Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии



Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии
G01N23/00 - Исследование или анализ материалов радиационными методами, не отнесенными к группе G01N 21/00 или G01N 22/00, например с помощью рентгеновского излучения, нейтронного излучения (G01N 3/00-G01N 17/00 имеют преимущество; измерение силы вообще G01L 1/00; измерение ядерного или рентгеновского излучения G01T; введение объектов или материалов в ядерные реакторы, извлечение их из ядерных реакторов или хранение их после обработки в ядерных реакторах G21C; конструкция или принцип действия рентгеновских аппаратов или схемы для них H05G)

Владельцы патента RU 2687840:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)

Использование: для исследования материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии. Сущность изобретения заключается в том, что получают экспериментальное изображение пучка протонов с помощью системы регистрации после прохождения через объект исследования с последующей обработкой изображения и сравнения с расчетными данными, включающими форму и положение ударной волны и/или детонационной волны и/или геометрию объекта из исследуемого материала. Для обработки полученных изображений объекта исследования используют изображения тест-объектов, помещая их на место размещения объекта исследования, при этом по изображению тест-объекта с реперными отметками в узлах ортогональной решетки устанавливают соответствие между фактическими геометрическими размерами тест-объекта и его размерами на изображении, которое учитывают при обработке изображений объекта исследования, а по изображениям, полученным при перемещении этого тест-объекта вдоль оси пучка, учитывают влияние системы формирования и регистрации изображений на искажение размеров, по изображению объекта, имеющего постоянную поверхностную плотность, учитывают величину поля обзора магнитооптической системы, причем для одновременной оценки дисторсии получают изображение, размещая перед этим объектом стальную пластину с разметкой в виде решетки. Расчетные данные получают путем моделирования пространственного распределения протонов на входе в конвертор системы регистрации после прохождения ими области с исследуемым материалом, которое осуществляют на основе метода лучевых сумм или методом Монте-Карло. Технический результат: повышение точности и информативности исследования материалов при ударно-волновом нагружении. 3 з.п. ф-лы, 19 ил.

 

Изобретение относится к области исследования материалов радиографическими методами, в частности к способам исследования материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии, и может быть применено при исследовании уравнений состояния материалов, например, во взрывных экспериментах, для определения внутренней структуры объектов или исследования быстропротекающих процессов.

Рентгенография является незаменимым средством диагностики внутренней структуры разнообразных объектов, и применяется во многих областях [«Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках» монография под общей редакцией д.ф.м.н. М.В. Жерноклетова. Саров: ФГУП РФЯЦ - ВНИИЭФ, 2003 стр. 49]. С помощью многокадровой импульсной рентгеновской установки проводят регистрацию изображения исследуемого материала и ударной волны в нем. Существующий рентгенографический комплекс на базе трех бетатронов позволяет получать до 9 кадров. Недостаток этого способа в относительно низкой точности. Это связано с тем, что существующая рентгеновская установка, работающая на базе БИМ234.3000 [Павловский А.И., Кулешов Г.Д., Склизков Г.В. и др. Сильноточные безжелезные бетатроны // Докл. АНСССР. 1965. Т 160, №1. С 68-70], при многокадровом режиме работы имеет относительно большую длительность импульсов. Первый импульс имеет длительность 200÷250 нс, второй 120÷160 нс, третий 100÷110 нс. Для того чтобы сохранить систему регистрации при воздействии на нее осколков необходимо размещать ее на 2-3 м от исследуемого образца. Кроме этого, сам источник имеет конечные размеры. Наличие данных факторов приводит к существенному размытию изображения исследуемого образца и формы ударной волны и, как следствие, к ухудшению точности определения характеристик материала.

Существует множество программ моделирования рентгеновских изображений, которые используют для вычисления характеристик исследуемых материалов, которые впоследствии корректируют с учетом экспериментальных изображений. Например, с помощью метода Монте-Карло (патент RU 2242743, публик. 20.12.2004), хотя применение его затруднительно вследствие того, что самих квантов очень много и к тому же надо прослеживать историю каждого из них, учитывая вторичные частицы от их взаимодействия с веществом, так как они также могут оказывать влияние на конечное изображение. Другая программа моделирования рентгеновских изображений основана на методе лучевых сумм. Так, например, известен способ исследования характеристик вещества с помощью рентгенографии (патент на изобретение RU 2168717, публик. 10.06.2001), который заключается в восстановлении линейных коэффициентов поглощения и рассеяния путем регистрации прошедшего без взаимодействия рассеянного излучения и решения системы уравнений лучевых сумм и математического моделирования.

