Тема: РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОФОКУСНОГО ИСТОЧНИКА ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАЛОГАБАРИТНОГО БЕТАТРОНА В РЕНТГЕНОГРАФИИ И ТОМОГРАФИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Актуальность темы исследования. Работа посвящена решению фундаментальной научной проблемы - разработке эффективного импульсного микрофокусного источника жесткого тормозного гамма-излучения для промышленной рентгенографии и томографии высокого разрешения. В настоящее время для достижения высокого уровня томографического контроля ответственных промышленных изделий, таких как изделия аэрокосмической техники, морской техники, тяжелого машиностроения, военной техники, изделий нефтегазового комплекса остро необходимы специализированные источники излучения с симметричным фокусным пятном микронного диапазона при высокой мощности экспозиционной дозы (МЭД) и радиационном фоне менее 0,1% от МЭД. Микрофокусные источники являются средствами извлечения уникальной информации о микро- и макроструктуре исследуемых материалов и изделий или о точности их сборки. Качество и объем извлекаемой информации определяются размерами фокусного пятна источника и мощностью дозы излучения. Эти два основных требования являются взаимно противоречивыми.
Для промышленной томографии высокого разрешения широкое распространение получили микрофокусные источники на основе рентгеновских трубок. Но производители рентгеновского оборудования предлагают лишь ограниченный набор устройств, которым присущ целый ряд недостатков, главный из которых - это максимальная энергия, не превышающая 0,75 МэВ. Такие источники позволяют проводить радиографические и томографические исследования небольших объектов с эквивалентной толщиной по стали не более 60 мм. Вместе с тем в мире наблюдается устойчивая тенденция внедрения композитных материалов в авиастроительной, космической, кораблестроительной и автомобильной отраслях. Технология изготовления деталей с использованием композитов позволят производить достаточно крупные изделия целиком (лопасти вертолетов, элементы силовых конструкций самолетов, автомобилей и т.п.). Для контроля крупногабаритных объектов требуется более проникающее излучение МэВ-ных энергий.
При этом требования к размеру фокусного пятна источника излучения остаются достаточно жесткими, поскольку характерные производственные и эксплуатационные дефекты композитов (ударные повреждения, непроклеи, расслоения, неравномерное распределение матрицы и связующего) требуют проведение исследований с высоким разрешением, что невозможно без применения микрофокусного источника. Для таких исследований необходимы источники на базе ускорителей заряженных частиц, например, линейные ускорители или циклические - микротроны и бетатроны с энергией электронов более 1 МэВ. Источники с такими характеристиками не выпускаются, даже на фоне роста высокоэнергетических линейных ускорителей и бетатронов для целей таможенного досмотра железнодорожных и морских контейнеров, и автотранспорта. Это является основным сдерживающим фактором широкого внедрения высокоэнергетической промышленной томографии.
Результаты исследований получены впервые и не имеют аналогов. В настоящее время нет компактного, недорогого, эффективного, удобного в использовании и экологически чистого микрофокусного источника жесткого тормозного излучения с энергией фотонов выше 1 МэВ. Полученные результаты помогут разработать высокоэнергетические системы цифровой радиографии и рентгеновские томографы высокого разрешения на основе, производимых в Томском политехническом университете (ТПУ), компактных бетатронов на энергию электронов 4-18 МэВ.
Степень научной проработанности темы.
В патенте Пушина В.С. и Чахлова В.Л. впервые была предложена идея по уменьшению фокусного пятна при разработке циклических ускорителей заряженный частиц, в частности бетатронов. Основная идея заключалась в медленном смещении ускоренных частиц с оптимальной радиальной скоростью на мишень с размерами сечения меньшими размеров сечения электронного пучка. 
В работе В.А. Касьянова, А.А. Михальчука, В.С. Пушина, В.В. Романова, А.С. Сафронова, В.Л. Чахлова, М.М. Штейна экспериментальным путем подтверждено уменьшение фокусного пятна у бетатрона МИБ6 до диаметра 0,1 мм, что спровоцировало падение МЭД, значение которой влияет на скорость проведения неразрушающего контроля.
В зарубежных работах YongShun XIAO, Zhiqiang CHEN, Yantao LI, Liang YE рассмотрен линейный ускоритель Linatron, который более широко используется в высокоэнергетической рентгеновской КТ, однако достигаемое пространственное разрешение ограничено размером фокусного пятна источника. Этот предел составляет приблизительно 2 мм, и, как известно, дальнейшее уменьшение затруднено.
Относительно недавно разработан более компактный по сравнению с синхротроном источник гамма-излучения с 40 мкм фокусным пятном и энергией 80МэВ на основе лазерно-плазменного ускорителя. В работах A. Ben-Ismai, O. Lundh, C. Rechatin, J. K. Lim, J. Faure, S. Corde, and V. Malka описывается значительный вклад в разработку нового типа ускорителей и возможности применения данного источника в радиографии и томографии. Однако в ближайшее время, широкого внедрения такого источника в промышленной томографии ожидать не следует, так как уменьшение размеров установок, снижение их стоимости, повышение дозы излучения и получение настольных рентгеновских лазеров не предвидится.
