Регистрирующая аппаратура для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения
На правах рукописи
ЖУЛАНОВ Владимир Викторович РЕГИСТРИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕТОНАЦИОННЫХ И УДАРНО-ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
НОВОСИБИРСК – 2011
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
АУЛЬЧЕНКО – доктор технических наук, профессор, Владимир Михайлович Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
КОРНЕЕВ – доктор технических наук, Владимир Николаевич Учреждение Российской академии наук Институт биофизики клетки РАН, г. Пущино.
ХИЛЬЧЕНКО – кандидат технических наук, Александр Дмитриевич Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.
ВЕДУЩАЯ – Учреждение Российской академии наук Институт кристаллографии ОРГАНИЗАЦИЯ им. А.В. Шубникова РАН, г. Москва.
Защита диссертации состоится «» _ 2011 г.
в «» часов на заседании диссертационного совета Д 003.016. Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.
Адрес: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 11.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.
Автореферат разослан «_» 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А.В. Бурдаков доктор физ.-мат. наук
Общая характеристика работы
Актуальность работы Стремительное развитие полупроводниковой техники за последние не сколько десятилетий открыло много возможностей для создания измери тельного оборудования на принципиально новом уровне, для разработки новых методик проведения физических экспериментов и, как следствие, для получения знаний о природе явлений, недоступных ранее. Это особенно относится к исследованию поведения материалов в экстремальных условиях, при которых большие температура, давление и скорость протекания реакции затрудняют прямое наблюдение за изучаемым объектом. В то же время, изучение таких процессов представляет большой интерес как с точки зрения получения характеристик изучаемого вещества в экстремальных условиях, так и с точки зрения получения новых материалов.
Распространённым способом создания экстремальных условий является нагружение изучаемого образца ударной волной, получаемой при детонации взрывчатого вещества (ВВ). При этом экстремальные условия возникают на короткое время и надёжно воспроизводятся. Свойства ВВ, задающего энергетическое воздействие на образец, определяют успех того или иного эксперимента. Поэтому изучение протекания химической реакции в самом ВВ также является важной задачей.
Для регистрации положения плотных сред, таких как кумулятивная струя или осколки нагружаемого объекта, при проведении исследований ударно-волновых процессов может использоваться рентгеновское излучение.
В 1999 году в ВНИИЭФ (г. Саров) были предприняты попытки измерения распределения плотности при детонации зарядов ВВ. Однако, временнe (~0,2 мкс) и пространственное (~2 мм) разрешения, получаемые при использовании рентгеновских трубок, недостаточны для исследования структуры фронта детонационной волны.
Другим источником рентгеновского излучения является движение за ряженных частиц, например, электронов, по криволинейной траектории (орбите) в накопительном кольце. Такое излучение называется синхротрон ным и имеет качественно лучшие характеристики по сравнению с излуче нием рентгеновкой трубки. Синхротронное излучение (СИ) открывает принципиально новые возможности по исследованию детонационных и ударно-волновых процессов.
В Институте ядерной физики СО РАН накоплен большой опыт ис пользования СИ для проведения экспериментов по малоугловому рентге новскому рассеянию (МУРР) и дифрактоскопии статических или относи тельно медленно протекающих процессов горения и фазового перехода по сравнению со скоростью протекания ударно-волновых процессов. Харак терные времена для процессов горения составляют ~10-3 с. Для динамической диагностики детонационных и ударно-волновых процессов требуется временне разрешение ~10-9 с и пространственное разрешение 0,1 мм, что в итоге представляет сложную задачу с точки зрения разработки регистри рующей аппаратуры и методики проведения экспериментов. В решении этих проблем заключалась основная задача настоящей работы.
Цель работы Целью настоящей работы является решение двух тесно связанных задач:
Разработка регистрирующей аппаратуры для проведения экспериментов по изучению детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения;
Разработка методики проведения экспериментов по изучению детона ционных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения.
