | 11,5 | 8,1 |
| Удельная передаваемая мощность, Дж/дм3 | 207 | 276 | 329 |
| Ресурс, число импульсов | 3х108 | 4х108 | 5х108 |
Таким образом, процесс пропитки необходимо проводить в две стадии:
1) заполнение зазоров ДЖ при пониженной температуре (40-50оС) в течение 6 ч;
2) пропитка диэлектрика при повышенной температуре (80-90оС) в течение 24 ч.
Электрическая прочность ДЖ и порог возникновения ЧР зависят от атмосферного давления. Относительно малый свободный объем в разработанных конденсаторах создает трудности для поддержания во всем диапазоне рабочих температур достаточного давления внутри корпуса, при котором не возникают критичные ЧР. Если внутри жесткого корпуса конденсатора объем воздушной полости слишком мал, при понижении температуры и уменьшении давления остаточного воздуха, в том числе в результате усадки ДЖ, напряжение начала ЧР может снизиться до уровня ниже 1000 В, т.е. практически до уровня непропитанных конденсаторов. Для предотвращения опасного разрежения при пониженных температурах после пропитки удаляются излишки ДЖ, находящиеся в полостях конструкции, путем кратковременного нагрева до 70-80оС; герметизация производится при пониженной температуре -35оС.
Данное решение в сочетании с особенностями характеристик ДЖ обеспечивает возможность эксплуатации конденсаторов при пониженных температурах до -50оС.
Повышенная температура окружающей среды ограничивается максимальной рабочей температурой основного диэлектрика (100оС) с учетом нагрева в процессе работы.
Особенности разработанного конструктивно-технологического решения конденсаторов для импульсных рентгеновских аппаратов («Шмель-240А», «Колибри-150А») обусловлены более жесткими требованиями к массогабаритным характеристикам рентгеновского аппарата и, как следствие, к конденсаторам. Задача создания компактной конструкции решалась путем форсирования электрического режима, т.е. увеличения рабочей напряженности электрического поля за счет сокращения времени непрерывной работы и ресурса конденсатора, а также путем лучшего использования объема аппарата, которое было обеспечено полой конструкцией конденсатора, размещаемого на сердечнике импульсного трансформатора. Внешний вид разработанных конденсаторов показан на рис. 6, в табл. 16 приведены технические параметры.
Форма и размеры конденсатора не позволяли применить реализованное в конденсаторах серии К75-74Р-4 кВ решение контактного узла и выступающих с торцов электродов. Выбор был сделан в пользу скрытых электродов и вкладных выводов. Чтобы избежать повреждения электродов в месте контактов с выводами, толщина электродов была увеличена до 30 мкм, что в 4 раза больше рекомендуемой толщины электродов; это позволило получить приемлемую величину эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) электродов ~ 0,015 Ом, что в данном частотном диапазоне соответствует коэффициенту потерь на уровне 3%. В отличие от конденсаторов серии К75-74Р-4 кВ в данных конденсаторах токи протекают в электродах не в поперечном, а в продольном направлении, что увеличивает длину пути тока. Расположение выводов конденсаторной секции обеспечивает встречное направление тока в электродах практически по всей их длине и соответственно относительно низкую индуктивность. Для расчета индуктивности можно воспользоваться соотношением для двухпроводной линии с шинами прямоугольного сечения (полосковой линии):
L = 2oL(2dэ + 3dд)/9b, (18)
где o - магнитная постоянная, dэ – толщина электрода, dд – толщина диэлектрика,
b – ширина электрода. b>>dэ, b>>dд.
При расчете с помощью данного соотношения получим величину ~ 3 нГ. Основной вклад в индуктивность конденсатора в данном случае дают выводы и участок электрода между ними. Расчетная индуктивность одного витка (по формуле для соленоида) обкладки конденсатора составляет 60 нГ. Измерения дают среднюю величину индуктивности 100 нГ.
Сниженный по сравнению с серией К75-74Р-4кВ расчетный ресурс позволил увеличить напряжение на секции в 2 раза, напряженность электрического поля в 1,7 раза. Пропитка конденсаторов производилась в составе собранного блока. В качестве ДЖ было выбрано изоляционное масло марки ТКП, обеспечивающее совместимость со всеми элементами блока. Периодические испытания на безотказность и опыт эксплуатации аппаратов «Шмель-240А», «Колибри-150А» показали, что надежность конденсаторов удовлетворяет заданным требованиям.
Таблица 16
Параметры конденсаторов К75-Р-8 кВ для импульсных рентгеновских аппаратов «Шмель-240А» и «Колибри-150А»
| Параметр | Величина параметра | ||
| Шмель-240А | Колибри-150А | ||
| Номинальное напряжение амплитуда/размах, кВ | 8/16 | 8/16 | |
| Номинальная емкость, мкФ | 0,14 | 0,07 | |
| Диэлектрик | 5-слойный 15+12,5 мкм BOOP+3х8 мкм КОН2, пропитанный маслом ТКП, две последовательно соединенные секции | ||
| Электроды | алюминиевая фольга 30мкм | ||
| Напряженность электрического поля, В/мкм | 78 | ||
| Тангенс угла потерь при 1000Гц | 0,0015 | ||
| ESR электродов, Ом | 0,015 | ||
| Геометрические размеры корпуса, мм | 81/67х110 | 68/55х82 | |
| Объем, см3 | 138,0 | 77,9 | |
| Диапазон рабочих температур, оС | -40 - +55 | ||
| Индуктивность, нГ | 100 | 70 | |
| Удельная запасаемая энергия, Дж/дм3 | 32,1 | 28,8 | |
| Удельная передаваемая мощность, Дж/дм3 | 609,9 | 720,0 | |
| Ресурс, число импульсов | 2107 | ||
Рис. 5. Внешнее конструктивное оформление импульсного конденсатора К75-74Р-4 кВ-0,29 мкФ.
Рис. 6. Внешний вид конденсаторов К75-Р-8 кВ-0,14 мкФ (слева) и
К-75-74Р-4 кВ-0,29 мкФ (справа).
Раздел «Промышленные рентгеновские трубки» посвящен исследованиям при создании новых импульсных трубок, трубок постоянного потенциала, предназначенных для использования в мобильных рентгеновских интроскопах.
В подразделе «Рентгеновские трубки, предназначенные для применения в импульсных интроскопах» показаны результаты экспериментальных исследований по изучению влияния величины разрядной емкости на суммарный ресурс рентгеновской трубки, а также оптимизации величины разрядной емкости в зависимости от контролируемого материала при напряжении на рентгеновской трубке 250 кВ.
На основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
- при просвечивании изделий из материала, эквивалентного по ослаблению рентгеновского излучения стали толщиной менее 20 мм целесообразно иметь ударную емкость не более 35-40 пФ, т.к. ресурс рентгеновской трубки выше в 2,2-2,5 раза, чем ресурс рентгеновской трубки при использовании емкости 60-80 пФ, а время, требуемое на проведение контроля, больше на 10-20%;
- при просвечивании изделий из материала, эквивалентного по ослаблению рентгеновского излучения стали толщиной более 20 мм и ограничении времени просвечивания, целесообразно иметь ударную емкость более 40 пФ;
- при просвечивании изделий из материала, эквивалентного по ослаблению рентгеновского излучения алюминию толщиной 20 мм, целесообразно уменьшать ударную емкость до 25 пФ.
На основе проведенных экспериментальных исследований была модернизирована рентгеновская трубка ИМА5-320Д с целью увеличения ресурса, которая согласована с параметрами высоковольтных генераторов, применяемых в импульсных аппаратах серии «Шмель»: «Шмель-220/250», «Шмель-240А», «Шмель-350». Разработана новая трубка – ИМА10-150Д с фокусом 1,2 мм, согласованная с высоковольтным генератором рентгеновского аппарата «Колибри-150А».
Таблица 17
Технические характеристики разработанных импульсных рентгеновских трубок, предназначенных для применения в портативных импульсных интроскопах
| 1 | Параметр | ИМА10-150Д | ИМА5-320Д |
| 1 | Рабочее напряжение, кВ | 100-200 | 150-350 |
| 2 | Размер фокусного пятна диаметр, мм | 1,2 | 2,5 |
| 3 | Материал анода | вольфрам | вольфрам |
| 4 | Внутренний диаметр катода, мм | 5 | 8 |
| 5 | Вынос анода над плоскостью катода, мм | 3,5 | 4 |
| 6 | Разрядная емкость, пФ | 40 | 35 |
| 7 | Ресурс, число импульсов | 2х106 | 2х 106 |
Рис. 7. Импульсные рентгеновские трубки:
1 – ИМА5-320Д; 2 – ИМА10-150Д; 3 – ИМА-6Д.
Данная трубка, позволяет сократить расстояние между фокусом рентгеновского излучателя и преобразователем до 50 см и эффективно осуществлять досмотр объектов, удаленных от плоскости преобразователя на 5 см, с разрешением 0,1 мм. Технические параметры и внешний вид импульсных трубок приведены в табл. 17 и представлены на рис. 7 соответственно.
В подразделе «Рентгеновские трубки, предназначенные для применения в интроскопах, основанных на регистрации обратно рассеянного излучения» приведены результаты работ по разработке трубок постоянного потенциала.
Для работы в составе мобильных интроскопов, построенных на методе регистрации обратно рассеянного излучения, необходимы рентгеновские трубки постоянного потенциала, характеризующиеся малыми массогабаритными параметрами, которые содержат массивный анод для обеспечения интенсивного теплоотвода, эффективную систему защиты от неиспользуемого излучения и имеют малые линейные размеры фокусного пятна (0,6-0,8 мм).
На основе данных требований нами совместно со специалистами ЗАО «Светлана-Рентген» были разработаны и запущены в серийное производство рентгеновские трубки -0,32БПМ59-160 на 160 кВ и 0,2БПМ38-100 - III на 100 кВ. В табл. 18 приведены технические параметры разработанных трубок.
Таблица 18
Технические характеристики разработанных рентгеновских трубок, предназначенных для применения в мобильных интроскопах
| Параметр | 0,2БПМ38-100 - III | 0,32БПМ59- 160 | |
| 1 | Рабочее напряжение, кВ | 50-100 | 70-160 |
| 1 | Ток трубки (макс.), мА | 2,0 | 2,0 |
| 3 | Материал анода | вольфрам | вольфрам |
| 4 | Размер фокусного пятна, мм | 0,4х(0,6-0,8) | 0,4х0,6 |
| 5 | Угол наклона мишени анода трубки, град | 19±0,5 | 10±0,5 |
| 6 | Угол раствора рабочего пучка (макс.), град | (±35)х(±2) | (±35)х(±2) |
| 7 | Ток накала трубки, А | 2,0 | 3,3 |
| 8 | Напряжение накала трубки, В | 6 | 3,3 |
Общие принципы конструирования трубок на 100 и 160 кВ аналогичны. Для защиты от неиспользуемого рентгеновского излучения на аноде применяется головка выполненная из псевдосплава с минимальной толщиной стенки 6 и 9 мм и стальным катодным чехлом с минимальной толщиной стенки 2 и 3 мм соответственно для трубок на 100 и 160 кВ. Псевдосплав в зависимости от метода изготовления представляет собой суспензия вольфрама в расплавленной меди или заполненную медью пористую вольфрамовую заготовку. Химический состав псевдосплава: медь –15,7 % (макс.), вольфрам –84,3 % (миним.).
Для обеспечения длительной и надежной работы трубки щель в анодной головке закрыта титановой фольгой толщиной 50 или 100 мкм. Такое конструктивное решение позволяет защитить стеклянную оболочку трубки от разрушающего влияния вторичных электронов при бомбардировке стекла и препятствует локальному образованию поверхностного заряда трубки.
Колба трубки изготавливается из стекла фирмы «Shott» с толщиной стенки (1,8±0,3) мм, что позволяет обеспечить разброс величины мощности дозы рентгеновского излучения от трубки к трубке при низких напряжениях в пределах ± 10%.
Разработанные рентгеновские трубки в дальнейшем использовались в мобильных сканерах скрытых полостей «Ватсон-ТВ» - в двух модификаций на 100 и 160 кВ.
В разделе «Газонаполненные разрядники высокого давления» приведены анализ технических характеристик серийно выпускаемых разрядников, экспериментальные результаты по разработке разрядников серии РИМ на напряжение пробоя от 90 до 350 кВ, показаны новые технические и технологические решения, появившиеся в процессе разработки.
Серийные разрядники, выпускаемые ОАО «Плазма», отличаются хорошей проработкой технологии изготовления, однако не удовлетворяют требованиям и условиям работы в разрабатываемых аппаратах или по своим массогабаритным характеристикам не позволяют осуществить плотную компоновку рентгеновского излучателя (РО-49, РО-75), либо имеют низкий ресурс работы (Р-49). Кроме того, все серийные разрядники имеют большой разброс напряжения динамического пробоя, составляющий не менее 20%, что негативно влияет на КПД преобразования энергии, накопленной в аккумуляторных батареях, в рентгеновское излучение.
На основании литературных данных и дополнительно проведенных экспериментальных исследований в качестве изоляционного газа был выбран водород, который, с одной стороны, позволяет получать плавное изменение напряженности поля вдоль поверхности электродов, что способствует увеличению ресурса и стабильности пробоя, а с другой стороны, имеет резкое возрастание (в 2 раза) напряженности поля между анодным электродом и корпусом разрядника, что затрудняет уменьшение габаритов разрядника. Следствием данного противоречия явилась необходимость тщательной проработки технологии изготовления разрядников.
