Экспериментальные исследования статических и динамических объектов на протонном микроскопе в ИТЭФ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный научный центр Российской Федерации -Институт Теоретической и Экспериментальной Физики» Национального исследовательского центра «Курчатовский Институт»

На правах рукописи

Канцырев Алексей Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ПРОТОННОМ МИКРОСКОПЕ В ИТЭФ

Специальность 01.04.01. Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9 МАП 2014

Москва 2014 год.

005549529

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Государственный научный центр Российской Федерации -Институт теоретической и экспериментальной физики» Национального исследовательского центра «Курчатовский Институт», г. Москва

Научный руководитель:

Голубев Александр Александрович, доктор физико-математических наук, зам. директора, ФГБУ "ГНЦ РФ ИТЭФ" НИЦ «Курчатовский Институт», г.

Официальные оппоненты:

Трубников Григорий Владимирович, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, и.о. вице-директора, Объединенный Институт Ядерных Исследований, г. Дубна.

Фещенко Александр Владимирович, доктор физико-математических наук, зав. отделом ускорительного комплекса, Федеральное государственное бюджетное учреждение Институт Ядерных Исследований РАН, г.Троицк.

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество "Московский радиотехнический институт Российской Академии Наук", г. Москва.

Защита состоится "24" июня 2014 г. в 11.00 на заседании диссертационного совета Д 201.002.01 в конференц-зале ФГБУ "ГНЦ РФ ИТЭФ" по адресу: г. Москва, ул. Большая Черемушкинская, д. 25

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан 23 мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

Москва.

Общая характеристика работы Актуальность работы.

Исследования по физике высокой плотности энергии в веществе необходимы для получения новых знаний о физических процессах и свойствах материалов в условиях сверхвысоких давлений, плотностей и температур. Крайне важной задачей является измерение параметров вещества (плотности и давления) в экстремальном состоянии под воздействием импульсного драйвера (тяжелоионный пучок, ударная волна, электровзрыв проводника и т.д.) [1]. Большинство существующих в настоящий момент экспериментальных методик не позволяют получать прямую (абсолютную) информацию о ряде важных характеристик вещества, таких как его плотность и микроструктура непосредственно в ходе динамического процесса. Такие возможности предоставляет радиографическое исследование с использованием высокоэнергетичных пучков заряженных частиц (в том числе протонов), нейтронов, либо рентгеновского излучения.

Протонная радиография [2] с применением высокоэнергетичных (>800 МэВ) протонов обладает большей просвечивающей способностью по отношению к рентгеновскому излучению (средняя длина свободного пробега протонов для мишени из тяжелых металлов —200 г/см2, что более чем в восемь раз больше чем для ренгеновский лучей с энергией ~4 МэВ). Это особенно актуально при исследовании плотных динамических мишеней. Структура протонного пучка для линейных и кольцевых ускорителей протонов, обычно состоит из многих последовательных импульсов (так называемых банчей длительностью 10-100 не), что облегчает создание многокадровой системы

регистрации радиографических изображений. Существующие протонно-радиографические установки на ускорителях протонов в России [3] и США [2] наглядно показали преимущества метода протонной радиографии по сравнению с традиционными рентгенографическими методами диагностики при исследовании плотных объектов, особенно в динамических опытах. Наилучшее пространственное разрешение для протонной радиографии достигается на установках с увеличением изображения, построенных по схеме протонного микроскопа, что определяет актуальность создания подобной установки в России и проведение с ее помощью исследований динамических процессов.

Цели диссертационной работы

Целями работы являются: разработка и создание протонно-радиографической установки с увеличением изображения исследуемого объекта, построенной по схеме протонного микроскопа и расчитапной на исследование динамических и статических объектов массовой толщиной до 20 г/см2 с полем обзора 15-20 мм с высоким (лучше 100 мкм) пространственным разрешением; проведение исследований ударно-волновых процессов с применением взрывных генераторов ударных и детонационных волн с характерной длительностью исследуемого процесса около одной микросекунды; автоматизация управления установкой, линией транспортировки пучка, сбора и обработки экспериментальных данных.

Научная новизна

Впервые в России разработана и создана протонно-радиографическая установка с увеличением изображения объектов (к=4) - протонный микроскоп ПУМА (с пространственным разрешением до 60 мкм и временным разрешением 50 не), предназначенная для проведения исследований

распределения плотности статических и динамических объектов. На созданной установке ПУМА проведены экспериментальные исследования по измерению распределения плотности детонационных волн в цилиндрическом заряде эмульсионного взрывчатого вещества диаметром 15 мм, получены экспериментальные результаты по измерению параметров детонационных волн в прессованном тринитротолуоле (ТНТ) с плотностью -1.6 г/см3 и диаметром заряда 10мм, получены экспериментальные результаты по исследованию процессов откольного разрушения и струеобразования при ударно-волновом нагружении металлических объектов. Впервые методом протонной микроскопии получены экспериментальные результаты по исследованию структуры биологических объектов. Разработана и создана оригинальная комплексная система автоматизации (КСА) экспериментов и установки ПУМА, ориентированная на применение в исследованиях на ускорителях заряженных частиц и протонно-радиографических установках. С использованием КСА разработана оригинальная методика автофокусировки радиографических изображений, которая может быть применена на любой протонно-радиографической установке.

Практическая ценность Созданная протонно-радиографическая установка ПУМА с увеличением изображения объектов позволила провести ряд уникальных исследований статических и динамических мишеней на основе взрывных генераторов. Параметры созданной установки (пространственное разрешение до 60 мкм) позволяют проводить дефектоскопические и томографические исследования внутренней структуры статических объектов. Отлаженная схема установки ПУМА и полученные на ней экспериментальные данные будут использованы при создании протонного микроскопа PRIOR (Proton microscope for FAIR) в GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung , Дармштадт, Германия), который должен обеспечить проведение исследований динамических объектов (в

экстремальном состоянии вещества под воздействием тяжелоинного пучка) с рекордным пространственным (<10 мкм) и плотностным (<1%) разрешением. Созданная комплексная система автоматизации экспериментов на установке ПУМА позволила повысить эффективность использования пучкового времени ускорителя ТВН-ИТЭФ.