В области высоких энергий (более 1 МэВ) работы по созданию микрофокусного источника излучения на основе малых мишеней в камере компактного микротрона проводятся в Японии компанией Photon Production Laboratory, Ltd. под руководством профессора Yamada H. Коллективом Yamada H., Hasegawa D., Yamada T., Kleev A.I., Minkov D., Miura N., Moon A., Hirai T. and Haque M. разработаны источники с фокусом 0.2 мм, что значительно меньше размеров фокусного пятна линейных ускорителей с энергией выше 1 МэВ. В последней работе Katsutoshi S. Makoto A. Toshiyuki T. исследователи применили пространственного разрешения изображений (200 мкм) при контроле 400 мм алюминия. Однако, следует отметить, что большого распространения такие источники до сих пор не получили, поскольку современные малогабаритные бетатроны, выпускаемые ТПУ обеспечивают фокусное пятно схожих размеров и имеют ряд преимуществ (компактность, простота исполнения, цена) перед компактным синхротроном.

Дальнейшая модернизация малогабаритных бетатронов, заключающаяся в уменьшении фокусного пятна и повышении мощности дозы, обеспечит значительный задел в области создания высокоэнергетических систем цифровой радиографии и томографии и позволит достичь рекордных характеристик для такого класса оборудования. Поэтому можно утверждать, что, по качеству, полученные результаты по проделанной работе находятся на современном мировом уровне.
Объект исследования - источник тормозного излучения с энергией фотонов более 1 МэВ и фокусным пятном микронных размеров на основе импульсного ускорителя заряженных частиц - малогабаритного бетатрона.
Предмет исследования - формирование рентгенографических изображений высокого пространственного разрешения при контроле микродефектов с применением высокоэнергетического микрофокусного источника жесткого тормозного излучения.
Цель диссертационной работы - разработка, исследование и применение микрофокусного источника тормозного излучения с энергией фотонов более 1 МэВ, на основе производимых в ТПУ компактных бетатронов для рентгенографии и томографии высокого разрешения.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
• Разработать и изготовить макет микрофокусного источника излучения
на базе бетатрона с использованием новых эффективных методов уменьшения размеров фокусного пятна.
• Экспериментально исследовать и сравнить основные технические характеристики необходимые для промышленной рентгенографии и томографии модифицированного и классического малогабаритного бетатронов.
• Исследовать и сравнить качество рентгеновских изображений микроструктур экспериментальных объектов из лёгких и тяжелых материалов, полученных с применением классического и модифицированного источников излучения.
• Экспериментально исследовать формирования абсорбционного и фазового контраста увеличенных рентгеновских изображений микроструктур в объектах из легких, тяжелых и композитных материалов при использовании микрофокусного излучения.
• Создать опытный образец рентгенографической цифровой системы на основе высокоэнергетического микрофокусного источника излучения для контроля крупногабаритных изделий с достижением повышенного пространственного разрешения, высокой чувствительностью и скоростью контроля.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что
• Реализован макет источника излучения с горизонтальным размером фокусного пятна в пределах 13 и 50 мкм в диапазоне энергий фотонов от нескольких КэВ до 18 МэВ за счет изготовления мишеней микронных размеров и экспериментальных камер с внутренними гониометрами.
• Повышена в 11 раз яркость источника тормозного излучения за счет уменьшения размеров фокусного пятна, вследствие чего увеличен контраст и пространственное разрешение рентгеновских изображений.
• Получены результаты рентгеновского контроля экспериментальных образцов из композитных и плотных материалов (до 50 мм стали) обеспечивающие высокую выявляемость продолговатых дефектов шириной до 10 мкм с применением микрофокусного источников излучения.
• Экспериментально исследовано формирование рентгеновского
изображения методом фазового контраста в неисследованной до сих пор области жесткого гамма-излучения с энергиями свыше 1 МэВ.
• Создан опытный образец высокоэнергетической рентгенографической системы на базе микрофокусного малогабаритного бетатрона для контроля крупногабаритных, толстостенных объектов с высокой чувствительностью (1,6%) и скоростью (10 мм/с) контроля.
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе полученных результатов диссертационных исследований, стало возможным создать компактный, недорогой, эффективный, удобный в использовании и экологически чистый микрофокусный источник жесткого тормозного излучения с энергией фотонов выше 1 МэВ и использовать его в промышленной томографии и рентгенографии.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты исследований использованы при выполнении гранта РНФ 17-1901217 «Новый микрофокусный источник тормозного гамма-излучения на основе компактного бетатрона с внутренней микромишенью для томографии высокого разрешения.», 2017-2019 гг.
Методы исследования
При выполнении настоящей работы использованы экспериментальные методы исследований, основанные на физических принципах взаимодействия высокоэнергетического рентгеновского излучения с веществом и его регистрацией. Анализ результатов измерений проводился с помощью численных и статических методов обработки экспериментальных данных и специализированного программного обеспечения, таких как Isee!, ImageJ, OriginPro, Microsoft Excel.
