Рейтинг
Порталус

ДИАГНОСТИКА БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ

Дата публикации: 08 ноября 2014
Автор(ы): Вера ПАРАФОНОВА
Публикатор: Научная библиотека Порталус
Рубрика: МЕДИЦИНА
Источник: (c) Наука в России, № 2, 2012, C. 75-81
Номер публикации: №1415472706


Вера ПАРАФОНОВА, (c)

Вера ПАРАФОНОВА, журналист

 

Отечественные измерительно-информационные технологии для ядерных исследований во весь голос заявили о себе в 1950-е годы. Спрос на них был продиктован успешным развитием нашей атомной промышленности, науки и техники. А начало их практическому использованию положило испытание в августе 1949 г. первого советского ядерного заряда РДС-1, что потребовало надежной регистрации быстропротекающих процессов, сбора и обработки данных, характеризующих ионизирующее излучение. С тех пор измерительные приборы для изучения физики взрыва прошли в своем развитии несколько этапов: от устройств с большим энергопотреблением, выполнявших определенные, но ограниченные функции, до сложных многофункциональных автоматизированных систем, соответствующих современному техническому уровню атомной отрасли.

 

ФОРМИРОВАНИЕ НОВОГО НАПРАВЛЕНИЯ

 

На первых порах принципиально новые приборные средства создавали в структурах АН СССР, например в Лаборатории измерительных приборов под руководством академика Игоря Курчатова* (ныне Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"), затем - в отраслевых учреждениях: Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики** (г. Сэров Нижегородской области) и ВНИИ технической физики (г. Снежинск Челябинской области)***. Однако они не могли полностью удовлетворить запросы быстро развивающейся отрас-

 

 

* См.: Е. Велихов. Его мечта - создать солнце на Земле. - Наука в России, 2003. N 1 (прим. ред.).

 

** См.: А. Водопшин. В гостях у академика Харитона. - Наука в России, 2009, N 5 (прим. ред.).

 

*** См.: В. Парафонова. Электростанция на дейтерии. - Наука в России, 2002, N 3 (прим. ред.).

 
стр. 75

 

ли. И в 1961 г. в Москве на базе электровакуумной лаборатории Института химической физики АН СССР, которым руководил академик Николай Семенов, было создано специальное подразделение - филиал КБ-25, входившее в состав Министерства среднего машиностроения. Через год его преобразовали в НИИ импульсной техники. В разное время учреждение возглавляли доктор технических наук Борис Степанов (1961 - 1965 гг.), доктор физико-математических наук Александр Веретенников (1966 - 1987 гг.), академик Виктор Михайлов (1987 - 1989 гг.), Евгений Бершак (1989 - 1997 гг.), доктор технических наук Константин Даниленко (1997 - 2009 гг.).

 

Перед московским НИИ поставили непростую задачу: обеспечить техническими средствами и методиками физические измерения, проводимые в ходе ядерных испытаний на полигонах Министерства обороны СССР - Семипалатинском* и Северном**. Позже коллективу поручили разработать систему контроля за ядерными испытаниями на зарубежных полигонах Франции, Америки и Китая. Заметим, приборный парк сразу был ориентирован на функционирование в сложных климатических и механических условиях: эксперименты сопровождались резким различием тепловых режимов, сильными ударными нагрузками и широким спектром ионизирующих излучений. Это диктовало повышенные требования к надежности, качеству измерительной техники, обеспечению сохранности получаемой информации.

 

Дополнительные трудности вносило и другое обстоятельство: каждый опыт был уникален и неповторим. Один из основателей отечественной школы по диагностике однократных импульсных процессов и созданию специального ядерного приборостроения, ставшего базой физических измерений на полигонных испытаниях, академик (с 1997 г.) Виктор Михайлов***, работавший в НИИ импульсной техники с 1969 г., в книге "Я - ястреб" (М.: Издательство Института стратегической стабильности, 2008) писал: "...при ядерном взрыве, сколь ни была бы точна теория, а вернее, его математическая модель, реалии всегда отличаются". И поэтому на следующий эксперимент надо было выходить с уже проверенной схемой, чтобы по его результатам повышать технические характеристики ядерного заряда или вносить необходимые корректировки для экспериментального подтверждения сделанных расчетов.