Личный вклад автора Автор принимал активное участие в совместной разработке регистри рующей аппаратуры экспериментальной станции «Экстремальные состояния вещества». Непосредственно автором разработаны ключевые элементы аппаратуры: электроника быстрого рентгеновского детектора DIMEX и бы стрый затвор, – устройство, ограничивающее интегральный поток фотонов в детектор.
Автор принимал участие в совместной разработке методики проведения экспериментов. Непосредственно автором была разработана схема син хронизации процессов во время эксперимента.
Научная новизна Показана возможность построения газового координатного детектора, эффективно работающего при высокой интенсивности облучения и обеспечивающего требуемое временне и пространственное разрешения;
показана возможность использования синхротронного излучения для изучения детонационных и ударно-волновых процессов;
впервые получено распределение плотности детонационной волны в режиме «кино» с интервалом между кадрами ~500 нс и длительностью экспозиции ~1 нс;
впервые получено координатное распределение малоуглового рентге новского рассеяния, возникающего при детонации различных ВВ.
Научная и практическая значимость работы Разработанные регистрирующая аппаратура экспериментальной станции «Экстремальные состояния вещества» и методика проведения экспериментов по изучению детонационных и ударно-волновых процессов с использованием СИ стали новым эффективным инструментом исследования сверхбыстрых процессов. В период с 2001 по 2010 год на экспериментальной станции было проведено более 500 экспериментов по изучению детонационных и ударно волновых процессов.
Положения, выносимые на защиту Разработка регистрирующей аппаратуры для проведения экспериментов по изучению детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения, включающей в себя быстрый рентгеновский детектор DIMEX и техническое средство, ограничивающее интегральный входной поток в детектор.
Разработка методики проведения экспериментов по изучению детона процессов с использованием ционных и ударно-волновых синхротронного излучения, включающей в себя постановку экспе риментов и синхронизацию процессов во время эксперимента.
Публикации и апробация работы Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и об суждались на семинарах ИЯФ СО РАН и следующих российских и между народных конференциях: III Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ-2001, г. Москва), XIV Российская конфе ренция по использованию синхротронного излучения (СИ-2002, г. Новосибирск), V Харитоновские тематические научные чтения (2003 г., РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров), XV Международная конференция по использо ванию синхротронного излучения (СИ-2004, г. Новосибирск), VII Харито новские тематические научные чтения (2005 г., РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров), SNIC Symposium (2006 г., г. Стэнфорд, США), XVI Международная конфе ренция по использованию синхротронного излучения (СИ-2006, г. Новосибирск), XVII Международная конференция по генерации и ис пользованию синхротронного излучения (СИ-2008, г. Новосибирск), VII Национальная конференция «Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов. Нано Био-Инфо-Когнитивные технологии» (РСНЭ-НБИК 2009, г. Москва), XVIII Международная конференция по генерации и использованию синхро тронного излучения (СИ-2010, г. Новосибирск) и опубликованы в 10 научных работах.
Объем и структура работы Диссертационная работа объемом 128 страниц состоит из введения, четырёх глав, заключения, четырёх приложений и списка литературы из библиографических единиц. В работе содержится 38 рисунков и 70 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, обозначена основная задача диссертации, представлены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлены краткий обзор существующих экспери ментальных методов изучения детонационных и ударно-волновых процессов, источник СИ на накопительном кольце ВЭПП-3 ИЯФ СО РАН, экспе риментальная станция «Экстремальные состояния вещества» и возможные эксперименты на ней, а также перечислены технические требования к реги стрирующей аппаратуре станции для осуществления экспериментов по изу чению детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения (СИ).
Для изучения детонационных и ударно-волновых процессов с исполь зованием СИ возможно использование двух эффектов взаимодействия рент геновского излучения с веществом: поглощения и рассеяния рентгеновских фотонов в изучаемом объекте. На станции «Экстремальные состояния веще ства» возможно проведение экспериментов по изучению этих эффектов в детонационной и ударной волнах: динамическая рентгенография и экспе рименты по малоугловому рентгеновскому рассеянию (МУРР).
Типичная схема для проведения рентгенографических экспериментов по изучению детонационных и ударно-волновых процессов показана на рис. 1.
