Главная
страница 1страница 2 ... страница 4страница 5


На правах рукописи

Буклей Александр Александрович




РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОНСТРУКЦИЙ МОБИЛЬНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ИНТРОСКОПОВ

Специальность 05.11.13

«Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук
Москва – 2009

Работа выполнена в ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «СПЕКТР» и ООО «Флэш электроникс»

Официальные оппоненты:
Доктор технических наук Артемьев Борис Викторович

Доктор технических наук, профессор Леонов Борис Иванович

Доктор технических наук, профессор Горшков Вячеслав Алексеевич
Ведущая организация:
Академия управления МВД России

Защита состоится 16 декабря 2009 года в 10 часов на заседании

Диссертационного совета Д.520.010.01

ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»

по адресу: г. Москва, ул. Усачева, д. 35, строение 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Автореферат разослан _____________________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор Королев М.В.




ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы

Важнейшей составляющей мероприятий, направленных на совершенствование антитеррористической деятельности, следует считать оснащение специальных подразделений эффективной поисковой и досмотровой аппаратурой. Аппаратурные методы обнаружения предметов террористического назначения реализуются в комплексе средств технической диагностики. При этом наиболее информативными и надежными являются методы и средства радиационной интроскопии.

В конце 80-х – начале 90-х годов прошлого века производство отечественной аппаратуры рентгеновской интроскопии значительно отставало от потребностей правоохранительных органов. Оснащение силовых структур громоздкими рентгенографическими аппаратами и переносными комплексами Vidisco (Израиль), «Лебеда» (Россия), уже не удовлетворяли предъявляемым к ним требованиям ни по производительности, ни по качеству диагностики. Эксплуатационные характеристики не позволяли их использовать в реальных условиях вне помещений, а высокая цена импортной аппаратуры сдерживала массовое внедрение этих комплексов в практику.

Повышение требований к технической оснащенности антитеррористических и других спецподразделений поставило на повестку дня целый комплекс задач по созданию и развитию массового производства отечественной рентгеновской досмотровой и поисковой аппаратуры, отвечающей современным требованиям к ее основным эксплуатационным параметрам: малые вес и габариты переносной аппаратуры, высокая производительность при высоком качестве рентгеновских изображений, возможность эксплуатации в условиях ограниченного доступа к объекту, безопасность персонала, работа в широком диапазоне климатических условий. Необходимость реализации указанных требований явилась предпосылкой к постановке и выполнению данной работы, обусловив ее актуальность

Актуальность работы подтверждена также рядом указов Президента Российской Федерации и постановлений Правительства Российской Федерации, в том числе:

- постановлением Правительства РФ от 10 Марта 1999 г. №270 «О Федеральной целевой программе по усилению борьбы с преступностью на 1999-2000 годы»;

- указом Президента РФ от 23 сентября 1999 г. № 1255с «О мерах по повышению эффективности контртеррористических операций на территории Северо-Кавказского региона Российской Федерации» (с изм. и доп. от 22 января 2001 г., 30 июня 2003 г.).
Цель работы

Целью работы является создание мобильных рентгеновских интроскопов, предназначенных для оснащения антитеррористических подразделений правоохранительных органов, дефектоскопических лабораторий строительных организаций ТЭК, на основе развития методов рентгеновской интроскопии, разработки специальной элементной базы, внедрения современных технологий и освоения серийного производства отечественной рентгеновской аппаратуры.


Реализация поставленной цели достигается решением ряда задач

1. Анализ существующих технологий и средств рентгеновской диагностики применительно к задачам досмотра транспортных средств, багажа, ручной клади, отдельных предметов и упаковок. Исследование методических и технических особенностей разминирования штатных и самодельных взрывных устройств. Исследование характерных демаскирующих признаков устройств съема информации. Оптимизация номенклатуры технических средств рентгеновской диагностики. Выработка тактико-технических требований к рентгеновской технике, обеспечивающих качественное улучшение деятельности специальных подразделений, направленной на снижение вероятности осуществления терактов, обеспечение информационной безопасности, безопасности объектов государственной охраны и техногенных катастроф.

2. Разработка новых технологий для создания высоковольтной элементной базы, а именно: рентгеновских трубок, газонаполненных разрядников, низкоимпедансных высоковольтных конденсаторов. Создание соответствующей технологической базы и освоение серийного выпуска изделий.