В процессе разработки разрядников серии РИМ были решены следующие технические и технологические задачи:
– отработаны процессы прецизионной шлифовки, металлизации, и пайки изоляторов;
– снижена допустимая пористость керамических изоляторов из материала ВК94-1 с 8 до 0,3%;
- исследована и разработана технология изготовления нескомпенсированных спаев;
- разработана конфигурация стабилизирующих насечек на поверхностях электродной системы;
- исследовано влияние различных газовых смесей на основе водорода на стабильность напряжения пробоя и ресурс разрядника.
На рис. 8 приведена конструкция разработанного разрядника РИМ-3, ставшего базовым для разрядников на 90 и 150 кВ. В табл. 19 приведены сравнительные характеристики разрядников РИМ-3 и Р-49 (ОАО «Плазма»).
В результате проведенных исследований разработаны высоковольтные разрядники РИМ-1 (90 кВ), РИМ-2 (150 кВ), РИМ-3 (240 кВ), позволившие сократить массогабаритные параметры рентгеновского аппарата на 20-25 %, увеличить количество разрядов более чем в 10 раз по сравнению с аналогами и существенно повысить КПД преобразования накопленной энергии в первичных конденсаторах в лучевой выход рентгеновских аппаратов более чем на 25 % за счет снижения разброса напряжения пробоя.
Следующим этапом исследований стала разработка разрядника для рентгеновского излучателя на 350 кВ. Следует отметить, что при достижении определенного уровня напряжений
Рис. 8. Конструкция разрядника РИМ-3 на 240 кВ. 1-корпус разрядника, 2- анодный узел, 3- катодный узел, 4- высоковольтный вывод.
в излучателе его габариты и масса начинают резко возрастать. Поэтому необходимо изменить общий подход к конструкции излучателя и искать принципиально новые концепции технических решений.
В излучателях до 240 кВ («Шмель-220/250», «Шмель-240А») разрядник находится под высоким потенциалом при этом его корпус является обкладкой высоковольтного конденсатора (рис. 9). Диаметр излучателя равен D = d + 2(D + S), где d – диаметр разрядника, D – величина изолирующего промежутка между разрядником и корпусом, S – толщина стенки корпуса.
Таблица 19
Сравнение технических параметров серийно выпускаемых разрядников Р-49 (ОАО «Плазма») и РИМ-3
| Параметр | Разрядник Р-49 | РИМ-3 |
| Профиль рабочего участка поверхности катодного электрода, мм | сфера с радиусом 20 | профиль Брюса |
| Диаметр рабочего участка электродов, мм | 4-5 | 15-20 |
| Профиль экранирующего участка электрода, мм | тор с радиусом поперечного сечения 2.5 | тор с радиусом поперечного сечения 4,5 |
| Профиль рабочего участка поверхности анодного электрода, мм | сфера радиусом 20 | плоский, диаметр в 1.5 раза больше диаметра электрода на изоляторе |
| Величина межэлект-родного зазора, мм | 3 | 4.8 |
| Диаметр высоковольт-ного вывода, мм | 5 | 10 |
| Вид спая изолятора с корпусом | охватывающий | торцевой с Г-образной манжетой |
| Рабочий газ | азот | водород |
| Напряжение пробоя, кВ | 190-240 | 230-240 |
| Среднеквадратичный относительный разброс напряжения пробоя, % | 5 | 1.5 |
| Ресурс, число импульсов | 2106 | 2,5107 |
Для излучателя на 350 кВ была предложена другая компоновка, которая схематично показана на рисунке 10. Разрядник является только коммутатором, а высоковольтный конструктивный конденсатор выполняется в виде отдельного узла. При этом разрядник является проходным, т.е. его корпус соединен с корпусом излучателя и находится под нулевым потенциалом, оба электрода закреплены на изоляторах. В этом случае диаметр излучателя практически равен диаметру разрядника. Такая конструкция позволяет при увеличении напряжения до 350 кВ сохранить диаметр излучателя неизменным, хотя при этом его длина увеличивается на 10%.
Рис. 9. Традиционная компоновка рентгеновского излучателя.
Рис. 10. Предложенная компоновка рентгеновского излучателя на 350 кВ
Для разработанной конструкции были рассчитаны напряженности электрического поля внутри разрядника. При этом подразумевалось, что к разряднику приложено напряжение 350 кВ. Расчеты показали, что напряженность поля в обоих изоляторах не превышают 7.5 кВ/мм, что, как показала многолетняя практика, является гарантией надежной работы разрядника.
В процессе конструирования разрядника были выработаны также рекомендации по конструкции высоковольтного конденсатора и высоковольтного ввода, соединяющего конденсатор и разрядник
Разработанный проходной разрядник позволил создать импульсные рентгеновские аппараты на 350 кВ с теми же габаритами, что и у аппаратов с напряжением на 250 кВ. Это сократило время контроля в четыре раза, и увеличило суммарную, просвечиваемую толщину стали на 10 мм с чувствительностью контроля не хуже 2 %.
Четвертая глава посвящена обоснованию и выбору методических и аппаратных средств контроля высоковольтных, дозиметрических и дефектоскопических характеристик при проведении экспериментальных исследований, метрологическому обеспечению, разработанной технике.
В разделе «Разработка технологий и средств высоковольтных и сильноточных измерений» приведены результаты по развитию методики измерений высоковольтных импульсов и созданию оригинальных специализированных измерительных средств контроля параметров импульсных генераторов: высоковольтных делителей, нагрузочных сопротивлений, токовых шунтов. Разработанные средства контроля позволили проводить измерения без искажения формы импульсов напряжения и тока в пикосекундном диапазоне. Погрешность проводимых высоковольтных измерений напряжений до 250 кВ и токов в диапазоне до 1 кА не превышала ± 45 %.
В разделе «Методы и средства измерений радиационных характеристик импульсного излучения» приведены результаты по разработке методик и средств измерения длительности импульса и интегральной дозы за импульс рентгеновского излучения. Так разработанные средства позволили определять длительность импульса рентгеновского излучения с точностью 210-9 с. Погрешность измерений интегральной дозы излучения за импульс составила ± 10 % с учетом температурных колебаний и ± 5 % при изотермических измерениях.
В разделе «Методы и средства измерения параметров рентгеновских дефектоскопов» описаны методы и средства измерения чувствительности и разрешающей способности рентгеновских интроскопов, разработанных в рамках данной работы. Измерение чувствительности осуществлялось при помощи проволочных и канавочных эталонов чувствительности в соответствии с ГОСТом 7512-82 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод». Разрешающая способность дефектоскопов оценивалась с помощью рентгеновских тестов (тип 38 0,6…5,0 – пар линий и тип 9/2,0/360 0,64…10 – пар линий), изготавливаемых фирмой RTW-FREIBURG (ФРГ).