Луч СИ шириной 20 мм и толщиной 0,1–0,3 мм просвечивает образец, по которому распространяется де тонационная или ударная волна. Если детектор позволяет регистрировать через равные короткие интервалы времени распределение интенсивности излучения, прошедшего через образец, то получается дина мическое «кино». Так как распространение детонацион ной волны является стационар ным процессом, то временню шкалу можно преобразовать в Рис. 1. Схема проведения рентгеногра пространственную координату, фического эксперимента.
направленную вдоль направле ния распространения детона ционной волны, и получить двумерное распределение ин тенсивности и, в конечном итоге, трёхмерное распре деление плотности в образце (r, z ).
Синтез нанодисперсных алмазов в детонационных волнах изучается давно. Экс периментальные данные по Рис. 2. Схема проведения экспери этому процессу заключа- мента по регистрации МУРР.
ются, в основном, в распре делении синтезированных алмазов по размеру в конечном продукте взрыва при разных условиях эксперимента. Рассеяние рентгеновского излучения на наночастицах алмаза позволяет получить экспериментальную информацию о динамике синтеза.
На рис. 2 показана типичная схема эксперимента по регистрации МУРР.
Из пучка СИ с помощью нижнего (К1) и верхнего (К2) рентгеновских ножей (коллиматор Кратки) на центральной части заряда взрывчатого вещества (ВВ) формируется пятно размером 0,4–1 мм высотой и 3–20 мм шириной.
Проходящий через образец прямой пучок отсекается ловушкой (К3). Лучи, отклонённые на малые углы, регистрируются детектором. По зарегистриро ванному излучению может быть восстановлена динамика роста наночастиц в образце.
Описание станции «Экстремальные состояния вещества» Для проведения опи санных выше типов экспе риментов была создана экс периментальная установка «Экстремальные состояния вещества». В создании станции принимали участие три института СО РАН:
ИЯФ, ИГиЛ и ИХТТиМ.
Рис. 3. Общая схема экспериментальной Общая схема станции при станции «Экстремальные состояния ведена на рис 3. Станция вещества».
состоит из трёх узлов:
блок формирования (коллимации) пучка СИ;
взрывная камера;
блок регистрирующей аппаратуры.
Коллиматор Кратки, установленный в блоке формирования пучка СИ, обеспечивает настройку ширины пучка c точностью ~5 мкм.
Взрывная камера общим объёмом ~70 л рассчитана на локализацию взрыва образцов, содержащих до 50 г ВВ в тротиловом эквиваленте.
Координатный детектор располагается в блоке регистрирующей аппа ратуры на системе из двух подвижек, которая позволяет перемещать детектор в плоскости, перпендикулярной пучку СИ с точностью позиционирования ~5 мкм. Детектор может закрепляться на подвижках как в горизонтальном, так и в вертикальном положениях. Перемещение однокоординатного детек тора по этим направлениям позволяет получить общую картину прошедшего через образец и рассеянного излучения для юстировки положений детектора и образца перед экспериментом.
Требования к регистрирующей аппаратуре Для успешного проведения экспериментов по изучению детонационных и ударно-волновых процессов на станции «Экстремальные состояния вещества» её регистрирующая аппаратура должна обеспечивать временне, пространственное разрешения и точность регистрации интенсивности СИ, необходимые для достоверной физической интерпретации результатов с учётом параметров СИ на станции. Требования к регистрирующей аппара туре станции «Экстремальные состояния вещества» выглядят следующим образом:
пространственное разрешение ~0,1 мм;
временне разрешение ~150 нс;
максимальная плотность потока регистрируемого излучения – 5 10 5 фотон/сгусток/мм2;
эффективность регистрации не менее 10% для фотонов с энергией ~20 кэВ;
длительность последовательности кадров 5 мкс.
Во второй главе описывается конструкция рентгеновского детектора DIMEX.
