Портативные импульсные рентгеновские установки для регистрации быстропротекающих процессов ПИР-600

Высоковольтные импульсные рентгеновские аппараты ПИР-600УВ, ПИР-600Д для регистрации быстропротекающих процессов в плотных средах

Стоимость аппаратов: ПИР-600УВ - 8 000 000 руб, ПИР-600Д - 9 000 000 руб.

 Введение

При скоростях объектов, превышающих величины порядка 3 км/с все твердые объекты, с точки зрения механики их взаимодействия и перемещения в пространстве можно считать жидкостями. В самом деле, при таких скоростях плотность механической энергии на единицу объёма ρV²/2 на порядки превышает энергию пластической деформации данного объема, и каждый фрагмент объекта движется в ту сторону, куда направлен вектор скорости. Таким образом, в случаях высокоскоростного удара, кумулятивного бронепробивания и движении вещества при сильных взрывах для предсказания поведения объектов становится возможным применять теоретические модели гидродинамики. В условиях взрыва, быстрой химической реакции и высокоскоростных процессов практически единственной методикой, позволяющей исследовать движения материала, и получить информацию о распределении вещества в пространстве является импульсная рентгеновская съёмка (динамическая радиография). Это и вызвало развитие данного направления экспериментальной физики и создание импульсных рентгеновских аппаратов (ИРА).

                                               а                                                                                                                           б

Рис 1.  ПИР-600М, разработка 1984 г (а). ПИР-600А – серийный выпуск 1987-1990 гг, 200 шт. (б)

Современные версии ИРА ИГиЛ СО РАН с улучшенными параметрами

В 2016-2018 гг. на основе созданных ранее в Институте гидродинамики аппаратов типа ПИР-600М (рис. 1, 2) изготовлены два вида новых импульсных рентгеновских аппаратов с высоким напряжением на рентгеновской трубке (500-700 кВ), с укороченной длительностью вспышки и с высокой «жесткостью» излучения: ПИР-600УВ (укороченная вспышка и формирующая линия - ФЛ) и ПИР-700Д (высоковольтная модификация с двойной формирующей линией – ДФЛ, линией Блюмляйна).

Компоновки ИРА с самосогласованной системой магнитных и электрических полей и их электрические схемы показаны на рис. 3.

                                              а                                                                                            б

Рис 2.  Излучатель аппарата ПИР-600М предыдущего поколения: вид со стороны рентгеновской трубки (а), трёхэлектродная рентгеновская трубка ИА-8 (б).

Видно, что формирующая линия, индуктивности первичного и вторичного контуров и емкость вторичного контура трансформатора Тесла, работающего на первой полуволне, в обеих компоновках занимают в пространстве один объём. Таким образом удалось минимизировать массу и размеры аппарата. Вследствие отсутствия раздельных блоков и соединительных электродов между ними, снижены потери на передачу энергии между отсеками.

                                                  а                                                                                                   б

                                                  в                                                                                                   г

Рис 3.  Компоновка модернизированных аппаратов и их принципиальные схемы: ПИР-700Д (а, в), ПИР-600УВ (б, г).

Вместо использовавшейся ранее трехэлектродной рентгеновской трубки ИА-8 (рис. 2б), в новых версиях аппарата ПИР-600 используются серийно выпускаемые трубки ИМА5-320Д и серийно выпускаемые  разрядники-обострители высокого давления S₂ с напряжением пробоя от 250 до 350 кВ. Благодаря данному изменению длительность рентгеновской вспышки сократилась практически на порядок. Кроме того, вместо разрядников первичного контура S₁ с воздушным зазором, в новых версиях аппарата использованы герметичные серийно выпускаемые разрядники, что позволило добиться более стабильных показателей рентгеновского излучения от вспышки к вспышке. Детали высоковольтной разрядной цепи аппарата ПИР-600УВ и вид на модернизированный аппарат показаны на рис. 4. На рис. 5 показан узел рентгеновской трубки и внешний вид аппарата ПИР-700Д на основе ДФЛ. Новый выносной пульт управления аппаратами  ПИР-600УВ, ПИР-700Д имеет систему задержек от 1 до 999 мкс.

                                  а                                                                б                                                                в

Рис 4.  Детали блока рентгеновской трубки аппарата ПИР-600УВ с разрядниками-обострителями в разобранном (а) и в собранном (б) виде. Вид на аппарат со стороны рентгеновской трубки (в).