В разделе «Метрологическое обеспечение рентгеновских интроскопов» приведен перечень результатов испытаний, проводимых в системе сертификации ГОСТ Р Госстандарта РФ на соответствие санитарным правилам и нормативам техники, разработанной в данной работе.
Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям при создании мобильных рентгеновских интроскопов и технологий их применения.
В разделе «Рентгеновские импульсные интроскопы сварных соединений «Шмель-220/250», «Шмель-350»» рассматриваются особенности конструкций разработанных интроскопов, области их применения, приводятся данные дефектоскопических исследований.
На основе разработанных математических моделей преобразования энергии в трансформаторе Тесла, алгоритмов оптимизации параметров трансформаторов и разработанной новой высоковольтной элементной базы созданы импульсные рентгеновские интроскопы серии «Шмель» на 220, 250 и 350 кВ (рис. 11-12). Отличительной особенностью данных интроскопов являются высокая просвечивающая способность, длительный ресурс эксплуатации, организация защиты от обратного и неиспользуемого излучения, низкий уровень электромагнитного излучения в эфир и промышленную сеть (согласно нормам ГОСТа Р 51317.4.4 - 99), широкий температурный диапазон эксплуатации от -50С до +60С, всепогодное исполнение. Имеется положительный опыт эксплуатации аппаратов при температуре ниже -50С (Крайний Север), выше +60С (Средняя Азия, Африка) и в условиях высокогорья – на высоте до 3 000 м над уровнем моря (Армения). Преобразование накопленной энергии в первичном контуре аппаратов «Шмель-220/250» осуществляется, трансформатором, работающим на первой полуволне с общим объемом 0,5 дм2 и амплитудой холостого хода 280 кВ, КПД передачи энергии составляет 36 %.
Рис. 11. Импульсный рентгеновский
интроскоп «Шмель-250».
Рис.12. Применение интроскопа «Шмель-250» при контроле сварных соединений.
Применение в аппаратах серии «Шмель-220/250», «Шмель-350» специально разработанных конденсаторов 0,29 мкФ на 4 кВ позволило снизить тепловые потери с 10-12 Вт до 1-2 Вт при общей мощности передаваемой энергии 150 Вт.
Применение в аппаратах «Шмель-220/250» новых разрядников обеспечило стабильную работу аппарата. Так разброс дозы рентгеновского излучения от импульса к импульсу укладывался в 5 % независимо от времени работы и внешних условий эксплуатации. Соответственно уменьшилась на 50% избыточная энергия, которую необходимо накапливать в конденсаторах для обеспечения надежного пробоя разрядника, установленного во вторичном контуре трансформатора.
В результате применения специализированной элементной базы, внедрения новых научно-инженерных решений при создании импульсных рентгеновских генераторов достигнуто увеличение в 2,5 раза отношения дозы в импульсе генерируемого рентгеновского излучения к запасенной энергии, необходимой для генерации импульса. Существенно увеличен ресурс рентгеновской трубки (в 3 раза), разрядников в первичном контуре (в 2 раза), во вторичном контуре (не менее чем в 5 раз) – все эти данные приведены исходя из равенства энергий, коммутируемых разрядником или выделенной на рентгеновской трубке.
Как правило, при работе с импульсными аппаратами используются высокочувствительные рентгеновские пленки с усиливающими флуоресцирующими экранами, реже - с металлическими и свинцовыми экранами. Так, при проведении рентгенографии сварных соединений магистральных трубопроводов с аппаратом «Шмель-220/250» при использовании рентгеновской пленки РТ-2 с усиливающими экранами типа ВП-2 контролю доступен любой диаметр трубопровода с максимальной толщиной стенок до 25 мм. При проведении рентгенографии, где в качестве детектора применяется комбинация пленки F8 c металлическими экранами RCF (AGFA), нет ограничений по толщине и диаметру трубопровода при панорамной съемке, а при фронтальном просвечивании контролю доступны все трубопроводы диаметром менее 1020 мм и диаметром 1220 мм и только 50 % («Шмель-250») сортамента трубопроводов диаметром 1020 и 1420 мм и практически все диаметры и толщины для аппарата «Шмель-350». Если применять пленку D-7 со свинцовыми фольгами толщиной 0,027 мм, фронтальному просвечиванию доступны все трубопроводы диаметром 530 мм (Шмель-350») и только 60% сортамента диаметром до 720 мм; при панорамном просвечивании возможно контролировать различные толщины трубопроводов диаметром менее 1420 мм и толщины 22 мм при диаметре 1420 мм.
Таким образом, проведенные исследования показали, что рентгеновские аппараты «Шмель-220/250» и «Шмель-350» имеют четко определенную область применения, которая определяется как параметрами трубопровода, так и характеристиками используемого преобразователя излучения.
Эксперименты по определению чувствительности проводились с двумя комбинациями рентгеновских пленок: D-7 со свинцовыми фольгами 0,027 мм и F-8 c металлическими экранами RCF как при панорамном, так и фронтальном просвечивании. Не было обнаружено сколько-нибудь значительной разницы в чувствительности (не более 0,15%) при применении различных рентгеновских пленок и схем просвечивания. В достаточно широком диапазоне толщин от 10 до 45 мм чувствительность контроля составляет 1,3-2 %. Полученные результаты свидетельствуют об универсальности применения рентгеновских аппаратов «Шмель» а именно - возможности проведения как панорамного, так и фронтального просвечивания одной и той же рентгеновской трубкой (меняя только коллиматор) и возможности проведения контроля в широком диапазоне толщин одним и тем же аппаратом.
В разделе «Рентгеновские интроскопы для выявления оружия, взрывных устройств, отравляющих и наркотических веществ, основанные на регистрации проникающего излучения» приводятся характеристики и особенности разработанных переносных интроскопов.
В 1993 г. было освоено серийное производство портативного досмотрового комплекса «Шмель – 90/К», состоящего из импульсного рентгеновского аппарата с повышенной до 40 Гц частотой следования импульсов и оригинального рентгенооптического преобразователя на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП), позволявшего оператору наблюдать изображение досматриваемого объекта в режиме реального времени. Использование импульсного источника излучения дало возможность при значительно лучшем соотношении сигнал/шум снизить дозовую нагрузку на оператора. В то же время оператор не воспринимал мерцание вследствие инерционности зрения. Кроме того, за счет установки в ЭОП выравнивающих конденсаторов с номиналом емкости в два раза превышающим рекомендуемый заводом-изготовителем, достигнуто одновременное формирование нескольких изображений при вращении досматриваемого объекта, что позволяет оператору легко создавать объемный образ объекта.
