National research Tomsk State University, Russia

¹ National research Tomsk State University, Russia

The purpose of this work is the study of the effects of different organic coatings on nano-sized aluminum powder combustion characteristics and content of solid combustion product for high-energy composition in a wide pressure range.

Investigations were carried out on mixed compositions containing ammonium perchlorate and inert fuel-binder in the pressure range from 0.03 to 6.0 MPa. As the metal fuel Alex + fluoro-organic coating, Alex + heterocyclic organic compound were used.

A study of modified powders by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) as well as study of modified powders oxidation by heating in air using TGA and DTA were done. Analysis of the results shows the influence of the nature of organic coating for Alex powder on the morphology and oxidation activity.

The determined ballistic performances showed a significant effect of coating type on the burning rate, dependence of the burning rate vs. pressure and on the condensed combustion product content.

The chemical composition of the condensed phase, the crystal structures and their volumetric content were determined by X-ray diffraction with Shimadzu XRD 6000 diffractometer.

1. Vorozhtsov A., Gromov A., Lerner M. еt al. Characterization and analysis of al nanoparticles passivated with organic layers for energetic applications // Energetic Materials for High Performance, Insensitive Munitions and Zero Pollution: 41 International Annual Conference of ICT – Karlsruhe, Germany, June 29 – July 02, 2010. – Karlsruhe, Germany: Fraunhofer ICT, 2010. – P. 1–10.

2. Arkhipov V.A., Vorozhtsov A.B., Gorbenko T.I. et al. The influence of metallic fuel reactivity on the combustion characteristics of high energy materials // High Energy Materials: Demilitarization, Antiterrorism and Civil Application: Abstracts of VI International Workshop HEMs-2012. – Biysk: Publ. house AltSTU, 2012. – P. 40–41.


БЕТАТРОННЫЙ ТОМОГРАФ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

В.П. Карих, А.А. Скоков

В настоящее время имеются технические возможности для создания отечественного томографа для контроля крупногабаритных изделий цилиндрической формы. Сканирующие системы для них и программное обеспечение для компьютерной томографии на протяжении многих лет успешно разрабатываются в ФНПЦ «Алтай». Имеющийся в настоящее время автоматизированный сканер позволяет позиционировать изделие с точностью до 0,25 мм. В отличие от зарубежных аналогов он предназначен для горизонтального расположения изделия.

В рентгеновской компьютерной томографии рассматривают пять поколений томографов, каждое из которых определяется своей схемой сканирования [1, 2]. В промышленной томографии в основном применяются томографы второго и третьего поколений. Для горизонтального сканера наиболее подходит томограф третьего поколения, схема сканирования которого приведена на рисунке 1.

2 – объект; 3 – источник излучения

При томографии крупногабаритных объектов применяют источники жесткого тормозного излучения – ускорители электронов с энергией до 10…20 МэВ. Основная часть пучка излучения сосредоточена в конусе, раствор угла которого уменьшается с увеличением энергии электронов. Так, для электронов с энергией 10 МэВ раствор пучка составляет 12…15 , а при 20 МэВ – примерно в два раза ýже. Для реализации томографа третьго поколения с полем облучения 1 м потребуется расположить источник тормозного излучения с энергией 10 МэВ на расстоянии 5 м от центра объекта, а при 20 МэВ – 10 м. Линейка детекторов должна регистрировать излучение веерного пучка, перекрывающего все сечение объекта. Следовательно, томограф третьего поколения известной конструкции с источником жесткого тормозного излучения представляется достаточно громоздким и содержащим большое количество детекторов. Рассмотрим возможность создания такого томографа, в котором сокращено количество детекторов, уменьшены габариты, а при получении томограммы выполняется только вращательное движение, как в томографе третьего поколения. При этом должно сохраниться качество томограммы и скорость ее получения.

На рисунке 2 представлена схема сканирования, в котором веерный пучок перекрывает не все сечение объекта, а лишь половину. Сканирование производится поворотом объекта на 360 . Очевидно, что за один оборот получается полный набор данных для реконструкции томограммы. Измеренные данные веерного пучка можно «переупаковать» в параллельные проекции, а затем провести реконструкцию.




________________________________

Рисунок 2 – Схема сканирования томографа третьего поколения с половинным полем облучения: 1 – линейка детекторов; 2 – объект; 3 – источник излучения

____________________________________

В предлагаемом томографе вдвое уменьшаются количество детекторов и расстояние от источника до центра объекта при том же разрешении. Для оценки времени сканирования следует учитывать изменение интенсивности пучка для лучей, проходящих через центр объекта, поскольку здесь толщина объекта и поглощение излучения максимальны.

