Помощь студентам в учебе
Моделирование газовых потоков в камере сбора ядер отдачи газонаполненного сепаратора GRAND
|
Введение 12
1 Литературный обзор 13
1.1 Получение сверхтяжёлых элементов 13
1.2 Газонаполненный сепаратор 14
1.2.1 Принцип работы 15
1.3 Газофазные методы при изучении химии сверхтяжёлых элементов 17
1.3.1 Термохроматография 17
1.3.2 Изотермическая хроматография 18
1.3.3 Детекторы для газовой хроматографии 19
1.4 Взаимодействие заряженных частиц с веществом 22
1.4.1 Ионизационные потери 22
1.5 Основы газодинамики 25
1.5.1 Линии тока, неразрывность 25
1.5.2 Виды течения в газе 28
1.5.3 Вязкое течение в трубе 29
1.6 ПО COMSOL Multiphysics 32
1.6.1 Интерфейс «Ламинарный поток» 33
1.6.2 Интерфейс «Отслеживание частиц в потоке» 35
1.6.3 Процедура решения задач в COMSOL 37
2 Экспериментальная часть 40
2.1 Моделирование газовых потоков 40
2.2 Моделирование трассировки частиц 44
2.3 Обсуждение результатов 48
3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 48
3.1 Предпроектный анализ 50
3.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 50
3.1.2 Анализ конкурентных технических решений 51
3.1.3 SWOT-анализ 52
3.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 53
3.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 55
3.2 Инициация проекта 56
3.3 Реестр рисков проекта 58
3.4 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 59
3.5 Планирование научно-исследовательского проекта 60
3.6 Бюджет научного исследования 63
3.6.1 Расчёт амортизации оборудования 63
3.6.2 Основная заработная плата исполнителей темы 65
3.6.3 Отчисления во внебюджетные фонды 66
3.6.4 Накладные расходы 67
3.6.5 Бюджет научно-исследовательской работы 67
3.7 Организационная структура проекта 69
3.7.1. Чистая текущая стоимость 69
3.7.2. Дисконтированный срок окупаемости 70
3.6.3. Внутренняя ставка доходности 71
3.8 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности научного исследования 73
4 Социальная ответственность 77
4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 77
4.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства 77
4.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя 79
4.2 Производственная безопасность 81
4.2.1 Анализ вредных и опасных факторов 81
4.2.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
вредных и опасных факторов 83
4.2.3 Отклонение показателей микроклимата 83
4.2.4 Повышенный уровень электромагнитного излучения 84
4.2.5 Недостаточная освещенность рабочей зоны 85
4.2.6 Превышение уровня шума 89
4.2.7 Психофизиологические факторы 90
4.2.8 Поражение электрическим током 90
4.3 Экологическая безопасность 93
4.4 Пожарная и взрывная безопасность 94
4.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 96
Выводы по разделу 97
Выводы 98
Список используемой литературы 100
Приложение А
1 Литературный обзор 13
1.1 Получение сверхтяжёлых элементов 13
1.2 Газонаполненный сепаратор 14
1.2.1 Принцип работы 15
1.3 Газофазные методы при изучении химии сверхтяжёлых элементов 17
1.3.1 Термохроматография 17
1.3.2 Изотермическая хроматография 18
1.3.3 Детекторы для газовой хроматографии 19
1.4 Взаимодействие заряженных частиц с веществом 22
1.4.1 Ионизационные потери 22
1.5 Основы газодинамики 25
1.5.1 Линии тока, неразрывность 25
1.5.2 Виды течения в газе 28
1.5.3 Вязкое течение в трубе 29
1.6 ПО COMSOL Multiphysics 32
1.6.1 Интерфейс «Ламинарный поток» 33
1.6.2 Интерфейс «Отслеживание частиц в потоке» 35
1.6.3 Процедура решения задач в COMSOL 37
2 Экспериментальная часть 40
2.1 Моделирование газовых потоков 40
2.2 Моделирование трассировки частиц 44
2.3 Обсуждение результатов 48
3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 48
3.1 Предпроектный анализ 50
3.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 50
3.1.2 Анализ конкурентных технических решений 51
3.1.3 SWOT-анализ 52
3.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 53
3.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 55
3.2 Инициация проекта 56
3.3 Реестр рисков проекта 58
3.4 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 59
3.5 Планирование научно-исследовательского проекта 60