За период с 1993 по 1998 г.г. изготовлен и поставлен 91 комплекс «Шмель-90/К». Быстрая постановка на вооружение интроскопов «Шмель-90/К» позволила эффективно решать задачи обнаружения взрывных устройств в общественных местах. На рис. 13 приведены примеры применения этого комплекса. Особенностью рентгеновского аппарата «Шмель-90А», входящего в интроскоп «Шмель-90/К» является то, что он выполнен в моноблочном исполнении в котором располагается высоковольтный генератор рентгеновских импульсов и аккумуляторные батареи с емкостью, достаточной для непрерывной работы аппарата в течение 20 мин. в режиме излучения. Масса моноблока не превышает 5,6 кг. В конструкции аппарата в качестве преобразователя энергии использован трансформатор Тесла, работающий на второй полуволне, который помещен в металлический корпус. Трансформатор настроен на коэффициент связи 0,6, при этом токоподводящие проводники и металлический корпус снижают коэффициент связи трансформатора с 0,8 до необходимых 0,6. Благодаря корректно построенной математической модели (гл.2), а затем и экспериментального подтверждения реализовано размещение высоковольтного преобразователя на основе трансформатора Тесла в металлическом корпусе при соотношении внешнего диаметра трансформатора (54 мм) к внутреннему диаметру металлического корпуса (58 мм) 1,08. В качестве накопительных конденсаторов использовались два конденсатора емкостью 0,09 мкФ на 4 кВ.
Для успешного решения всего круга задач по обнаружению и обезвреживанию взрывных устройств, выявлению оружия, отравляющих и наркотических веществ требовались рентгеновские комплексы с высокой просвечивающей способностью. Для обеспечения безопасности оператора необходима возможность управления работой комплекса на удалении от объекта контроля.
С этой целью был создан портативный рентгенотелевизионный комплекс «Шмель-240ТВ». Для этого комплекса был разработан импульсный рентгеновский аппарат с анодным напряжением 240 кВ. Это позволило получить уникальную для портативных досмотровых систем просвечивающую способность – до 40 мм по стали, что не имеет мировых аналогов. Тем
а)
б)
Рис. 13. Примеры изображений, полученные портативным рентгеновским комплексом «Шмель-90/К»: а- фрагмент портфеля, б- муляж самодельного взрывного устройства в кейсе
самым впервые были реализованы возможности:
- полного досмотра всех элементов и узлов автотранспорта, включая газобаллонное оборудование и бензобаки грузовых транспортных средств, на таможенных пунктах пропуска, контрольно-пропускных пунктах, а также при проведении оперативных мероприятий;
- получения рентгеновского изображения при расстоянии между излучателем и рентгенооптическим преобразователем более 2,5 м (просвечивание автомобилей, подозре-ваемых на наличие взрывных устройств);
- выявления исполнительного механизма взрывных устройств на фоне металлических поражающих элементов.
Высокая разрешающая способность – 0,12 мм по стальному проводу – позволила специалистам МВД и ФСБ России эффективно применять комплекс для определения конструкции исполнительного механизма взрывных устройств. Комплекс также используется ФСО России для досмотра предметов, поступающих в адрес объектов государственной охраны, в том числе в период официальных визитов и командировок.
Апробация комплекса в войсковых условиях показала высокую эффективность при обнаружении и идентификации взрывоопасных предметов, в том числе самодельных взрывных устройств, снятых саперами в ходе контртеррористической операции в Чеченской республике.
Количество комплексов, находящихся на эксплуатации в различных силовых структурах РФ, приведено в табл. 20. Сравнительные характеристики отечественных и зарубежных рентгенотелевизионных комплексов, имеющих назначение, аналогичное комплексу «Шмель-240ТВ», приведены в табл. 21.
Таблица 20
Количество рентгенотелевизионных комплексов «Шмель-240ТВ», находящихся в эксплуатации у основных заказчиков
| Министерство, ведомство РФ | Количество комплексов, шт. |
| МО | 43 |
| МВД | 350 |
| ФСБ, ФСО | 51 |
| ФТС | 154 |
| ФСИН | 23 |
Таблица 21
Основные технические характеристики рентгенотелевизионных комплексов
| Параметр | Норка (Россия) | RTR-4 (США) | Шмель-240ТВ |
| Тип рентгеновского аппарата | постоянный | импульсный | импульсный |
| Анодное напряжение, кВ | 130 | 300 | 240 |
| Предельная просвечивающая способность по стали, мм | 15 | 30 | 40 |
| Разрешающая способность, мм | 0,08 | 0,12 | 0,12 |
| Максимальная толщина досматриваемого объекта, м | 1,2 | 2,5 | 3,5 |
| Размер зоны контроля, мм | 240х320 | 200х250 | 240х320 |
| Температура эксплуатации, С | 0 - +50 | +5 - +40 | - 30 - +60 |
| Экранировка электромагнитного излучения | нет | нет | да |
| Наличие защиты оператора от неиспользуемого излучения | нет | да | да |
| Масса комплекса, кг | 20 | 15 | 23 |
| Время работы без подзарядки от автономных источников питания, ч | требуется дополнительное оборудование | 3 | 4 |
| Пылевлагозащищенное исполнение | нет | нет | да |
| Наличие специализированной клавиатуры управления | нет | нет | да |
Импульсный рентгеновский аппарат «Шмель-240А», входящий в состав комплекса «Шмель-240ТВ, выполнен аналогично аппарату «Шмель-90А» - в моноблочном исполнении. Существенным отличием является то, что первичный накопитель энергии трансформатора Тесла размещен вокруг высоковольтного трансформатора внутри единого металлического корпуса. Двухсекционный конденсатор выполнен в виде полой трубы с обкладками, намотанными по окружности (гл.3). Толщина конденсатора - 3,5 мм, длина - 100 мм. Предварительная емкость конденсатора, получаемая при изготовлении, составляет 0,11 мкФ, после его установки в аппарат и заливки рентгеновского моноблока достигает 0,14 мкФ. Конденсатор предназначен для работы на второй полуволне с суммарным размахом амплитуды напряжения 16 кВ. Его ресурс составляет ~ 500 часов, что для данной техники соответствует 10 г. эксплуатации. В качестве вторичного разрядника используется разрядник с такими же техническими параметрами, как и в аппарате «Шмель-250». Так как в аппарате применяется новый трансформатор, формирующий высоковольтный импульс с крутизной фронта на 20 % больше, чем в аппарате «Шмель-250», то и напряжение пробоя разрядника укладывается в диапазон 242-256 кВ. Таким образом, данное решение, с одной стороны, позволило унифицировать элементную базу, используемую в аппаратах серии «Шмель», а с другой - увеличить просвечивающую способность излучения, генерируемого аппаратом. Наглядные результаты применения рентгенотелевизионного комплекса «Шмель-240ТВ» показаны на
рис. 14.
