Способ маскировки изделий

Способ маскировки изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способам маскировки изделий, предотвращающим возможность полного или частичного определения их внутреннего строения как визуальным методом, так и с помощью, в частности, рентгеновского, излучения, и может быть использовано, например, для защиты промышленных секретов.

Проблема маскировки самых различных объектов, включая наземные объекты, - технику, сооружения, иные изделия и информацию, например, в виде нанесенных на основу данных, меток, от раскрытия их визуально или с помощью электромагнитного излучения является весьма актуальной.

Известны композиция для получения стираемых покрытий, пригодных для маскировки скрываемых данных, и способ нанесения стираемого покрытия на основу, несущую на своей поверхности знаки, которые должны быть скрыты (пат. РФ №2182835, опубл. 27.05.2002 г.). Композиция для получения маскирующих покрытий содержит в качестве основы раствор эластомерной полярной смолы в полярном растворителе и добавки в форме частиц и/или порошка, включающие, по меньшей мере, один пигмент или наполнитель, придающий веществу непрозрачность. Приготовленную композицию наносят известным способом поверх знаков, которые должны быть скрыты. Пленка на основе указанной композиции достаточно прочно прикрепляется к основе с обеспечением высокой надежности выявления нарушений.

Однако данное изобретение предназначено для временной маскировки нанесенных на основу скрываемых данных, обеспечивающей невозможность определения их визуальным методом, но не может быть использовано для такой маскировки изделий, которая не позволяла бы установить внутреннюю структуру самого изделия визуально или с помощью томографического исследования, - в частности рентгенодиагностики.

Известны технические решения, относящиеся к маскировочным покрытиям для снижения заметности объектов в различных диапазонах длин волн.

Так, известно маскировочное покрытие для снижения заметности наземных объектов, основа которого представляет собой сеть из диэлектрических нитей, в которую вплетены выполненные особым образом отдельные элементы электропроводящего материала. Покрытие обеспечивает требуемую стабильность уровня снижения мощности отраженного сигнала в диапазоне длин волн 0,2-0,5 см (пат. РФ №2171442, опубл. 27.07.2001 г.).

Известен способ скрытия наземных объектов от оптических и радиолокационных средств разведки с использованием рассеивающих радиоволны маскировочных покрытий, содержащих в качестве материала заполнения углеволокнистую бумагу (заявка РФ №95102049, опубл. 20.11.1996 г.).

Известен способ маскировки, также предназначенный для защиты наземных объектов и сооружений, преимущественно структур на основе бетона и цемента, важных участков земной поверхности и других конструкций от аппаратуры наблюдения, систем обнаружения, путем нанесения на маскируемую поверхность дисперсии вещества в растворителе, преобразующего зондирующее излучение одного диапазона в излучение другого диапазона. В качестве такого вещества используют люминофор, преобразующий поглощенное излучение в излучение другой области спектра электромагнитного излучения (пат. РФ №2090827, опубл. 20.09.97 г.).

Описанные способы маскировки и маскировочные покрытия предназначены для скрытия различных объектов целиком и не применимы для маскировки внутренней структуры изделий при внешней видимости самого изделия.

Известен способ обнаружения вещества по значению его эффективного атомного номера, в котором контроль материалов и изделий осуществляют с помощью рентгеновского излучения (пат. РФ №2095795, опубл. 10.11.1997 г.).

Способ по пат. РФ №2095795 предназначен для проверки багажа и других объектов во время таможенного и специального досмотров с целью обнаружения веществ, запрещенных к перевозке, на фоне разнообразных вложений внутри контролируемых объектов.

В данном случае внешняя упаковка проверяемых объектов фактически выполняет роль непрозрачного маскирующего покрытия, предотвращающего раскрытие внутреннего содержания объекта, в частности багажа, визуальным методом (в диапазоне видимого света). Однако такое покрытие не является препятствием для обнаружения находящихся внутри проверяемого объекта веществ, материалов или предметов с помощью рентгеновского излучения.

Наиболее близкого аналога заявителем в уровне техники не обнаружено.