Результаты, выносимые на защиту

1. Первая в России протонно-радиографическая установка с увеличением изображения (к=4) исследуемых динамических и статических объектов -протонный микроскоп ПУМА с пространственным разрешением до 60 мкм при массовой толщине объектов до 20 г/см2 и временным разрешением 50 не;

2. Результаты исследования ударно-волновых процессов и статических объектов методом высокоэнергетической протонной микроскопии:

• Измерено распределение плотности за фронтом детонационных волн в заряде эмульсионного взрывчатого вещества. Показано, что при плотности заряда р~1 г/см3 и диаметре 15 мм равновероятна реализация различных режимов формирования детонационной волны (затухающая ударная волна, неустойчивый детонационно-подобный режим, стационарная детонационная волна);

• Измерено распределение плотности за фронтом детонационной волны и определена ее скорость (У=6.9±0.2 км/с) в заряде прессованного ТНТ (без оболочки) с плотностью ~1.6 г/см3 и диаметром заряда 10 мм. Показано, что распределение плотности соответствует модели Зельдовича-Неймана-Деринга;

• Показана возможность проведения исследования процессов откольного разрушения и струеобразования при ударно-волновом нагружении металлов;

• Впервые проведены исследования биологических объектов с использованием протонного микроскопа.

3. Создана оригинальная методика автофокусировки протонно-

радиографических изображений, основанная на полной автоматизации управления установкой ПУМА, сбора и обработки экспериментальных данных, диагностики пучка и линии транспортировки пучка.

Личный вклад диссертанта

Диссертант внес существенный вклад в создание, эксплуатацию и проведение экспериментов на первой в России протонно-радиографической установке с увеличением изображения объекта - протонный микроскоп ПУМА в ИТЭФ. Он участвовал в разработке схемы установки, расчете основных параметров, создании магнитооптической системы и системы регистрации протонно-радиографических изображений. Диссертант непосредственно участвовал во всех экспериментах и обработке экспериментальных данных на установке ПУМА при исследовании динамических и статических объектов. Диссертантом лично была разработана и создана универсальная комплексная система автоматизации КСА экспериментов и установки ПУМА. В процессе создания КСА диссертантом было написано программное обеспечение по сбору, сохранению и обработке экспериментальных данных, разработаны и собраны блоки управления и синхронизации, узлы мишеней и детекторов, системы управления линией транспортировки и диагностики пучка, система радиационной безопасности.

Апробация полученных результатов Основные результаты диссертационной работы многократно докладывались лично автором на российских и международных конференциях и семинарах: международном семинаре "4th International Workshop on High Energy Proton Microscopy" (Дармштадт, Германия, Июль, 2013), международной конференции "IEEE Pulsed Power & Plasma Science Conference -PPPS2013" (Сан-Франциско, США, Июнь, 2013), международных семинарах "25, 30 и 32 International Workshop on Physics of High Energy Density in Matter" (Хиршегг, Австрия, февраль, 2012, 2010, 2005), конференции "Научная Сессия МИФИ-2008" (Москва, январь, 2008), конференциях "6-я и 7-я Молодежные школы Курчатовского института" (Москва, ноябрь 2009,

2008). Результаты работы опубликованы в 8 печатных работах, 6 из которых опубликованы в реферируемых журналах и 5 входят в список ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Приложения. Объем диссертации 128 страниц, включая 74 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 63 ссылки.

Содержание работы

Во Введении сформулирована цель работы, обосновывается актуальность темы диссертации, поставлены задачи исследований, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе кратко изложены основные процессы взаимодействия высокоэнергетичного протонного пучка с веществом. Приводится описание метода протонной радиографии с использование магнитной оптики и его сравнение с методом классической рентгенографии. Дается обзор экспериментальных работ по применению метода протонной радиографии.

В главе описана схема и методика расчета магнитооптической системы протонно-радиографической установки. Рассмотрены процессы, вносящие основной вклад в трансмиссию протонного пучка, описан принцип регулировки контраста протонно-радиографических изображений с помощью изменения углового аксептанса линии транспортировки пучка. На рис. 1 показана характерная схема секции формирования изображения исследуемого объекта установки по протонной радиографии. Для минимизации хроматических аберраций и согласования магнитооптической схемы протонно-радиографической установки перед плоскостью размещения объекта устанавливается несколько квадрупольных линз.

Объект плоскость Фурье плоскость

Входящий пучок После объекта После коллиматора

-0.1 0 0.1

Угол, рад

Рис. 1 - Вверху - секция протонно-радиографической установки, служащая для формирования изображения исследуемого объекта ("русский квадруплет").

Внизу - угловое распределение пучка протонов в трех плоскостях.

Магнитная оптика установки спроектирована таким образом, что в середине формирующей секции располагается так называемая плоскость Фурье, в которой происходит промежуточная фокусировка пучка и разделение в пространстве протонов (г (на рис. 1) - радиус прохождения протонов в плоскости Фурье), набравших в исследуемом объекте различные углы многократного кулоновского рассеяния (МКР). В эту плоскость для улучшения контраста получаемых изображений помещается коллиматор или антиколлиматор, обеспечивающий отбор протонов, имеющих определённый угол МКР. Результирующая трансмиссия пучка протонов в плоскости регистрации, с учетом кулоновского рассеяния и ядерного взаимодействия, описывается выражением:

-X/ ( (6сурс\гх о4

Т = е ( 1 — е \ 13.6 ) гх

(1)

где 0С - угловой аксептанс установки, Хс - ядерная длина взаимодействия, х - массовая толщина исследуемого объекта (г/см2), х0 - радиационная длина взаимодействия, р - импульс пучка протонов, рс — скорость протонов.

Параметры Хс и Хо определяются химическим составом объекта. Измеряя трансмиссию пучка с учетом знания химического состава исследуемого объекта (кс и хо) можно определить значение х массовой толщины объекта в любой точке его поперечного сечения.

Одним из преимуществ протонной радиографии является возможность визуализации динамических процессов. Так как временная структура протонного пучка обычно состоит из нескольких импульсов (банчей длительностью 10-100 не), то регистрируя на ПЗС камеры изображение исследуемого процесса отдельно от каждого банч пучка, можно получить несколько кадров динамического процесса. В главе особое внимание уделяется необходимости построения магнитооптической схемы протонно-радиографической установки с увеличением изображения исследуемого объекта (протонный микроскоп) (для достижения наилучшего пространственного разрешения). Описываются способы обработки протонно-радиографических изображений с восстановлением данных о плотности исследуемых объектов.

