Разработка тепловизионной диагностики быстрых радиационных процессов

В работе представлена тепловизионная диагностика быстрых процессов излучения, в том числе формирование точечных радиационно-индуцированных дефектов с высокой концентрацией и измерение их параметров в реальном масштабе времени. Кривые охлаждения для различных мишеней после облучения мощным ионным пучком (МИП) были проанализированы с использованием модели, которая включает радиационное охлаждение, миграцию и отжиг радиационно-индуцированных дефектов, образовавшихся в мишени при облучении. Исследования проводились на ускорителе ТЕМП-6.Тепловизионная диагностика позволяет в реальном времени исследовать быстрые процессы миграции и отжига радиационно-индуцированных дефектов в металлах с временным разрешением 1 мс.

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 11
1 Обзор литературы …………………………………………………………………………………….. 14
1.1 Получение и применение мощных ионных пучков………………………………….. 14
1.2 Понятие о технологиях радиационного модифицирования материалов …… 16
1.3 Методы исследования быстрых радиационных процессов ………………………. 22
2 Установка для выполнения экспериментов и диагностическое оборудование27
2.1 Экспериментальная установка ТЕМП – 4М …………………………………………….. 27
2.1.1 Импульсный ионный ускоритель ТЕМП – 4М принцип работы ……………. 27
2.1.2 Диагностическое оборудование ускорителя ТЕМП – 4М ……………………… 29
2.2 Экспериментальная установка ТЕМП – 6 ……………………………………………….. 34
3 Тепловизионная диагностика быстрых радиационных процессов ………………. 37
3.1 Охлаждение мишени из нержавеющей стали ………………………………………….. 37
3.2 Расчет мощности отжига радиационных дефектов ………………………………….. 39
3.3 Охлаждение мишеней из меди, латуни и титана ……………………………………… 42
3.4 Анализ миграции вакансий …………………………………………………………………….. 45
3.5 Концентрация радиационных дефектов ………………………………………………….. 49
3.6 Перемещение междоузельных атомов до аннигиляции …………………………… 51
3.7 Анализ результатов исследования…………………………………………………………… 54
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 59
4.1 Оценка коммерческого и инновационного потенциала научно-технического
исследования ……………………………………………………………………………………………….. 59
4.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения……………………………………………….. 61
4.3 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………………. 63
4.3 Оценка готовности проекта к коммерциализации ……………………………………. 65
4.4 Инициация проекта ………………………………………………………………………………… 66
4.5 Бюджет научного исследования ……………………………………………………………… 69
4.5.1 Расчет основной заработной платы ………………………………………………………. 70
4.5.2 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) …………….. 72
4.5.3 Затраты электроэнергии ………………………………………………………………………. 72
4.5.4 Затраты на научные командировки ………………………………………………………. 73
4.5.5 Накладные расходы……………………………………………………………………………… 73
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………….. 79
5.1 Производственная безопасность……………………………………………………………… 80
5.1.1 Анализ вредных факторов производственной среды …………………………….. 81
5.1.2 Анализ опасных факторов производственной среды …………………………….. 86
5.2 Экологическая безопасность …………………………………………………………………… 92
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………… 94
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …………. 95
Заключение …………………………………………………………………………………………………. 98
Список использованных источников ………………………………………………………….. 102
Приложение А. Thermal imaging diagnostics of fast radiation-induced processes 109