Задачей изобретения является разработка способа маскировки изделий, обеспечивающего невозможность выявления внутренней структуры изделий, в том числе внутренних вложений в объемных объектах, за счет использования маскирующего материала, делающего неразличимой границу между указанным материалом и маскируемыми элементами изделий при их томографическом исследовании, в частности, с использованием рентгеновского излучения.

Поставленная задача решается предлагаемым способом маскировки изделий, включающим приготовление маскирующего материала, которым покрывают или заполняют элементы изделия, подлежащие маскировке, при этом коэффициент поглощения рентгеновского излучения маскирующего материала максимально близок к коэффициенту поглощения рентгеновского излучения маскируемых элементов при предельно допустимом их расхождении не более 5%, а массовые доли компонентов маскирующего материала находят как точку минимума следующей функции n переменных

где n - количество компонентов маскирующего материала;

- массовые доли компонентов маскирующего материала;

μ_a - коэффициент поглощения рентгеновского излучения маскирующего материала;

μ_a0 - коэффициент поглощения рентгеновского излучения маскируемых элементов;

Е_k - фиксированное значение энергии излучения из некоторого заранее выбранного интервала энергии [Е_α, Е_β];

k - номер узла энергии излучения от 1 до m на интервале энергии, в котором нужно обеспечить маскировку.

Данный подход к решению задачи предложен на основе методов математического моделирования и подтвержден компьютерными экспериментами.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществами может быть охарактеризовано коэффициентами полного взаимодействия, поглощения энергии и рассеяния. Однако коэффициент поглощения энергии является наиболее значимой томографической характеристикой, позволяющей определять внутреннюю структуру тела по результатам его радиационного зондирования.

В основу предлагаемого способа маскировки изделий положено требование максимального приближения коэффициента поглощения рентгеновского излучения маскирующего материала к коэффициенту поглощения рентгеновского излучения маскируемых элементов, что и обуславливает маскировку.

Реализация в заявляемом способе маскировки изделий данного требования обеспечивает непрерывность коэффициента поглощения энергии на границах контакта маскируемых элементов с маскирующим материалом по пространственным переменным, в результате чего эти границы не могут быть определены томографическими методами, основанными на просвечивании. Иными словами, для обеспечения маскировки внутренней структуры изделия коэффициент поглощения энергии на границах контакта скрываемых элементов с маскирующим материалом по пространственным переменным не должен иметь разрывов.

Показано, что маскировка внутренней структуры изделий будет достаточно надежной при попытке ее установления просвечиванием рентгеновскими лучами тогда, когда предельное расхождение в коэффициентах поглощения рентгеновского излучения маскирующего материала и маскируемых элементов при любом значении E_k не превышает 5%. При превышении данного предела границы (контуры) замаскированных элементов идентифицируются при просвечивании изделия рентгеновскими лучами.

Коэффициент расхождения (R(E_k),%) определяют по следующей формуле:

Предлагаемый способ маскировки может быть применен для маскировки различных изделий (объектов).

В частности, при необходимости маскировки таких изделий, как радиосхемы и интегральные микросхемы, маскирующим материалом покрывают маскируемые элементы схем с заполнением или без заполнения нерабочего пространства между скрываемыми элементами.

При необходимости маскировки таких конструктивных элементов изделий, как пустоты (полости), или при необходимости скрыть находящийся внутри полого объекта элемент (предмет), маскирующим материалом заполняют соответствующие пустоты (полости) или полностью заполняют свободное пространство объекта, внутри которого расположен маскируемый элемент (предмет). В любом случае маскирующий материал должен плотно прилегать к маскируемым элементам.

В частных случаях осуществления изобретения для повышения эффективности маскировки дополнительно обеспечивают непрозрачность изделия в оптической (видимой) области спектра.

В изделиях, маскируемых предлагаемым способом, функцию непрозрачного в оптической (видимой) области спектра покрытия, предотвращающего раскрытие внутренней структуры изделий или внутреннего содержания объектов визуальным методом, может выполнять корпус, если он имеется, или внешняя оболочка объемного объекта.

В другом варианте осуществления изобретения для обеспечения невозможности определения внутренней структуры изделий визуальным методом, маскирующий материал содержит, по крайней мере, один компонент, придающий ему непрозрачность в оптической (видимой) области спектра.