3. Разработка математических моделей и алгоритмов расчета импульсных рентгеновских генераторов на основе трансформатора Тесла, работающих как на первой, так и на второй полуволне.

4. Разработка модели и определение условий локализации неоднородностей в досматриваемом объекте методом обратно рассеянного излучения.

5. Создание мобильных рентгеновских интроскопов, предназначенных для решения задач по обеспечению безопасности государственных объектов страны, проведение ее сертификации, наладка серийного выпуска, обеспечение оснащения разработанной техникой специальных подразделений правоохранительных органов и дефектоскопических лабораторий, отработка методики и технологии их применения.


Методы исследований

Теоретические исследования проводились с использованием методов математического анализа, теории вероятностей и математической статистики. Решение дифференциальных уравнений выполнялось методом Рунге-Кутта 4-го порядка.

Математическое моделирование проводилось с использованием пакета Visual Studio на языке программирования С ++.

Экспериментальные исследования выполнялись с использованием высокочастотных осциллографов, специально разработанных импульсных дозиметрических приборов, высоковольтных делителей, шунтов и других стандартных методов и средств.

Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований достигалось путем через использования сертифицированных и поверенных образцов, мер, а также метрологически поверенной аппаратуры.
Научная новизна работы

Для реализации поставленной цели были выполнены комплексные теоретические и экспериментальные исследования и научно-технические разработки, обеспечившие достижение качественно нового технологического уровня в данной области, в том числе

1) теоретически и экспериментально исследованы процессы взаимодействия прямого и обратного рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 10 до 100 кэВ с различными материалами и изделиями из них. Определены условия, необходимые для локализации типовых объектов при обратном рассеянии по критерию отношения сигнал/шум. Исследованы и определены предельная толщина и чувствительность контроля многослойных конструкций на основе метода обратно рассеянного излучения в зависимости от параметров рентгеновского излучения;

2) разработаны математические модели импульсных рентгеновских аппаратов на основе различных схем построения с учетом эффекта близости, скин-эффекта, емкостных связей индуктивности первичного контура. Теоретически установлены и экспериментально подтверждены зависимости влияния конструктивных, технических (габаритные размеры, количество витков, способ намотки), физических (коэффициент связи, рассогласованность частот, сопротивление, емкость, индуктивность) параметров трансформатора на КПД передачи энергии из емкостного накопителя первичного контура во вторичный контур;

3) разработаны алгоритмы оптимизации параметров трансформатора при передаче энергии на первой и второй полуволне;

4) теоретически и экспериментально исследовано влияние величины разрядной емкости на суммарный выход рентгеновского излучения за период ресурса импульсной рентгеновской трубки. Сформулированы принципы выбора величины разрядной емкости в импульсных интроскопах в зависимости от толщины и плотности контролируемого материала.



Практические результаты работы

Разработаны и поставлены на серийное производство рентгеновские комплексы специального назначения стационарного и портативного исполнения, значительно превосходящие по своим характеристикам лучшие отечественные и зарубежные образцы или не имеющие аналогов:

1. Для оперативного обследования отдельных предметов и объектов в масштабе реального времени и в условиях ограниченного времени досмотра – малодозовый портативный рентгеновский комплекс «Шмель-90/К».

2. Для оперативного обследования отдельных предметов и объектов в полевых усло-виях – портативные рентгенотелевизионные комплексы («Шмель-240ТВ», «Колибри-150ТВ») с предельной просвечивающей способностью по стали до 40 мм, разрешением не хуже 0,12 мм, общей массой не более 25 кг, автономным питанием, работающие в широком температурном диапазоне -30+60 °С. «Шмель-240ТВ» - единственный портативный комплекс, позволяющий осуществлять в нестационарных условиях досмотр топливных баков и газовых баллонов автотранспорта.

3. Для оперативного обследования крупногабаритных объектов (автотранспорта и помещений), а также подповерхностного контроля объектов при реализации только одностороннего доступа – ручной рентгеновский сканер «Ватсон», выявляющий неоднородность структуры за пластиком (45 мм), резиной (25 мм), сталью (1,5 мм) и мобильный рентгеновский сканер «Ватсон-ТВ» с визуализацией рентгеновского изображения, разрешающей способностью 0,6 пар линий на мм. Рентгеновский сканер «Ватсон» не имеет аналогов.

4. Для контроля качества сварных соединений при строительстве и проведении регламентных работ газо-нефтепроводов различного сечения - портативные рентгеновские аппараты «Шмель-220/250» и «Шмель-350», обеспечивающие просвечивания материалов, с толщиной эквивалентных по ослаблению рентгеновского излучения стали от 6 до 50 мм, с чувствительность контроля по 2 классу ОСТ 102-51-85, работающие в широком температурном диапазоне от -40 до +60 °С.

5. Специальной рентгеновской техникой, разработанной в рамках данной работы, оснащены: таможенные пункты пропуска, метрополитены России, центральные железнодорожные и автовокзалы России, а также практически все подразделения ОМОН, мобильные взрывотехнические лаборатории. На основании ведомственной программы продолжается переоснащение современной техникой территориальных органов ФСБ России и подразделений ФСО, осуществляющих охрану организаций и отдельных лиц, представляющих Российскую Федерацию за рубежом.

Всего за период с 1993 по 2008 г.г. изготовлено и поставлено в спецподразделения МО, МВД, ФСБ, ФСО, ФТС, ФСИН России более 1200 единиц разработанной рентгеновской техники.

6. Изготовлено и поставлено в различные организации ТЭК России более 900 импульсных рентгеновских интроскопов серии «Шмель» модели на 220, 250, 350 кВ. Только аппаратами «Шмель» проконтролировано более 20 000 км магистральных газо-нефтепроводов.

С помощью разработанной техники с 1993 по 2008 г.г. обнаружено и обезврежено более тысячи взрывных устройств, обнаружено несколько тысяч контрабандных товаров и ограниченных к свободному перемещению предметов.

7. Внедрение разработанной техники позволило

- снизить вероятность проведения терактов за счет своевременного обнаружения взрывных устройств при их ввозе в страну и перемещении;

- ограничить утечку сведений, составляющих государственную тайну, вследствие упреждающего обнаружения прослушивающих устройств, внедренных в оргтехнику, линии связи, оборудование, помещения государственных учреждений;

- обеспечить безопасность объектов государственной охраны в период официальных визитов и командировок;

- увеличить в 3-4 раза пропускную способность контрольно-пропускных пунктов на государственной границе, в том числе и необорудованных, путём сокращения до 10 раз времени досмотра автотранспорта и багажа;

- повысить эффективность обезвреживания замаскированных самодельных и штатных взрывных устройств за счёт ускорения их бесконтактной идентификации и определения конструкции исполнительного механизма, а также безопасность сапёров при обезвреживании;

- повысить производительность труда при проведении контроля сварных соединений в экстремальных условиях севера и юга России.
Защищаемые положения

1.Теоретические исследования взаимодействия прямого и обратного рентгеновского излучения с многослойными конструкциями. Обоснование выбора диапазона оптимальных энергий излучения при регистрации обратно рассеянного излучения по критерию отношения сигнал/шум.

2. Теоретические исследования по созданию математических моделей преобразования энергии в трансформаторе Тесла.

3. Новые алгоритмы оптимизации параметров трансформатора Тесла и созданные на их основе импульсные интроскопы.

4. Технические решения при создании мобильных интроскопов и их конструкции.

5. Технологические решения при создании высоковольтной элементной базы.

6. Новые методы измерений при разработке импульсных интроскопов.
Апробация работы

Основные результаты работы опубликованы в отечественных периодических изданиях, докладывались и обсуждались на российских и международных научных конференциях, приборы автора демонстрировались на различных международных выставках и были оценены 9 медалями.


Публикации

34 научные работы, включая публикации в журналах, тезисы докладов научно-технических конференций, отчеты НИОКР с государственной регистрацией, 6 авторских свидетельств СССР и 2 патента РФ.


Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включаю-щего 111 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 198 страницах, включая 63 рисунка и 38 таблиц.



КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении сформулированы цель работы и проблема, подлежащая решению. Показана актуальность темы диссертации. Сформулированы научная новизна и практическая ценность работы. Приведены сведения об ее апробации.
Первая глава посвящена анализу средств и методов рентгеновской интроскопии и определению путей дальнейшего развития данного направления.

В разделе «Рентгеновский метод и средства интроскопии, предназначенные для поиска и досмотра на основе метода проникающего излучения» проводится анализ состояния оснащения правоохранительных органов средствами рентгеновской интроскопии, обобщаются задачи, стоящие перед подразделениями различных силовых структур.

Отечественные силовые структуры остро нуждались в эффективной рентгеновской технике, способной осуществлять досмотр полостей автотранспорта, подозрительных объектов, оргтехники, помещений. При этом техника должна быть безопасной для оператора, получать изображения досматриваемых объектов в реальном масштабе времени с уровнем качества, сравнимым с рентгеновской пленкой, в том числе и в полевых условиях при отрицательных температурах.

В связи с этим одной из целей настоящей работы стало создание рентгеновской специальной техники для противодействия терроризму, обеспечения общественной и государственной безопасности за счет развития рентгеновского метода, внедрения современных технологий, освоения серийного производства отечественных комплектующих и создания собственного программного обеспечения.

Анализ задач, стоящих перед различными силовыми ведомствами, позволил, получить данные, приведенные в табл. 1, из которых следует, что представляется целесообразным разработать одновременно удовлетворяющие требованиям различных ведомств портативные рентгенотелевизионные интроскопы с просвечивающей способностью более 40 мм по стали (газовые баллоны, бензобаки, технологические полости), общей массой не более 25 кг, всепогодного исполнения. Однако создание таких интроскопов требовало разработки импульсного рентгеновского аппарата с напряжением 240-250 кВ и общей массой не более 10 кг, включая автономный источник электропитания. Анализ номенклатуры и характеристик серийно выпускаемых импульсных рентгеновских аппаратов показал невозможность их использования в интроскопах. Дальнейшее развитие сдерживало отсутствие специальной элементной базы, удовлетворяющей критериям надежности, ресурса, массо-габаритным параметрам, которая обеспечивала бы условия эффективного преобразования энергии от аккумуляторных батарей в энергию рентгеновского излучения.

В разделе «Рентгеновский метод и средства интроскопии, предназначенные для поиска и досмотра на основе метода обратно-рассеянного излучения» приводятся обзор и анализ существующих средств досмотра, основанных на методе регистрации обратно рассеянного излучения. Отмечается, что данный метод не имеет альтернативы в случае невозможности двустороннего доступа к досматриваемому объекту.

Подробный анализ технических параметров, выпускаемых интроскопов, приведенных в табл. 2 и 3, позволяет сделать вывод о целесообразности дальнейшего развития метода регистрации обратно-рассеянного излучения с последующим созданием мобильного (передвижного) и портативного (ручного) сканера:

1. Мобильный комплекс должен получать изображение содержимого объекта контроля и может быть применен в тех случаях, когда использование портативных рентгенотелевизионных комплексов ограничено или невозможно в силу необходимости организации двустороннего доступа к объекту. Подобный мобильный комплекс позволит производить контроль стен, полов, потолков помещений на наличие устройств съема информации и взрывных устройств. Он также может быть использован для обнаружения противопехотных и противотанковых мин.

2. Ручной рентгеновский сканер должен представлять результаты досмотра в цифровом или аналоговом виде, где значению уровня рассеянного излучения соответствует текущее положение прибора. В качестве источника излучения необходимо использовать рентгеновский

генератор, применение которого позволяет расширить динамический диапазон, а следовательно и чувствительность метода. Ручной сканер не дает возможности получить четкое изображение, а лишь позволяет определить его общие контуры. С помощью данного сканера можно значительно ускорить досмотр однотипных полостей и деталей (колес, дверных полостей автотранспорта, внутренних перегородок пассажирских железнодорожных вагонов, мебели и т.п.).

Мощным средством моделирования процессов взаимодействия частиц и излучения с веществом является набор средств программирования (программная библиотека) GEANT, в котором используется метод Монте-Карло и предусмотренны средства описания различного рода взаимодействий в общем виде. Это позволяет задать практически любую геометрию, химический состав, количество объектов, участвующих во взаимодействии, учесть различные

Таблица 1

Перечень задач, которые необходимо решать подразделениям различных силовых ведомств



Задача

Министерство, ведомство, служба

Применение

1

Борьба с терроризмом


МВД России

ФСБ России



Обследование транспортных средств, контейнеров, бесхозных сумок и прочих объектов с целью обнаружения оружия, взрывчатых веществ и взрывных устройств.