3.6 Бюджет научного исследования 63
3.6.1 Расчёт амортизации оборудования 63
3.6.2 Основная заработная плата исполнителей темы 65
3.6.3 Отчисления во внебюджетные фонды 66
3.6.4 Накладные расходы 67
3.6.5 Бюджет научно-исследовательской работы 67
3.7 Организационная структура проекта 69
3.7.1. Чистая текущая стоимость 69
3.7.2. Дисконтированный срок окупаемости 70
3.6.3. Внутренняя ставка доходности 71
3.8 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности научного исследования 73
4 Социальная ответственность 77
4.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 77
4.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства 77
4.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя 79
4.2 Производственная безопасность 81
4.2.1 Анализ вредных и опасных факторов 81
4.2.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
вредных и опасных факторов 83
4.2.3 Отклонение показателей микроклимата 83
4.2.4 Повышенный уровень электромагнитного излучения 84
4.2.5 Недостаточная освещенность рабочей зоны 85
4.2.6 Превышение уровня шума 89
4.2.7 Психофизиологические факторы 90
4.2.8 Поражение электрическим током 90
4.3 Экологическая безопасность 93
4.4 Пожарная и взрывная безопасность 94
4.5 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 96
Выводы по разделу 97
Выводы 98
Список используемой литературы 100
Приложение А
Определение физических и химических свойств сверхтяжелых элементов (СТЭ) представляет собой одну из важнейших фундаментальных проблем современной ядерной химии и ядерной физики. Исследования ядерных реакций при облучении актинидных мишеней интенсивными пучками 48Ca позволили осуществить синтез самых тяжелых из известных химических элементов с атомными номерами от 112 до 118 [1]. Эти открытия подтвердили
существование «острова стабильности» СТЭ, теоретически предсказанного в середине прошлого столетия. Относительно большие периоды полураспада (от секунд до часов) радиоизотопов СТЭ позволяют ставить эксперименты по изучению химии этих труднодоступных элементов. Постановка таких экспериментов является сложной задачей. Самым быстрым и эффективным методом изучения химических свойств новых элементов является газовая термохроматография. В ходе таких экспериментов ядра СТЭ отделяются от пучка и других продуктов ядерных реакций на специализированном сепараторе [2-7], тормозятся в камере сбора ядер отдачи, заполненной протекающим газом (He, Ar, H2и др.) и по капилляру газовой струей переносятся в хроматографическую колонку [8, 9]. Для проведения экспериментов с радиоизотопами с периодами полураспада менее 1 с необходимо разработать газовую камеру сбора ядер отдачи с характеристиками, удовлетворяющими условиям эксперимента, такими как размер фокальной плоскости сепаратора, время и эффективность газового транспорта.
Целью настоящей работы являлось создание математической модели газовых потоков в камере сбора ядер отдачи экспериментальной установки Криодетектор и выявление оптимальных геометрических характеристик камеры, обеспечивающих наиболее эффективный вынос ядер отдачи.
существование «острова стабильности» СТЭ, теоретически предсказанного в середине прошлого столетия. Относительно большие периоды полураспада (от секунд до часов) радиоизотопов СТЭ позволяют ставить эксперименты по изучению химии этих труднодоступных элементов. Постановка таких экспериментов является сложной задачей. Самым быстрым и эффективным методом изучения химических свойств новых элементов является газовая термохроматография. В ходе таких экспериментов ядра СТЭ отделяются от пучка и других продуктов ядерных реакций на специализированном сепараторе [2-7], тормозятся в камере сбора ядер отдачи, заполненной протекающим газом (He, Ar, H2и др.) и по капилляру газовой струей переносятся в хроматографическую колонку [8, 9]. Для проведения экспериментов с радиоизотопами с периодами полураспада менее 1 с необходимо разработать газовую камеру сбора ядер отдачи с характеристиками, удовлетворяющими условиям эксперимента, такими как размер фокальной плоскости сепаратора, время и эффективность газового транспорта.