Личный вклад автора состоит в выборе используемых методов исследований, подготовке и проведении экспериментальных и численных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировке заключений и выводов, подготовке научных публикаций по теме исследования, определение перспективных направлений дальнейшего развития
диссертационных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
- Модифицированный малогабаритный импульсный источник
излучения с уменьшенным до микронных размеров фокусным пятном с энергией фотонов > 1 МэВ.
- Экспериментальные результаты исследований, важных для рентгенографии и томографии, характеристик модифицированного источника тормозного излучения и сравнение их с прототипом.
- Экспериментальные результаты по обнаружению микродефектов в композитных и плотных материалах. Исследование оценки качества рентгеновских изображений при использовании классического и микрофокусного источников излучения с энергией фотонов > 1МэВ.
- Экспериментальные результаты исследований формирования абсорбционного и фазового контраста увеличенных изображений микроструктур с использованием микрофокусного источника излучения с энергией фотонов > 1МэВ.
- Опытный образец оптимизированной рентгенографической системы для контроля крупногабаритных и толстостенных изделий промышленного назначения с высокой чувствительностью контроля и скоростью сканирования.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается экспериментальными подтверждениями выдвинутых положений, применением математических способов обработки экспериментальных данных, использованием сертифицированного оборудования, а также достаточным объемом проведенных экспериментальных исследований.
Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертацию, были обсуждены на следующих российских и международных конференциях:
- VI Всероссийская научно-практическая конференция
"Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии,
безопасность", г. Томск, 23-27 мая 2016 г.
- VIII Международная научно-практическая конференция
«Инновационные технологии в машиностроении», г. Юрга, 18-20 мая 2017 г.
- IV международная конференция по инновациям в неразрушающем контроле «SibTest 2017», г. Новосибирск, 27-30 июня 2017 г.
- VI Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» г. Томск 9-14 октября 2017.
- 3th International Conference on High Energy Physics», Rome, Italy, December 11-12, 2017.
- 18th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter (EFRE-2018), Tomsk, Russia, 16-22 September 2018.
- 8th International Conference Charged & Neutral Particles Channeling Phenomena (Channeling 2018), Ischia (NA), Italy, September 23-28, 2018.
- V международная конференция по инновациям в неразрушающем контроле «SibTest 2019», г. Екатеринбург, 26-28 июня 2019 г.
- «31th International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions» (ICPEAC 2019), Deauville, France, July 23-30, 2019.
Публикации
Основные результаты диссертационных исследований отображены в 24 работах, в том числе 7 статей в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, из них 3 статьи в изданиях, включенных в списки ВАК, 7 статей в зарубежных журналах, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, 9 тезисов в материалах Международных и Всероссийских научных конференций, 1 ноу-хау.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка цитируемой литературы, содержащего 115 библиографических ссылок. Общий объем диссертации содержит 128 страниц, включая 66 рисунков и 9 таблиц.
Купить

В диссертационной работе представлены исследования по разработке компактного, недорогого, эффективного, удобного в использовании, экологически чистого и высокоэнергетического микрофокусного источника жесткого тормозного излучения. Проведен сравнительный анализ, важных для дефектоскопии и рентгеновской томографии, характеристик микрофокусного и классического бетатронов. В результате применения модифицированного источника в микрофокусной рентгенографии получены снимки тест-объектов с высокой контрастностью и пространственным разрешением. Создан опытный образец высокоэнергетической дефектоскопической системы для контроля крупногабаритных, толстостенных объектов с высокой чувствительностью и скоростью контроля.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Реализован макет микрофокусного источника излучения на основе ускорителя заряженных частиц - бетатрона с горизонтальным размером фокусного пятна в пределах 13 и 50 мкм и диапазоне энергий фотонов от нескольких КэВ до 18 МэВ. за счет изготовления мишеней микронных размеров и экспериментальных камер с внутренними гониометрами.
2. Повышена в 11 раз яркость источника тормозного излучения за счет уменьшения размеров фокусного пятна, вследствие чего увеличен контраст и пространственное разрешение рентгеновских изображений.
3. Получены результаты рентгеновского контроля экспериментальных образцов из композитных и плотных материалов (до 50 мм стали) обеспечивающие высокую выявляемость продолговатых дефектов шириной до 10 мкм с применением микрофокусного источников излучения.
4. Экспериментально исследовано формирование рентгеновского изображения методом фазового контраста в неисследованной до сих пор области жесткого гамма-излучения с энергиями свыше 1 МэВ.
5. Создан опытный образец высокоэнергетической рентгенографической системы на базе микрофокусного малогабаритного бетатрона для контроля крупногабаритных, толстостенных объектов с высокой чувствительностью (1,6%) и скоростью (10 мм/c) контроля.
Данные исследования помогут реализовать серийное производство микрофокусных источников жесткого излучения и томографических комплексов, на основе производимых в Томском политехническом университете компактных и недорогих бетатронов на энергию электронов 4-18 МэВ.

Купить