Продолжением развития импульсных рентгеновских интроскопов стала разработка рентгенотелевизионного комплекса «Колибри-150ТВ», отличающегося от комплекса «Шмель-240ТВ» только рентгеновским аппаратом. Особенностью аппарата «Колибри-150А» явилось то, что все накопительные и коммутирующие элементы высоковольтного генератора расположены в едином металлическом корпусе, что значительно понизило уровень электромагнитного излучения, генерируемого аппаратом, и позволило упростить требования, предъявляемые к внешним корпусным деталям. Корпус аппарата может быть выполнен из алюминия толщиной не более 0,5 мм или даже пластика с внутренним напылением поверхности металлом не более 0,05 мм. Масса рентгеновского аппарата, входящего в его состав, снижена до 6,2 кг, габариты до 360х91х185 мм против 9,8 кг и 460х340х170 мм у аппарата «Шмель-240А». Это повысило удобство работы с комплексом. Меньшие габариты позволили разместить аппарат в одном кофре с преобразователем, что упростило хранение, транспортировку и эксплуатацию комплекса. Другими преимуществами комплекса «Колибри-150ТВ» являются возможность управления составными частями и передача видеоизображения как при помощи проводного, так и беспроводного соединения.
 |  |
| а | б |
 |  |
| в | г |
| Рисунок 14. Примеры изображений, полученных рентгенотелевизионным комплексом «Шмель-240ТВ»: а) самодельное взрывное устройство; б) упаковки с наркотическими веществами в покрышке автомобиля; в) оружие, спрятанное под обшивкой автомобиля; г) самодельное взрывное устройство в поясной сумке. | |
Раздел «Рентгеновские интроскопы для выявления оружия, взрывных устройств, отравляющих и наркотических веществ, основанные на регистрации рассеянного излучения» посвящен экспериментальным исследованиям при создании ручных и мобильных интроскопов, особенностям их конструкций.
С целью сокращения времени контроля был разработан ручной рентгеновский сканер «Ватсон», где используется принцип регистрации обратно рассеянного излучения. Излучатель и детектор излучения располагаются по одну сторону от досматриваемого объекта и объединены в единую конструкцию. На цифровой дисплей сканера выводится значение уровня излучения, рассеянного объектом контроля и находящимися в нем (за ним) предметами. По изменению показаний при сканировании поверхности оператор обнаруживает предметы, определяет их примерные размеры и материал (металл/органика).
Сканер «Ватсон» позволяет эффективно обследовать:
- мягкую мебель, столешницы, пространство за декоративными элементами поме-щений (плинтусы, наличники дверных проемов), оконные откосы, дверное полотно, межкомнатные перегородки помещений;
- сиденья, пространство за внутренней обшивкой, полости кузовных элементов автотранспортных средств;
- технологические полости авиационного транспорта, полости за внутренней обшивкой, сиденья салона самолета.
За счет одностороннего доступа к объекту, сканер позволяет быстро выявить подозрительные места, которые в дальнейшем просвечиваются рентгенотелевизионным комплексом. Совместное применение рентгенотелевизионного комплекса «Шмель-240ТВ» и сканера «Ватсон» позволило специалистам ФСО и ФТС России сократить общее время контроля до 10 раз.
Сканер «Ватсон» является уникальным изделием, не имеющим аналогов в мире.
Технология совместного применения рентгенотелевизионного комплекса «Шмель-240ТВ» и сканера «Ватсон» была использована специалистами ФСКН и ФТС России для досмотра транспортных средств. Неоднократные задержания наркотических веществ и незаконно перемещаемых ценностей подтвердили эффективность и востребованность сканера. Так, в декабре 2004 г. УФСКН Московской области при досмотре грузовика с помощью сканера «Ватсон» был обнаружен тайник, в котором находилось 66 кг героина. В табл. 22 приведены технические характеристики сканера скрытых полостей «Ватсон».
Таблица 22
Основные технические характеристики сканера «Ватсон»
| Параметр | Величина |
| Максимальная толщина преграды, за которой обнаруживается предмет из дерева, мм из алюминия, мм из стали, мм | 45 10 1,5 |
| Максимальная глубина досмотра, мм | 300 |
| Скорость сканирования, см/с | 10 |
| Масса сканера, кг поясного аккумулятора, кг | 2,3 1,4 |
| Диапазон рабочих температур, С | -20 - +50 |
| Время работы без подзарядки от автономных источников питания, ч | 7 |
Таблица 23
Количество сканеров «Ватсон», находящихся в эксплуатации у основных заказчиков
| Министерство, ведомство РФ | Количество комплексов, шт. |
| МО | 5 |
| МВД | 250 |
| ФСБ, ФСО | 12 |
| ФТС | 85 |
| ФСИН | 15 |
Дальнейшее развитие интроскопов, построенных на методе рассеянного излучения связано с разработкой мобильных средств, позволяющих получать изображение содержимого объекта контроля. Так, в 2008 г. была выпущена первая партия интроскопов «Ватсон-ТВ»). Комплекс «Ватсон-ТВ» позволяет обнаруживать предметы из материалов как с низкой (0,5 – 2,0 г/см3), так и с высокой плотностью (более 5 г/см3) за различными типами преград (сталь, алюминий, дерево).
Толщины преград, за которыми можно обнаружить предмет, изготовленный из материала с низкой плотностью, на фоне материала с высокой плотностью или в воздушной среде, а также из материала с высокой плотностью на фоне материала с низкой плотностью, хорошо рассеивающего рентгеновское излучение, составляют:
- 12 мм алюминия;
- 60 мм ДСП;
- 2,2 мм стали.
В случае, когда предмет, изготовленный из материала с высокой плотностью, располагается на фоне другого (или такого же) материала с высокой плотностью или в воздушной среде, толщины преград, которые позволяют обнаружить предмет, составляют:
- 8 мм алюминия;
- 40 мм ДСП;
- 1,5 мм стали.
Проникающая способность излучения для преград из алюминия и ДСП составляет 
. В случае стали она примерно в 1,5 раза больше. Это можно объяснить меньшим влиянием излучения, рассеянного самой преградой, так как, по данным наших измерений, при величине анодного напряжения 100 – 140 кВ и фильтре 2 мм алюминия (толщина стенки моноблока), интенсивность излучения, рассеянного обратно толстым образцом (
), для стали составляет около 20% по сравнению с алюминием и около 10% по сравнению с легкими материалами (дерево, пластик, ДСП). Это означает, что для стали величина 
при нашей эффективной энергии излучения меньше примерно на порядок (
). Соответственно минимально допустимое значение сигнал/шум будет достигнуто для алюминия и ДСП – при значении 
, а для стали – при значении 
.
