Помощь студентам в учебе
Поддержка принятия решений при исследовании и создании нового источника рентгеновского излучения
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 Анализ предметной области и существующих подходов в сфере поддержки
принятия решений при исследовании и создании источников рентгеновского излучения 10
1.1 Существующие источники рентгеновского излучения и проблемы
поддержки принятия решений по их перспективному развитию 10
1.2 Анализ процесса создания и исследования новых миниатюрных
источников рентгеновского излучения, основанных на пьезоэлектрическом эффекте 13
1.2.1 Введение в предметную область 13
1.2.2 Описание экспериментальной установки, используемой для изучения
нового эффекта 14
1.2.3 Результаты измерения спектров рентгеновского излучения,
генерируемого при сжатии пьезоэлектрической керамики в вакууме 19
1.2.4 Результаты исследования зависимости граничной энергии и общего
числа счетов от давления в вакуумной камере и величины нагрузки для каждой из полярностей 21
1.3 Основные проблемы проведения экспериментальных исследований по
генерации рентгеновского излучения при сжатии пьезоэлектрической керамики в вакууме и оптимизации характеристик излучения при создании нового источника. Постановка задачи исследования 25
2 Моделирование процесса проведения автоматизированных экспериментальных исследований и разработка метода поддержки принятия
решений по созданию и оптимизации характеристик нового генератора рентгеновского излучения 28
2.1 Разработка функциональной модели существующего процесса
проведения экспериментальных исследований 28
2.2 Модернизация процесса исследования и создания нового источника
рентгеновского излучения за счет средств автоматизации и поддержки принятия решений 38
2.3 Разработка метода поддержки принятия решений по созданию и
оптимизации характеристик нового прибора - пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения 45
2.4. Выводы 49
3 Разработка программной реализации, актуализирующей модернизированный процесс исследования и создания нового источника рентгеновского излучения 50
3.1 Обоснование выбора средства автоматизации научных исследований ....50
3.2. Разработка программной реализации и рекомендаций по применению .53
3.3 Обоснование экономической эффективности 59
3.4 Выводы 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
1 Анализ предметной области и существующих подходов в сфере поддержки
принятия решений при исследовании и создании источников рентгеновского излучения 10
1.1 Существующие источники рентгеновского излучения и проблемы
поддержки принятия решений по их перспективному развитию 10
1.2 Анализ процесса создания и исследования новых миниатюрных
источников рентгеновского излучения, основанных на пьезоэлектрическом эффекте 13
1.2.1 Введение в предметную область 13
1.2.2 Описание экспериментальной установки, используемой для изучения
нового эффекта 14
1.2.3 Результаты измерения спектров рентгеновского излучения,
генерируемого при сжатии пьезоэлектрической керамики в вакууме 19
1.2.4 Результаты исследования зависимости граничной энергии и общего
числа счетов от давления в вакуумной камере и величины нагрузки для каждой из полярностей 21
1.3 Основные проблемы проведения экспериментальных исследований по
генерации рентгеновского излучения при сжатии пьезоэлектрической керамики в вакууме и оптимизации характеристик излучения при создании нового источника. Постановка задачи исследования 25
2 Моделирование процесса проведения автоматизированных экспериментальных исследований и разработка метода поддержки принятия
решений по созданию и оптимизации характеристик нового генератора рентгеновского излучения 28
2.1 Разработка функциональной модели существующего процесса
проведения экспериментальных исследований 28
2.2 Модернизация процесса исследования и создания нового источника
рентгеновского излучения за счет средств автоматизации и поддержки принятия решений 38
2.3 Разработка метода поддержки принятия решений по созданию и
оптимизации характеристик нового прибора - пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения 45
2.4. Выводы 49
3 Разработка программной реализации, актуализирующей модернизированный процесс исследования и создания нового источника рентгеновского излучения 50
3.1 Обоснование выбора средства автоматизации научных исследований ....50
3.2. Разработка программной реализации и рекомендаций по применению .53
3.3 Обоснование экономической эффективности 59
3.4 Выводы 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Сегодня высокий уровень научно-технического и социально-экономического развития современного общества требует серьезной модернизации существующего и создания принципиально нового оборудования и приборного обеспечения в разных сферах экономики. Этот процесс связан с выполнением комплекса как теоретических, так и экспериментальных научных исследований различных явлений и процессов, получением новых знаний о закономерностях, и зачастую требует разработки оригинальных лабораторных установок, проведения большого числа опытов (в том числе дорогостоящих), глубокого анализа их результатов.
Для обработки данных, поступающих от лабораторных установок, и упрощения обнаружения на данной базе новых эффектов и закономерностей в настоящее время актуально использование современных средств автоматизации и методов моделирования, обеспечивающих: сбор измерительной информации в режиме реального времени с требуемым шагом, ее накопление, предварительную обработку и хранение, обмен управляющей информацией, а на этой основе - выработку научно обоснованных решений о полезности каждого события в исследуемом входном потоке.