В следующем возможном варианте осуществления изобретения маскирующий материал представляет собой одно вещество, одновременно обладающее двумя свойствами: а) является непрозрачным в оптическом (видимом) диапазоне; б) характеризуется коэффициентом поглощения, максимально приближенным к коэффициенту поглощения маскируемых элементов.

В общем случае способ маскировки осуществляют следующим образом.

1. Выбирают интервал энергии [Е_α, Е_β] (начальную и конечную точки интервала), в пределах которого требуется обеспечить маскировку внутренней структуры изделия. Целесообразно, чтобы конечная точка интервала была максимально возможно удалена от начальной. Ширина выбираемого интервала энергии ограничивается возможностями метода, в частности, характеристиками материалов и веществ, подлежащих маскировке, а также техническими характеристиками используемой для распознавания аппаратуры.

2. Определяют значение коэффициента поглощения рентгеновского излучения маскируемых элементов изделия для некоторого набора значений энергий E_k этого интервала.

3. На основе известных веществ составляют композицию для приготовления маскирующего материала, который должен быть совместим с маскируемыми элементами.

Физико-химические характеристики маскирующего материала должны отвечать следующим эксплуатационным и технологическим требованиям.

В общем случае маскирующее покрытие должно быть инертным по отношению к маскируемым элементам, химически стойким, и его компоненты не должны химически взаимодействовать друг с другом.

В случае когда маскировке подлежат электропроводящие элементы изделий, маскирующее покрытие является диэлектриком.

Если маскировку внутренней структуры изделия осуществляют нанесением маскирующего материала поверх маскируемых деталей с заполнением свободного пространства между ними, то маскирующий материал должен иметь хорошие клеящие свойства, удовлетворительные пластично-вязкие свойства и достаточно быстро твердеть на воздухе. Маскирующий слой должен обладать высокой адгезией к подложке в течение срока службы изделия. В этих случаях композиция для получения маскирующего материала готовится на основе связующего, в качестве которого могут быть использованы природные и синтетические полимеры, например шеллак, бакелит, алкидное связующее, полиэтиленполиамин, поливинилбутираль.

При маскировке каких-либо элементов (предметов), находящихся внутри объемного объекта, или пустот в изделии, внутреннее пространство объекта и пустоты полностью заполняют маскирующим материалом, который в данном случае может быть порошкообразным.

Качественный и количественный состав маскирующего материала определяют исходя из требования максимальной близости коэффициента поглощения рентгеновского излучения маскирующего материала к коэффициенту поглощения рентгеновского излучения маскируемых элементов с учетом физико-химических характеристик веществ, составляющих маскирующий материал.

В зависимости от потребности маскирующий материал может содержать различные добавки (неорганические наполнители, пигменты, поверхностно-активные вещества и другие), в их числе по крайней мере один компонент, придающий маскирующему материалу непрозрачность в диапазоне видимого света.

Количество компонентов (n) для получения маскирующего материала может быть произвольным. Как отмечалось выше, маскирующий материал может быть выполнен и из одного вещества, отвечающего требованиям, предъявляемым к маскирующему материалу в целом.

Обозначим маскирующий материал как А, характеризующийся коэффициентом поглощения μ_a и плотностью ρ. Составляющие маскирующий материал n компонентов характеризуются коэффициентами поглощения μ_a1,..., μ_an и плотностью ρ₁,..., ρ_n. Массовая доля компонента A_i, в составе маскирующего материала А обозначена как w_i. Тогда коэффициент поглощения рентгеновского излучения μ_a маскирующего материала может быть выражен следующим образом:

где μ_a - коэффициент поглощения маскирующего материала А;

ρ - плотность маскирующего материала А;

w_i - массовая доля А_i-го компонента в составе маскирующего материала А;

μ_ai - коэффициент поглощения А_i-го компонента маскирующего материала;

ρ_i - плотность А_i-го компонента маскирующего материала;

μ_a1,..., μ_an - коэффициенты поглощения составляющих маскирующий материал компонентов А₁,..., А_n;

ρ₁,..., ρ_n, - плотности составляющих маскирующую композицию компонентов A₁,...,A_n.

Обозначим материал, из которого изготовлен элемент, подлежащий маскировке, как А₀, тогда μ_a0 - коэффициент поглощения материала А₀.