Целью магистерской работы было использовать телевизионную
диагностику облученных мишеней для изучения быстрых радиационных
процессов в металлах, проверки этой диагностики мощным ионным пучком на
генераторе, и возможности определения чувствительности и погрешности
измерения параметров радиационных дефектов. Актуальность использования
данной методики для изучения быстрых радиационных процессов заключается в
том, что когда металлическая мишень облучается мощным ионным пучком,
легко измерить ее охлаждение и в реальном времени идентифицировать
основные механизмы, ответственные за миграцию и отжиг радиационных
дефектов. Таким образом данная методика вполне удовлетворяет требованиям,
предъявляемым к методам исследования радиационной стойкости материалов,
т.к. позволяет проводить испытания в реальном времени в условиях интенсивной
радиационной нагрузки, что позволяет выполнить оперативный анализ
исследуемых материалов и является доступной для большого круга
исследователей.
В первой главе был проведен литературный обзор методов исследования
быстрых радиационных процессов. Обзор литературы показал, что ионные
пучки обеспечивают хорошо зарекомендовавший себя метод формирования
радиационных дефектов в материалах, так как облучение материалов МИП
вызывает быстрый нагрев и быстрое охлаждение поверхностного слоя
материалов, что приводит к формированию в их кристаллической структуре
точечных дефектов, типа пар Френкеля (межузельный атом+вакансия). Помимо
тепловизионной диагностики рассмотрены методы исследования радиационных
процессов в материалах с использованием электронного микроскопа в реальном
времени, при облучении электронным и непрерывным ионным пучком. Так
метод исследования быстрых радиационных процессов с помощью электронного
микроскопа в реальном времени при облучении мишени непрерывным
электронным пучком, не позволяет детально изучить структуру радиационных
дефектов, динамику их формирования, агрегирования, миграции и др. при
нагревании исследуемой мишени до (200-500) 0С, а метод исследования при
облучении непрерывным ионным пучком является дорогостоящим и требует
много времени. Также существует калориметрический метод исследования
радиационных процессов при охлаждении металлической мишени, но он не
больших успехов в развитии за счет того, что очень низкая равновесная
концентрация дефектов и ошибка определения их параметров очень велика.
Во второй главе приведено описание конструкции и основных
параметров генератора сильноточных импульсных ионных пучков ТЕМП-4М и
ТЕМП-6 на которых проводились эксперименты. Уделено внимание объектам
исследования. Так исследование проводилось на объектах, размеры которых
были намного меньше, чем поперечные размеры ионного пучка. Металлический
диск диаметром 10 мм и толщиной от (0,75-0,2) мм был установлен в
центральном отверстии большой мишени и закреплен тонкой проволокой
диаметром 0,1 мм. Такая конструкция мишени позволяет обеспечить его
равномерное нагревание во время облучения и почти исключить
токопроводящее охлаждение.
Основная часть экспериментальной работы описана в третьей главе.
Кривые охлаждения для различных мишеней после облучения МИП были
проанализированы с использованием модели, которая включает в себя эффекты
радиационного охлаждения, отжига и миграции радиационно-индуцированных
дефектов, образовавшихся в мишени при облучении МИП. В течение первых 30с
после облучения МИП динамика охлаждения малых мишеней из нержавеющей
стали, титана и удовлетворительно описывается двумя процессами потери
тепловой энергии в мишени из-за радиационного охлаждения и выделение
энергии из-за быстрого термического отжига радиационных дефектов.
Учет потребления энергии ионного пучка для формирования
радиационных дефектов объясняет существенное изменение концентрации
энергии МИП (1,4-1,6 раза), измеряемое с помощью тепловизионной
диагностики с использованием мишеней из разных материалов без изменения
режима работы ускорителя.
В начальный момент после облучения МИП (t меньше 15 с)
экспериментальная мощность потерь энергии в мишени превышает
рассчитанную с учетом теплового излучения от мишени и радиационно-
индуцированного отжигов дефектов в мишени. Это можно объяснить
дополнительным потреблением энергии в мишени из-за миграции вакансий при
высокой температуре. Позже экспериментальная и расчетная мощность
совпадают в пределах 10%.
Исследование охлаждения мишени после облучения МИП позволяет
определить основные характеристики радиационных дефектов сразу после
мощного облучения.
Время для выравнивания температуры по толщине металлической
мишени 0,1 мм не превышает 1 мс, поэтому диагностика тепловидения позволяет
исследовать быстро протекающие процессы миграции и отжига радиационных
дефектов в реальном времени после облучения МИП с помощью временного
разрешения 1 мс.
В разделе финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение были определены концепция проекта, анализ рынка
продукта, SWOT-анализ. Был составлен план управления научно-техническим
проектом; отмечены контрольные события проекта; посчитан бюджет научного
исследования. Также был проведен анализ финансовой эффективности,
ресурсоэффективности и сравнения эффективностей.
В разделе социальная ответственность определены вредные факторы при
работе. Это: шум, недостаточная освещенность, повышенный уровень
электромагнитного излучения, микроклимат. К опасным факторам можно
отнести ионизирующее излучение, источник термической опасности, высокое
напряжение и статическое электричество. При выполнении исследований
возможными чрезвычайными ситуациями являются: замыкание электрической
цепи, поражение электрическим током, и как следствие, пожар.
В качестве раздела для перевода на иностранный язык была выбрана
третья глава.