Разработка новых технологий и конструкций мобильных рентгеновских интроскопов

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
?бУ	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 +55^оС;

наработка 10^{8 -} 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 (ТКе).

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 = м_ol (ln4l/d-3/4+64d/45рl-d²/16l²) /2р (17)

где м_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 100-110^оС. 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 (80-100^оС), 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 (40-50^оС) в течение 6 ч;

2) пропитка диэлектрика при повышенной температуре (80-90^оС) 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 70-80^оС; герметизация производится при пониженной температуре - 35^оС.

Данное решение в сочетании с особенностями характеристик ДЖ обеспечивает возможность эксплуатации конденсаторов при пониженных температурах до - 50^оС.

Повышенная температура окружающей среды ограничивается максимальной рабочей температурой основного диэлектрика (100^оС) 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 = 2м_oL (2d_э + 3d_д) /9b, (18)

где м_{o -} магнитная постоянная, d_э - толщина электрода, d_д - толщина диэлектрика,

b - ширина электрода. b>>d_э, b>>d_д.

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 (1,80,3) 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 (ДD + S),

где d - диаметр разрядника, ДD - 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 ± 4ч5 %.

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 - 50єС до +60єС, всепогодное исполнение. Имеется положительный опыт эксплуатации аппаратов при температуре ниже - 50єС (Крайний Север), выше +60єС (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 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.

а) б)

Рис. 13. Примеры изображений, полученные портативным рентгеновским комплексом "Шмель-90/К": а - фрагмент портфеля, б - муляж самодельного взрывного устройства в кейсе

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 помещений (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 обнаруживаетс...