В соответствии с предлагаемым изобретением для обеспечения маскировки состав маскирующего материала (смесь компонентов A_i,..., A_n, взятых в массовых долях ), должен быть таким, чтобы для него приближенно выполнялось равенство μ_a0=μ_a. Поскольку величины μ_a0, и μ_a зависят от энергии излучения Е различным образом, то в общем случае точного равенства μ_a0=μ_a нельзя добиться для всех значений энергии.

После отбора компонентов для приготовления маскирующего материала, их массовые доли в составе материала определяют следующим образом. Промежуток энергии [Е_α, Е_β] разбивают на (m-1) частей точками E₁=E_α<E₂<...<E_m-1<E_m=Е_β и решают задачу о нахождении значений переменных , которые минимизируют функцию

при условиях

Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в обеспечении непрерывности коэффициента поглощения энергии на границах контакта маскируемых деталей с маскирующим материалом за счет равенства их коэффициентов поглощения, что делает неразличимыми эти границы и, соответственно, невозможным определение маскируемых деталей с помощью рентгеновского излучения. При этом, преимуществом способа является возможность определения составов маскирующих материалов и их варьирования на основе разработанной математической модели.

Кроме того, дополнительный результат заключается в обеспечении непрозрачности маскирующей композиции в оптической (видимой) области спектра, что повышает эффективность маскировки.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами. Коэффициенты поглощения известных веществ в примерах взяты из источника: Hubbell J.H., Seltzer S.M. Tables ofX-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy - Absorption Coefficients 1 Kev to 20 Mev for Elements Z=1 to 92 and 48 Additional Substances ofDosimetric Interest, NISTIR 5632, 1995.

ПРИМЕР 1.

Маскировка медных дорожек смонтированной на плате радиосхемы схематично показана на фиг.1 (вид сверху) и на фиг.2 (фрагмент поперечного сечения радиосхемы по сечению А-А на фиг.1), где 1 - текстолитовая основа, 2 - медные дорожки, 3 - детали радиосхемы, 4 - выходные контакты, 5 - маскирующий материал.

Для осуществления маскировки предварительно выбирают интервал энергии [Е_α, Е_β], в пределах которого требуется обеспечить маскировку радиосхемы, составляющий для данного примера от 5 до 6 Кэв. Затем устанавливают значения коэффициентов поглощения рентгеновского излучения маскируемых медных дорожек (меди) для значений энергии Е_k, равных 5 и 6 Кэв, которые составляют, соответственно, 1671,9 и 1010,7 см^-1.

Для составления композиции маскирующего материала из известных веществ с учетом их физико-химических характеристик выбраны шеллак и свинцовое стекло как вещества, не взаимодействующие химически друг с другом и позволяющие получить инертное по отношению к маскируемым элементам диэлектрическое покрытие.

Шеллак - смола органического происхождения, с хорошими клеящими и электроизоляционными свойствами, в композиции является связующим. Порошкообразное свинцовое стекло (наполнитель) имеет следующий элементный состав, мас.%: свинец - 75,1938; кремний - 8,0866; титан - 0,8092; мышьяк - 0,2651; кислород - 15,6453.

После отбора компонентов маскирующего материала определяют значения массовых долей шеллака и стекла (соответственно, ) в составе материала, которые минимизируют функцию (1).

Для этой цели использован один из известных в математике методов нахождения точки минимума функции - метод наименьших квадратов.

Значения оптимальных весовых долей определяют следующим образом. Пусть величины w₁, μ_a1, ρ₁ соответствуют шеллаку, а величины w₂, μ_a2, ρ₂ - свинцовому стеклу. В соответствии с формулой (3) коэффициент поглощения смеси для значения энергии рентгеновского излучения Е=Е_k имеет вид

Плотность смеси ρ задается известной формулой

Подставляя выражение (5) в правую часть выражения (1) с учетом формулы (6) и принимая во внимание, что w₂=1-w₁, получаем функцию

Все величины, стоящие в правой части выражения (7), кроме переменной w₁, известны (см. вышеупомянутые таблицы Hubbell J.H., Seltzer S.M.).