Во второй главе дается общее описание экспериментальной установки. Приведены параметры ускорительно-накопительного комплекса ТВН-ИТЭФ (ТерраВатный Накопитель, Москва, Россия). Описывается линия транспортировки пучка (установка ПРИМА в ИТЭФ), на базе которой разрабатывался протонный микроскоп ПУМА. Протонный микроскоп ПУМА

позволяет проводить измерения распределения плотности вещества статических и динамических объектов с помощью пучка протонов с энергией 800 МэВ. Протонно-радиографическое изображение изучаемого объекта, помещенного в предметную плоскость установки ПУМА, формируется в плоскости детектора с коэффициентом увеличения к=4. Установка рассчитана на проведение измерений объектов с массовой толщиной до 20 г/см2 при поле обзора диаметром до 20 мм. Пространственное разрешение радиографических изображений существенно зависит от массовой толщины исследуемого объекта и составляет от 60 мкм до 115 мкм при массовой толщине объектов от 0,46 г/см2 до 17 г/см2 соответственно. Временная структура протонного пучка, состоящая из четырех импульсов длительностью 50 не (ширина на полувысоте), где каждый с интервалом между ними 250 не, позволяет исследовать динамическое состояние вещества в четырех последовательных радиографических кадрах. Схема магнитной оптики установки представляет собой систему из 7 магнитных квадрупольных линз (рис. 2). Три электромагнитные квадрупольные линзы МЛ-15 (линзы 1-3 на рис. 2) обеспечивают оптимальные параметры (размер и угловые характеристики) протонного пучка в плоскости размещения исследуемого объекта "М" (рис.2.). Для формирования и увеличения изображения объекта на плоскости регистрации "И" используется система из четырех квадрупольных магнитных линз на постоянных магнитах (ПМК) (система формирования изображения на рис. 2), имеющих высокий градиент магнитного поля (28 Т/м) при малых геометрических размерах (длины 0.16 м и 0.32 м, апертура 40 мм). Настройка резкости изображения производится продольным перемещением линз ПМК с использованием созданных линейных манипуляторов. Рассеиватель, изготовленный из железа толщиной 6 мм, служит для увеличения размеров пучка в плоскости установки объекта. Для проведения экспериментов с

динамическими объектами линия транспортировки пучка защищена входным и выходным защитными алюминиевыми окнами толщиной 3 мм.

манипулятор

вакуумная камера колшматорП элекгомагнитные \ исследуемый — линзы \ \ объект

-V

ШИй.у КА-1 у мплу

рассеиватель ¡сат01 сат02

сцинтиллятор (ЬЭО) датчик тока пучка

тм

пучок I

лин.ман.

сатОЗ

объект /

М

еШегпеГ О-

плоскость фурье

пмк

ПК линзы сат04

система согласования

система формирования изображений

изображение

Рис. 2 - Схема расположения магнитных элементов (вверху) и траектория пучка (внизу) протонного микроскопа ПУМА.

В середине системы формирования изображений (между ПМК линзами 5 и 6) формируется плоскость Фурье "К". В данной плоскости с помощью манипулятора устанавливаются латунные коллиматоры диаметром 7 или 14 мм или сцинтиллятор, служащий для настройки пучка. Полная длина установки составляет 13 м. Исследуемые объекты помещаются в вакууме (давление 10"3 торр) во взрывозащитной камере, аттестованой для применения взрывных генераторов массой до 100г в эквиваленте ТНТ. Для визуализации изображений используется сцинтиллятор: силикат лютеция (ЬБО) толщиной 2.8 мм и диаметром 80 мм. Система регистрации изображений создана на основе четырех ПЗС камер с электронно-оптическими затворами с временем экспозиции каждого кадра 100 не. Для ударно-волновых экспериментов, проводимых на установке ПУМА, был разработан лазерный

интерферометр VISAR (Velocity Interferometer System of Any Reflector), позволяющий измерять скорость перемещения поверхности динамических образцов в диапазоне до 20 км/с с точностью 10 м/с. На рис. 3 приведена фотография установки ПУМА.

Рис. 3 - Фотография протонного микроскопа ПУМА.

Расчет и оптимизация (для миминизации хроматических аберраций) схемы магнитной оптики установки ПУМА производился по программе COSY Infinity[4]. Измерение предельного разрешения установки ПУМА выполнено для статического объекта, представляющего собой латунную пластину толщиной 550 мкм (массовая толщина 0.46 г/см2), устанавливаемую перпендикулярно пучку протонов. Под пространственным разрешением установки подразумевается размытие резкой границы изображения объект-вакуум, описываемое шириной (стандартное отклонение о) аппроксимирующего гауссового распределения. На рис. 4 представлен профиль радиографического изображения края пластины. Полученное разрешение установки ПУМА, составляет а=(60 ± 5) мкм для массовой толщины объекта 0.46 г/см2. В Таблице 1 приведены основные параметры установки ПУМА.

l

0.95

Н 0.9 к

Я 0.85 и | 0.8

1 0-75 а

0.65

250 300 350 400 450 500 550 600

X, мкм

Рис. 4 - Профиль протонно-радиографического изображения края латунной пластины толщиной 550 мкм, полученного на протонном микроскопе ПУМА.

Таблица 1. Основные параметры протонного-микроскопа ПУМА

Наименование параметра Значение

Энергия протонного пучка 800 МэВ

Разброс импульса входящего пучка протонов Ар/р

Угол расходимости пучка 0.5 мрад

Пространственное разрешение изображений в зависимости от массовой толщины объектов 60 мкм (0.46 г/см2) 115 мкм (17 г/см2)

Коэффициент увеличения 4

Максимальная массовая толщина объекта 20 г/см2

Поле обзора объекта 20 мм

Максимальная интенсивность пучка протонов 1012 част/сброс

Количество банчей в сбросе пучка 4

Длительность одного банча/период 50 нс/250 не

Частота сбросов пучка 0.25 Гц

Длина установки -13 м

Угловой аксептанс установки 9 мрад

В третьей главе дается описание комплексной системы автоматизации КСА экспериментов и установки ПУМА. Система КСА[9] состоит из следующих основных частей:

• подсистема контроля и управления экспериментом (ПКУЭ), предназначена для организации автоматического считывания и обработки экспериментальных данных;

• микроконтроллерный блок управления сбросами пучка (МБУП) и синхронизации;

• подсистема контроля и управления магнитными элементами линии транспортировки пучка и диагностики пучка (ПУЭД);

• подсистема радиационной безопасности (ПОРЕ);

• сервер КСА, служащий для хранения и визуализации в сети Интернет (сайт http://plasma.itep.ru) экспериментальных данных и параметров экспериментальной установки.

