Определение природы газа в состоянии ударного сжатия при помощи метода протонной радиографии

Национальный  исследовательский  ядерный университет  «МИФИ»  
(НИЯУ МИФИ)

ФАКУЛЬТЕТ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ  ФИЗИКИ

КАФЕДРА № 60

ФИЗИКА  ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ  ВЕЩЕСТВА

     ОТЧЕТ О УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ  РАБОТЕ СТУДЕНТА 

На  тему:

«Определение природы газа в состоянии ударного сжатия при помощи метода протонной радиографии». 
 
 

Студент :	__________________ подпись	Калякин Михаил Михайлович
Руководитель:	__________________	Канцырев Алексей  Викторович,  Инженер-физик первой кат.

Москва 2012 г.

Оглавление.

Введение………………………………………………………………………………………………….3

Описание установки………………………………………………………………………………..4

Методика протонной  радиографии………………………………………………………..6

Анализ радиографического  изображения…………………………………………….10

Описание программного пакета…………………………………………………………….12

Заключение……………………………………………………………………………………………..17

Список литературы………………………………………………………………………………….18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение.

 

   Исследование  физических и механических свойств  материалов, подвергнутых воздействию  интенсивных динамических нагрузок, и возникающих при этом процессов,  представляет собой важную научную проблему, имеющую большое практическое значение. В результате ударно-волнового сжатия, в материалах возникают сложные физико-химические и механические процессы: сжатие твердых тел, фазовые превращения, высокие температуры разогрева, упрочнение в ударных волнах, изменение электронной структуры, развитие гидродинамических неустойчивостей, и т.п. Во взрывчатых веществах происходят детонационные процессы, сопровождающиеся выделением энергии химических превращений при распространении ударной волны.

   Фазовый переход первого рода в азоте  из молекулярного к немолекулярному  металлическому состоянию с изменением объема около 35% при давлениях ниже 100 ГПа был впервые теоретически предсказан еще в 1985 году [1]. Выполненные позднее эксперименты по ударному сжатию и изучению свойств жидкого азота за отраженной волной показали смягчение его ударной адиабаты и обнаружили аномальное «ударное охлаждение» в районе предполагаемого протекания диссоциации [2,3]. В проведенных теоретических расчетах [4] изотерм азота методами молекулярной динамики обнаружен переход от молекулярного азота к немолекулярному, который протекает при давлении около 80-90 ГПа со значительным уменьшением объема (до 20%). Критическая температура этого фазового перехода оценена близкой к 5000 К, при более высоких температурах происходит прямая диссоциация и образование атомарного газа.

   Протонная радиография и рентгенография –  практически единственные используемые в настоящее время методы, позволяющие получать прямую информацию о микроструктуре вещества и распределении плотности в условиях динамического эксперимента, однако по многим параметрам протонная радиография превосходит существующие рентгенографические методы исследований, обладая высоким пространственным и временным разрешением, большей просвечивающей способностью, большим динамическим диапазоном регистрации изображений. Более того, метод позволяет осуществлять многокадровую регистрацию динамических процессов, которая даёт возможность проследить эволюцию исследуемых характеристик состояния вещества.

   В настоящее  время в ИТЭФ создана установка для проведения ударно-волновых экспериментов с применением протонного ускорителя, где осуществляется регистрацией протонографических изображений нескольких фаз изучаемого процесса с одновременным измерением исследуемых характеристик вещества дополнительными методиками. В частности, проводится исследования ударного сжатия газов методом протонной радиографии. Исследуемый газ, с начальным давлением в несколько атмосфер, помещается в цилиндрический контейнер, к которому присоединен ударно-волновой генератор с использованием взрывчатого вещества (ВВ).  Целью работы является восстановить плотность ударно-сжатого газа, находящегося внутри контейнера взрывного генератора давления, по протонным радиографическим изображениям.

Описание  установки.

     Для проведения экспериментов по физике высокой плотности энергии в  веществе   на созданном ускорительно-накопительном  комплексе ИТЭФ-ТВН с высоким  уровнем энерговложения пучка тяжелых ионов в вещество была разработана и смонтирована экспериментальная установка (рис.1)

Рис.1. Схема  линии транспортировки пучка  заряженных частиц от ускорителя. Корпус 120 ИТЭФ

Линия транспортировки  пучка частиц состоит из:

• системы вакуумной откачки, позволяющей получать вакуум в канале до 10^-9торр;
• системы транспортировки интенсивного пучка частиц от кольца ускорителя до исследуемой мишени, состоящей из стандартных квадрупольных линз МЛ15 (Q1-Q11), поворотных магнитов СП12  (B1,B2), корректирующих магнитов (C1-C3). Общая длина линии транспортировки пучка составляет около 80 м;
• системы фокусировки интенсивного пучка ионов на мишень.  Система конечной фокусировки состоит из двух стандартных квадрупольных линз 20К100 (F1-F2), позволяющих фокусировать пучок ионов в пятно диаметром 2 – 3 мм;
• двух мишенных камер взаимодействия с системой диагностики пучка ионов и манипуляторами мишеней;
• диагностического комплекса, включающего диагностику для проводки пучка ионов и измерения его параметров, диагностика профиля пучка осуществляется с помощью девяти диагностических модулей P1-P9 основанных на керамических сцинтилляторах и аналоговых ПЗС камерах.
• Защитного блокиратора пучка “BeamStop”
• Мульти-контроллерного блока обработки УИМ2-2Д, дозиметра БДМН-100,БДМГ-100

   Линия транспортировки заряженных частиц делится на две после второго  поворотного магнита B2. Линия 511 предназначена для транспортировки ионов углерода C⁺⁶ с энергией 200-400 Мэв/нуклон и проведения экспериментов по радиобиологии и биофизике, ионной радиографии, разработке методов диагностики пучка. Линия 512 предназначена для транспортировки пучков протонов с энергией до 800 Мэв и проведения экспериментов по протонной радиографии с использованием ионной оптики. 