Из теории оптимального управления известно следующее:

1. При выполнении условия w₁+w₂=1 функция F(w₁, w₂) имеет минимум в точке (w₁, w₂)=() тогда и только тогда, когда функция имеет минимум в точке .

2. Функция имеет минимум в точке тогда и только тогда, когда .

Дифференцируя равенство (7), получаем:

Приравняв правую часть выражения (8) нулю, получаем уравнение для нахождения искомого неизвестного . Решив это уравнение, получаем

В данном примере ρ₁=1,02 (шеллак), ρ₁=6,22 (свинцовое стекло), m=2, E₁=5 Кэв, Е₂=6 Кэв. Значения μ_a0(E_k), μ_a1(E_k), μ_a2(E_k) (в размерности cm^-1); k=1, 2, соответствующие меди, шеллаку и стеклу, взяты из вышеупомянутого источника

μ_a0(E₁)=1671,9; μ_a1(E₁)=25,33; μ_a2(E₁)=3531,7;

μ_a0(E₂)=1010,7; μ_a1(E₂)=14,43; μ_a2(E₂)=2246,7.

Подставляя все эти значения в формулу (9), получаем =0,1599. Отсюда получаем: =0,8401. Таким образом, искомые массовые доли шеллака () и свинцового стекла () найдены.

Значение функции (1), соответствующее значениям массовых долей шеллака и стекла , составляет

F(,)=F(0,1599;0,8401)=(1671,9-1648,4)²+(1010,688-1047,7)²=1924,5.

В качестве графической иллюстрации того, что найденные значения и обеспечивают минимум функции F(w₁,1-w₁)=, на фиг.3 приведен график зависимости F(w₁,1-w₁) для w₁ из промежутка 0≤w₁≤1. При этом, по горизонтали отложены значения w₁, а по вертикали (в логарифмическом масштабе) - значения F(w₁,1-w1)=, вычисленные по формуле (7). Из графика видно, что при w₁==0,1599 функция достигает минимума.

Коэффициент расхождения R(E_k) для маскирующей смеси определяется следующим образом. Сначала находим плотность смеси

После этого вычисляем коэффициенты поглощения маскирующего материала для каждого из значений энергии Е_k, равных 5 и 6 Кэв, используя известные и найденные числовые значения, по формуле

Эти значения составляют соответственно 1648,4 и 1047,7 см^-1. Далее, по формуле (2) находим коэффициенты расхождения R(E₁)=1,429%, R(E₂)=3,661%.

В соответствии с найденными значениями массовых долей шеллака и стекла (округленно 0,16 и 0,84) для приготовления 50 г маскирующего материала взято 8 г шеллака и 42 г стекла.

Чешуйки шеллака непрозрачного сорта темно-бурого цвета нагревают при 75-85°С для размягчения до состояния, обеспечивающего возможность равномерного диспергирования в нем наполнителя. Затем в шеллак добавляют порошкообразное стекло и перемешивают до получения однородной смеси.

Полученный пастообразный маскирующий материал наносят на плату 1 таким образом, что он полностью покрывает сверху всю радиосхему ровным слоем (фиг.2). После отвердения слоя маскирующего материала и зачистки выходных контактов схема готова к работе. В данном примере на диапазоне энергии от 5 до 6 Кэв маскирующий материал имитирует медь.

В таблице 1 приведены значения коэффициентов поглощения маскируемых элементов (меди) и маскирующего материала на указанном диапазоне энергии и коэффициент их расхождения.

Таблица 1.
Ek - энергия, Кэв	μa0(Ek) - коэффициент поглощения меди, см-1	μa(0,1599; 0,8401, Ek) - Коэффициент поглощения маскирующего материала, см-1	R(Ek) - Коэффициент расхождения, %
5,0	1671,9	1648,4	1,429
6,0	1010,7	1047,7	3,661

В результате маскировки достигаются следующие преимущества:

1. Определение порядка соединения радиодеталей путем рентгеновского просвечивания на диапазоне, на котором производилась маскировка, невозможно, поскольку коэффициенты поглощения энергии у маскирующего материала и меди достаточно близки.

2. Визуальное определение порядка соединения радиодеталей невозможно, поскольку шеллак является непрозрачным компонентом маскирующего материала.

3. Маскировка не влияет на работу радиосхемы, т.к. маскирующий материал является диэлектриком.