Одним из преимуществ системы КСА является возможность использования стандартного лабораторного и научного оборудования (осциллографы, ПЗС камеры, и т.п.), что существенно снижает стоимость аппаратного обеспечения эксперимента. Для сбора информации с измерительных приборов создан набор из 15 типов универсальных аппаратно-программных модулей (АПМ)[9], позволяющих считывать, сохранять и обрабатывать экспериментальные данные в режиме реального времени. Каждый АПМ включает в себя измерительный, диагностический или исполнительный прибор и соответствующую ему программу считывания и математической обработки данных. Измерительная часть системы КСА представляет собой кольцевую локальную вычислительную сеть из нескольких персональных компьютеров, соединенных сетью Ethernet, для выполнения в режиме реального времени обработки сигналов детекторов, цифровых изображений и анализа данных. Передача информации от модуля к модулю в локальной сети осуществляется с использованием протокола TCP/IP Socket. В глобальную сеть на сайт http://plasma.itep.ru передается информация о текущем состоянии эксперимента. Программное обеспечение КСА написано на языках программирования Delphi ХЕ, Python, Си.

В процессе проведения экспериментов по протонной радиографии необходимо производить точную настройку магнито-оптической системы в

зависимости от массовой толщины исследуемых объектов и энергии пучка. При этом протонный микроскоп настраивается для достижения наибольшей резкости радиографических изображений исследуемых объектов. Для ускорения процесса настройки протонного микроскопа и получения наилучшего пространственного разрешения была разработана оригинальная автоматизированная методика и система для фокусировки радиографических изображений. Данная система реализована с использованием трех аппаратно-программных модулей, включающих разработанные автором программы: Р1ЮТОМ[10] для перемещения ПМК линз; 80и-1ТЕР[9] для считывания с ПЗС камер 8Ви-285 (фирма Спецтелетехника) и обработки радиографических изображений; ВеатСоп1хо1[9] для управления сбросами пучка и синхронизации. На рис. 5 показана схема взаимодействия программ в системе автоматической фокусировки радиографических изображений.

с. '-----------------.. ■ < • I

Расчет положения ПШ линз в nporpauueÇ.OSy.INFlNlTY : (Получение заиисимости позиции п.м.к. линз от : I I ■настроечной энергии пучка)

г_. ------ Фитирование полиномом

1 [•>- четвертой степени

(Расчет коэффициентов

А.В1-В4)

Beam Control \ V Программа управления г , сбросом лучка /

SDU-ITEP/ DiCam / Программа для считывания ; \ изображений с п.з.с.камеры

Радиографическое изображение статической мишени

/........ :

Построение профиля

, PROTOM

Программа для перемещения л.м.к \ линз

Дифференцирование

I

/

\

Фитирование функцией Гаусса

Minuit / Минимизация по \ /нш.п.в. с изменением 1 | значения „'настроечной энергии / \ пучка /

Рис. 5 - Блок схема системы автоматической фокусировки радиографических изображений.

Процесс настройки установки ПУМА и получение наилучшего пространственного разрешения требует примерно 30 сбросов пучка

(-10-15 минут) и проходит полностью в автоматическом режиме, что более чем в 10 раз, ускоряет процедуру настройки протонного микроскопа.

В четвертой и пятой главе приведено описание и обсуждение результатов экспериментальных исследований ударно-волновых процессов. В главе приведены результаты экспериментов по исследованию детонационной волны в цилиндрическом заряде из прессованного ТНТ диаметром 10 мм и плотностью 1.63 г/см3. На рис. 6 приведены протонно-радиографические изображения заряда в статике и в двух последовательных моментах времени, с разницей по времени 250 не, при детонации взрывчатого вещества (ВВ). На рис. 7 показаны профили радиографического изображения детонационной волны в ТНТ на оси заряда для двух последовательных моментов времени, соответствующих двум банчам пучка с интервалом 250 не, взятые для областей, отмеченных вертикальными прямоугольниками на рис. 6.

а ТНТ б в

угол разлета продуктов детонации

Рис. 6 - Радиографические изображения детонационной волны в цилиндрическом заряде ТНТ диаметром 10 мм: а - статическое изображение объекта; б, в - изображения заряда при детонации для двух последовательных кадров с интервалом 250 не. (направление

распространение детонационных волн снизу вверх) По смещению положения детонационных волн между двумя радиографическими кадрами измерена скорость стационарной детонации для данного заряда ТНТ, равная V=6.9±0.2 км/с, что в пределах погрешности измерений совпадает с литературными данными [5]. Для исследованного

заряда ТНТ проводилось численное 2Б-моделирование процесса (рис. 7т) распространения детонационной волны, согласно модели Зельдовича-Неймана-Деринга[6], а также определены поля давления и плотности в объеме мишени. Наблюдается хорошее совпадение измеренного профиля плотности с расчетным. Угол разлета продуктов детонации, определенный по данным моделирования, составляет 23.8°, что в пределах погрешности измерения совпадает со значением, найденным в эксперименте 25.0 ± 3.0°.

Рис. 7 - Профили фронта детонационной волны в ТНТ, полученные по двум радиографическим изображениям с интервалом 250 не; 6,в - профили, соответствующие радиографическим изображениям на рис. 6; г (жирная линия) - расчетный профиль согласно модели Зельдовича-Неймана-Деринга.

С использованием протонного микроскопа ПУМА выполнены работы по экспериментальному исследованию ударной сжимаемости и структуры детонационных волн в эмульсионных взрывчатых веществах (ЭВВ) [7]. ЭВВ, применяемое в горнодобывающей промышленности, состоит из эмульсионной основы и сенсибилизатора. Основу получают, перемешивая водный раствор аммиачной селитры с минеральным маслом и эмульгатором. Эмульсионная основа не детонирует. Для возможности детонации к основе добавляют сенсибилизатор. В качестве сенсибилизатора используют полые микросферы.