 

 

* Семипалатинский ядерный полигон. расположенный в Республике Казахстан, создан в 1947 г. как часть советского атомного проекта. В августе 1949 г. здесь провели испытание первой советской атомной бомбы. Закрыт в 1991 г. См.: Р. Петров. На ядерном полигоне. - Наука в России, 1995, N 1: А. Кокошин. Ядерное сдерживание и национальная безопасность России. - Наука в России, 2000, N 1 (прим. ред.).

 

** Северный (Новоземельский) ядерный полигон, созданный в 1954 г. по постановлению Совета Министров СССР, находится на территории крупнейшего в европейской Арктике архипелага Новая Земля. См.: В. Бочаров, В. Парафонова. Арктический ядерный полигон. - Наука в России, 2010, N 1 (прим. ред.).

 

*** См.: В. Парафонова. Физик-испытатель. - Наука в России, 2009, N 2 (прим. ред.).

 
стр. 76

 

"Физика, - любил повторять Михайлов, - это мостик между двумя экспериментами... Впрочем, и моделировать ядерный взрыв без испытаний невозможно, они нужны для поддержания физической науки на соответствующем уровне". Не случайно, будучи министром РФ по атомной энергии (1992 - 1998 гг.), он включил ядерное машино- и приборостроение наряду с оружейным, энергетическим комплексом, топливным циклом, фундаментальными и прикладными науками в число "пяти китов" Минатома.

 

СОЗДАНИЕ ИМПУЛЬСНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

 

Редкая повторяемость генерируемых импульсов (как правило, однократность) - главная особенность многих источников ионизирующего излучения: рентгеновского, гамма-, нейтронного и заряженных частиц. Их длительность находится в микро-, нано-, а зачастую и в пикосекундном временных диапазонах. Измерениями этих физических величин, их формы и энергетических спектров, т.е. диагностикой, занимается специальная область импульсной техники. В одноименном НИИ за 50 лет его существования созданы и введены в эксплуатацию сотни диагностических устройств разного назначения.

 

Напомним, на первых порах для регистрации однократных процессов использовали осциллографы* с электронно-лучевыми трубками и фотокамерами, фиксирующими на пленку изображение с их экранов. В качестве последних применяли аппараты, созданные на основе серийно выпускаемых моделей "ФЭД" и "Зоркий", предназначенных изначально для любительских съемок. Стоит ли говорить, сколь уязвимой в условиях натурных экспериментов была подобная техника? А для ядерных испытаний, требовавших сохранения информации на фотопленке в сложной радиационной обстановке в течение 2 - 3 суток, она и вовсе не годилась. Да и разработанные в академических институтах (химической физики, физики Земли и Всероссийском НИИ оптико-физических измерений) осциллографы типа ОК (осциллограф канальный), ИВ (измеритель времени) и ЛОР (лучевой осциллографический регистратор) разных модификаций тоже были далеки от совершенства.

 

Решить "приборную проблему" помогли в НИИ импульсной техники. Молодой коллектив, основу кото-

 

 

* Осциллограф - измерительный прибор для визуального наблюдения и фиксации случайных, одиночных непериодических и периодических электрических процессов в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до единиц Гигагерц (прим. ред.).

 
стр. 77

 

рого составляли специалисты высшей квалификации, в том числе из Сарова и Снежинска, сумел уже к 1970 г. создать оригинальные методики измерений, разработал и передал в серийное производство аппаратуру первого поколения: фотоэлементы, фотоумножители (руководитель работ доктор технических наук Аркадий Берковский) и сцинтилляционные детекторы высокой чувствительности с временным разрешением от 1 до 10 нс на основе электровакуумных приборов (доктор технических наук Олег Козлов и Юрий Брусов), алмазные и пироэлектрические детекторы средней и низкой чувствительности с субнаносекундным разрешением (доктор технических наук Зият Альбиков), а также систему унифицированных многоканальных цифровых регистраторов - преобразователей информации (кандидаты технических наук Владимир Черников и Николай Заболотный). На основе этих и других компонентов в дальнейшем была сформирована серия современных многоканальных цифровых приборов - базовых для измерительных комплексов, обеспечивающих автоматизированный сбор и обработку физической информации, получаемой в ходе эксперимента.