Комплекс «Ватсон-ТВ» позволяет обнаруживать металлические предметы с диаметром 1/2 от диаметра сканирующего пучка. Предметы вытянутой формы (провод) выявляются, если их ширина составляет более 1/8 от диаметра пучка. Таким образом, мелкие предметы выявлялись, если они перекрывали не менее 20% площади сканирующего пучка.
В нашем случае это означало, что при расстоянии от фокуса трубки до объекта контроля 200 мм обнаруживается проволока диаметром 0,5 мм и круглый предмет (например, площадка с припоем на печатной плате) диаметром 2 мм. Примеры полученных изображений представлены на рис.15.
 | Объект поиска, спрятанный внутри бампера легкового автомобиля |
 | Предметы за листом ДСП толщиной 20 мм: cправа - металлический предмет (скрепка) внутри сувенира (глиняная фигурка); в центре – ручка; слева – мультиметр |
 | Магнитола. Вид со стороны печатных плат |
 | Пачка сигарет внутри колеса, закрепленная на ободе колесного диска |
 | Стальные проволочные эталоны чувствительности № 13 за листом гипсокартона толщиной 12 мм. На расстоянии 150 мм за тест-объектом находится вторая «стенка» (лист гипсокартона) |
Рис. 15. Возможности интроскопа «Ватсон-ТВ» по обнаружению и идентификации мелких предметов.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
- Теоретически определены и экспериментально подтверждены условия, необходимые для локализации типовых объектов в двуслойных конструкциях при обратном рассеянии по критерию сигнал/шум в диапазоне энергий от 10 до 100 кэВ. На основании математического уравнения задающего условия локализации типовых объектов получены выражения, определяющие максимальную толщину и чувствительность контроля для двуслойных конструкций.
- Исследованы разности альбедо различных материалов двуслойных конструкций в диапазоне энергий от 5 до 450 кэВ. Установлены оптимальные энергии квантов прямого излучения для различных комбинаций материалов двуслойных конструкций по критерию максимальной разности альбедо. Получены выражения, определяющие максимальную толщину, чувствительность контроля в зависимости от параметров рентгеновского излучателя.
- Разработаны математические модели преобразования энергии в импульсных рентгеновских аппаратах, построенных на основе трансформатора Тесла, с учетом эффекта близости, скин-эффекта, емкостных связей индуктивности первичного контура. Теоретически исследованы и экспериментально подтверждены зависимости влияния конструктивных, технических (габаритные размеры, количество витков, способ намотки), физических (коэффициент связи, рассогласованность частот, сопротивление, величины емкостей и индуктивностей) параметров трансформатора на КПД передачи энергии из емкостного накопителя первичного контура во вторичный.
- Предложен и исследован алгоритм оптимизации параметров трансформатора при передаче энергии на первой и второй полуволне. Установлено, что при передаче энергии на первой полуволне определяющими параметрами, влияющими на КПД трансформатора, являются рассогласованность частот контуров, паразитная емкость первичной индуктивности, диаметр трансформатора, количество витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
- Установлено, что в силу ограничений (габариты, надежность, технологичность) не представляется возможным достигнуть более 60 % от теоретически возможного КПД при передаче энергии на первой и более 70 % при передаче энергии на второй полуволне.
- Исследовано и экспериментально подтверждено влияние величины разрядной емкости вторичного контура на суммарный выход рентгеновского излучения за период выработки полного ресурса импульсной рентгеновской трубки. Показано, что при просвечивании изделий из материала эквивалентного по ослаблению рентгеновского излучения стали толщиной более 20 мм и ограничении времени просвечивания целесообразно иметь ударную емкость более 40 пФ; при просвечивании изделий из материала эквивалентного по ослаблению рентгеновского излучения алюминию, толщиной, равной или менее 20 мм, целесообразно уменьшить ударную емкость до 25 пФ.
- Предложена концепция создания конструкций импульсных рентгеновских интроскопов на основе развития технологии изготовления высоковольтной элементной базы (разрядников, низкоимпедансных конденсаторов, рентгеновских трубок). Применение новых технических решений и высоковольтной элементной базы позволило увеличить ресурс аппаратов более чем в 10 раз, ресурс рентгеновской трубки в 3 раза, КПД преобразования накопленной энергии в рентгеновское излучение в 3 раза.
- На базе проведенного анализа, теоретических и экспериментальных исследований с целью развития метода рентгеновской интроскопии разработаны мобильные рентгеновские интроскопы различного применения, построенные на регистрации проникающего и рассеянного излучения:
8.1. Метод проникающего излучения:
1. Переносные импульсные рентгеновские интроскопы серии «Шмель» на 220 кВ, 250 кВ, 350 кВ для контроля сварных соединений;
2. Переносные импульсные рентгенотелевизионные интроскопы «Шмель-240ТВ» «Колибри- 150ТВ», портативный импульсный рентгеновский комплекс «Шмель-90/К» для противодействия терроризму, поиску наркотических и психотропных веществ.
8.2. Метод рассеянного излучения:
1. Ручной сканер скрытых полостей «Ватсон», для противодействия терроризму, поиску наркотических и психотропных веществ;
2. Мобильный интроскоп «Ватсон-ТВ» для противодействия терроризму, поиску наркотических и психотропных веществ.
9. Совокупный производственный выпуск интроскопов составил более 2 500 единиц в объеме около 1 млрд. рублей. Рентгеновские интроскопы производятся серийно и поставляются на предприятия ТЭК России и правоохранительным подразделениям различных служб и министерств России; 5 % от общего объема изготовленной техники поставляются в зарубежные страны.
Публикации по теме диссертации
- Буклей А.А. Сильноточный импульсный рентгеновский аппарат с повышенной лучевой отдачей /Труды НИКИМП. – М. – НИИИН. -1988. – с. 60-63.
- Буклей А.А., Алтухов А.А., Джикаев Ю.К., Алеев А.П., Меркулов Д.И. Разработка средств и методов рентгеновской регистрации отдельных фаз быстропротекающих процессов в средах средней и малой плотности //Отчет по НИР. –Гос.рег. №01870098455.
- Буклей А.А. Новые импульсные рентгеновские аппараты с расширенными функциональными возможностями для исследования биологических, физических, динамических характеристик //ПТЭ. -1990. – с. 20-21.
- Буклей А.А., Алтухов А.А. Исследование возможности послойной диагностики объектов на базе импульсных рентгеновских аппаратов //II Межведомственная научно-техническая конференция «Контроль и диагностика общей техники». – М. – 1989. – т.2. – с. 46-48.
- Алтухов А.А., Джикаев Ю.К., Алеев А.П., Буклей А.А., Неретин Д.И., Кузьмин В.И., Меркулов Д.И. Разработка методики рентгеновской регистрации отдельных фаз быстропротекающего процесса //Отчет по НИР. – Гос.рег. №01870098452.
