Экспериментальные исследования статических и динамических объектов на протонном микроскопе в ИТЭФ

• Автор: Канцырев, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 128 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Метод протонной радиографии

Глава 2. Экспериментальная установка

2.1 Ускоритель ТВН-ИТЭФ

2.2 Линия транспортировки пучка

2.3 Протонный микроскоп ПУМА

2.3.1 Квадрупольные линзы на постоянных магнитах

2.3.2 Многокадровая система регистрации изображений

2.3.3 Взрывозащитная вакуумная камера

2.3.4 Лазерный интерферометр УІвАЛ

2.4 Параметры установки ПУМА
Глава 3. Автоматизация управления установкой, сбора и обработки экспериментальных данных
3.1 Комплексная система автоматизации экспериментов
3.1.1 Аппаратно программные модули
3.1.2 Подсистема радиационной безопасности
3.1.3 Подсистема контроля и управления магнитными элементами линии транспортировки пучка и диагностики пучка
3.1.4 Сервер экспериментальных данных КС А
3.1.5 Подсистема контроля и управления экспериментом
3.2 Методика автофокусировки протонно-радиографических изображений
Глава 4. Экспериментальные результаты
4.1 Исследование динамических процессов методом протонной радиографии
4.1.1 Исследование детонационных волн в прессованном ТНТ
4.1.2 Исследование динамических процессов в эмульсионном ВВ
4.1.3. Ударно-волновые процессы в газовых мишенях
4.1.4. Исследование процессов струеобразования при ударном нагружении металлических образцов
4.2. Исследование статических объектов
4.2.1. Протонно-радиографическая дефектоскопия и томография статических объектов
4.2.2. Исследования биологических объектов
Глава 5. Обсуждение результатов
Заключение
Приложение А - Схема установки ПУМА
Список литературы

Введение
Исследования по физике высокой плотности энергии в веществе при интенсивном импульсном воздействии необходимы для получения новых знаний о физических процессах и свойствах материалов в условиях сверхвысоких давлений, плотностей и температур. Эти сведения составляют научную основу перспективных энергетических проектов -управляемого термоядерного синтеза с инерционным удержанием горячей плазмы, магнито-гидродинамических и магнито-кумулятивных генераторов, ядерных космических установок и т.п. [1,2]. Кроме того, эти знания применяются в интересах совершенствования свойств материалов ядерно-энергетических установок, находящихся под действием мощных потоков излучений, для разработки новых технологий энергетического применения.
Физика высокой плотности энергии охватывает большую область науки, включая физику плазмы, физику конденсированного состояния и материаловедения, атомную и молекулярную физику, магнитогидродинамику и астрофизику. Различаются две области параметров вещества с высокой плотностью энергии: область
высокотемпературной плазмы (температура более 100 эВ) и область сравнительно малых температур (1 эВ) при высоких значениях плотности вещества (около нормальной плотности твердого тела >1023 см'3). Существенно, что вторая область параметров вещества труднодостижима с помощью иных методов, за исключением экспериментов с химическими взрывчатыми веществами (ВВ) и ядерных взрывов. Однако именно эти параметры реализуются в экспериментах с интенсивными пучками тяжелых ионов на современных мощных ускорителях. Интенсивные пучки тяжелых ионов высокой энергии являются уникальным инструментом для создания материи с высокой плотностью энергии и исследованиях экстремального состояния вещества в воспроизводимых

экспериментальных условиях [1]. В настоящее время в мире функционируют две тяжелоионные ускорительные установки - SIS-18 в GSI [3] (Gesellschaft für Schwerionenforschung, Дармштадт, Германия) и ТВН-ИТЭФ [2] (ТерраВатный Накопитель в ИТЭФ ), строится новая установка FAIR [3] (an international Facility for Antiproton and Ion Research, Дармштадт, Германия), на которых разворачиваются и планируются крупные экспериментальные программы по широкому кругу фундаментальных и прикладных задач. Так, пучки тяжелых ионов от ускорителя SIS-18 уже сейчас способны обеспечивать уровень удельного энерговложения более 1 кДж/г, а строящийся ускоритель SIS-100 проекта FAIR позволит достичь энерговложения 100 кДж/г.
Крайне важной задачей, при исследованиях в области физики высокой плотности энергии в веществе, является измерение, с пространственным разрешением, плотности и давления вещества. Для таких исследований, в случае генерации экстремального состояния вещества под воздействием тяжелоионного пучка [4], где характерный размер мишеней составляет 0.1-20 мм, требуется измерять распределение плотности с микронным пространственным разрешением при массовой толщине ~20 г/см2.
Большинство существующих в настоящий момент экспериментальных методик не позволяют получать прямую информацию о плотности и микроструктуре вещества, непосредственно в ходе динамического эксперимента. Такие возможности предоставляет радиографическое исследование с использованием высокоэнергетических пучков заряженных частиц (в том числе протонов) [5,6] либо рентгеновского излучения [7]. Радиография, как способ просвечивания образцов, непрозрачных для видимого света, с целью изучения их внутренней структуры, существует со времени открытия рентгеновских лучей, которые используются благодаря их высокой проникающей способности по отношению к видимому излучению (рентгеновское

радиографических изображений была разработана 4-х кадровая система регистрации, построенная на основе быстрых цифровых ПЗС камер (САМ05-САМ08 рисунок 2.4) “НТЦ СИЛАР” S2C-077FO-G с электронно-оптическими затворами (динамический диапазон 14 бит, время экспозиции 100 не). Для диагностики поперечного профиля пучка, при настройке линии транспортировки пучка, используются ПЗС камеры SDU285 (САМ01-САМ04 на рисунке 2.4) с дистанционно устанавливаемыми на ось пучка сцинтилляторами Bicron ВС-412 толщиной 1 мм. Для измерения временного профиля импульса протонного пучка и контроля синхронизации запуска каналов регистрации используется индукционный датчик тока пучка фирмы Bergoz FCT-082-05:l. Четыре ПМК линзы установлены на общий рельс и перемещаются с помощью линейных манипуляторов, установленных по разные стороны от рельса. Линейные манипуляторы состоят из актуаторов NB BG2602A-300FI/A5C-LB и шаговых двигателей FL42STH. Диапазон перемещения каждой магнитной квадрупольной линзы составляет 250 мм, скорость перемещения 1 мм/с, точность 20 мкм. Для управления манипуляторами ПМК линз разработан и создан контроллер на основе USB модуля фирмы L-CARD Е14-140 и разработана программа PROTOM созданная в среде программирования Delphi ХЕ. Программа позволяет устанавливать ПМК линзы в требуемое положение как в ручном, так и в автоматическом режимах. Синхронизация запуска каналов регистрации осуществляется от генераторов временных задержек Stanford DG645 и DG535. Для позиционирования объектов относительно пучка разработан 3-х координатный вакуумный манипулятор изучаемых объектов (точность 5 мкм), построенный на основе линейных и вращательных манипуляторов фирмы Standa. Считывание и управление всеми элементами установки осуществляется с удаленных персональных компьютеров с использованием разработанной комплексной системы