 

Тогда же здесь появилась и регистрирующая аппаратура - универсальный осциллограф СУР1, растровый регистратор СВР5 и телеметрическая система с масштабно-временным преобразованием ССТП1 (два последних устройства были удостоены в 1974 г. дипломов I степени, золотой, серебряной и бронзовой медалей ВДНХ СССР). Причем схемное решение СВР5 впервые в отечественной промышленности было выполнено на полупроводниковых приборах - транзисторах.

 

В середине 1960-х годов в институте сложилась команда профессионалов, определившая научно-технический облик предприятия. Среди ее несомненных лидеров были директор и научный руководитель Александр Веретенников, главные конструкторы кандидат технических наук Игорь Архангельский, доктора технических наук Виктор Михайлов и Зият Альбиков, ведущие специалисты доктора технических наук Аркадий Берковский, Валентин Архипов, Борис Предеин, Константин Желтов, кандидаты технических наук Сергей Хромов, Вячеслав Петров, доктор физико-математических наук Мартэн Нечаев.

 

В плодотворные 1970-е годы в лабораторных корпусах института создали аппаратуру второго поколения, повышающую на порядок временное разрешение измерительных каналов: осциллограф СРГ5 повышенной чувствительности с волоконно-оптическим экра-

 
стр. 78

 

ном и контактной фоторегистрацией, обеспечивающей высокую скорость записи, генераторы наносекундных сигналов рентгеновского излучения, малогабаритные полупроводниковые детекторы.

 

В 1978 г. усилиями ведущих специалистов - доктора технических наук Валентина Архипова, Аркадия Сапежко, кандидатов технических наук Евгения Саратовского и Сергея Павлова, Виленина Ядова, Бориса Кузнецова, Виктора Стефанкова и других здесь создали новый класс масштабно-временных регистраторов для преобразования сигналов наносекундной длительности - ССТП2, ставших базовыми для телеметрических систем. Эти устройства в 1981 г. получили высокую оценку Главного комитета ВДНХ СССР.

 

Новации 1970-х годов заложили фундамент для аппаратурных измерительных комплексов - уникальных передвижных автоматизированных лабораторий, регистрирующих однократные электрические сигналы нано- и микросекундной длительности, поступающие от нескольких независимых источников. Они имели повышенную стойкость к механическим воздействиям, что создавало комфортные условия для работы техники и персонала. Такими комплексами уже в конце 1970-х были оснащены Семипалатинский и Северный (Новоземельский) полигоны. Это позволило радикально изменить технологию измерений во время подземных испытаний: теперь в штольне размещали только детекторы излучений, а регистрирующая аппаратура, соединенная с ними радиочастотными кабелями километровой длины, находилась в фургонах.

 

Следует отметить, система физических измерений в условиях полигонных испытаний как научно-техническое направление формировалась под руководством Александра Веретенникова и Виктора Михайлова. Большой вклад в его развитие внесли доктора технических наук Борис Предеин, Константин Даниленко, кандидат физико-математических наук Сергей Семенов, кандидаты технических наук Леонид Горшунов, Юрий Стрельников, Борис Воронов, и др.

 

ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ РЕГИСТРАТОРОВ

 

Отдельного внимания заслуживает история создания аналого-цифрового регистратора третьего поколения СРГ7, разработанного в НИИ импульсной техники в начале 1980-х годов под руководством Виктора Михайлова, кандидатов технических наук Владимира Борисова и Сергея Хромова. Дело в том, что в осциллографах предыдущих двух поколений был достигнут предел по скорости записи, определявшийся основным элементом устройства - электронно-лучевой трубкой. Причем как только специалисты начинали усовершенствовать одни характеристики, это обязательно приводило к ухудшению других. Оптимизировать основные параметры позволила сверхвысокочастотная осциллографическая трубка нового типа на микроканальных пластинах. Ее изготовили еще в начале 1970-х годов специалисты Научно-производственного объединения "Платан" из подмосковного г. Фрязино. Далее в работу включились экспериментаторы НИИ импульсной техники. Они показали, что новая электронно-лучевая трубка на порядок увеличивает скорость записи осциллографа, в 5 раз - полосу пропускания, в 15 - 20 раз - чувствительность. Главным же в ходе научных изысканий стало обнаружение Владимиром Борисовым и его коллегами уникальной возможности устройства запоминать сигнал.