Методика протонной радиографии. 

     Радиография - метод исследования основанный на измерении ослабления потока тестовых частиц или измерении трансмиссии  потока частиц через объект.

     В работе, было предложено в качестве тестовых частиц использовать протоны. Прошедшие через мишень протоны рассеиваются на некоторый угол, за счет ядерного и мало-углового рассеяния, что приводит к ослаблению потока частиц попадающих на детектор. В случае, если детектор отнести на некоторое расстояние, рассеяние так же приводит к размытию изображения на детекторе. Для компенсации размытия изображения после объекта было предложено установить систему магнитных линз, строящих изображение в плоскости расположения детектора.

     При прохождении через вещество протоны  за счет кулоновского взаимодействия рассеиваются на электронах и ядрах атомов. .Это приводит к размытию изображения и потере резкости картинки. Для фокусировки изображения было предложено поставить после мишени систему магнитных линз, фокусирующих прошедший пучок в плоскости построения изображения на сцинтилляторе.

     Так же, протоны при прохождении через  вещество, теряют энергию вследствие торможения. По ослаблению прошедшего пучка можно судить о линейной плотности пройденного материала, что отражается почернением на протонно-радиографическом изображении.

      

Рис. 2. Схема протонной радиографической установки ИТЭФ.

 

     На  Рис. 2. показана схема протонной радиографической установки.  Исследуемый объект засвечивается протонным пучком, подготовленным секцией согласования, состоящей из 3 квадрупольных линз (квадрупольные элементы «1» - «3»). Магнитная оптика измерительной секции (квадруполи «4»-«7») строит протонное изображение в плоскости регистрации. Причем внутри измерительной секции, при условии правильного согласования пучка, получается т.н. плоскость Фурье, в которой имеется корреляция угла рассеяния протона набранного в исследуемом объекте и расстоянием от оси установки. Подбирая диаметр коллиматора в этой плоскости можно подобрать оптимальную трансмиссию протонного пучка для данного конкретного исследуемого объекта.  

Трансмиссия протонного пучка. Методы расчета. 

     Трансмиссия протонного пучка с учетом кулоновского рассеяния на ядрах описывается  следующим образом: 

      ,                                            (1) 

где x – линейная плотность исследуемого объекта, а λ_c – ядерная длина взаимодействия.

     При кулоновском торможении, протоны,  теряя энергию, рассеиваются на некоторые  малые углы рассеяния. Таким образом, трансмиссия протонного пучка с  учетом малоуглового кулоновского рассеяния описывается как: 

      ,                                          (2) 

     Где ширина на полувысоте Гауссового распределения  углов рассеяния протонов за рассеятелем  описывается: 

      ,                                               (3) 

где x - линейная плотность исследуемого объекта, х₀ – радиационная длина взаимодействия, p – импульс пучка, β – релятивистская скорость.

     Таким образом, для  общей трансмиссии  протонного пучка из формул (1) и (2), с  учетом (3) мы получаем итоговую зависимость трансмиссии от линейной плотности мишени:  

      ,                                         (4) 

     Таким образом, из выражения (4) мы можем рассчитать зависимость плотности исследуемого объекта от измеренной в эксперименте трансмиссии для заданного угла обрезания θ.

Анализ  протонно-радиографического  изображения.

 

     Само  протонно-радиографическое изображение  еще не является конечным результатом, который дал бы нам необходимую  информацию. Оно нуждается в дополнительном анализе и обработке.

     Процедура обработки протонно-радиографических изображений следующая. Прежде всего, из экспериментального протонно-радиографического  изображения вычитается изображение  черного фона. Черный фон – это  полученное изображение с камеры в отсутствии пучка. Это позволяет вычесть подложку и компенсировать шумовые сигналы (Рис. 1). 

Рис. 3. Экспериментальное изображение – изображение черного фона = экспериментальное изображение за вычетом черного фона.

 

     Вторым  этапом анализа протонно-радиографического изображения будет деление его на изображение белого фона (из изображения белого фона было так же вычтено изображение черного фона). Белый фон – это протонно-радиографического изображения, но в отсутствии мишени. Это позволит устранить нам возможные дефекты на линзах камеры и учесть искажения, вносимые при съемке эксперимента (Рис. 3). 

Рис.4 Экспериментальное изображение – изображение черного фона = трансмиссия протонного пучка.

 

     Таким образом, мы получаем трансмиссию протонного пучка.

     Завершающим этапом анализа протонно-радиографического  изображения будет калибровка на единицу. Для этого выбирается небольшой  участок за границей мишени на белом  поле, и подбирается коэффициент  домножения таким образом, чтобы  значение в данном участке равнялось единице. Данная процедура применяется ко всем полученным протонно-радиографическим изображения, как в статике, так и в динамике.