В результате исследователь не только сможет получить качественно новые результаты, увеличить их точность и достоверность, повысить информативность эксперимента, но сократить цикл исследований, сроки их проведения и трудоемкость.
В настоящее время в Международной научно-образовательной лаборатории (МНОЛ) радиационной физики НИУ «БелГУ» проводятся инновационные исследования: разработка и исследование прототипа пьезоэлектрического ускорителя и генератора рентгеновского излучения как основы для создания в будущем рентгеновских анализаторов эффективного обнаружения примесей в различных материалах, а также имеющих другие применения, в частности, в миниатюрных радиационных технологиях.
В 2016 году нами впервые экспериментально обнаружено, что пьезоэлектрический эффект в вакууме можно использовать для ускорения электронов и генерации рентгеновского излучения. Причем данный результат наблюдается в различных случаях: на основе трибоэлектрического эффекта [1], пироэлектрического эффекта [2], при работе пьезоэлектрического трансформатора в вакууме [3] так и при сжатии пьезоэлементов в вакууме [4].
Предложена и развивается научная идея создания миниатюрного ускорителя электронов и генератора рентгеновского излучения нового типа, основанного на пьезоэлектрическом эффекте (при сжатии пьезоэлектрика в вакууме). Подобный ускоритель сегодня является единственным в мире аналогом перспективного пироэлектрического генератора, при этом ряд его возможных практических применений шире, а его мощность приблизительно в 2 раза выше. Создание прототипа пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения нового типа позволяет решить ряд следующих важных проблем, которые характерны для существующих источников:
- сокращение циркуляции радиоактивных веществ в природе (разрабатываемый генератор не требует при работе использование радиоактивных материалов, что делает его экологически чистым);
- обеспечение безопасной эксплуатация прибора (разрабатываемый пьезоэлектрический источник не требует при работе внешних источников высокого напряжения);
- обеспечение возможности применения генератора рентгеновского излучения в полевых условиях (для работы предлагаемого прототипа генератора излучения достаточно приложения только механической нагрузки).
Для проведения научных исследований в МНОЛ радиационной физики создана оригинальная экспериментальная установка - пьезоэлектрический ускоритель, позволяющая наблюдать генерацию характеристического и тормозного рентгеновского излучения с граничной энергией до 60 кэВ при приложенной механической силе F равной 1^4 кН и регистрировать соответствующие спектры рентгеновского излучения [2-4].
Однако, следует отметить, что для определения оптимальных характеристик рентгеновского излучения, генерируемого разрабатываемым пьезоэлектрическим источником нового типа, необходимо проведение значительного количество лабораторных опытов, в которых необходимо варьирование входными параметрами с очень маленьким шагом (по отношению к диапазону изменения параметра). Кроме того, необходимо обеспечение высокоточного контроля изменяемых физических параметров в процессе проведения эксперимента, при этом обеспечение проведения совместных измерений, а именно, одновременных измерений одной или нескольких неодноименных величин, определяющих результат эксперимента и характеристики создаваемого нового пьезоэлектрического источника рентгеновского излучения.
Решение данных проблем, как указано выше, связано с применением современных средств автоматизации и разработкой методов поддержки принятия решений при создании и оптимизации характеристик новых источников рентгеновского излучения.
Научная новизна работы заключается в получении следующих новых научных результатов:
- Разработана модель модернизированного процесса исследования и создание нового источника рентгеновского излучения, обеспечивающего проведение автоматизированных экспериментов с одновременным контролем измеряемых параметров и требуемым (достаточно малым в диапазоне изменения параметра) шагом их изменения, что позволит повысить точность, достоверность и информативность экспериментальных исследований;
- Предложен метод поддержки принятия решений, обеспечивающий автоматизацию параметров эксперимента и характеристик создаваемого нового прибора - пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения.
Экспериментальные исследования по изучению свойств пьезоэлектрических источников РИ выполнены при финансовой поддержке проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (грант № 3.1631.2017/4.6).
Продолжение и развитие представленных исследований поддержано грантом договор №12861ГУ/2018 (вн. номер 0039907) от 27.04.2018 г. «Разработка нового типа источника рентгеновского излучения на основе пьезоэлектрического эффекта для создания рентгеновских портативных анализаторов наличия примесей в продукции нефтегазодобывающих станций» в рамках конкурса «УМНИК (декабрь 2017 г.)»
Выражаю особую благодарность за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований и научные идеи по изучению новых источников рентгеновского излучения зав. МНОЛ радиационной физики д.ф. - м.н. А.С. Кубанкину и с.н.с А.В. Щагину.