Пучок тормозного излучения из мишени ускорителя имеет угловое и энергетическое распределение, которое достаточно точно определяется следующим выражением [3]:

где k – энергия вылетающего фотона (здесь и далее энергия выражается в безразмерных единицах, приведенных к энергии покоя электрона); Е₀ – начальная энергия электрона; t – толщина мишени, см; – приведенный угол рассеяния (здесь θ – угол между направлениями вылетающего фотона и налетающего электрона); n – число падающих электронов; N₀ – число атомов в 1 см³ мишени; ρ – плотность мишени, г/см³; µ – линейный коэффициент ослабления фотонов в материале мишени; – характеристика материала мишени (для вольфрама 144 см²/г); – величина, близкая к оптимальной толщине мишени (для вольфрама 2,5 г/см²).

Согласно рисунку 3, диаграмма направленности вытянута вперед и уменьшается для лучей, отстоящих от центрального. Для электронов с энергией 10 МэВ интенсивность тормозного излучения на краях веерного пучка уменьшается вдвое (рисунок 4, а) при угле распространения 10 . При сокращении расстояния от источника до центра объекта L в два раза интенсивность регистрируемого излучения возрастет в четыре раза как для крайнего луча веера, так и для центрального (рисунок 4, б). При этом через центр объекта будет проходить не центральный луч веера, а крайний, интенсивность которого в два раза больше, чем в томографе-аналоге (см. рисунок 4). Это позволяет в два раза увеличить скорость сканирования. Но ввиду того, что требуется поворот на 360  вместо 180  в предлагаемом томографе необходимо то же время, что и в томографе-аналоге.

а б

Рисунок 4 – Значения интенсивности регистрируемого излучения I для томографа

с полным (а) и половинным (б) полем облучения
Для проверки работоспособности алгоритма реконструкции томограммы по данным просвечивания веерным пучком с половинным полем облучения была разработана программа компьютерного моделирования, включающая в себя формирование проекционных данных, «переупаковку» половинных веерных проекций в параллельные, расчет и визуализацию томограммы. На рисунке 5 представлены томограммы, полученные по данным параллельного, веерного и половинного веерного пучков, и соответствующие графики распределения линейного коэффициента ослабления вдоль горизонтальной прямой, проходящей через центр томограммы.

а	б	в

Рисунок 5 – Томограммы, полученные по данным параллельного (а), веерного (б) и половинного веерного (в) пучков, и графики распределения линейного коэффициента ослабления

В первом случае реконструкция производилась методом обратного проецирования фильтрованных параллельных проекций [4], во втором – методом обратного проецирования фильтрованных веерных проекций [4], в третьем – «переупаковкой» проекций половинного веерного пучка в параллельные с последующей реконструкцией.

Заметного различия качества томограмм не наблюдается.

Выводы

В предлагаемой конструкции томографа, по сравнению с традиционной, вдвое уменьшается количество детекторов и сокращается расстояние от источника изучения до центра просвечиваемого объекта при сохранении качества томограммы и времени сканирования. Такая конструкция томографа применима для источника тормозного излучения с энергией 10…20 МэВ. При дальнейшем увеличении энергии пучок становится более узким, и в этом случае эффективнее схема второго поколения.

1. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям: основы реконструктивной томографии / Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 352 с.

2. Календер В. Компьютерная томография: Основы, техника, качество изображений и области клинического использования. – М.: Техносфера, 2006. – 344 с.

3. Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов. – М.: Атомиздат, 1979. – 198 с.

4. Введение в современную томографию / К.С. Терновой, М.В. Синьков, А.И. Закидальский и др. / Под общ. ред. К.С. Тернового, М.В. Синькова – Киев: Наукова думка, 1983. – 232 с.

BETATRON TOMOGRAPH FOR NONDESTRUCTIVE TESTING OF PRODUCTS OF HIGH-ENERGY MATERIALS

V.P. Karikh, A.A. Skokov

Nowadays, there are technical possibilities for creation of a domestic tomograph for controlling large-size cylindrical products. Development of scanning systems for large-size products and the software for a computer tomography have been successfully performed in FR&PC «ALTAI» for many years. The automated scanner available now allows positioning a product with accuracy of 0,25 mm. It is intended for a horizontal arrangement of a product, and this is its difference from foreign scanners.

Five generations of tomographs, each of them is defined by the scanning scheme in an X-Ray computer tomography are discussed [1, 2]. Mainly, tomographs of the second and third generations are applied in an industrial tomography. We will discuss a tomograph of the third generation as it is the most compatible with the horizontal scanner. The scanning scheme is schematically represented in Figure 1.

