Работа выполнена в Научно-исследовательском и конструкторском институте энерготехники и в его дочернем предприятии ГУДП НИКИЭТ Техноцентр “ Лазерная диагностика и чистые технологии”
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор Кружалов A.B. доктор физико-математических наук Соломонов В.И. доктор физико-математических наук, профессор Тункин В.Г.
Ведущая организация:
Институт химии твердого тела УрЬ РАН, г. Екатеринбург
Защита состоится “ 4 ” февраля 2000 г. в /4 . С^Хчасов на заседании диссертационного совета Д 064.47.02. при Удмуртском государственном университете по адресу: 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, д. 1.
Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим выслать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
С диссертацией в форме научного доклг ніться в библиотеке
УдГУ.
Диссертация в форме научного доклада разосла »99г.
і
3599 -Ї-
Ученый секретарь ; г *
диссертационного совета д-р техн. наук ; г . ':
1. Общая характеристика работы
Актуальность темы
Конец второго тысячелетня нашей эры характеризуется все усиливающейся ролью жизнедеятельности человечества в геологических процессах* протекающих на поверхности Земли. В ходе XX века выяснилось не только глобальное влияние человечества на биогеохимические процессы на поверхности Земли и конечность некоторых ресурсов, потребляемых человечеством, но и ограничения по их использованию, налагаемые негативными явлениями в биосфере В настоящее время возникла принципиальная проблема характера использования ресурсов человечеством, которая пришла на смену эйфории овладения ресурсами и знаниями в XIX веке. Такое развитие описанных выше процессов, еще в начале XX века названное В .И. Вернадским '‘взрывным'', делает основной задачей XXI века сознательное использование природных и искусственных ресурсов, обеспечивающее комфортное существование человечества без нарушения равновесия биосферы. Способом потребления и производства ресурсов являются технологии. Поэтому сознательное использование ресурсов возможно только при помощи оптимизации всей совокупности технологий, используемых человечеством. В отношении технологий в рамках рассматриваемой темы существует следующая градация:
-технологии, не требующие новых научных изысканий;
-технологии, требующие исследований на уровне прикладной науки;
- технологии, требующие исследований на уровне фундаментальной
науки.
Применительно к рассматриваемым вопросам наиболее актуальны последние два уровня. Оценка принадлежности технологий к вышеперечисленным уровням может быть произведена на основании следующих критериев:
1. Критерий фундаментальности.
2. Критерий новизны.
3. Критерий диверсификации.
X. Критерий временных затрат научных работников. л ою очередь, проблему оптимизации технологий невозможно решить без .оверной диагностики. Особую роль среди всего многообразия методов '-«остики играют оптические методы. Известно, что в оптическом диапазоне ежится 90% информации об окружающем нас мире, поэтому этого оптика с я одной из самых старых областей науки. Ранее при помощи оптики <дйсь макроскопические характеристики вещества. Однако после открытия ;ого строения материи выяснилось, что микроскопическая информация сдержится в большом объеме в оптическом диапазоне. В настоящее время <;дно, что задача оптимизации технологий требует знания как макро->пических, так и микроскопических характеристик преобразуемых систем. При
4
этом значимость применения оптической диагностики не вызывает сомнений. Развитие лазерной техники существенно упростило проектирование систем возбуждения спектров и реализацию дистанционных измерений. С 1960-х годов началось бурное развитие методов лазер кой диагностики и отдельные попытки их прикладного применения. Тем не менее, отсутствовали лаборатории, ориентированные на комплексное применение методов лазерной спектроскопии в технологических целях. В тоже время появился целый ряд задач, требующих нового подхода к диагностике. В том числе: в области ядерных технологий -повышение надежности и ресурса работы конструкционных и оболочечньтх материалов; для ядерных реакторов с водным теплоносителем - оптимизация водно-хлмнческого режима; для ядерных реакторов с газовым теплоносителем -разработка требований к содержанию микропримесей в газовом теплоносителе; в области I ехнологий очистки жидких и газовых сред - увеличение ресурсов работы сорбционных материалов в условиях высоких температур и давлений и агрессивных сред при сохранении сорбционных характеристик; в области медицины - диагностика патологических процессов в тканях итл. Предварительные исследования показали перспективность применения методов лазерной спектроскопии для решения этих задач. Однако технические характеристики лазерных спектрометров к моменту начала работ не позволяли их эффективное использование в вышеуказанных целях.
Целью работы является создание концепции универсальной лазерно-спектроскопической базы, практическая реализация этой базы и ее применение для разработки наукоемких технологий вобласти ядерной техники, технологий очистки жидких, газовых сред и медицины. Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- определены функции, реализуемые лазерно-спектроскопической базой;
- выбран состав и определены требования к техническим характеристикам л азерн ых спектрометро в;
-разработаны, изготовлены и запущены в эксплуатацию выбранные лазерные спектрометры;
- проведены экспериментальные исследования характеристик лазерных спектрометров;
- проведен цикл работ по разработке технологий с помощью созданных лазерныхепектрометров, в том числе отработка режимов очистки и поддержания качества газового теплоносителя ядерных реакторов, оптимизация состава газового и водного теплоносителя ядерных реакторов с целью минимизации коррозионных отложений, выбор конструкционных материалов для газовых ядерных реакторов, разработка термостойких неорганических сорбентов для ядерных реакторов;
- разработаны специализированные лазерные спектрометры для контроля технологий, в том числе лазерный газоанализатор состава природного газа, лазерный анализатор состава профиля углерода, эмиссионный спектрометр для контроля производства сверхчистых газов криптона и ксенона, лазернооптический комплекс для диагностики рака.
5
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-11редложена новая концепция лазерно-спектроскопической базы многоцелевого назначения для разработки и контроля наукоемких технологий, в том числе в области ядерных технологий, технологий очистки жидких и I азовых сред и медицины.
Созданные лазерные спектрометры позволили:
В области ядерных технолог ий:
-обнаружить связь между микросодержанием кислорода, фазовых» составом коррозионной пленки и выносом продуктов коррозии в углеродистых сталях на начальной стадии окисления в водном теплоносителе ядерного реактора при нейтральном бескислородном водно-химическом режиме;
- разработать методику определения толщины окисной пленки Z\02 на основе измерения ин тенсивности линий КР, образующейся в водном теплоносителе ядерного реактора на поверхности сплава Zr-Nb, окисленного в разных режимах, в ток» числе и в условиях интенсивного турбулентного перемешивания воды при поверхностном кипении; выявить зависимость фазовых превращений поверхностных коррозионных пленок высоконикелевых сталей от соотношения микроконцентраций кислорода и водорода в гелиевом теплоносителе ядерных реакторов.
В области технологии получения неорганических сорбентов для очистки жидких и газовых сред:
- разработать методику определения размеров микрокристаллов гидратированных диоксида олова (ГДО) и диоксида пггана (ГДТ) на основе обнаруженных размерных эффектов в спектрах КР;
- разработать методику разделения вкладов размеров микрокристаллов, внутренних напряжений и дефектов в сдвиг и уширснис линий КР для ГДО и ГДТ;
- разработать систему спектроскопических параметров контроля золь -гель технологии получения термостойких неорганических сорбентов (ГДО и ГДТ) на основе изученных методом спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) химических и структурных превращений на различных стадиях технологии.
В области медицины:
- разработать диагностический спектроскопический параметр для определения гистотипов опухолей молочной железы in vivo методом лазерной флуоресценции;
- разработать диагностический спектроскопический параметр для определения гнетотипов опухолей молочной железы in vivo методом диффузного отражения света.
Практическая значимость
Результаты теоретических и экспериментальных работ, выполненных на лазерно-спектроскопической базе применительно к наукоемким технологиям,
6
позволили:
- отработать методики анализа состава гелиевого теплоносителя методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР-спектроскопии), спектроскопии когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС-спектроскопин), лазерной атомно-флуоресцентной спектроскопии (ЛЛФС-спектроскопии), лазерной молекулярной спектроскопии (ЛМФ-спскгроскопии), эмиссионной спектроскопии (ЭС-спектроскопии) in situ при температурах до 1000 "С плавлениях до 200 атм;
- отработать методики диагностики поверхности твердых тел методами лазерной микроскопии, лазерной эмиссионной спектроскопии с лазерной атомизацисн (ЛЭС+ЛАТ-спекгроскопин), лазерной атомно-флуоресцентной спектроскопии с лазерной атомизацией (ЛАФС+ЛАТ-спектроскопии) и КР-спсктроскопин in situ в гелиевом теплоносителе при температурах до 1000 °С и давлениях до 200 атм;
- разработать рекомендации по содержанию кислорода в водном теплоносителе ядерных реакторов при нейтральном водно-химическом режиме с целью минимизации выноса продуктов коррозии;
- предложить спектроскопические кри терии термической н гидротермальной устойчивости термостойких неорганических сорбентов, позволяющие прогнозировать поведение материалов на период до 10000 часов эксплуатации в контурах ядерных реакторов высоких параметров;
- разработать лазерный анализатор профиля углерода в углеродистых статях для контроля процесса цементации с использованием в приборе уникального атомизатора на основе двухимпульсного лазерного источника;
- разработать экспериментальный поточный лазерный газоанализатор для анализа состава природного газа;
- разработать лазерный флуориметр для диагностики рака молочной железы;
- создать базу данных по спектрам лазерной флуоресценции для патологий молочной железы;
- разработать спектрометр диффузного отражения для диагностики рака молочной железы;
- создать базу данных по спектрам диффузного отражения для патологий молочной железы.
На защиту выносяпгся следующие положения:
1. Обоснование концепции и создание уникальной комплексной лазсрно-спектроскопичсской базы, ориентированной на разработку технологий путем исследований микроскопической структуры преобразуемых систем in situ и установление связей спектр-свойство;
2. В области атомной энергетики: разработка методик контроля состава газового теплоносителя, контроля поверхности твердых тел и параметров
- Київ+380960830922