Известен способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии [Physical Review В 77, 220101 (R) (2008) Proton radiography and accurate density measurements: A window into shock wave processes P. A. Rigg, C. L. Schwartz, R. S. Hixson, G. E. Hogan, К. K. Kwiatkowski, F. G. Mariam, M. Marr-Lyon, F. E. Merrill, C. L. Morris, P. Rightly, A. Saunders, and D. Tupa Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico 87545, USA Received 4 February 2008; published 5 June 2008], выбранный в качестве ближайшего аналога. Способ включает получение изображения пучка протонов с помощью многокадровой системы регистрации после его прохождения через исследуемый материал с последующей обработкой изображения, включающей в себя восстановление формы и положения ударной волны, детонационной волны, геометрии объекта из исследуемого материала и распределения плотности в объекте. Затем полученные данные сравниваются с расчетными данными газодинамических расчетов. Нагружение объекта из исследуемого материала и формирование в нем ударной волны осуществляют путем разгона ударника с помощью газовой пушки, просвечивание исследуемого образца осуществляют пучком протонов с энергией 800 МэВ, ускоряемых линейным ускорителем, последующую обработку экспериментальных протонных изображений и восстановление трехмерной геометрии объекта из исследуемого материала осуществляют с помощью методов малоракурсной томографии. Обработанное изображение сопоставляют по параметрам сравнения, в качестве которых используют форму и положение ударной волны, и/или плотности, и/или детонационной волны, и/или геометрию объекта из исследуемого материала, с расчетными данными, полученными при математическом моделировании газодинамического процесса, для тестирования уравнения состояния исследуемого материала, использованного при моделировании.

Недостаток способа состоит в том, что он позволяет судить о соответствии расчетных параметров экспериментальным результатам с недостаточной точностью. Это связано с тем, что, при формировании изображения исследуемого объекта, размытие составляет несколько сотен микрон, что является характерным размытием при проведении динамических опытов по протонной радиографии, при этом величина ошибки определения радиуса может достигать для исследуемых объектов 5-10%. Так для различных объектов, в зависимости от их конфигурации и размытия изображения, несогласованность определения различных границ в газодинамическом расчете может быть существенной.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности и информативности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии, включающем получение изображения пучка протонов с помощью системы формирования и регистрации изображений после прохождения через объект исследования с последующей обработкой изображения и сопоставления с полученными при математическом моделировании параметрами сравнения, в качестве которых используют форму и положение ударной волны, и/или детонационной волны, и/или геометрию объекта исследования с последующим тестированием уравнения состояния материала объекта исследования, новым является то, что для обработки полученных изображений объекта исследования используют изображения тест-объектов, помещая их на место размещения объекта исследования и пропуская через них пучок протонов, при этом по изображению тест-объекта с реперными отметками в узлах ортогональной решетки устанавливают соответствие между фактическими геометрическими размерами тест-объекта и его размерами на изображении, которое учитывают при обработке изображений объекта исследования, а по изображениям, полученным при перемещении этого тест-объекта вдоль оси пучка учитывают влияние системы формирования и регистрации изображений на искажение размеров, по изображению объекта, имеющего постоянную поверхностную плотность, учитывают величину поля обзора магнитооптической системы, причем для одновременной оценки дисторсии получают изображение, размещая перед этим объектом стальную пластину с разметкой в виде решетки, а параметры сравнения, полученные в процессе математического моделирования, определяют по пространственному распределению протонов после их прохождения через исследуемый материал в плоскости конвертора системы регистрации, которое осуществляют на основе метода лучевых сумм или методом Монте-Карло.

Дополнительно можно осуществить итерационную корректировку уравнения состояния исследуемого материала, добиваясь, совпадение расчетных и экспериментальных параметров сравнения.

При использовании метода лучевых сумм рассчитывают оптическую толщину объекта из исследуемого материала и различные комбинации углов рассеяния протонов с координатами вдоль луча.