 

Эта "находка" и стала определяющей в принятии в 1979 г. решения о создании регистратора однократных сигналов пикосекундного диапазона СРГ7. Инициировал его - Виктор Михайлов, на тот момент (1977 - 1987 гг.) главный конструктор НИИ импульсной техники. Он объединил специалистов двух коллективов - Валентина Архипова и Владимира Борисова, имеющих опыт работы на ядерных полигонах, что и привело к рождению уникального прибора, превосходящего по основным характеристикам зарубежные образцы.

 

В чем его особенность? В том, что СРГ7 обеспечивал в одном цикле работы два типа регистрации сигналов: аналогового фотоосциллографического и цифрового. Первый снимали визуально или при помощи автоматической камеры с экрана электронно-лучевой трубки, как в традиционном осциллографе. Цифровая же информация об одиночных сигналах пикосекундной длительности хранилась в блоке памяти прибора. Ее могли передавать на персональный компьютер или иной носитель для дальнейшей обработки. Способность запоминать зарядовое изображение регистрируемого сигнала на время, достаточное для его последующего оцифровывания, была достигнута благодаря использованию во фрязинской электронно-лучевой трубке микроканальной пластины. Это создало беспрецедентную возможность дистанционной телеметрии.

 

В 1986 г. СРГ7 получил Диплом I степени и золотую медаль ВДНХ СССР, а коллектив разработчиков в 1989 г. - Государственную премию. Аналого-цифровой регистратор ввели в состав нескольких серийных аппаратурных комплексов - автоматизированных си-

 
стр. 79

 

стем измерения - в качестве ключевого элемента измерительных каналов с повышенным временным разрешением. Он стал родоначальником нового класса отечественных приборов серии "СРГ". Причем до сего дня такие регистраторы одиночных и редко повторяющихся сигналов с запоминающей трубкой не имеют аналогов в мире. 150 приборов, выпущенных с 1987 по 1991 г. серийно, получили "прописку" в организациях Министерства среднего машиностроения СССР (серпуховском Институте физики высоких энергий, возглавляемом академиком Анатолием Логуновым, и московском Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, директором которого в те годы был академик Анатолий Александров*), а также в учреждениях АН СССР, например в Физическом институте им. П. Н. Лебедева во главе с академиком Николаем Басовым**. Они нашли применение в ускорительной и лазерной технике***, экспериментах по термоядерному синтезу****, в медицине.

 

В начале 1980-х годов в НИИ импульсной техники создали АИС - автоматизированную измерительную систему для полигонных опытов, оснащенную новым поколением детекторов, регистраторов, которая успешно функционировала на Семипалатинском и Новоземельском полигонах до полного прекращения в Советском Союзе (1989 г.) полномасштабных испытаний ядерного оружия. В 1985 г. ее разработчики стали лауреатами Государственной премии СССР.

 

"КИРСАРЖ" И "ШАТАН"

 

В 1988 г. аналого-цифровой регистратор СРГ7 участвовал в беспрецедентном советско-американском эксперименте по контролю за подземными ядерными взрывами, в ходе которого с разницей в 4 недели были подорваны два заряда - на Невадском***** (опыт "Кирсарж") и Семипалатинском (опыт "Шаган") полигонах. Тогда впервые в истории наших стран были совместно апробированы методы контроля мощности изделий, в том числе и так называемые антиинтрузивные, т.е. не позволяющие получать контролирующей стороне дополнительную информацию, скажем, о конструкции ядерного оружия.

 

Советские специалисты получили редкую возможность сравнить свою измерительную технику для диагностики с американской. Причем на обоих полигонах, где две "команды" измеряли порог мощности подземного взрыва по движению ударной волны в ближней зоне, московские и Саровские физики получили 100%-ные результаты. "Все 10 наших датчиков, - вспоминал Виктор Михайлов, осуществлявший научно-техническое руководство российской группой контроля на Невадском полигоне, - сработали идеально и записали нужную информацию. У себя... они (американцы. - Прим. авт.) тоже поставили 10 датчиков, но получили 70%. Когда приехали в СССР, то учли замечания и получили... 90% информации. У нас (в семипалатинском эксперименте. - Прим. авт.) - те же 100%. Все без потерь, что и подтвердило исключительную эффективность нашей диагностики. А ведь это было серийное оборудование".