- Алтухов А.А., Белкин Н.В., Буклей А.А., Гусев Е.А., Джикаев Ю.К. Сильноточный импульсный аппарат «Кавказ-300» для неразрушающего контроля // Дефектоскопия. -1989. - №11. – с. 5-15.
- Алтухов А.А., Буклей А.А., Гусев Е.А. Сильноточный рентгеновский аппарат «Кавказ-300» //ХIII Всесоюзная научно-техническая конференция по высокоскоростной фотографии, фотонике и метрологии быстропротекающих процессов. – М.: -1987/ - c.67.
- Алтухов А.А., Буклей А.А. Импульсные рентгеновские аппараты «Кавказ-300», «Кавказ-500» //ПТЭ. - №6, - с.16-17.
- Altukhov A.A., Buckley A.A. X-ray complex for registration and diagnostics of high-speed dynamic process / 19th Intern.Congress on High-Speed Photography and Photonics. Cambridge, 1990.
10. Алтухов А.А., Авилов Э.А., Белкин Н.В., Буклей А.А. Импульсный рентгеновский аппарат: Авторское свидетельство № 1526557, 1988, приоритет 24.03.88 г.
11. Алтухов А.А., Буклей А.А., Белкин Н.В., Боголюбов В.В., Кузин А.И., Импульсный рентгеновский аппарат: Авторское свидетельство № 1637032, 1990, приоритет 19.04.89 г.
12. Буклей А.А., Полин В.А., Алтухов А.А., Гусев Е.А., Импульсный рентгеновский аппарат: Авторское свидетельство № 1658427, 1991, приоритет 28.07.89 г.
13. Буклей А.А. и др., Способ диагностики импульсных пучков заряженных частиц: Авторское свидетельство № 1676354, 1991, приоритет 29.09.89 г.
14. Авилов Э.А., Буклей А.А., Юрьев А.Л. Газонаполненный разрядник: Патент РФ на изобретение № 2096855 по заявке № 96107081 от 9.04.1996 г.
15. Буклей А.А., Полин В.А. Импульсный рентгеновский генератор: Патент РФ на изобре-тение № 2050708 по заявке № 93047770 от 22.10.1993 г.
16. Буклей А.А., Полин В.А., Шурушкин А.В. Опыт эксплуатации рентгеновских аппаратов и перспективы их развития //Сборник трудов Международной деловой встречи «Диагностика-98». – Сочи, 1998. – С. 34
17. Буклей А.А., Полин В.А. Разработка математической модели многоконтурных электромагнитных систем: Научный отчет. – М., 1998 г. Всесоюзный научно-технический центр, рег. номер НИОКР № 01.99.0009752.
18. Буклей А.А., Полин В.А., Шмелев А.В. Анализ рынка рентгеновской досмотровой техники //Сборник трудов Международной конференции «Информатизация правоохранительных систем». – М., 1999. – С. 363-365
19. Буклей А.А., Шмелев А.В. Мобильный цифровой рентгеновский комплекс для дефектоскопии сварных соединений //Тезисы докладов 3-й Международной конференции «Диагностика трубопроводов». – М., 2001. – С. 143
20. Буклей А.А., Семенов В.В., Шурушкин А.В. Перспективы применения аппаратов серии «Шмель» для рентгеновского контроля сварных соединений газонефтепроводов //Тезисы докладов 3-й Международной конференции «Диагностика трубопроводов». – М., 2001. – с. 146
21. Банцеров В.С., Барышников Д.А., Буклей А.А., Добров А.С., Шмелев А.В. Цифровой рентгеновский преобразователь СКАТ-300х400 //Сборник трудов 11-й Международной научной конференции «Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов». – М., 2002. – С. 481
22. Блохин Е.О., Буклей А.А., Паршин И.А. Портативный ручной рентгеновский прибор для поиска вложений //Сборник трудов 11-й Международной научной конференции «Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов». – М., 2001. – С. 208
23. Буклей А.А. Оценка возможности создания малогабаритного рентгеновского устройства для получения изображения предметов за преградой с односторонним доступом к поверхности //Сборник трудов 14-й Международной научной конференции «Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов». – М., 2005. – С. 416
24. Буклей А.А., Паршин И.А. Малогабаритное рентгеновское устройство для получения изображения предметов за преградой с односторонним доступом к поверхности //Сборник трудов 14-й Международной научной конференции «Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов». – М., 2005. – С. 420
25. Буклей А.А., Паршин И.А. Исследование путей создания переносного малогабаритного рентгеновского аппарата для проверки скрытых полостей с получением изображений предметов, находящихся за преградами: Итоговый отчет о НИЭР. – Москва, 2005 г., Всесоюзный научно-технический центр, рег. номер НИОКР № 0120.0 802776
26. Буклей А.А., Паршин И.А. Исследование возможности создания комплекса оборудования для дистанционного обнаружения предметов на теле человека с использованием рассеянного рентгеновского излучения на основе результатов НИЭР «Ватсон-ТВ»: Итоговый отчет о НИР. – Москва, 2007 г., Всесоюзный научно-технический центр, рег. номер НИОКР № 0120.0 804774
27. Буклей А.А. Разработка и создание досмотровой техники, основанной на регистрации рассеянного рентгеновского излучения //Тезисы докладов 6-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» – М., 2007. – С. 67
28. Буклей А.А., Паршин И.А. Экспериментальные результаты дистанционного досмотра на основе регистрации рассеянного излучения //Тезисы докладов 7-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» – М., 2008. – С. 129
29. Буклей А.А. Опыт развития метода регистрации обратно рассеянного излучения
//Тезисы докладов 7-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» – М., 2008. – С. 51
30. Буклей А.А., Владимиров Л.В., Козлов А.А. Ионизационная камера с выносным предварительным усилителем для систем автоматического экспонирования при рентгенодиагностике //Медицинская техника.- 2008.- №5(251).- с.13-15.
31. Буклей А.А. Исследования и создание портативной досмотровой рентгеновской техники и оборудования НК, разработка технологии их применения. //Контроль. Дагностика - 2009. –№ 4. – с.76-80
32. Буклей А.А. Исследование методов и создание мобильных рентгеновских интроскопов
//Тезисы докладов 8-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» – М., 2009. – С. 19
33. Буклей А.А. Определение условий, необходимых для локализации типовых объектов при обратном рассеянии многослойных конструкций //Тезисы докладов 8-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» – М., 2009. – С. 12
34. Буклей А.А., Владимиров Л.В., Козлов А.А. Математическая модель обратно рассеянного излучения при сканировании диагностируемого объекта узким рентгеновским пучком //Медицинская техника.- 2009.- №5(257).- с.11-16.