В эксперименте использовалось ЭВВ, содержащее 92,2% окислителя (водный раствор нитрата аммония), 6,6% горючего (дизельное топливо) и 1,2% эмульгатора, сенсибилизированное добавлением 3% по массе микросфер марки С15 фирмы ЗМ и диаметром -80 мкм. Плотность такого ЭВВ составляла р=1,07 г/смЗ. Использовались заряды в полиэтиленовых оболочках с диаметром 15 мм (критический диаметр для данного ЭВВ). Требовалось прямым измерением распределения плотности в детонирующем заряде подтвердить предположение о правильности теоретического выбора критического радиуса заряда. На рис. 8 показаны двумерные протонно-радиографические изображения трех взрывных процессов (а)-в)) в зарядах ЭВВ диаметром 15 мм.

Рис. 8 - Протонио-радиографические изображения взрывных процессов, полученные для одинаковых зарядов ЭВВ плотностью 1,07 г/см3 диаметром 15 мм. Вверху - протонно-радиографические изображения. Внизу - вертикальные профили, построенные между красными линиями по изображениям: а) затухающая ударная волна; б) неустойчивый детонационно-подобный режим; в) стационарная детонационная волна (направление распространения волн сверху-вниз).

Из полученных результатов следует, что в одинаковых зарядах ЭВВ диаметром 15 мм с одинаковой плотностью, составом и в одних и тех же условиях инициирования возможна реализация принципиально разных режимов протекания быстрой химической реакции за фронтом детонационной волны: классического детонационного режима; режима затухающей ударной волны; «переходного» нестационарного детонационно-подобного режима с негладким фронтом. Это может означать, что реализация того или иного режима носит случайный характер, что и должно наблюдаться при диаметре заряда, равном критическому, или очень близком к нему. Срыв стационарного распространения взрывного процесса в этом случае может быть спровоцирован малыми изменениями условий проведения эксперимента, например, флуктуациями плотности заряда, распределения и размера пор, диаметра и толщины стенки оболочки.

На установке ПУМА проведены эксперименты по исследованию процессов откольного разрушения и струеобразования при ударно-волновом нагружении металлических пластин. Эксперименты проводились с объектом, представляющим собой круглую медную пластину диаметром 15 мм и толщиной 2 мм с двумя пропилами треугольного сечения глубиной 1 мм, расположенными в 2.5 мм от центра пластины. Пластина расположена на торце таблетки ВВ (ТГ 50/50) массой 4.5 г. Ударная волна в пластине создавалась при детонации ВВ от электродетонатора. На рис. 9а,б представлены протонно-радиографические изображения объекта в статическом и динамическом состояниях соответственно. На рис. 96 в местах пропилов наблюдаются струи вещества, аналогичные кумулятивным, возникающие в результате прохождения ударной волны по пластине. Кроме того, на динамическом кадре наблюдается откол сегментов по краям пластины. На рис. 9в представлен результат обработки экспериментальных данных, полученных с интерферометра VISAR. Средняя скорость струй,

определенная методом протонной радиографии по смещению их головной части относительно первоначального положения свободной поверхности за известный промежуток времени, равна 2.6±0.2 км/с, что существенно выше средней скорости движения свободной поверхности (1.17 км/с), измеренной методом лазерной интерферометрии.

g г-

Рис. 9 - Результаты эксперимента по исследованию процессов откольного разрушения и струеобразования при ударно-волновом нагружении медной пластины: а -изображения объекта в статическом состоянии; б - динамический кадр; в - зависимость массовой скорости от времени свободной поверхности пластины,

измеренной с помощью интерферометра VISAR. Впервые на протонном микроскопе ПУМА были исследованы биологические объекты. Интерес эксперимента заключался в оценке потенциальной возможности различения близких по плотности частей биологического объекта с помощью высокоэнергетической протонной микроскопии. В качестве биологического объекта были использованы аквариумные рыбки Данио-рерио (Zebrañsh), залитые в плитки из парафина толщиной 8 мм. Исследуемый объект помещался в вакуумную камеру установки ПУМА. Параметры радиобиологического объекта: плотность

парафина 0,9 г/см3, плотность рыбки (за исключением материала костей) —1,00 г/см3. На рис. 10 показано протонно-радиографическое изображение биологического объекта. На основе данных, полученных на установке ПУМА, предлагается развить методику стереотаксической радиотерапии злокачественных образований с одновременным контролем дозы методом протонной микроскопии. В дальнейшим методика будет развиваться на строящейся в Германии установке - протонный микроскоп PRIOR[8] в рамках мегапроекта FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research, Дармштадт, Германия).

ШШ

JsL~: ~ j

Рис. 10 - Биологический объект - рыбка Данио-рерио залитая парафином. Слева-фотография объекта. Справа - протонно-радиографическое изображение. Отчетливо видны светлые регионы (отмечены белыми стрелками) на радиографическом изображении, которые соответствуют плавательному пузырю, жаберным камерам и полости рта под глазом. Кости и плавники отображаются темным цветом.

Основные результаты диссертации

Создана экспериментальная установка - протонный микроскоп ПУМА, позволяющая проводить протонно-радиографические исследования статических и динамических объектов с полем зрения 20 мм и пространственным разрешением от 60 мкм до 115 мкм в диапазоне массовых толщин объекта от 0.46 до 17 г/см2 соответственно. Установка использует протонный пучок с энергией 800 МэВ от ускорительного комплекса ТВН-ИТЭФ.

Для управления установкой ПУМА, сбора и обработки экспериментальных данных, диагностики пучка и управления линией транспортировки пучка, создана оригинальная комплексная система автоматизации экспериментов КСА. На основе системы КСА разработана и реализована оригинальная методика автофокусировки радиографических изображений в схеме протонного микроскопа ПУМА.

• Измерено распределение плотности детонационных волн в цилиндрическом заряде эмульсионного взрывчатого вещества. Показано, что при плотности заряда р~1 г/см3 и диаметре 15 мм возможна реализация различных режимов формирования детонационной волны (затухающая ударная волна, неустойчивый детонационно-подобный режим, стационарная детонационная волна).

• Измерены параметры детонационных волн (скорость V=6.9±0.2 км/с, угол разлета продуктов детонации 25.0 ± 3.0°) и распределение плотности за фронтом детонационной волны в прессованном ТНТ с плотностью ~1.6 г/см3 и диаметром заряда 10 мм методом протонной радиографии, показано, что распределение плотности соответствует модели Зельдовича-Неймана-Деринга.