Целью настоящей работы являлось создание математической модели газовых потоков в камере сбора ядер отдачи экспериментальной установки Криодетектор и выявление оптимальных геометрических характеристик камеры, обеспечивающих наиболее эффективный вынос ядер отдачи.
1. На основе анализа литературных данных были выбраны методы проведения трехмерных расчетов полей скорости, давлений и времени транспорта частиц.
2. С помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysis построена трехмерная компьютерная модель камеры сбора ядер отдачи экспериментальной установки Криодетектор для ядерных исследований на ускорительном комплексе ДЦ-280.
3. Проведен расчет полей скорости и давлений при различных диаметрах тормозящей части камеры, анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что соотношение между давлением и скоростью соответствует числу Рейнольдса, а течение остается ламинарным до тех пор, пока число Рейнольдса ниже 2000, при более высоких числах Рейнольдса возмущения имеют тенденцию к росту и вызывают переход в турбулентность при снижении эффективности сбора ядер отдачи.
4. На основе рассчитанных полей скорости и давлений выполнен расчет времени транспорта частиц, который показывает, что при уменьшении диаметра камеры с 60 до 30 мм эффективность транспорта частиц растет, однако уменьшается количество частиц, пролетевших к транспортному капилляру в 2.5 раза.
5. Сравнительный анализ полученных результатов расчетов показывает, что диаметр в 60 мм является наиболее оптимальным для геометрии камеры сбора ядер отдачи газонаполненного сепаратора GRAND.
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, полученные при подготовке магистерской диссертации, могут быть использованы в рамках реализуемого проекта "Сверхтяжелые ядра и атомы: пределы масс ядер и границы Периодической таблицы Д.И. Менделеева" радиохимического сектора ЛЯР ОИЯИ г. Дубны.
По результатам проведенных исследований подготовлен доклад на научную конференцию по радиохимии (г. Санкт-Петербург), которая пройдет в сентябре 2022г., а также полученные материалы вошли в статью для журнала «Journal of radioanalitical and nuclear chemistry».
Автор выражает благодарность начальнику радиохимического сектора ЛЯР ОИЯИ, к.х.н. Аксенову Николаю Викторовичу за помощь при проведении теоретических и экспериментальных исследований.
2. С помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysis построена трехмерная компьютерная модель камеры сбора ядер отдачи экспериментальной установки Криодетектор для ядерных исследований на ускорительном комплексе ДЦ-280.
3. Проведен расчет полей скорости и давлений при различных диаметрах тормозящей части камеры, анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что соотношение между давлением и скоростью соответствует числу Рейнольдса, а течение остается ламинарным до тех пор, пока число Рейнольдса ниже 2000, при более высоких числах Рейнольдса возмущения имеют тенденцию к росту и вызывают переход в турбулентность при снижении эффективности сбора ядер отдачи.
4. На основе рассчитанных полей скорости и давлений выполнен расчет времени транспорта частиц, который показывает, что при уменьшении диаметра камеры с 60 до 30 мм эффективность транспорта частиц растет, однако уменьшается количество частиц, пролетевших к транспортному капилляру в 2.5 раза.
5. Сравнительный анализ полученных результатов расчетов показывает, что диаметр в 60 мм является наиболее оптимальным для геометрии камеры сбора ядер отдачи газонаполненного сепаратора GRAND.
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, полученные при подготовке магистерской диссертации, могут быть использованы в рамках реализуемого проекта "Сверхтяжелые ядра и атомы: пределы масс ядер и границы Периодической таблицы Д.И. Менделеева" радиохимического сектора ЛЯР ОИЯИ г. Дубны.
По результатам проведенных исследований подготовлен доклад на научную конференцию по радиохимии (г. Санкт-Петербург), которая пройдет в сентябре 2022г., а также полученные материалы вошли в статью для журнала «Journal of radioanalitical and nuclear chemistry».
Автор выражает благодарность начальнику радиохимического сектора ЛЯР ОИЯИ, к.х.н. Аксенову Николаю Викторовичу за помощь при проведении теоретических и экспериментальных исследований.