Детектор DIMEX состоит из двух функциональных частей: регистри рующей и интерфейсной. Регистрирующая структура и считывающая элек троника, помещённые в газовый объём, составляют собой регистрирующую часть детектора. Оцифрованные данные из регистрирующей части переда ются в интерфейсную, где располагается ОЗУ для их хранения. Интерфейс ная часть расположена вне газового объёма и обеспечивает взаимодействие детектора с остальной инфраструктурой экспериментальной станции.
Регистрирующая часть детектора представляет собой ионизационную камеру высокого давления со считывающей структурой в виде анодных по лосок, расположенных с шагом 0,1 мм (рис. 4).
Сколлимированный по вер тикали пучок СИ попадает в чувствительный объем де тектора через входное окно из бериллия толщиной 1 мм.
В зависимости от типа эксперимента пучок имеет размер по вертикали от Рис. 4. Регистрирующая часть детектора 0,1 мм до 1 мм и по гори DIMEX.
зонтали до 14 мм. Пучок СИ попадает в газовый объем между двумя параллельными электродами:
высоковольтным дрейфовым электродом, на который подается отрицатель ный потенциал, и полосковой считывающей плоскостью, полоски которой направлены параллельно направлению пучка и имеют примерно нулевой потенциал. Глубина чувствительной области детектора в направлении пучка составляет 30 мм, а между входным окном и регистрирующей структурой, находящейся под высоким напряжением, имеется «мёртвая зона» – техноло гический промежуток шириной 3 мм.
Камера детектора наполнена газовой смесью Xe-CO 2 с молярным со отношением (75%–25%) при абсолютном давлении 7 атм. Фотоны СИ по глощаются в рабочем газе, образуя первичную ионизацию. Электроны пер вичной ионизации дрейфуют в сторону считывающей полосковой структуры, а положительные ионы – в сторону дрейфового электрода. На пути дрейфа электронов на расстоянии 1,5 мм от полосковой структуры расположен газовый электронный умножитель (ГЭУ), который экранирует считывающую структуру от поля положительных ионов. После проникновения сквозь ГЭУ часть электронов продолжает дрейф в сторону полосковой структуры. При этом на полоски наводится заряд, который поступает на входы малошумящих интеграторов, подключенных к каждой полоске. Поле положительных ионов полностью экранируется обкладками ГЭУ.
В качестве ключевого компонента регистрирующей электроники ис пользуется специализированная интегральная схема APC128. APC128 со держит 128 каналов, каждый из которых состоит из малошумящего зарядо чувствительного усилителя (ЗЧУ) на входе и 32 ячеек аналоговой памяти – электрических емкостей. Кроме того, чип содержит выходной аналоговый мультиплексор и усилитель, через которые все каналы могут быть последо вательно прочитаны. Максимальная частота записи аналоговой памяти со ставляет 10 МГц. Считывание и оцифровка всех 4096 (32 канала ячеек/канал) ячеек занимает ~4 мс при частоте считывания 1 МГц. При этом для оцифровки 128 каналов достаточно одного аналого-цифрового преобра зователя (АЦП).
Для синхронизации моментов записи в емкости аналоговой памяти со вспышками СИ в DIMEX-е используется сигнал фазы ВЭПП, точно привя занный к положению сгустков электронов в накопителе.
Интерфейсная часть детектора представляет собой электронную плату, расположенную вне герметичной камеры детектора и реализующую:
взаимодействие с удалённой ЭВМ;
взаимодействие с регистрирующей частью детектора;
взаимодействие с инфраструктурой экспериментальной станции;
источник высокого напряжения для питания регистрирующей структуры детектора;
хранение данных оцифровки аналоговой памяти APC128;
источники вторичного питания различных узлов детектора.
В качестве интерфейса между детектором DIMEX и ЭВМ выбран стандарт IEEE 802.3 100BASE-TX. Выбор в пользу этого стандарта опреде ляется его широкой распространённостью, достаточной пропускной спо собностью (100 Мбит/с) и приемлемым требованием на длину сегмента – 100 м. Физический уровень соединения по модели ISO OSI реализован на дискретном приёмопередатчике, а канальный и вышележащие уровни реа лизованы средствами ПЛИС в интерфейсной части детектора.