Проведены измерения и визуализация процесса откольного разрушения и струеобразования при ударно-волновом нагружении металла;

Впервые методом высокоэнергетической протонной микроскопии, получены изображения биологических объектов, позволившие сделать вывод о возможности одновременного использования стереотаксической терапии и протонной радиографии для повышения точности облучения опухолей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.B. Канцырев, A.A. Голубев и др., Протонный микроскоп на ускорительном комплексе ТВН-ИТЭФ, Приборы и Техника Эксперимента, 2014, №1, с. 5-14;

2. A.B. Канцырев и др., Комплексная система автоматизации экспериментов на быстром выводе ускорительно-накопительного комплекса ТВН-ИТЭФ, Приборы и Техника Эксперимента, 2010, № 5, с. 47-59;

3. A.V. Kantsyrev, A.A. Golubev, V.I Turtikov et al., ITEP proton microscopy facility, Proceedings of PPPS2013, p.1-5, San-Francisco, USA;

4. D. Varentsov, A. Bogdanov, V.S. Demidov, A.A. Golubev, A. Kantsyrev et al., First biological images with high-energy proton microscopy, European Journal of Medical Physics (Physica Medica) 29,2013, pp. 208-213;

5. S. A. Kolesnikov,.., A. V. Kantsyrev et al., Shockwave and detonation studies at ITEP-TWAC proton radiography facility, AIP Conf. Proc. 1426, 2012, p.390-393;

6. А.А. Голубев, B.C. Демидов, Е.В. Демидова, С.В. Дудин, А.В. Канцырев, и др., Диагностика быстропротекающих процессов пучком заряженных частиц от ускорителя ТВН-ИТЭФ, Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 4;

7. А.П. Кузнецов, С.А. Колесников, А.А.Голубев, K.JI. Губский, С.В. Дудин, А.В. Канцырев и др., Лазерный интерферометр для измерения массовой скорости конденсированных веществ в ударно-волновых экспериментах на протонно-радиографичексой установке ТВН-ИТЭФ, Приборы и техника эксперимента 2011, № 3, с. 116-125;

8. S.A. Kolesnikov, А.А. Golubev,.., A.V. Kantsyrev et al., Application of charged particle beams of TWAC-ITEP accelerator for diagnostics of high dynamic pressure processes, High Pressure Res., 2010, vol. 30 (1), p. 83-87.

Литература

[1]B.E. Фортов, Д. Хоффманн, Б.Ю. Шарков, Интенсивные ионные пучки для генерации экстремальных состояний вещества, Успехи Физических Наук, том 178 (2), с. 113-138;

[2] King N.P.S., Abies Е., Adams К. et al., An 800-MeV proton radiography facility for dynamic experiments, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 1999, V. A424, p. 84;

[3] Голубев A.A., Демидов B.C., Демидова Е.В. и др., Применение пучков ускорительно-накопительногого комплекса ТВН для диагностики быстропротекающих процессов, Атомная энергия, 2008 .Т. 104, вып.2, с. 99;

[4] К. Makino, М. Berz, COSY INFINITY Version 9, Nuclear Instruments and Methods A558,2005, p. 346-350;

[5] Г.И. Канель, С.В. Разоренное, С.В. Уткин, В.Е. Фортов, Ударно-волновые явления в конденсированных средах, М. Янус-К, 1996;

[6] V.E.Fortov, B.Goel, C-D Munz, A. Ni, A. Shutov, O.Yu.Vorobiev, Numerical simulation of nonstationary fronts and interfaces by the Godunov method in moving grids, Nuclear Science and Engineering. 123, 1996, p.169-189;

[7] Kolesnikov S. A., Dudin S. V., Lavrov V. V. et al., AIP Conf. Proc., Shock Compression of Condensed Matter - 2011, Chicago, USA, 26june-01july 2011, V. 1426, 2012, p. 390-393;

[8]Merrill F.E. et al., Proton microscopy at FAIR, AIP Conf. Proc. 1195, 2009, p. 667;

[9] А.В. Канцырев и др., Комплексная система автоматизации экспериментов на быстром выводе ускорительно-накопительного комплекса ТВН-ИТЭФ; Приборы и Техника Эксперимента, 2010, № 5, с. 47-59;

[10] А.В. Канцырев, А.А. Голубев и др., Протонный микроскоп на ускорительном комплексе ТВН-ИТЭФ, Приборы и Техника Эксперимента, 2014, № 1, с. 5-14.

Подписано к печати 07.05.14 г. Формат 60x90 1/16

Усл. печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ 596

Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б.Черемушкинская, 25

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный научный центр Российской Федерации -Институт Теоретической и Экспериментальной Физики» Национального исследовательского центра «Курчатовский Институт»

04201459452 „

На правах рукописи

Канцырев Алексей Викторович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА ПРОТОННОМ

МИКРОСКОПЕ В ИТЭФ

Специальность 01.04.01. - Приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: Доктор физико-математических наук

Голубев А.А.

Москва 2014 год

Оглавление

Введение............................................................................................................3

Глава 1. Метод протонной радиографии..................................................16

Глава 2. Экспериментальная установка..................................................28

2.1 Ускоритель ТВН-ИТЭФ.....................................................................28

2.2 Линия транспортировки пучка........................................................30

2.3 Протонный микроскоп ПУМА.........................................................31

2.3.1 Квадрупольные линзы на постоянных магнитах.........................36

2.3.2 Многокадровая система регистрации изображений....................38

2.3.3 Взрывозащитная вакуумная камера.............................................44

2.3.4 Лазерный интерферометр VISAR..................................................45

2.4 Параметры установки ПУМА...........................................................52

Глава 3. Автоматизация управления установкой, сбора и обработки экспериментальных данных.......................................................................55

3.1 Комплексная система автоматизации экспериментов................55

3.1.1 Аппаратно программные модули..................................................58

3.1.2 Подсистема радиационной безопасности.....................................77

3.1.3 Подсистема контроля и управления магнитными элементами линии транспортировки пучка и диагностики пучка...........................81

3.1.4 Сервер экспериментальных данных КСА.....................................86

3.1.5 Подсистема контроля и управления экспериментом...................87

3.2 Методика автофокусировки протонно-радиографических изображений...............................................................................................89

Глава 4. Экспериментальные результаты...............................................92

4.1 Исследование динамических процессов методом протонной радиографии...............................................................................................92

4.1.1 Исследование детонационных волн в прессованном ТНТ.........92

4.1.2 Исследование динамических процессов в эмульсионном ВВ ...95

4.1.3. Ударно-волновые процессы в газовых мишенях.......................98

4.1.4. Исследование процессов струеобразования при ударном нагружении металлических образцов..................................................102