При использовании метода Монте-Карло учитывают потерю энергии на ионизацию и ее флуктуацию, неупругое и упругое ядерное взаимодействие, многократное кулоновское рассеяние.

Предварительное масштабирование экспериментального изображения объекта исследования с помощью изображений тест-объектов, по которым устанавливают соответствие между фактическими геометрическими размерами тест-объектов и их размерами на изображении, позволяет уменьшить влияние на протонное изображение неточности в позиционировании объекта по углу относительно оси пучка, тем самым, однозначно приписав искажения изображений системе формирования и регистрации изображений и осуществить одновременную оценку дисторсии в протонном изображении.

Известные методы моделирования можно взять за основу при моделировании протонных изображений. При моделировании методом Монте-Карло просвечивающих частиц, как правило, на порядки меньше, чем в рентгенографии, а вторичные частицы можно не учитывать в силу того, что магнитные линзы, формирующие конечное изображение, блокируют заряженные вторичные частицы, средний импульс которых существенно меньше импульса начальной частицы, а нейтральные частицы подавляются за счет того, что плоскость регистрации удалена на десятки метров от объекта (телесный угол, под которым виден детектор частиц от объекта, крайне мал).

Метод лучевых сумм также можно применить в протонной радиографии, однако при этом возникает ошибка, связанная с тем, что протоны являются заряженными частицами. Заряженные протоны при прохождении через вещество испытывают многократное кулоновское рассеяние на электрическом поле ядра, в результате чего непрерывно меняется угол полета частиц, что приводит к сложной траектории полета протонов в веществе. В результате, на выходе из объекта протоны имеют сложное пространственно-угловое распределение, смоделировать которое по одному интегралу вдоль движения (например, массовая толщина), как это делается в методе лучевых сумм, невозможно. Ошибка, связанная с данными приближением, варьируется в зависимости от энергии протонов, толщины объекта и распределения веществ в нем, и в некоторых случаях может оказаться принципиальной. Расчет оптической толщины объекта из исследуемого материала и различные комбинации углов рассеяния протонов с координатами вдоль луча при осуществлении моделирования на основе метода лучевых сумм позволяет учесть любое распределение веществ вдоль полета протонов, на основании которых можно сгенерировать правильное пространственно-угловое распределение протонов.

На фиг. 1 представлена схема тест-объекта для градуировки системы формирования и регистрации протонных изображений.

На фиг. 2 - представлена схема тест-объекта для определения величины поля обзора магнитооптической системы

На фиг. 3 - протонная радиограмма тест-объекта фиг. 2 после коррекции на изображение пучка.

На фиг. 4 - профили яркости (сечение протонной радиограммы в вертикальной и горизонтальной плоскостях)

На фиг. 5, 7, 8, 9, 11 - представлены протонные радиограммы процесса ударно-волнового нагружения оболочек, полученные экспериментально и с последующей обработкой.

На фиг. 6, 8, 10, 12 - представлены протонные радиограммы процесса ударно-волнового нагружения оболочек, полученные расчетным путем.

На фиг. 13, 14, 15, 16 - сопоставление положения внешней и внутренней границ оболочек в эксперименте и смоделированных изображениях.

На фиг. 17 представлено численное изображение исследуемого сферического полого объекта без учета взаимодействия ионизирующего излучения с веществом объекта.

На фиг. 18 - численное изображение того же объекта, по с учетом всех процессов, происходящих при взаимодействии вещества объекта с излучением.

В качестве примера конкретной реализации устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, может служить устройство, которое выполнено на основе действующего синхрофазотрона У-70, построенного в г. Протвино [Новости и проблемы фундаментальной физики, №1(5), 2009 г., с. 32-42], и включает камеру с динамической сборкой, содержащей исследуемые материалы в виде оболочек, систему формирования и регистрации протонного изображения. Система формирования представляет собой магнитооптическую систему, состоящую из магнитных линз и коллиматора. Система регистрации состоит из сцинтилляционного конвертера, зеркала и цифровых камер.