Программный интерфейс детектора построен по архитектуре «клиент сервер»: детектор представляет собой сервер, отвечающий на запросы по протоколу UDP клиентского программного обеспечения (ПО) на ЭВМ на чтение/запись регистра и чтение/запись области памяти.
В третьей главе описана инфраструктура экспериментальной станции «Экстремальные состояния вещества» и взаимодействие процессов во время эксперимента.
Образование объёмного заряда малоподвижных ионов обоих знаков в рабочей области газового детектора является важным фактором, ограничи вающим его загрузочную способность. Это особенно актуально в нашем случае, когда для получения экспериментальных данных, пригодных для анализа, требуется регистрация максимально возможного входного потока.
Специфика эксперимента по изучению детонационных и ударно-волновых процессов такова, что продолжительность интересуемого события составляет всего несколько микросекунд. Это позволяет ограничить интегральный поток излучения в детектор, открывая пучок СИ за несколько микросекунд перед экспериментом. Объёмный заряд, образованный за это время, не должен приводить к ухудшению характеристик детектора. После эксперимента пучок СИ перекрывается, образовавшийся объёмный заряд ионов рассасывается приложенным электрическим полем, и детектор возвращается в исходное состояние.
Устройством, открывающим пучок СИ только на время эксперимента, является сконструированный быстрый затвор, конструкция которого пока зана на рис. 5. Быстрый затвор представляет собой непрерывно вращающийся диск диаметром 600 мм с прорезью прямоугольной формы шириной 1 мм и длиной 40 мм. Диск изго товлен из бронзы толщиной 2 мм, что достаточно для полного поглощения рентге новского излучения ВЭПП-3. Рис. 5. Конструкция быстрого затвора.
В целях безопасности диск защищён кожухом, в котором также имеется прорезь для прохождения пучка СИ. Закреплённый к кожуху электродвигатель постоянного тока вращает диск с частотой вращения до 7500 об./мин. Пучок СИ проходит через затвор в тот момент, когда прорезь в диске совмещается с трассой пучка. При ука занной выше ширине прорези фаза полного открытия затвора составляет 40–90 мкс при длительности фазы полного закрытия 8–18 мс в зависимости от скорости вращения диска. В течение фазы полного закрытия затвора все ионы объёмного заряда вытягиваются электрическим полем, и детектор возвращается в своё исходное состояние.
Для определения момента начала открывания затвора выбрана бескон тактная схема определения положения диска затвора. В диске имеется 3 от верстия диаметром 2 мм (синхроотверстия), расположенные диаметрально напротив прорези в диске. На кожухе быстрого затвора зафиксирована оптопара: светодиод и фотодиод. При прохождении синхроотверстий через оптопару с фотодиода снимаются периодические серии из 3-х импульсов. В момент прихода последнего импульса серии вычисляется момент начала фазы открывания.
Если запуск детектора привязан к импульсу инициирования детонатора, то существует опасность того, что полезное событие произойдёт вне фазы записи детектора DIMEX, так как время формирования детонационной и ударной волн в образце имеет разброс, сопоставимый с длительностью фазы записи детектора. Для более точной привязки запуска детектора к полезному событию используется проволочный датчик положения детонационной волны, представляющий собой две перекрученные изолированные лаком проволочки, помещённые внутрь ВВ. Одна из проволочек находится под нулевым потенциалом, а на вторую (сигнальную) проволочку через резистор 1 кОм подаётся напряжение 5 В. При прохождении детонационной волны через проволочный датчик изоляция проволочек разрушается и проволочки замыкаются плазмой, возникающей за фронтом детонационной волны. При этом на сигнальной проволочке формируется электрический импульс, синхронизованный с уже сформированной детона ционной волной.
Общая схема синхро низации процессов пока зана на рис. 6. Последова тельность событий выгля дит следующим образом:
1) по команде опера- Рис. 6. Общая схема синхронизации.