                       а                                                        б                                                                     в

Рис 5.  Аппарат ПИР-700Д: блок с рентгеновской трубкой ИМА5-320Д (а). Вид на компоновку аппарата со стороны рентгеновской трубки (б) и со стороны блока разрядников (в)..

В обеих версиях аппарата для размещения индуктивностей внутри формирующей линии, ее электроды сделаны магнитопрозрачными (рис. 6 а), при этом непрозрачными для электрического поля и легкопроводящими ток вдоль оси ФЛ. Для этого в алюминиевых стенках цилиндрических электродов сделаны продольные прорези и окна. Вторичная обмотка L₂ размещена между низкопотенциальным и высокопотенциальным электродами ФЛ. Шаг витков вторичной обмотки меняется  таким образом, чтобы ЭДС индукции, наводимой на конкретном номере витка совпадала с напряжением емкостного делителя земля-виток/виток-высокое (рис. 6 б). Таким образом, для L₂ соблюдается принцип незаряжаемости, при котором суммарный заряд на каждом витке равен нулю. Если этого не сделать, при резкой разрядке накопительной линии и прохождении волны по линии во вторичной обмотке будут межвитковые пробои.

                                      а                                                                          б

Рис 6.  Магнитопрозрачные электроды вторичного контура аппаратов серии ПИР-600 (а). Принцип незаряжаемости витков вторичной обмотки (б)

Измеренные характеристики и сравнения трех конфигураций высоковольтных (500-700 кВ) импульсных рентгеновских аппаратов разработки ИГиЛ СО РАН и аппарата Арион-600 (Аргумент-600), разработанного во ВНИИЭФ (г. Саров) приведены в табл. 1. Форма и длительность рентгеновских вспышек аппаратов показаны на рис. 7. 

Рис 7. Сравнение формы и длительности вспышек рентгеновского излучения аппаратов.

Таблица 1

Сравнение переносных ИРА с рабочим напряжением 600 кВ

 В результате испытаний аппарат ПИР-600УВ показывает наибольшую дозу за 1 вспышку (8-10 мР на расстоянии 1 м от фокуса) и максимальный динамический диапазон получаемых снимков. Такая сборка рекомендуется для съемки с высокой жесткостью излучения в широком диапазоне толщин. Следует отметить, что для этой версии аппарата наблюдается хорошее согласование волнового сопротивления сложенной вдвое формирующей линии с первеансом рентгеновской трубки ИМА5-320Д, о чем говорит прямоугольная форма рентгеновского импульса.

ПИР-700Д с рентгеновской трубкой ИМА5-320Д, несмотря на меньшую дозу, обладает максимальной чувствительностью за стальной преградой, превосходя остальные конфигурации ИГиЛ и Арион-600 (Аргумент-600). Благодаря увеличенному напряжению, получаемому с помощью двойной формирующей линии, и поэтому повышенной жесткости спектра излучения, данная конфигурация является предпочтительной для съемки за массивной преградой. Длина формирующей линии в два раза короче одинарной вдвое сложенной линии аппарата ПИР-600УВ. Поэтому длительность вспышки ПИР-700Д почти в два раза короче – 13 нс по полувысоте.

Заключение

·         Импульсные рентгеновские аппараты незаменимы для исследования динамики механических процессов, при которых имеется сильная засветка, непрозрачность, разлет пены, порошка, пыли, обломков. К ним могут быть отнесены: детонация, распространение ударных волн в продуктах детонации и в многофазных средах, высокоскоростной удар, взаимодействие кумулятивных струй и пуль с преградой, внутренняя, внешняя, терминальная баллистика, подрыв разноплотных боеприпасов, краш-тесты сложных объектов, впрыск топлива в камеру сгорания и др.

·         В Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева разработаны и созданы несколько поколений импульсных рентгеновских аппаратов, позволяющих снимать за одну вспышку широкий диапазон плотностей объектов на обычную рентгеновскую плёнку, люминофоры с памятью (ImagPlate) или твердотельные матричные детекторы. С современными версиями аппаратов ПИР возможна регистрация объектов толщиной от 0,1 мм воды до 40 мм стали при времени экспозиции от 13 до 80 нс.

·         Обладая необходимыми для регистрации быстропротекающих процессов дозовыми и временными характеристиками, в связи с малой массой, габаритами и независимостью от коммуникаций, они  показывают серьезное преимущество при их использовании на полигонах, баллистических трассах, взрывных стендах и промышленных площадках.

·         Во всех случаях применение динамической радиографии позволяет извлечь информацию об объектах или явлениях недоступную при других методах регистрации, построить новые, более адекватные физические модели наблюдаемых процессов.