81

Размещено на http://www.allbest.ru/

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

Буклей Александр Александрович

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;

рентгеновский интроскоп диагностика мобильный

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 условиях - 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 предусмотрены средства описания различного рода взаимодействий в общем виде. Это позволяет задать практически любую геометрию, химический состав, количество объектов, участвующих во взаимодействии, учесть различные виды взаимодействий всех порядков, спектр источника излучения.

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

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+ L_1par) ·dI₁/dt+M·dI₂/dt=0 (1)

U₂+R₂ (f) ·I₂+ (L₂+ L_2par) ·dI₂/dt+M·dI₁/dt=0 (2)

U₃+R₃ (f) ·I₃+ (L₃+ L_3par) ·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 L_1par 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 L_3, равной индуктивности первичной обмотки L_1, 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…N_1max и L₂=N_2min. N_2max. Вычислялись L₁, L₂ - индуктивности обмоток, R₁, R₂ - сопротивления обмоток, C_{L1 -} емкость первичной обмотки, k - коэффициент связи между обмотками;

4) задано C₂=C_2min. C_2max. и C₁=C_1min. C_1max.; 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 U_2max/U_1max (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 намотке первичной обмотки узкой лентой при диаметре 35 мм. В этом собственно и состоит оптимизация.

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

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 - N_2, (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 S_д 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); S_oo - площадь инородного включения; N₀ - значение радиационного выхода по количеству квантов в сканирующем пучке излучения (квант·м²/с·см²); S_сп - площадь сканирующего пучка на входе в объект контроля (см²); F₁ - расстояние от источника излучения до поверхности объекта контроля (м); S_Д - 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 и - угла, под которым выходят кванты в направлении детектора с поверхности объекта контроля, ц - 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 б₁ - альбедо инородного включения: ; t - время счета квантов в заданном положении сканирующего пучка, с; - эффективность регистрации квантов детектором. µ_об - коэффициент ослабления первичных квантов в объекте контроля, - коэффициент ослабле-ния обратно рассеянных квантов в объекте контроля. S_сп << F₁², S_сп << F₂² и S_Д << F₂².

В дальнейших вычислениях, опираясь на прикладное значение разрабатываемой модели, будем считать, что углы и мало отличаются от 90є. 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·м^2/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 (см^2/г).

...