4.2. Исследование статических объектов...........................................105

4.2.1. Протонно-радиографическая дефектоскопия и томография статических объектов.............................................................................105

4.2.2. Исследования биологических объектов...................................108

Глава 5. Обсуждение результатов............................................................112

Заключение...................................................................................................119

Приложение А - Схема установки ПУМА..............................................122

Список литературы....................................................................................123

Введение

Исследования по физике высокой плотности энергии в веществе при интенсивном импульсном воздействии необходимы для получения новых знаний о физических процессах и свойствах материалов в условиях сверхвысоких давлений, плотностей и температур. Эти сведения составляют научную основу перспективных энергетических проектов -управляемого термоядерного синтеза с инерционным удержанием горячей плазмы, магнито-гидродинамических и магнито-кумулятивных генераторов, ядерных космических установок и т.п. [1,2]. Кроме того, эти знания применяются в интересах совершенствования свойств материалов ядерно-энергетических установок, находящихся под действием мощных потоков излучений, для разработки новых технологий энергетического применения.

Физика высокой плотности энергии охватывает большую область науки, включая физику плазмы, физику конденсированного состояния и материаловедения, атомную и молекулярную физику, магнитогидродинамику и астрофизику. Различаются две области параметров вещества с высокой плотностью энергии: область высокотемпературной плазмы (температура более 100 эВ) и область сравнительно малых температур (1 эВ) при высоких значениях плотности

23 3

вещества (около нормальной плотности твердого тела >10 см"). Существенно, что вторая область параметров вещества труднодостижима с помощью иных методов, за исключением экспериментов с химическими взрывчатыми веществами (ВВ) и ядерных взрывов. Однако именно эти параметры реализуются в экспериментах с интенсивными пучками тяжелых ионов на современных мощных ускорителях. Интенсивные пучки тяжелых ионов высокой энергии являются уникальным инструментом для создания материи с высокой плотностью энергии и исследованиях экстремального состояния вещества в воспроизводимых

экспериментальных условиях [1]. В настоящее время в мире функционируют две тяжелоионные ускорительные установки - SIS-18 в GSI [3] (Gesellschaft für Schwerionenforschung, Дармштадт, Германия) и ТВН-ИТЭФ [2] (ТерраВатный Накопитель в ИТЭФ ), строится новая установка FAIR [3] (an international Facility for Antiproton and Ion Research, Дармштадт, Германия), на которых разворачиваются и планируются крупные экспериментальные программы по широкому кругу фундаментальных и прикладных задач. Так, пучки тяжелых ионов от ускорителя SIS-18 уже сейчас способны обеспечивать уровень удельного энерговложения более 1 кДж/г, а строящийся ускоритель SIS-100 проекта FAIR позволит достичь энерговложения 100 кДж/г.

Крайне важной задачей, при исследованиях в области физики высокой плотности энергии в веществе, является измерение, с пространственным разрешением, плотности и давления вещества. Для таких исследований, в случае генерации экстремального состояния вещества под воздействием тяжелоионного пучка [4], где характерный размер мишеней составляет 0.1-20 мм, требуется измерять распределение плотности с микронным пространственным разрешением при массовой толщине ~20 г/см2.

Большинство существующих в настоящий момент экспериментальных методик не позволяют получать прямую информацию о плотности и микроструктуре вещества, непосредственно в ходе динамического эксперимента. Такие возможности предоставляет радиографическое исследование с использованием высокоэнергетических пучков заряженных частиц (в том числе протонов) [5,6] либо рентгеновского излучения [7]. Радиография, как способ просвечивания образцов, непрозрачных для видимого света, с целью изучения их внутренней структуры, существует со времени открытия рентгеновских лучей, которые используются благодаря их высокой проникающей способности по отношению к видимому излучению (рентгеновское

излучение фотонов с энергией от 0.1 до 10 МэВ). Успех радиографии обусловлен возможностью измерения флуктуаций плотности внутри исследуемых образцов и обнаружения в них дефектов, не разрушая их. В общем случае технология радиографии предполагает наличие трех элементов - источника проникающего излучения (или излучателя), детектора и исследуемого образца, который располагается между ними. В качестве излучателя чаще всего применяется рентгеновская трубка либо ускоритель заряженных частиц, электронов, протонов и ионов. Выбор источника и детектора определяется свойствами изучаемого образца -геометрическими размерами, химическим составом и плотностью, а так же предполагаемым различием в свойствах образца. Несмотря на невысокую цену классических рентгенографических установок, классическая рентгенография не позволяет изучать плотные динамические объекты (массовая толщина >20 г/см ), так как не обладает достаточной проникающей способностью и пространственным разрешением. При взаимодействии рентгеновского излучения с веществом можно выделить три основных физических процесса, ведущих к изменению интенсивности излучения: при энергии фотонов рентгеновского излучения <1 МэВ преобладает фотоэлектрический эффект, при энергиях -1 МэВ основной вклад в рассеяние рентгеновских лучей вносит эффект Комптона, при энергиях >1 МэВ существенный вклад вносит процесс образования электрон-позитронных пар. Если учесть вклад трех указанных процессов в результирующее сечение взаимодействия рентгеновского излучения с веществом, то наименьшее сечение будет при энергии рентгеновских лучей ~4 МэВ, что соответствует наибольшей длине свободного пробега в веществе (для тяжелого металла ~ 25 г/см2) и максимальной проникающей способности. Для получения рентгеновского излучения с такой энергией используются схемы с конверсией электронных пучков в рентген, например в ядерном научном центре LANL (Los Alamos Nation Laboratory) в Лос-Аламосе

(США) [9], где для генерации рентгеновского излучения использовался электронный пучок с энергией 17 МэВ от линейного ускорителя БАЯНТ-П [8]. При необходимости исследования (с наилучшим пространственным разрешением) структуры плотных динамических объектов приходится увеличивать интенсивность рентгена (из-за большого рассеяния рентгеновского излучения в плотном объекте и необходимости использования коллиматоров), что в случае использования конверсии из электронного пучка в рентгеновское излучение требует повышения интенсивности исходного пучка электронов и невозможности обеспечить хорошую фокусировку пятна (диаметр более 1 мм) на конверторе. При этом происходит увеличение углового разброса рентгеновского излучения, что, в свою очередь, ограничивает пространственное разрешение рентгеновских изображений. Таким образом, при использовании рентгенографии для исследования структуры плотных динамических объектов пространственное разрешение не превышает 600 мкм [9].