Определение конструкции исполнительного механизма при обезвреживании взрывных устройств



2

Противодействие распространению наркотических веществ

Противодействие неза-конному ввозу и выво-зу материальных, худо-жественных и истори-ческих ценностей



ФТС России,

ФСКН России



Досмотр транспортных средств, багажа и грузов с целью обнаружения наркотических веществ и контрабанды



3

Обеспечение безопасности объектов государственной охраны

ФСО России

Досмотр подарков, сувениров и других предметов, поступающих в адрес объектов государственной охраны

4

Обеспечение информационной безопасности

Подразделения РЭБ МО, ВМФ, ФСБ России

Досмотр стен, перекрытий, перегородок, линий связи, мебели и оргтехники с целью обнаружения устройств съема информации

Таблица 2

Досмотровые комплексы на основе регистрации обратно рассеянного излучения

Наименование

Тип исполнения

Используемый источник излучения

Общая масса

Страна-производитель

Комплекс Shaped Energy System

стационарный (досмотр грузового автотранспорта)

ускоритель

3,8 МэВ





США

Рентгеновский комплекс Cargo Search

стационарный (досмотр грузового автотранспорта и контейнеров)

рентгеновский аппарат 450 кВ




США

Рентгеновский комплекс Mobile Search

мобильный на автомобильном шасси (досмотр грузового автотранспорта и контейнеров)

рентгеновский аппарат 450 кВ

18 900 кг

США

Рентгеновский комплекс 101 Van Micro-Dose Inspection System

мобильный на автомобильном шасси (досмотр грузов и багажа)

рентгеновский аппарат 140 кВ

6 150 кг

США

Таблица 3

Ручные сканеры на основе регистрации обратно рассеянного излучения



Наименование

Тип исполнения

Используемый источник излучения

Общая масса

Страна-производитель

Ручной сканер Buster

портативный ручной (проверка помещений, досмотр транспортных средств)

изотоп 133Ba

1,2 кг

США

виды взаимодействий всех порядков, спектр источника излучения.

Недостатками использования программной библиотеки GEANT являются большой объем работ по написанию программы, а также необходимость больших вычислительных мощностей и значительный штат сотрудников для проведения вычислений. Поэтому GEANT целесообразно использовать, например, при разработке и моделировании уникальных дорогостоящих установок для изучения процессов взаимодействия элементарных частиц с веществом. Для количественных оценок параметров рентгеновских интроскопов целесообразно применять приближенные упрощенные модели.

Существует модель для определения интенсивности обратно рассеянного рентгеновского излучения от слоя однородного по химическому составу материала, за которым находится инородный объект. Она построена в предположении, что единственным видом взаимодействия излучения с веществом является рассеяние. В нашем случае, когда должно анализироваться в первую очередь изменение интенсивности обратно рассеянного излучения, вызванное наличием инородного объекта, данный подход использовать нецелесообразно из-за ограничений и недостатков, которыми он обладает.

Таким образом, необходимо использовать иную модель зависимости интенсивности обратно рассеянного излучения от характеристик инородного объекта и преграды, за которой он находится. Для определения возможностей рентгеновского устройства, основанного на регистрации обратно рассеянного излучения, необходимо также определить критерии выявления инородного объекта.

В разделе


следующая страница >>
Смотрите также:
Разработка новых технологий и конструкций мобильных рентгеновских интроскопов
856.47kb.
5 стр.
Разработка эффективных технологий упрочнения поверхностей деталей машин и конструкций
25.62kb.
1 стр.
Хрупкое разрушение деталей конструкций мобильных энергетических средств Б. Н. Орлов, В. А. Евграфов
40.62kb.
1 стр.
Разработка визуального конструктора мобильных приложений
65.93kb.
1 стр.
«Информационные технологии в образовании» Центр новых педагогических технологий Московский областной общественный фонд новых технологий в образовании
8197.28kb.
45 стр.
3. Разработка новых математических и статистических методов и технологий обработки археологических данных для палеолитических объектов
1101.13kb.
5 стр.
Лаборатория беспроводных и мобильных технологий Петргу-nokia-nsn: организация и результаты
58.72kb.
1 стр.
Методика применения мобильных технологий в преподавании иностранных языков: этапы развития и современные тенденции
168.34kb.
1 стр.
Основными направлениями информатизации колледжа являются
112.6kb.
1 стр.
Описание системы видеонаблюдения watchdog
205.18kb.
1 стр.
О группе компаний ланит ланит – «ЛАборатория Новых Информационных Технологий»
14.3kb.
1 стр.
Инвестиции и новые технологий это приоритеты для России и Канады. Приоритетами для России и Канады сегодня являются вопросы, связанные с инвестициями, внедрением новых технологий, новых агротехнических приемов в сельском хозяйстве
14.12kb.
1 стр.