тора на старт эксперимента детектор DIMEX переводится в режим ожидания сигнала запуска. В этом режиме производится непрерывная фиксация распределения интенсивности излучения с записью в аналоговую память детектора;
2) разрешается работа блока синхронизации;
3) по последовательности синхроимпульсов блок синхронизации вычис ляет момент ближайшего открытия затвора и формирует команду инициирования детонатора в нужный момент;
4) генератор инициирования детонатора формирует высоковольтный импульс на детонатор;
5) при прохождении детонационной волны через проволочный датчик формируется импульс положения детонационной волны;
6) блок синхронизации формирует сигнал запуска детектора;
7) детектор производит запись заранее заданного количества кадров, считывает и оцифровывает содержимое аналоговой памяти.
В четвертой главе рассмотрены собственные метрологические харак теристики детектора DIMEX, способы оценки этих характеристик и анализ ограничивающих факторов.
Детектор должен обеспечивать измерение распределения потока рент геновских фотонов с высокой точностью по координате и по величине.
Кроме того, наиболее существенным свойством детектора DIMEX является его способность регистрировать сигнал, поступивший от очередного проле тевшего сгустка электронов, до пролета следующего сгустка. Таким образом, наиболее важными параметрами детектора являются:
пространственное разрешение;
временне разрешение;
точность измерения величины сигнала (отношение сигнал/шум и ди намический диапазон).
При этом, поскольку поток фотонов от одного сгустка ограничен, важным свойст вом детектора является квантовая эффективность, которая должна быть доста точно высокой.
Результат измерения пространственного раз решения представлен на Рис. рис. 7. На рисунке показана аппаратная Рис. 7. Аппаратная функция детектора.
функция детектора (изо бражение бесконечно тонкого пучка), измеренная методом непрозрачного края. При этом в равномерный пучок помещается непрозрачный объект с точно обработанным краем. Изображение края затем дифференцируется и полученное распределение является искомой аппаратной функцией. Из ри сунка видно, что FWHM (full width at half maximum – ширина на полувысоте) равна ~220 мкм, что хорошо соответствует результату моделирования.
Необходимым и достаточным требованием на временне разрешение детектора является способность регистрировать сигнал от отдельной вспышки СИ, не перемешивая его с сигналом от соседних вспышек, идущих с интервалом ~250 нс. В этом случае временне разрешение всей методики будет определяться исключительно временнй структурой вспышек СИ, то есть ~1 нс.
Минимальный период записи в аналоговую память APC128 составляет 100 нс. Измерение времени сбора заряда с разрешением 25 нс производилось в режиме работы детектора без сброса с длительностью кадров 175 нс. При этом при постоянной интенсивности излучения, падающего на детектор, наблюдались биения регистрируемого сигнала, так как в этом случае на 10 регистри руемых кадров приходилось только 7 вспышек СИ. Если разбить интервал между вспышками (250 нс) на Рис. 8. Сбор заряда APC128.
равных частей (по 25 нс), то по экспериментальным дан ным можно восстановить долю полного заряда от одной вспышки СИ, приходящуюся на каждую такую часть (рис. 8). Видно, что интегрирование сигнала практически полностью (~95\%) заканчивается в течение 150 нс после вспышки СИ, что позволяет полностью разделять сигнал от двух последовательных вспышек СИ.
Точность измерения сигнала определяется флуктуациями потока фо тонов, регистрируемых детектором, и шумами электроники. На рис. 9 приве дена зависимость сигнала в детекторе и отношения сиг нала к шуму от потока фо тонов на входе в детектор.
Поток фотонов изменялся с помощью фильтров из плексигласа. На графике приведен поток, рассчитан ный с помощью программы XOP2.0. Видно, что сигнал увеличивается прямо про порционально входному Рис. 9. Зависимость сигнала в детекторе и потоку во всем диапазоне отношения сигнала к шуму от потока измерения. Отношение сиг фотонов на входе.
нала к шуму меняется как корень квадратный из сиг нала (наклон зависимости в два раза меньше в двойной логарифмической шкале). Таким образом, фактором, определяющим точность измерения сиг нала, является величина флуктуации числа фотонов, регистрируемых де тектором, и наилучшая точность достигается при максимальном сигнале.
Предельный сигнал, измеряемый детектором, ограничивается динамическим диапазоном интеграторов APC128.