 

Пораженные нашей измерительной техникой американцы, с согласия оппонентов, как пишет далее Михайлов, поставили прибор СРГ7 в своем трейлере и получили соответствующую информацию о гамма-излучении при взрыве первого и второго узлов ядерного заряда. "Нам эту пленку с регистрацией тонких процессов не вернули до сих пор, - заметил ученый. - Видимо, там были такие подробности, которые мы, советские специалисты, ну никак не должны были, по их расчетам, получить".

 

 

* См.: Н. Пономарев-Степной. Во главе атомной отрасли. - Наука в России, 2003, N 2 (прим. ред.).

 

** См.: Н. Басов и др. На пути к лазерному термояду. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

 

*** См.: М. Хализева. Лазеры в науке, технике, медицине. - Наука в России, 2011, N 3 (прим. ред.).

 

**** См.: В. Парафонова. В глубь шкалы времени. - Наука в России, 2003, N 4 (прим. ред.).

 

***** Невадский испытательный полигон, расположенный в штате Невада (США), создан по распоряжению президента Гарри Трумэна в 1951 г. (прим. ред.).

 
стр. 80

 

Совместный эксперимент, убедительно доказавший, что наша система измерений характеристик ядерных взрывов по меньшей мере не уступает американской, заложил базу доверия в одной из ключевых областей национальной безопасности, а его успешное завершение открыло дорогу к принятию в 1996 г. 50-й сессией Генеральной ассамблеи ООН Договора "О всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний".

 

СЕЙСМИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ И НЕЯДЕРНО-ВЗРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

 

Инспектирование пороговой мощности подземных ядерных взрывов подтвердило также высокий научно-технический уровень автоматизированной системы глобального сейсмического контроля "Материк", над которой специалисты НИИ импульсной техники доктор технических наук Александр Белоносов, кандидат технических наук Олег Столяров, Константин Барышников, Аркадий Сапежко, Сергей Любимов, Василий Яковлев и другие начали работать в середине 1980-х. В 1992 г. ее передали Министерству обороны РФ, и сегодня это - ядро национальной системы контроля за ядерными испытаниями на иностранных полигонах Франции, Америки и Китая. Кроме того, благодаря "Материку" наша страна реализует международные обязательства по передаче данных 14 станций сейсмического, гидроакустического, радионуклидного и инфразвукового мониторинга в международный центр в Вене (Австрия). Но, что особенно важно, после заключения Договора "О всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний" она вошла в международную систему контроля как одна из ее неотъемлемых частей.

 

В условиях действовавшего с 1991 по 1996 г. моратория на полномасштабные ядерные испытания и вступившего в 1996 г. в силу договора об их запрещении НИИ импульсной техники осуществил переход на так называемые неядерно-взрывные технологии. В отработанных старых штольнях теперь исследуют макеты зарядов. Их размещают внутри взрывозащитных камер, корпус которых рассчитан на большие ударные нагрузки - так обеспечивают локализацию продуктов взрыва. Первые эксперименты провели в декабре 1995 г. на Новой Земле. А сегодня это один из основных инструментов в сложной работе по поддержанию надежности и безопасности российского ядерного арсенала. Новая технология, естественно, потребовала оригинальных измерительно-вычислительных систем, в том числе регистраторов и детекторов. Делать их пришлось при крайне ограниченных возможностях промышленности, производящей отечественную приборную и элементную базу. Но, как показали новоземельские опыты, коллектив с задачей справился.

 

В 2009 г. по указу Президента РФ институт присоединили к Всероссийскому НИИ автоматики им. Н. Л. Духова (госкорпорация "Росатом") со статусом Научно-производственного центра импульсной техники. Это существенно расширило номенклатуру выпуска измерительных средств. Теперь наряду с традиционной продукцией здесь выпускают приборы для атомной энергетики, систем экологического контроля, обнаружения радиоактивных материалов, аппаратуру медицинского назначения.

Опубликовано на Порталусе 08 ноября 2014 года

Новинки на Порталусе:

Сегодня в трендах top-5


Ваше мнение?



Искали что-то другое? Поиск по Порталусу:


О Порталусе Рейтинг Каталог Авторам Реклама