Возможности рентгенографии существенно расширились с началом использования в качестве источника синхротронного излучения от ускорителей электронов [10]. Данный метод позволяет получать большое количество кадров динамического процесса с хорошим временным разрешением (~1нс). Например, в ИЯФ РАН (Институт Ядерной Физики, г. Новосибирск) удалось получить до 5 кадров динамического процесса (детонационная волна во взрывчатом веществе диаметром до 20 мм) с экспозицией 1 не при размере канала пиксельного детектора 01МЕХ [11] в ЮОмкм.

Протонная радиография [12,13] с применением высокоэнергетичных (> 800 МэВ) протонов обладает большей просвечивающей способностью по отношению к рентгеновскому излучению (длина свободного пробега протонов для мишеней из тяжелых металлов ~ 200 г/см ). Структура протонного пучка для линейных и кольцевых ускорителей обычно

состоит из многих последовательных импульсов (банчей), что облегчает создание многокадровой системы регистрации радиографических изображений, позволяя регистрировать изображения на одной оси с изучаемым динамическим объектом. Полвека назад появились первые экспериментальные работы по протонной радиографии[5,6], которая вскоре стала успешно конкурировать с рентгенографией в дефектоскопии малоплотных объектов. Однако, в случае исследования плотных динамических объектов, возможности экспериментов, выполняемых по схеме «протоны - объект - детектор», ограничены многократным рассеянием протонов в объекте. Получаемые изображения не обладали высокой контрастностью и пространственным разрешением. В конце девяностых годов в ядерном научном центре LANSCE (Los Alamos Neutron Science Center в Лос-Аламосе, США) были выполнены работы [13], которые вывели метод протонной радиографии на значительно более высокий технологический уровень. Было продемонстрировано, что отрицательные эффекты, связанные с многократным рассеянием, можно подавить, если между объектом и детектором поставить систему магнитных линз. Данная система магнитной оптики позволяет построить протонное изображение исследуемого объекта на детекторе, одновременно компенсируя хроматические аберрации, ухудшающие пространственное разрешение протонно-радиографического

изображения. Кроме того, изменяя угловой аксептанс магнитооптической системы, можно подстроить контрастную чувствительность системы к различным материалам и толщинам исследуемых объектов, что ,в результате, повышает динамический диапазон радиографической установки. Установка на пучке протонов с энергией 800 МэВ в LANSCE [13,14] позволяла получать до 30 кадров радиографических изображений объектов с плотностью от 0.05 до 50 г/см3 с пространственным разрешением ~ 35-200 мкм, временем экспозиции каждого кадра ~ 100 не и интервалом между кадрами до 500 не. На этой установке был проведен

целый ряд исследований ударно-волновых и детонационных процессов, в частности [14], получены новые данные для уравнений состояния ряда веществ в экстремальных условиях, ударных адиабат продуктов детонации взрывчатых веществ, исследования развития гидродинамических нестабильностей в условиях ударно-волнового воздействия, динамического разрушения материалов, распространения и затухания детонационных волн в зарядах ВВ сложных конфигураций.

Таким образом, существующие радиографические установки на ускорителях протонов в России [15-17] и США [13,14] наглядно показали преимущества метода протонной радиографии по сравнению с традиционными рентгенографическими методами диагностики при исследовании плотных, как статических так и динамических объектов. Наилучшее пространственное разрешение для протонной радиографии было получено на установках с увеличением изображения, построенных по схеме протонного микроскопа [14]. До настоящего времени в России аналогов подобных установок не существовало.

Наличие на ускорителях (ТВН-ИТЭФ, SIS-18 (GSI), SISIOO(FAIR)) возможности ускорять как тяжелые ионы, так и протоны, позволяет одновременно развивать не только технологию генерации с помощью тяжелоионных интенсивных пучков вещества с высокой плотностью энергии, но и технологию диагностики плотности методом протонной радиографии. Возможность использования высокоэнергетичного протонного пучка (энергия >1 ГэВ) открывает возможность использовать технологию протонной радиографии, позволяющую эффективно определять распределение плотности вещества с микронным пространственным разрешеним в динамических процессах.

В 2007-2009 годах на базе ускорителя ТВН-ИТЭФ была создана протонно-радиографическая установка ПРИМА [15,16], расчитанная на использование протонов с энергией 800 МэВ, позволяющая проводить исследования динамических и статических объектов массовой толщиной

до 20 г/см при поле зрения 40 мм. Главным недостатком такой установки являлось недостаточное пространственное разрешение радиографических изображений (300 мкм при массовой толщине исследуемого объекта 17 г/см ) [16]. В результате, на базе установки ПРИМА было предложено создать протонно-радиографическую установку с увеличением радиографических изображений (протонный микроскоп ПУМА (Протонно-радиографическая Установка с МАгнитной оптикой)). Данная установка была рассчитана для протонно-радиографических исследований статических и динамических объектов массовой толщиной до 20 г/см с пространственным разрешением лучше чем 100 мкм, числом кадров не менее 4 и временным разрешением не хуже 100 не. Была поставлена цель проведения исследований ударно-волновых процессов методом протонной микроскопии (детонационные волны во взрывчатом веществе, ударные волны в газах, процессы откольного разрушения и струеобразования) с применением взрывных генераторов ударных и детонационных волн с характерной длительность исследуемого процесса около одной микросекунды.

Актуальность проблемы

Протонная радиография [13] с применением высокоэнергетичных протонов обладает большей просвечивающей способностью по отношению к рентгеновскому излучению (средняя длина свободного пробега протонов для мишени из тяжелых металлов -200 г/см , что более чем в восемь раз больше чем для рентгеновский лучей с энергией ~4 МэВ). Структура протонного пучка для линейных и кольцевых ускорителей протонов обычно состоит из многих последовательных импульсов (банчей) длительностью 10-100 не, что облегчает создание многокадровой системы регистрации радиографических изображений. Существующие радиографические установки на ускорителях протонов в России [15-17] и США [13,14] наглядно показали преимущества метода протонной

радиографии по сравнению с традиционными рентгенографическими методами диагностики при исследовании плотных объектов, особенно в динамических опытах. Наилучшее пространственное разрешение для протонной радиографии достигается на установках с увеличением изображения, построенных по схеме протонного микроскопа [14], что определяет актуальность создания подобной установки в России и проведение с ее помощью исследований динамических процессо