Расчетная зависимость квантовой эффективности детектора DIMEX (доли потока фотонов, поглощенных в чувствительной зоне) от энергии рент геновских фотонов показана на рис. 10. Расчет сделан в предположении тол щины мертвой зоны за входным окном 3 мм, тол щины чувствительной зоны 30 мм и толщины берил лиевого окна 1 мм. Рабочая газовая смесь – Xe-CO 2 с мо лярным соотношением (75%– 25%) при абсолютном дав лении 7 атм. Видно, что в диапазоне энергий 15–30 кэВ квантовая эффективность Рис. 10. Эффективность регистрации.
составляет более 50%.
В заключении представлены основные результаты диссертационной ра боты.
В приложениях приведены результаты некоторых значимых экспери ментов на экспериментальной станции «Экстремальные состояния веще ства», протокол прикладного уровня детектора DIMEX, файл регистров и карта памяти детектора.
Основные результаты 1. Создан и введён в эксплуатацию аппаратно-программный комплекс для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с использо ванием синхротронного излучения. Основные компоненты комплекса:
а. однокоординатный детектор СИ DIMEX;
б. быстрый затвор;
в. датчик положения детонационной волны;
г. генератор импульса инициирования детонатора;
д. ЭВМ с необходимым программным обеспечением.
2. Разработана методика проведения экспериментов по изучению детона ционных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения. Методика включает в себя:
а. постановку рентгенографических экспериментов с использованием СИ и малоуглового рентгеновского рассеяния;
б. синхронизацию процессов во время эксперимента.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. В.М. Аульченко, В.В. Жуланов, Л.И. Шехтман. Однокоординатный рентгеновский детектор с быстрой записью изображения. // Поверхность.
Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2002, N11, стр. 10-12.
2. V. Aulchenko, V. Zhulanov, et al. Development of a one-dimensional detector for the study of explosions with a synchrotron radiation beam. // Journal of Synchrotron Radiation. - 10 (2003) 361-365.
3. К.А. Тен, В.В. Жуланов и др. Экспериментальная станция для исследо вания детонационных и ударно-волновых процессов с помощью синхротронного излучения. // Физика экстремальных состояний вещества-2003. /Под редакцией В.Е. Фортова и др. Институт проблем химической физики РАН, Черноголовка, 2003 г., стр. 38-40.
4. V. Aulchenko, V. Zhulanov. et al. Development of fast one-dimensional X-ray detector for imaging of explosions. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - V.513, N1-2 (2003), 388-393.
5. A. Aulchenko, V. Zhulanov et al. One-dimensional detector for study of detonation processes with synchrotron radiation beam. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - V. 543, N1 (2005), 350-356.
6. V.M.Aulchenko, V.V.Zhulanov et al. Detector for imaging of explosions:
present status and future prospects with higher energy X-rays. // Journal of Instrumentation. - 3. P05005, 2008.
7. V.M.Aulchenko, V.V.Zhulanov et al. Current status and further improvements of the detector for imaging of explosions. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - V.603 (2009) 73-75.
8. V.M. Aulchenko, V.V. Zhulanov et al. Application of introduced nano-di amonds for the study of carbon condensation during detonation of condensed explosives. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. V.603 (2009) 102-104.
9. V.M. Aulchenko, V.V. Zhulanov at al. Fast high resolution gaseous detectors for diffraction experiments and imaging at synchrotron radiation beam. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - V.623 (2010) 600 602.
10. В.М. Аульченко, В.В. Жуланов и др. Детектор для изучения взрывных процессов на пучке синхротронного излучения. // Приборы и техника эксперимента. - 2010, №3, C.20-35.
ЖУЛАНОВ Владимир Викторович Регистрирующая аппаратура для исследования детонационных и ударно-волновых процессов с использованием синхротронного излучения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Сдано в набор 14.04. 2011 г.
Подписано в печать 18.04. 2011 г.
Формат 60x90 1/16 Объем 1.0 печ.л.,0.8 уч.-изд.л.
Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № Обработано на PC и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева,