Исследование последовательности импульсов тормозного излучения малогабаритного бетатрона
Разработана имитационная модель потока импульсного тормозного излучения и реализована в подпрограмме на MathCad. Адаптирована модель потока импульсного тормозного излучения к имитационной модели формирования цифровых радиографических изображений. Исследовано влияние параметров исходного потока тормозного излучения на качество цифровых радиографических изображений. Проведён цикл натурных экспериментов по оценке изменения параметров потока импульсов регистрируемого излучения с цифровых детекторов на этапах формирования радиографического изображения на комплексе высокоэнергетической цифровой радиографии Томского политехнического университета.
Список сокращений и обозначений ………………………………………………………………………………………………. 13
Введение ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 15
Актуальность темы ……………………………………………………………………………………………………………………. 15
1 Обзор литературы, выбор цели диссертационных исследований и постановка задач ………………….. 20
1.1 О радиационном контроле крупногабаритных объектов ………………………………………………………. 20
1.2 Об основных характеристиках источников высокоэнергетического импульсного тормозного
излучения …………………………………………………………………………………………………………………………………. 21
1.2.1 Общие характеристики источников фотонного излучения ………………………………………………. 22
1.2.2 Специфичные характеристики импульсных источников тормозного излучения ……………….. 23
1.3 Характеристики импульсных источников высокоэнергетического тормозного излучения ………. 25
1.3.1 Характеристики линейных ускорителей электронов ……………………………………………………….. 25
1.3.2 Характеристики малогабаритных бетатронов …………………………………………………………………. 26
1.4 О роли имитационного моделирования в проектировании систем высокоэнергетической
цифровой радиографии и компьютерной томографии ……………………………………………………………….. 28
1.5 Цель и задачи диссертационных исследований ……………………………………………………………………. 28
2 Имитационная модель потока импульсного тормозного излучения и её реализация в системе
MathCad ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 30
2.1 Алгоритм имитационного моделирования потока импульсного тормозного излучения …………. 30
2.2 Программа имитационного моделирования потока импульсного тормозного излучения в
системе MathCad ………………………………………………………………………………………………………………………. 32
3 Адаптированная модель (программа) формирования цифровых радиографических изображений
для импульсных источников тормозного излучения ………………………………………………………………………. 34
4 Эксперименты по оценке параметров потока импульсов высокоэнергетического тормозного
излучения …………………………………………………………………………………………………………………………………….. 36
4.1 Описание экспериментального комплекса……………………………………………………………………………. 36
4.2 Программное обеспечение для формирования и обработки радиографических изображений
РКНЛ РКД ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 37
4.2.1 Программный комплекс Диада………………………………………………………………………………………. 37
4.2.2 Программа Dual [47] ………………………………………………………………………………………………………. 39
4.3 Особенности применения программного комплекса Диада и программы Dual ……………………… 41
4.3.1 Формирование файлов дуальных изображений в программном комплексе Диада …………. 42
4.3.2 Первичная калибровка радиографических изображений метода дуальных энергий в
программе Dual …………………………………………………………………………………………………………………….. 44
Калибровка по «чёрному» ……………………………………………………………………………………………………… 44
Вычисление относительных коэффициентов преобразования энергии ……………………………………. 45
Калибровка по «белому» ……………………………………………………………………………………………………….. 46
Нормировка на опорный канал ……………………………………………………………………………………………… 46
5 Экспериментальная оценка параметров потока импульсов тормозного излучения и уменьшение влияния
их флуктуаций на качество контроля ………………………………………………………………………………………………… 48
5.1 Оценка параметров темновых сигналов ……………………………………………………………………………….. 48
5.2 Исследование «белых» изображений …………………………………………………………………………………… 51
5.2.1. Оценка выборочных плотностей распределения сигналов по «воздуху» ………………………… 51
5.2.2 Оценка нестабильности общей энергии фотонов в импульсе тормозного излучения……….. 55
5.3 Уменьшение влияния флуктуаций параметров импульсов тормозного излучения на качество
контроля …………………………………………………………………………………………………………………………………… 57
6 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……………………………………. 61
6.1 Оценка делового потенциала и перспектив для исследований с точки зрения
ресурсоэффективности ……………………………………………………………………………………………………………… 61
6.2 План исследования ……………………………………………………………………………………………………………… 62
6.2.1 Структура работы …………………………………………………………………………………………………………… 62
6.2.2 Определить сложность работы ………………………………………………………………………………………. 63
6.2.3 Установить график научных исследований ……………………………………………………………………… 63
6.3 Исследования и разработки бюджета …………………………………………………………………………………… 65
6.3.1 Расчет стоимости материала НТИ …………………………………………………………………………………… 65
6.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ …… 66
6.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы …………………………………………………………….. 67
6.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые пожертвования) …………………………………. 69
6.3.5 Бюджетный исследовательский проект ………………………………………………………………………….. 70
6.4 Определение ресурсов (экономия ресурсов), финансов, бюджета, социального и
экономического равенства ………………………………………………………………………………………………………… 70
7 Социальная ответственность…………………………………………………………………………………………………… 73
7.1 Производственная безопасность ……………………………………………………………………………………….. 74
7.1.1 Анализ выявленных вредных факторов при разработке и эксплуатации проектируемого
решения. ……………………………………………………………………………………………………………………………….. 74
7.1.2. Анализ выявленных опасных факторов при разработке и эксплуатации проектируемого
решения ………………………………………………………………………………………………………………………………… 89
7.2 Экологическая безопасность ……………………………………………………………………………………………. 100
7.2.1 Промышленные отходы ………………………………………………………………………………………………. 100
7.2.2 Утилизация промышленных отходов……………………………………………………………………………. 101
7.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях (ЧС) ………………………………………………………………. 104
7.3.1 Сильные морозы зимой ………………………………………………………………………………………………… 105
7.3.2 Несанкционированное проникновение посторонних на рабочее место ………………………………. 107
7.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности……………………………………. 107
7.4.1 Организационные мероприятия ……………………………………………………………………………………. 107
7.4.2 Организация рабочей зоны …………………………………………………………………………………………… 108
7.5 Социальная защита пострадавших на производстве ………………………………………………………. 109
7.5.1 Порядок возмещения вреда, причиненного жизни и здоровью граждан ……………………………… 109
7.5.2 Общие основания ответственности за причинение вреда ……………………………………………. 110
7.5.3 Возмещение причиненного вреда ………………………………………………………………………………….. 110
Заключение ………………………………………………………………………………………………………………………………… 111
Список использованных источников ……………………………………………………………………………………………. 112
Приложение А …………………………………………………………………………………………………………………………….. 119
4. Experiments to estimate the parameters of the pulse flux of high-energy deceleration emission …… 120
4.1 Description of the experimental complex ……………………………………………………………………………….. 120
4.2 Software for the formation and processing of radiographic images RKNL RKD ……………………………. 121
4.2.1 Software complex Dyad …………………………………………………………………………………………………. 121
4.2.2 Dual program [47] …………………………………………………………………………………………………………. 122
4.3 Features of the application of the Dyad software package and the Dual program ……………………….. 124
4.3.1 Generation of dual image files in the software package Dyad …………………………………………….. 124
4.3.2 Initial calibration of radiographic images of the dual energy method in the Dual program …….. 126
Приложение B. ……………………………………………………………………………………………………………………………. 129
П. B.1 Программа формирования цифровых радиографических изображений на примере
наконечника из Ni3Al. Импульсный источник излучения …………………………………………………………… 129
П. B.2 Результаты имитационного моделирования цифровых радиографических изображений … 135
Список сокращений и обозначений
Сокращения
ОК – объект контроля
РЧП – радиационно-чувствительный преобразователь
ТИ − тормозное излучение
ЦР − цифровая радиография
ВКТ − высокоэнергетическая компьютерная томография
ЦРИ − цифровые радиографические изображения
ИТИ − источник тормозного излучения
СВ − случайная величина
АС − аналоговый сигнал
ЦС − цифровой сигнал
РТИ − регистратор тормозного излучения
ЛРТИ − линейный РТИ
РОП − радиационно-оптический преобразователь
АЦП – аналого-цифровой преобразователь
ФП – фотопреобразователь
ПФ − промежуточный фильтр
КД − комбинированный детектор
ДПП − детектор прямого преобразования
ОФ − ослабляющий фильтр
ТО – тестовый объект
ЛКО − линейный коэффициент ослабления излучения
МКО – массовый коэффициент ослабления излучения
СЦР – система цифровой радиографии
ПК – персональный компьютер
ЧС – чрезвычайная ситуация
НРБ − нормы радиационной безопасности
Обозначения
Ii − интенсивность тормозного излучения в i-ом импульсе
Ni − поток тормозного излучения в i-ом импульсе
E – энергия фотонного излучения
hd − толщина РЧП
Zd − эффективный атомный номер материала РЧП
d − плотность материала РЧП
Eab(E, hd)– средняя энергия, переданная зарегистрированным фотоном
радиационно-чувствительному преобразователю
Emax – максимальная энергия рентгеновского излучения
fN(E, Emax) − числовой энергетический спектр
fI(E, Emax) − распределение интенсивности излучения по энергии
μ(E) – линейный коэффициент ослабления гамма-излучения
m(E) – массовый коэффициент ослабления гамма-излучения
Z – эффективный атомный номер материала
ρ – плотность материала
int(x) – целая часть числа x
ε(E) – эффективность регистрации фотонов с энергией E
F(x) − расстояние от излучающей точки для точки детектирования с
координатой x (фокусное расстояние)
Eab(E) − энергия,
hf − толщина промежуточного фильтра
Zf − эффективный атомный номер материала ПФ
f − плотность материала ПФ
Актуальность темы
Высокоэнергетические источники тормозного излучения (ИТИ), к
которым относятся линейные ускорители тормозного излучения и бетатроны,
широко применяются в неразрушающем и досмотровом контроле
крупногабаритных объектов испытаний. Вышеуказанные источники являются
импульсными, причём параметры импульсов тормозного излучения меняются от
импульса к импульсу случайным образом. К параметрам импульсов, которые
характеризуют источники излучения применительно к цифровой радиографии
(ЦР) и высокоэнергетической компьютерной томографии (ВКТ), следует
отнести максимальная энергия Emax, число фотонов тормозного излучения N,
числовой энергетический спектр f(E, Emax), угловое распределение тормозного
излучения g(, Emax). Все вышеперечисленные характеристики являются
случайными величинами (СВ) или функциями от них. Причём интегралы от
функций f и g по энергии равны единице. Для описания параметров импульсов
пользуются аналитическими либо эмпирическими описаниями, точность
которых невысока даже для средних значений параметров, а для значений
параметров, меняющихся от импульса к импульсу, приемлемую точность
гарантировать невозможно.
Системы цифровой радиографии (СЦР) и систем высокоэнергетической
компьютерной томографии (СВКТ) характеризуются рядом параметров,
текущие значения которых должны удовлетворять запросам потребителя,
поэтому их логично называть потребительскими параметрами. К
потребительским параметрам анализируемых систем, согласно нормативным
документам, относятся: производительность контроля; проникающая
способность; чувствительность по толщине (контрастная чувствительность);
радиационный контраст; диаметры обнаруживаемых проволочек по воздуху и за
стальными барьерами; пространственное разрешение. Системы ЦР и ВКТ
характеризуются, помимо всего прочего, разрядностью аналогово-цифровых
преобразователей (АЦП). Значительное число параметров, характеризующих
СЦР (СВКТ), затрудняет проектирование соответствующих систем, так как
экспериментальные исследования параметров ИТИ, РТИ на потребительские
характеристики систем затратно по времени и материальным ресурсам. Следует
также отметить сложность разработки математических моделей источников
импульсного тормозного излучения. Поэтому актуальной является разработка
алгоритмов имитационного моделирования потоков импульсов тормозного
излучения с преобразованием их в потоки цифровых сигналов.
Особая актуальность задач, связанных с оценкой параметров потоков
импульсного излучения, обусловлена необходимостью получения
радиографических изображений (проекций) ОК в режиме реального времени.
Здесь под режимом реального времени понимается формирование строк
изображений (проекций) за один импульс.
Сказанное выше подтверждает актуальность темы диссертационных
исследований.
Необходимость проведения исследований:
фундаментальный характер − исследования значимости факторов,
приводящих к флуктуациям дозы в импульсе тормозного излучения; характер
распределения случайной величины;
прикладной характер − представление об исследуемой случайной
величине; повышение стабильности трансформированных цифровых сигналов
(нормировка на опорный канал).
Объекты исследования – потоки импульсов высокоэнергетического
тормозного излучения.
Предмет исследования – методы и алгоритма анализа потоков
тормозного излучения по цифровым радиографическим изображениям объектов
контроля.
Целью работы является совершенствование методов и алгоритмов для
исследования последовательностей импульсов малогабаритных бетатронов по
цифровым радиографическим изображениям объектов контроля и
осуществление их экспериментальной проверки на комплексе цифровой
радиографии.
Для достижения сформулированной выше цели необходимо решить ряд
следующих задач:
1. Разработать имитационную модель потока импульсного тормозного
излучения и реализовать её в подпрограмме на MathCad.
2. Адаптировать модель потока импульсного тормозного излучения к
имитационной модели формирования цифровых радиографических
изображений.
3. Исследовать влияние параметров исходного потока тормозного
излучения на качество цифровых радиографических изображений.
4. Провести цикл натурных экспериментов по оценке изменения
параметров потока импульсов регистрируемого излучения с цифровых
детекторов на этапах формирования радиографического изображения на
комплексе высокоэнергетической цифровой радиографии ТПУ.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Разработана имитационная модель потока импульсного тормозного
излучения и реализована в подпрограмме на MathCad.
2. Адаптирована модель потока импульсного тормозного излучения к
имитационной модели формирования цифровых радиографических
изображений.
3. Исследовано влияние параметров исходного потока тормозного
излучения на качество цифровых радиографических изображений.
4. Проведён цикл натурных экспериментов по оценке изменения
параметров потока импульсов регистрируемого излучения с цифровых
детекторов на этапах формирования радиографического изображения на
комплексе высокоэнергетической цифровой радиографии ТПУ.
Практическая значимость работы заключается в возможности
использования полученных результатов для научного обоснования возможности
проектирования систем неразрушающего контроля на базе малогабаритных
импульсных источников высокоэнергетического тормозного излучения
производства Томского политехнического университета, а также в учебном
процессе при проведении занятий по радиационным методам контроля методам
математического моделирования.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы:
методы Монте-Карло; методы математического моделирования; методы
переноса гамма-излучения; методы обработки экспериментальных данных;
методы теории вероятностей и математической статистики.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Имитационная модель потока импульсного тормозного излучения и её
реализация в подпрограмме на MathCad.
2. Адаптация модели потока импульсного тормозного излучения к
имитационной модели формирования цифровых радиографических
изображений.
3. Оценки влияния параметров исходного потока тормозного излучения
на качество цифровых радиографических изображений.
4. Результаты цикла натурных экспериментов по оценке изменения
параметров потока импульсов регистрируемого излучения с цифровых
детекторов на этапах формирования радиографического изображения на
комплексе высокоэнергетической цифровой радиографии ТПУ.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов
обеспечена корректным использованием математического аппарата и основных
положений взаимодействия гамма-излучения с веществом, а также их
согласованностью с результатами, полученными другими исследователями. В
программной реализации разработанных алгоритмов имитационного
моделирования и анализе результатов вычислительных экспериментов
применялось лицензированное программное обеспечение и программы,
разработанные сотрудниками Российско-китайской научной лаборатории
радиационного контроля и досмотра.
Личный вклад автора заключается в создании алгоритма для
имитационного моделирования параметров импульсов тормозного излучения и
его реализации в Mathcad, в обработке результатов натурных экспериментов по
оценке распределений анализируемых случайных величин.
Реализация результатов работы. Результаты проведённых
исследований применяются для оценки параметров потоков импульсов
тормозного излучения с целью подтверждения или опровержения
принципиальной возможности достижимости задачи проектирования
применительно к системам высокоэнергетической цифровой радиографии и
высокоэнергетической компьютерной томографии, а также для корректного
выбора характеристик источников импульсного тормозного излучения.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в предлагаемую
диссертацию, обсуждались на отчетах по НИР отделения контроля и
диагностики ИШ НКБ в 2018 − 2020 годах и докладывались на международной
конференции:
− V международная конференция «Инновации в неразрушающем
контроле (SibTest 2019)», г. Екатеринбург, 26–28 июня 2019.
Публикации. По теме выпускной квалификационной работы
опубликована 1 статья и одна интернет-публикация.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 47
источников. Объём диссертации составляет 139 страниц машинописного текста,
21 рисунка, 28 таблиц и 2 приложений.
1 Обзор литературы, выбор цели диссертационных исследований и
постановка задач
Разработана имитационная модель потока импульсного тормозного
излучения и реализована в подпрограмме на MathCad. Адаптирована модель
потока импульсного тормозного излучения к имитационной модели
формирования цифровых радиографических изображений. Исследовано влияние
параметров исходного потока тормозного излучения на качество цифровых
радиографических изображений. Проведён цикл натурных экспериментов по
оценке изменения параметров потока импульсов регистрируемого излучения с
цифровых детекторов на этапах формирования радиографического изображения
на комплексе высокоэнергетической цифровой радиографии Томского
политехнического университета.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (20 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
5 (154 отзыва)
5 (91 отзыв)
4.9 (5 отзывов)
5 (49 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