Для обработки данных, поступающих от лабораторных установок, и упрощения обнаружения на данной базе новых эффектов и закономерностей в настоящее время актуально использование современных средств автоматизации и методов моделирования, обеспечивающих: сбор измерительной информации в режиме реального времени с требуемым шагом, ее накопление, предварительную обработку и хранение, обмен управляющей информацией, а на этой основе - выработку научно обоснованных решений о полезности каждого события в исследуемом входном потоке.
В результате исследователь не только сможет получить качественно новые результаты, увеличить их точность и достоверность, повысить информативность эксперимента, но сократить цикл исследований, сроки их проведения и трудоемкость.
В настоящее время в Международной научно-образовательной лаборатории (МНОЛ) радиационной физики НИУ «БелГУ» проводятся инновационные исследования: разработка и исследование прототипа пьезоэлектрического ускорителя и генератора рентгеновского излучения как основы для создания в будущем рентгеновских анализаторов эффективного обнаружения примесей в различных материалах, а также имеющих другие применения, в частности, в миниатюрных радиационных технологиях.
В 2016 году нами впервые экспериментально обнаружено, что пьезоэлектрический эффект в вакууме можно использовать для ускорения электронов и генерации рентгеновского излучения. Причем данный результат наблюдается в различных случаях: на основе трибоэлектрического эффекта [1], пироэлектрического эффекта [2], при работе пьезоэлектрического трансформатора в вакууме [3] так и при сжатии пьезоэлементов в вакууме [4].
Предложена и развивается научная идея создания миниатюрного ускорителя электронов и генератора рентгеновского излучения нового типа, основанного на пьезоэлектрическом эффекте (при сжатии пьезоэлектрика в вакууме). Подобный ускоритель сегодня является единственным в мире аналогом перспективного пироэлектрического генератора, при этом ряд его возможных практических применений шире, а его мощность приблизительно в 2 раза выше. Создание прототипа пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения нового типа позволяет решить ряд следующих важных проблем, которые характерны для существующих источников:
- сокращение циркуляции радиоактивных веществ в природе (разрабатываемый генератор не требует при работе использование радиоактивных материалов, что делает его экологически чистым);
- обеспечение безопасной эксплуатация прибора (разрабатываемый пьезоэлектрический источник не требует при работе внешних источников высокого напряжения);
- обеспечение возможности применения генератора рентгеновского излучения в полевых условиях (для работы предлагаемого прототипа генератора излучения достаточно приложения только механической нагрузки).
Для проведения научных исследований в МНОЛ радиационной физики создана оригинальная экспериментальная установка - пьезоэлектрический ускоритель, позволяющая наблюдать генерацию характеристического и тормозного рентгеновского излучения с граничной энергией до 60 кэВ при приложенной механической силе F равной 1^4 кН и регистрировать соответствующие спектры рентгеновского излучения [2-4].
Однако, следует отметить, что для определения оптимальных характеристик рентгеновского излучения, генерируемого разрабатываемым пьезоэлектрическим источником нового типа, необходимо проведение значительного количество лабораторных опытов, в которых необходимо варьирование входными параметрами с очень маленьким шагом (по отношению к диапазону изменения параметра). Кроме того, необходимо обеспечение высокоточного контроля изменяемых физических параметров в процессе проведения эксперимента, при этом обеспечение проведения совместных измерений, а именно, одновременных измерений одной или нескольких неодноименных величин, определяющих результат эксперимента и характеристики создаваемого нового пьезоэлектрического источника рентгеновского излучения.
Решение данных проблем, как указано выше, связано с применением современных средств автоматизации и разработкой методов поддержки принятия решений при создании и оптимизации характеристик новых источников рентгеновского излучения.
Научная новизна работы заключается в получении следующих новых научных результатов:
- Разработана модель модернизированного процесса исследования и создание нового источника рентгеновского излучения, обеспечивающего проведение автоматизированных экспериментов с одновременным контролем измеряемых параметров и требуемым (достаточно малым в диапазоне изменения параметра) шагом их изменения, что позволит повысить точность, достоверность и информативность экспериментальных исследований;
- Предложен метод поддержки принятия решений, обеспечивающий автоматизацию параметров эксперимента и характеристик создаваемого нового прибора - пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения.
Экспериментальные исследования по изучению свойств пьезоэлектрических источников РИ выполнены при финансовой поддержке проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (грант № 3.1631.2017/4.6).
Продолжение и развитие представленных исследований поддержано грантом договор №12861ГУ/2018 (вн. номер 0039907) от 27.04.2018 г. «Разработка нового типа источника рентгеновского излучения на основе пьезоэлектрического эффекта для создания рентгеновских портативных анализаторов наличия примесей в продукции нефтегазодобывающих станций» в рамках конкурса «УМНИК (декабрь 2017 г.)»