Для получения изображений тест-объектов, которые применяются при обработке изображений объекта исследования, использовался тест-объект с реперными отметками (высокоточные шарики) в узлах ортогональной решетки, расчерченной на плексиглазовом основании. Этот тест-объект (фиг. 1) имеет в своем составе 25 высокоточных шариков 2 (диаметром 8 мм и шагом 60 мм) и концевую меру длины 1 с размерами 30×9×4 мм. Другой объект, изображение которого использовалось в процессе обработки, это объект, имеющий постоянную поверхностную плотность, состоящий из 6 свинцовых кирпичей с размером в плоскости перпендикулярной оси пучка 200×200 мм2, т.е. почти перекрывающей сечение ионопровода. Поверхностная плотность (массовая толщина) объекта составила 170 г/см2. Перед кирпичами был установлена стальная пластина «решетка» (фиг. 2).

Объект исследования (динамическая сборка) помещают во взрывозащитную камеру, установленную в тоннеле канала инжекции ускорителя У-70. Проводят опыты. В одном опыте в течение 4,8 мкс можно исследовать процесс развития детонации в начальный момент времени. Другой опыт проводят для исследования процесса формирования профиля плотности оболочек сборки вблизи максимального нагружения. Стадию формирования детонационной волны, форму оболочек при ударно-волновом нагружении, положение фронта ударной волны и отраженных от оболочек волн определяют с помощью протонной радиографии. Протоны для просвечивания от источника подаются сгустками через строго определенные интервалы времени, что позволяет за время движения ударной волны сделать несколько десятков кадров системой регистрации. Многократно регистрируется форма и положение ударной волны и/или детонационной волны и/или геометрия объекта из исследуемого материала. Количество кадров может доходить до 30, а регистрация ведется в течение ~5 мкс, временной интервал между сгустками 0.165 мкс. По результатам проведенных опытов было получено множество кадров хорошего качества. Полученную информацию в электронном виде отправляют на компьютер для обработки, используя при этом изображения тест-объектов, которые получают, помещая их на место размещения объекта исследования и пропуская через них пучок протонов.

В процессе обработки устанавливают соответствие между фактическими геометрическими размерами тест-объекта (фиг. 1) и его размерами на изображении и определяют изменение градуировочных коэффициентов К (мм/пиксель) по осям ОХ и OY при отклонении объекта от расчетной точки расположения (в пределах не более 50 см вдоль пучка). Применение высокоточных сферически-симметричных объектов позволяет максимально исключить влияние на протонное изображение неточности в позиционировании объекта по углу относительно оси пучка, тем самым, однозначно приписав искажения изображений системе формирования и регистрации изображений. Для вычисления коэффициента К градиентным методом определен размер концевой миры в пикселях изображения по осям ОХ и OY. Коэффициенты Kx и Ky вычислены по формулам , где - размер объекта по оси ОХ в мм, nx - размер изображения объекта по оси OX в пикселях. - размер объекта по оси OY в мм, ny - размер изображения объекта по оси OY в пикселях. Получены следующие данные:

- для системы регистрации с полем обзора 300 мм: Kx=2,89, Ky=3,03;

- для системы регистрации с полем обзора 150 мм: Kx=7,11, Ky=7,30.

Дисторсия в системе «магнитная оптика - система регистрации» определялась путем сравнения расстояний между центрами шариков и по изображениям шариков (фиг. 1), путем анализа их сферичности. Анализ протонограмм показал, что расстояние между шариками отличаются от 60 мм и составляют 61.2 мм и 59.7 мм для горизонтальной и вертикальной плоскости соответственно. Затем, объект был перемещен вдоль оси пучка, вперед и назад относительно расчетной точки на 50 см, что позволило определить влияние системы формирования и регистрации изображения на искажение размеров в исследуемых объектах.

Далее определяют величину поля обзора магнитооптической системы - максимальный поперечный (пучку) размер объекта, при котором протоны, прошедшие через край объекта, не испытывают потерь в магнитооптической системе. Для этого используют изображение 6 свинцовых кирпичей, перед которыми была установлена стальная пластина «решетка» (фиг. 2), для одновременной оценки дисторсии в протонном изображении. После коррекции протонного изображения этого объекта на изображение просвечивающего объект пучка (фиг. 3), был проведен анализ профиля яркости полученного изображения (фиг. 4). К краям области, ограниченной свинцовыми кирпичами (200×200 мм), наблюдается снижение среднего значения пропускания (яркости протонограммы) не более 2%. В центральной области поля обзора (100×100 мм), где в газодинамических экспериментах будет располагаться наиболее плотная часть объекта, снижение пропускания не отмечено. Полученный результат позволяет определить величину поля обзора для объектов с массовой толщиной до 170 г/см2 по свинцу, значением 200×200 мм2, и, не учитывать в методике измерения поверхностной плотности объектов эффект снижение пропускания магнитооптической системы в центральной области поля обзора.