ПРИМЕР 2.

Маскировка фрагмента радиохромовой пленки.

Маскировку осуществляют аналогично примеру 1 за исключением следующих условий.

Для составления композиции маскирующего материала из известных веществ выбраны шеллак и полиэтилен. Интервал энергии [Е_α, Е_β], в пределах которого требуется обеспечить маскировку радиохромовой пленки, составляет для данного примера от 1 до 20 Кэв, количество точек Е_k при этом равно 11, плотность шеллака ρ₁=1,02 г/см³, плотность полиэтилена ρ₂=0,93 г/см. Значения коэффициентов поглощения рентгеновского излучения маскируемой радиохромовой пленки для значений энергии E_k также взяты из вышеупомянутых таблиц Hubbell J.H., Seltzer S.M. и приведены в Таблице 2.

Выполнив расчеты, как в примере 1, сначала по формуле (9) находят значения массовых долей шеллака и полиэтилена в составе маскирующего материала, которые минимизируют функцию (1) и составляют, соответственно, =0,9102 и =0,0898. Значение функции (1), соответствующее значениям массовых долей шеллака и полиэтилена , составляет

F(,)=F(0,9102;0,0898)=39,41709.

В качестве графической иллюстрации того, что найденные значения и обеспечивают минимум функции F(w₁,1-w₁)= на фиг.4 приведен график зависимости F(w₁,1-w₁) для w₁ из промежутка 0≤w₁≤1. При этом, по горизонтали отложены значения w₁, а по вертикали (в логарифмическом масштабе) - значения F(w₁,1-w₁)=, вычисленные по формуле (7). Из графика видно, что при =0,9102 функция достигает минимума.

Коэффициент расхождения R(E_k) для маскирующей смеси также определяется, как в примере 1. Сначала находим плотность смеси

Далее для каждого E_k находим коэффициент поглощения рентгеновского излучения маскирующего материала по формуле

Далее, по формуле (2) находим коэффициенты расхождения R(E_k) для каждого значения k=1, 2,..., 11.

В соответствии с найденными значениями массовых долей шеллака и полиэтилена (округленно 0,91 и 0,09) для приготовления 50 г маскирующего материала берут 45,5 г шеллака и 4,5 г полиэтилена.

Маскирующий материал в виде пленки получают в экструдере путем расплавления исходных компонентов при температуре 105-110°С, перемешивания смеси до однородного состояния и продавливания полимерного материала с приданием ему нужной формы.

Маскируемый фрагмент упаковывается в маскирующий материал так, чтобы избежать воздушных зазоров между ними.

В данном примере достигается маскировка фрагмента радиохромовой пленки на всем маскируемом диапазоне энергии от 1 до 20 Кэв.

В таблице 2 приведены значения коэффициентов поглощения маскируемой пленки и маскирующего материала на указанном диапазоне энергии и коэффициента их расхождения.

1. Способ маскировки изделий, включающий приготовление маскирующего материала на основе полимерного связующего, которым покрывают или заполняют элементы изделия, подлежащие маскировке, при этом коэффициент поглощения рентгеновского излучения маскирующего материала максимально близок к коэффициенту поглощения рентгеновского излучения маскируемых элементов при предельно допустимом их расхождении не более 5%, а массовые доли компонентов маскирующего материала находят как точку минимума следующей функции n переменных:

где n - количество компонентов маскирующего материала;

- массовые доли компонентов маскирующего материала от 1 до n;

μ_a - коэффициент поглощения рентгеновского излучения маскирующего материала;

μ_a0 - коэффициент поглощения рентгеновского излучения маскируемых элементов;

E_k - фиксированное значение энергии излучения из некоторого, заранее выбранного, интервала энергии [Е_α, Е_β];

k - номер узла энергии излучения от 1 до m на интервале энергии, в котором нужно обеспечить маскировку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что маскирующий материал содержит, по крайней мере, один компонент, придающий ему непрозрачность в оптической (видимой) области спектра.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что маскирующий материал представляет собой одно вещество, одновременно являющееся непрозрачным в оптическом (видимом) диапазоне спектра.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае маскировки электропроводящих элементов изделий маскирующий материал является диэлектриком.