3 – radiation source

Sources of hard braking radiation – electron accelerators with energy up to 10…20 MeV at a tomography of large-size objects are applied. The basic part of a radiation beam is concentrated in a cone, the opening of angle decreasing with the increase in electron energy. So, the opening of beam is 12…15  for electron with energy of 10 MeV, and at 20 MeV is approximately twice narrower. To realize the 3rd generation tomograph with a irradiation field of 1 m it is required to arrange a source of braking radiation with energy of 10 MeV at a distance of 5 m from the object center, and at 20 MeV – 10 m. Line of detectors should register radiation of the fan beam covering all section of object. Hence, the third generation tomograph of a known design with a source of hard braking radiation is very bulky and contains a large number of detectors. Let's consider the possibility of creating a tomograph with reduced number of detectors, small in size, and where only the rotation motion is used to receive tomograms as in the third generation tomograph. Thus, quality of the tomogram and speed of its reception remain the same.

The scanning scheme (Figure 2) where the fan beam covers not all section of object, but only half of it presented. Scanning is made by turning the object by 360 °. It is obvious that one rotation gives the full data set for tomogram reconstruction. It is possible to «repack» the measured data of a fan beam in parallel projections, and then to carry out its reconstruction.




_________________________________

Figure 2 – Scanning scheme of the third generation tomograph with half radiation field: 1 – line of detectors; 2 – object; 3 – radiation source

____________________________________

In the tomograph we offered the number of detectors is twice decreased at the same resolution and the distance from a source to the object center is twice reduced. To estimate the time of scanning it is necessary to consider the change in beam intensity for the rays passing through the center of object as the object thickness in this place is maximal, and there is the greatest absorption of radiation.

The beam of braking radiation from an accelerator target has angular and power distribution which is enough precisely defined by the following expression, given in [3]:

, (1)

where k – energy of a flying out photon (hereinafter energy is expressed in the dimensionless units led to electron rest energy); Е₀ – initial electron energy; t – targets thickness (cm); – stated angle of dispersion: (θ – angle between directions of a photon and flying electron); n – number of falling electrons, N₀ – number of atoms in 1 cm³ of a target; ρ – target density, g/cm³; µ – linear attenuation factor of photons in a target material; – material characteristic of a target (for Tungsten 144 cm²/g); – magnitude close to an optimum thickness of a target (for Tungsten 2,5 g/cm²).

Angular dependence of intensity of the braking radiation generated from a Tungsten target by electrons with energy of 10 MeV, received under the formula (1) is presented in Figure 3.

According to Figure 3, the orientation diagram is extended forward, and decreases for beams far from the center. The intensity of braking radiation at edges of a fan beam decreases twice (Figure 4, a) at angle of distribution 10 ° and for electrons with energy of 10 MeV. On reducing the distance from a source to the object center two-fold the intensity of registered radiation will increase four-fold, both for an end fan beam and center (Figure 4, b), through the center of object passing not the central fan beam, but the end one having intensity twice large than in tomograph-analogue (Figure 4). It allows increasing the speed of scanning two-fold. The time of scanning will remain the same due to the necessity of rotating by 360 ° in the offered tomograph instead of 180 °.

а	b	c

In the first case reconstruction was made by a method of back projection of the filtered parallel projections [4], in the second by method of back projection of the filtered fan projections [4], in the third case by «repacking» half-fan beam projections into parallel projections with the subsequent reconstruction. Significant distinction in tomograms quality it is not observed.

The advantages of the tomograph offered are as follows. The number of detectors and the distance from a radiation source to the center of object are reduced twice, the quality of tomograms and scanning time remaining the same. The design of a tomograph can be applied for a source of braking radiation with energy of 10–20 MeV. At the further increase in energy the beam becomes narrower, the scheme of the second generation in this case being more effective.

1. Herman G. Image reconstruction from projections: the fundamentals of computerized tomography. – M.: Mir, 1983. – 352 p.

2. Kalender W. Computed tomography: fundamentals, system technology, image quality, and clinical applications. – M.: Tehnosfera, 2006. – 344 p.

3. Kovalev V.P. Secondary radiations of electrons accelerators. – М.: Atomizdat, 1979. – 198 p.

4. Introduction in a modern tomography / K.S. Ternovoy, M.V. Sinkov, A.I. Zakidalskij, etc. / Ed. by K.S. Ternovoy, M.V. Sinkov– Kiev: Nauk. Dumka, 1983. – 232 p.




УДАРНО-ВОЛНОВОЙ СИНТЕЗ ЛИГАТУР ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ

ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

С. Ворожцов¹, А. Аверин², A. Ворожцов¹, Д. Эскин^{1, 3}