На фиг. 5, 7, 9, 11 (были выбраны для примера 4 кадра) представлены обработанные протонные радиограммы форм оболочек при динамическом нагружении.

Для идентификации полученных данных осуществляли сравнение с расчетной моделью.

В этой связи предлагается на основе метода лучевых сумм смоделировать пространственно-угловое распределение протонов на выходе из динамической сборки, основанное на накоплении вдоль луча (виртуальной прямолинейной траектории полета протонов) трех специальных интегралов, с помощь которых можно учесть любое распределение веществ вдоль полета протонов, и на основании которых можно сгенерировать правильное пространственно-угловое распределение протонов. Заряженная частица при прохождении через вещество испытывает многократное кулоновское рассеяние на электрическом поле ядра, экранированном орбитальными электронами. Наиболее точная теория такого рассеяния была создана Мольером (Н. А. Bethe, Moliere theory of multiple scattering, Phys. Rev. vol. 89, №6, 1953, pp.1256-1266). Теория Мольера описывает распределение частиц по углам рассеяния θ; при малых углах распределение гауссово (в силу центральной предельной теоремы для большого количества рассеяний на малые углы), при больших углах распределение ведет себя как (что соответствует небольшому количеству рассеяний на большие углы). Для моделирования размытия изображения в протонной радиографии необходимо кроме углового рассеяния учесть вызванное этим рассеянием боковое смещение частиц от оси луча. В первом приближении используем теорию, в которой распределение по углам рассеяния гауссово. В этом приближении одновременное распределение угла рассеяния и бокового смещения было построено Ферми, затем обобщено Эйгесом на случай неоднородности вещества (L. Eyges. Multiple scattering with energy loss, Phys. Rev. vol. 74, №10, 1948, pp.1534-1535).

Пусть z - координата вдоль оси луча, х и у - координаты в плоскости, перпендикулярной к оси луча, θx и θy - проекции угла рассеяния. При z=0 начальные условия х=0, у=0, θx=0, θy=0. С учетом предположения о малости углов рассеяния: .

Совместная плотность распределения Ферми-Эйгеса для проекции на одну из осей (ось у):

Легко проверить, что

то есть выражения в угловых скобках - средние значения соответствующих величин.

Распределение по углу рассеяния:

гауссово со средним значением и среднеквадратичным отклонением

Эволюция углового распределения с изменением координаты z описывается уравнением диффузии:

Для совместного распределения выполняется транспортное уравнение Больцмана:

Условное распределение бокового смещения при данном угле рассеяния:

гауссово со средним значением и среднеквадратичным отклонением

В случае однородной среды, , следовательно, среднее значение ƒ(y|θy) равно , среднеквадратичное отклонение равно . (Такие же значения без вывода приведены в D. Е. Groom et al, Passage of particles through matter, European Physical Journal C15, 1 2000).

Другой частный случай - после вещества на интервале добавим вакуум на интервале [z,z+Δz]. Тогда , , , следовательно, среднее значение ƒ(y|θy) увеличивается на Δzθy, среднеквадратичное отклонение не меняется, что соответствует переносу частиц без рассеяния.

С учетом симметрии рассеяния относительно поворота в плоскости x-y получим, что , σ2(z) - дисперсия угла рассеяния.

Совместная плотность распределения по двум смещениям и двум углам дается выражением ƒ(x,θx)ƒ(y,θy). Легко проверить, что для нее выполняется транспортное уравнение:

Для генерации четырех переменных x, у, θx, θy нам необходим быстрый генератор нормального распределения. Используем метод Бокса-Мюллера (Devroye, Non-Uniform Random Variate Generation, Springer-Verlag, New York, 1986). Генерируется только нормальное распределение со средним значением 0 и среднеквадратичным отклонением 1. Для произвольных параметров достаточно домножить полученную величину на нужное среднеквадратичное отклонение, и добавить нужное среднее значение.

Моделирование протонных изображений методом Монте-Карло производят следующим образом. На начальном этапе генерируется протон с энергией и пространственно-угловым распределением, исходя из параметров падающего на тест-объект протонного пучка. Затем с помощью метода Монте-Карло осуществляют моделирование прохождения протонов через тест-объект, при этом моделируются все основные процессы, возникающие при прохождении протонов через вещество: потеря энергии на ионизацию и ее флуктуация, неупругое и упругое ядерное взаимодействие, многократное кулоновское рассеяние. Рождение вторичных частиц не моделируется. После прохождения протона через тест-объект протоны пропускают через магнито-оптическую систему, представляющую собой совокупность квадрупольных линз с вакуумными промежутками между ними. Моделирование прохождения протонов через квадрупольные линзы осуществляют с помощью точного аналитического решения дифференциального уравнения траектории заряженной частицы в соответствующем магнитном поле исходя из энергии частицы и ее пространственно-углового положения. В вакуумных промежутках осуществляют прямолинейное движение.

По координатам протона в плоскости регистрации заполняется соответствующая ячейка изображения. Затем генерируют следующий протон и осуществляют его транспортировку через тест-объект и магнито-оптическую систему до плоскости регистрации, где он также участвует в формировании изображения. Генерацию протонов продолжают до тех пор, пока не будет смоделировано необходимое количество протонов, соответствующее количеству протонов в падающем пучке.

На фиг. 6, 8, 10, 12 - представлены протонные радиограммы процесса ударно-волнового нагружения оболочек, полученные расчетным путем, как методом лучевых сумм, так и методом Монте-Карло.

На фиг. 13, 14, 15, 16 для наглядности представлено сопоставление положения внешней и внутренней границ одной из оболочек в эксперименте (линия с треугольниками) и смоделированных изображениях (линия с шариками) для отдельных кадров.

Как видно из сравнительного анализа расчетные и экспериментальные данные хорошо согласованы. Заявляемое изобретение позволяет обеспечить точность обработки полученных результатов и анализа и судить о соответствии расчетных параметров экспериментальным результатам с большой точностью.

Данное утверждение можно проиллюстрировать на примере простого объекта, представляющего собой сферу радиуса 30 мм с внутренней полостью радиусом 10 мм. На фиг. 17 представлено распределение массовой толщины для данного объекта (идеальное численное изображение без учета взаимодействия вещества объекта с излучением), а на фиг. 18 - распределение массовой толщины с учетом размытия изображения (с учетом взаимодействия) со среднеквадратичным отклонением 1 мм (по функции Гаусса). Видно, что в этом случае границы размыты. Для наглядности на фиг. 19 представлены профили распределения массовой толщины вдоль белой пунктирной линии на фиг. 17 и 18. На фиг. 19 видно, что профили массовых толщин объекта близки. Однако, вблизи внутренней и внешней границ наблюдается несоответствие "истинных" профилей, получаемых из чертежей или в газодинамических расчетах, и "экспериментальных", получаемых из размытых экспериментальных изображений. Например, радиус внутренней полости, полученный методом градиентов из размытого изображения (поиск экстремума в поле массового распределения), составляет примерно 11.5 мм. То есть при масштабе размытия изображения 1 мм для исследуемого объекта завышение радиуса полости составляет 15%, что является очень серьезной величиной, которая может привести к большим ошибкам (ошибка в объеме полости составляет при этом 1.5 раза). При масштабе размытия изображения 0.5 мм ошибка в радиусе составляет 0.8 мм, а при масштабе размытия 0.25 мм - 0.5 мм. То есть при размытии изображения, составляющего несколько сотен микрон, величина ошибки определения радиуса может достигать для подобных объектов 5-10%. Таким образом, для различных объектов, в зависимости от их конфигурации и размытия изображения, несогласованность определения различных границ в газодинамическом расчете может быть существенной.

1. Способ исследования поведения материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии, включающий получение изображения пучка протонов с помощью системы формирования и регистрации изображений после прохождения через объект исследования с последующей обработкой изображения и сопоставления с полученными при математическом моделировании параметрами сравнения, в качестве которых используют форму и положение ударной волны и/или детонационной волны и/или геометрию объекта исследования с последующим тестированием уравнения состояния материала объекта исследования, отличающийся тем, что для обработки полученных изображений объекта исследования используют изображения тест-объектов, помещая их на место размещения объекта исследования и пропуская через них пучок протонов, при этом по изображению тест-объекта с реперными отметками в узлах ортогональной решетки устанавливают соответствие между фактическими геометрическими размерами тест-объекта и его размерами на изображении, которое учитывают при обработке изображений объекта исследования, а по изображениям, полученным при перемещении этого тест-объекта вдоль оси пучка, учитывают влияние системы формирования и регистрации изображений на искажение размеров, по изображению объекта, имеющего постоянную поверхностную плотность, учитывают величину поля обзора магнитооптической системы, причем для одновременной оценки дисторсии получают изображение, размещая перед этим объектом стальную пластину с разметкой в виде решетки, а параметры сравнения, полученные в процессе математического моделирования, определяют по пространственному распределению протонов после их прохождения через исследуемый материал в плоскости конвертора системы регистрации, которое осуществляют на основе метода лучевых сумм или методом Монте-Карло.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют итерационную корректировку уравнения состояния исследуемого материала, добиваясь совпадения расчетных и экспериментальных параметров сравнения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании метода лучевых сумм рассчитывают оптическую толщину объекта из исследуемого материала и различные комбинации углов рассеяния протонов с координатами вдоль луча.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при использовании метода Монте-Карло учитывают потерю энергии на ионизацию и ее флуктуацию, неупругое и упругое ядерное взаимодействие, многократное кулоновское рассеяние.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в изделиях из листовых капиллярно-пористых материалов в бумажной, легкой, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области нефтяной геологии и может использоваться для определения смачиваемости нефтенасыщенных горных пород. Способ определения смачиваемости горных пород методом рентгеновской томографии керна включает изготовление из керна горных пород стандартных цилиндрических образцов, экстрагирование их от нефти и высушивание до стабилизации массы, последующее томографирование полученных сухих образцов с получением 2D-срезов, насыщение сухих образцов раствором йодида натрия и проведение повторного томографирования насыщенных образцов керна с получением 2D-срезов, затем, используя полученные при томографировании 2D-срезы, производят 3D-реконструкцию образцов путем сравнения указанных 3D-реконструкций для сухих и насыщенных образцов, определяя при этом поровые объемы указанных образцов, и определяют смачиваемость горной породы с использованием установленных поровых объемов образцов, в качестве раствора йодида натрия для насыщения сухих образцов используют раствор концентрацией 300 г/л и насыщение проводят под вакуумом в течение не менее 3 часов, при этом при проведении 3D-реконструкции образцов определяют поровый объем не всего образца, а только сердцевины образца на расстоянии 3-5 мм от верхнего и нижнего торцов образца и 5-6 мм от боковых сторон образца с использованием определенных при проведении 3D-реконструкции образцов их поровых объемов, далее рассчитывают показатель пропитки - К пропитки - как отношение разности объема пор между сухим V1 и насыщенным образцом V2 к объему пор в сухом образце V1 по следующей формуле: и по полученному значению показателя пропитки К пропитки судят о смачиваемости керна посредством установления категории его гидрофильности или гидрофобности.

Изобретение относится к иконике для создания систем визуализации в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и других участках спектра электромагнитных излучений.
Изобретение относится к области спектроскопических измерений и касается способа определения тяжелых металлов в почве. При осуществлении способа исследуемый образец почвы наносят слоем толщиной 5-10 микрон на атомно-гладкую поверхность кристалла меди, отжигают при температуре 150°С в течение 5 минут и помещают в вакуумную камеру с давлением остаточных газов на уровне 10-8 миллибар.

Изобретение относится к области изучения свойств смачивания. Для определения равновесной смачиваемости поверхности раздела пустотного пространства и твердой фазы образца горной породы получают трехмерное изображение внутренней структуры образца.

Изобретение относится в измерительной техники, а именно к способам неразрушающего контроля объектов в микро- и наноэлектронике. В способе определения температур фазовых переходов в пленках и скрытых слоях многослойных структур нанометрового диапазона толщин нагреваемый образец облучают потоком выходящего из источника рентгеновского излучения и осуществляют регистрацию отраженного от поверхности образца излучения.

Изобретение относится к технике контроля запыленности поверхности на предприятиях угольной, горно-металлургической и других отраслей промышленности и сельскохозяйственного производства, где присутствует взрывчатая пыль: угольная, сульфидная, мучная и др.