Выражаю особую благодарность за помощь в организации и проведении экспериментальных исследований и научные идеи по изучению новых источников рентгеновского излучения зав. МНОЛ радиационной физики д.ф. - м.н. А.С. Кубанкину и с.н.с А.В. Щагину.
Анализ предметной области и подходов к поддержке принятия решений при исследовании существующих и создании новых источников рентгеновского излучения показал, что в настоящее время возникла острая необходимость модернизации соответствующих процессов экспериментальных исследований для решения следующих проблем:
- получение достаточного количества измерений, проведенных с любым заданным сколь угодно малым шагом, в том числе временным;
- обеспечение совместных измерений и синхронного контроля измеряемых величин, что позволит уменьшить величину математической погрешности измеряемых величин, обеспечит возможность сбора данных в широком диапазоне шага записи по времени, а также построить зависимости других изменяемых параметров.
Проведено системное описание существующего процесса генерации рентгеновского излучения при сжатии пьезоэлектрика в вакууме, построена соответствующая функциональная модель «Как есть», с использованием нотации IDEF0, проведена детализация функциональной модели, демонстрирующая все подэтапы процесса и их взаимосвязи.
Разработана модель модернизированного процесса исследования и создание нового источника рентгеновского излучения «Как будет», обеспечивающего проведение автоматизированных экспериментов с одновременным контролем измеряемых параметров и требуемым (достаточно малым в диапазоне изменения параметра) шагом их изменения, что позволит повысить точность, достоверность и информативность экспериментальных исследований;
Предложен метод поддержки принятия решений, обеспечивающий автоматизацию параметров эксперимента и характеристик создаваемого нового прибора - пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения.
Разработана программная реализация, актуализирующая модернизированный автоматизированный процесс экспериментальных исследований и применение разработанного метода поддержки принятия решений по созданию и оптимизации характеристик нового прибора - пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения.
Ожидаемые эффекты:
- сокращение цикла исследований за счет ускорения подготовки и проведения экспериментов, оперативного использования результатов в масштабе реального времени, сокращения времени обработки и систематизации данных;
- увеличение точности и достоверности результатов экспериментов;
- повышение качества и информативности эксперимента за счет увеличения числа одновременно контролируемых параметров и более тщательной обработки данных;
- усиление контроля над ходом эксперимента и возможность оптимизации его параметров и характеристик создаваемого источника рентгеновского излучения;
- повышение производительности исследователя.
Экономическая эффективность себестоимости пьезоэлектрического источника рентгеновского излучения составляет не менее 20 %.
- получение достаточного количества измерений, проведенных с любым заданным сколь угодно малым шагом, в том числе временным;
- обеспечение совместных измерений и синхронного контроля измеряемых величин, что позволит уменьшить величину математической погрешности измеряемых величин, обеспечит возможность сбора данных в широком диапазоне шага записи по времени, а также построить зависимости других изменяемых параметров.
Проведено системное описание существующего процесса генерации рентгеновского излучения при сжатии пьезоэлектрика в вакууме, построена соответствующая функциональная модель «Как есть», с использованием нотации IDEF0, проведена детализация функциональной модели, демонстрирующая все подэтапы процесса и их взаимосвязи.
Разработана модель модернизированного процесса исследования и создание нового источника рентгеновского излучения «Как будет», обеспечивающего проведение автоматизированных экспериментов с одновременным контролем измеряемых параметров и требуемым (достаточно малым в диапазоне изменения параметра) шагом их изменения, что позволит повысить точность, достоверность и информативность экспериментальных исследований;
Предложен метод поддержки принятия решений, обеспечивающий автоматизацию параметров эксперимента и характеристик создаваемого нового прибора - пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения.
Разработана программная реализация, актуализирующая модернизированный автоматизированный процесс экспериментальных исследований и применение разработанного метода поддержки принятия решений по созданию и оптимизации характеристик нового прибора - пьезоэлектрического генератора рентгеновского излучения.
Ожидаемые эффекты:
- сокращение цикла исследований за счет ускорения подготовки и проведения экспериментов, оперативного использования результатов в масштабе реального времени, сокращения времени обработки и систематизации данных;
- увеличение точности и достоверности результатов экспериментов;
- повышение качества и информативности эксперимента за счет увеличения числа одновременно контролируемых параметров и более тщательной обработки данных;
- усиление контроля над ходом эксперимента и возможность оптимизации его параметров и характеристик создаваемого источника рентгеновского излучения;
- повышение производительности исследователя.
Экономическая эффективность себестоимости пьезоэлектрического источника рентгеновского излучения составляет не менее 20 %.