Группа изобретений относится к области исследования материалов радиографическими методами с применением ударных нагружений и воздействием магнитного поля. Сущность изобретений заключается в том, что пучок протонов направляют под углом к силовым линиям магнитного поля, после облучения области исследования получают три изображения отклоненного магнитным полем протонного пучка путем его поочередной фокусировки с помощью трех магнитооптических линзовых систем на трех конверторах систем регистрации, первое из которых формируют без изменения интенсивности пучка, а следующие - с последовательным изменением интенсивности пучка путем его ослабления в зависимости от его отклонения магнитным полем во взаимно перпендикулярных направлениях, обработку осуществляют путем деления полученных изображений отклоненного магнитным полем пучка между собой и на изображение пучка до пропуска его через область исследования с учетом обратного преобразования функции ошибок с вычислением углов рассеяния пучка протонов под действием магнитного поля и последующей реконструкцией изображения компонентов вектора магнитной индукции во взаимно перпендикулярных направлениях, по которому определяют поля деформации области исследования.

Изобретение относится к анализу старения резиновой смеси для шины, в частности к ухудшению состояния поверхности полимерного материала с низкой проводимостью. Способ анализа старения резиновой смеси включает облучение резиновой смеси с образованным на ней металлическим покрытием толщиной 100 Ǻ или менее рентгеновскими лучами высокой интенсивности, имеющими энергию в диапазоне 4000 эВ или менее, и измерение поглощения рентгеновских лучей по графикам спектров поглощения для анализа старения резиновой смеси для шины.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для моделирования многофазного потока текучей среды. Структура пор горных пород и других материалов может быть определена посредством микроскопии и подвержена цифровому моделированию для определения свойств потоков текучей среды, проходящих сквозь материал.

Использование: для диагностики реальной структуры нанотонких кристаллов. Сущность изобретения заключается в том, что способ диагностики эволюции нанотонких пространственных структур включает электронно-микроскопические, микродифракционные исследования, выявление последовательности пространственных структур путем анализа картин изгибных контуров, присутствующих на их электронно-микроскопических изображениях, выполнение расчетов с использованием стандартных кристаллографических формул для определения значений параметров, характеризующих сложность организации их решетки, определение геометрии решетки путем анализа поверхностей искривления решетки, затем определение кооперативных движений структурных единиц, обусловливающих сложность организации решетки, анализируя вращения обратной решетки, и расчетным путем энтропии n-й − Sn и энтропии (n + 1)-й − Sn+1 пространственных диссипативных структур и установление их соотношения. Технический результат: обеспечение возможности надежно и достоверно диагностировать эволюцию нанотонких пространственных диссипативных структур, сформировавшихся в аморфной пленке при ее одностороннем нагреве. 9 ил., 1 табл.

Использование: для исследования материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии. Сущность изобретения заключается в том, что получают экспериментальное изображение пучка протонов с помощью системы регистрации после прохождения через объект исследования с последующей обработкой изображения и сравнения с расчетными данными, включающими форму и положение ударной волны иили детонационной волны иили геометрию объекта из исследуемого материала. Для обработки полученных изображений объекта исследования используют изображения тест-объектов, помещая их на место размещения объекта исследования, при этом по изображению тест-объекта с реперными отметками в узлах ортогональной решетки устанавливают соответствие между фактическими геометрическими размерами тест-объекта и его размерами на изображении, которое учитывают при обработке изображений объекта исследования, а по изображениям, полученным при перемещении этого тест-объекта вдоль оси пучка, учитывают влияние системы формирования и регистрации изображений на искажение размеров, по изображению объекта, имеющего постоянную поверхностную плотность, учитывают величину поля обзора магнитооптической системы, причем для одновременной оценки дисторсии получают изображение, размещая перед этим объектом стальную пластину с разметкой в виде решетки. Расчетные данные получают путем моделирования пространственного распределения протонов на входе в конвертор системы регистрации после прохождения ими области с исследуемым материалом, которое осуществляют на основе метода лучевых сумм или методом Монте-Карло. Технический результат: повышение точности и информативности исследования материалов при ударно-волновом нагружении. 3 з.п. ф-лы, 19 ил.

Наверх