Dr. Vilem Petr, Colorado School of Mines
Philip Taylor ve Gene Nepomuceno, Vision Research
Çeviri: Alper Metin, alper@broadcasterino.net

İnşaatlara yer açma, derin madenler kazma, askeri ve polisiye amaçlarla patlamalar gerçekleştirildiğinde çeşitli kimyasal karışımların ve ateşleyicilerin patlamanın gücünü nasıl etkilediğini anlamak önemli. Yüksek hızlı görüntü kaydı teknolojisi, patlamaları, yol açtıkları zararı nicelik olarak yakalamak, ve patlamaların diğer önemli değişkenlerini ölçmek için kullanılabiliyor. Toplanan veriler, patlamanın anlaşılmasına ve sınıflandırılmasına yardımcı olacak bilgileri sağlayabiliyor ve bu da daha iyi ve doğru patlamalar oluşturulmasını sağlayabiliyor.

Yüksek hızlı çekimin gücü

Eskiden patlamalar, önceden durumun gözlenmesi ve patlamadan sonraki sonuca bakılması şeklinde inceleniyordu. Gölge resim (shadowgraphy) ve Schleiren görüntüleme gibi ileri çekim teknikleri yüksek hızlı çekim teknolojisiyle birlikte kullanılarak, şok dalgasının hızla merkezden kenarlara dairesel yayılımı ve patlamadan gelen parçaların hızları gibi ölçümler yapılabiliyor.

Termal ve kimyasal tepkimelerden oluşan patlamalar, son derece parlak, süpersonik ışık üretiyor ve sıklıkla geniş, yüksek hızlı ve görüşü engelleyici enkaz alanlarına yol açıyor. Şok dalgası saniyede 400 ila 600 metre ilerlediği için, görüntüleme alanının bu değişiklikleri yakalayacak kadar geniş olması gerekiyor, tipik olarak 50 x 50 santimetrelik bir alan gerekiyor. Görüntünün post prodüksiyonuna yüksek kaliteli veri sağlamak için mümkün olan en yüksek çözünürlükte çekim yapılması da önemli. Kamera patlamaya yakın bir yere konacaksa, sağlam bir kamera seçmek kuvvetli patlamanın şok dalgalarına ve şok dalgalarının ardından gelecek güçlü hava hareketlerine karşı koruma sağlayacaktır. 

Hassasiyeti azaltılmış sıvı ateşleyicilerin yüksek hızlı çekimi

Colorado School of Mines AXPRO (Advanced Explosives Processing Research Group) Gelişmiş Patlayıcıların İşlenmesi Araştırma Grubu, petrol ve gaz uygulamalarında, özellikle kuyu delmekte kullanılan hassasiyeti azaltılmış (desensitize) sıvı ateşleyicileri incelemek için yüksek hızlı kameralar kullandı. Bu ateşleyicilerdeki herhangi bir sıvı olması durumunda pasifleşen delikler, delici çubuklara girebilecek sıvılara karşı ek bir önlem sağlıyor. AXPRO’dan öğrenci araştırmacı Erika Nieczkoski, petrol endüstrisinde sık kullanılan bir desensitize ateşleyicinin, delici çubukları temizlemek için kullanılan su, mineral kaynaklar ve dizel yakıt gibi sıvılara maruz kalırsa düzgün çalışıp çalışmayacaklarını inceledi. Bu çalışmanın bulguları petrol ve gaz endüstrileri tarafından delme işlemlerinde standart bir çalışma süreci olarak benimsendi.

Deneyde sıvıların ateşleyicilerle etkileşimlerini ve aşamalarını anlamak için ateşleme sırasında gözlemler yapıldı. Araştırmacılar iki değişkenli sonuçlarla ilgiliydiler; ateşleyiciler belli koşullar altında kısmen veya tamamen infilak edecekler mi, etmeyecekler mi? Ateşleyicinin infilak etmesini yakalamak ve tam veya kısmi infilak olduğunu incelemek için yüksek hızlı bir kamera kullanıldı. Araştırmacılar saniyede 59,027 kare hızda çalışan bir Phantom v711 kamera kullandılar. Patlamalar gölge resim veya başka görüntüleme teknikleri kullanılmadan, doğrudan çekildi. Şekil 1 ve 2, deneydeki kurulumu gösteriyor. 

Şekil 1. Deneydeki kamera kurulumunun yüksek hızlı kamera kısmı

Şekil 2. Deneydeki kurulumun model ve aydınlatma kısmı

Yüksek hızlı çekim tam veya kısmi bir patlamanın olup olmadığını belirledi ve tüm ateşleme sürecinin görselleştirilmesini ve sınıflandırılmasını sağlayarak, ateşleyicinin içinde ve patlama sırasında meydana gelenler hakkında kanıt ve nicel bilgi sundu. Araştırmacılar hangi koşulların desensitize işleminin sorunlu olmasına yol açtığını gördüler ve temizleme sıvılarının, dizel ve mineral kaynaklarının ateşleyici performansını gerçekten etkilediğine, ikinci patlayıcılara uygulandığında ateşleyicinin desentisize olduğu sonucuna vardılar. Ayrıca ateşleyicilerin 200cm kadar temiz suya tamamen batırıldıklarında desentisize olmadıkları da gözlemlendi. Şekil 3, su ile test yapılan deneylerden birini gösteriyor.

Şekil 3. Suyun ilk pasifleştirme deliğinin altında olduğu deneyden görseler.

Patlama dalga enerjisini ölçmenin yeni bir yolu

IME (Institute Makers of Explosives) Patlayıcı Üreticileri Enstitüsü, AXPRO araştırmacılarından endüstriyel ateşleyicilerin gücünü ölçmek için optik bir yöntem geliştirmelerini istedi. AXPRO ateşleyici gücünü ve performansını tam olarak belirlemek için kullanılabilecek, aynen tekrarlanabilir bir işlem oluşturmak için yüksek hızlı çekim ile gölge resim tekniğini bir araya getirdi. 

Geleneksel olarak ateşleyici gücü, bir ateşleme sistemini kumun içinde, metal bir çivinin veya metal plakanın yanında patlatıp sonucu incelemek şeklinde dolaylı ölçüm teknikleriyle belirleniyor. Ancak bu yöntemler uzun zaman alıyor ve tam doğru olmayabiliyor. Oturmuş bir standart analiz yaklaşımı, belli bir güçteki patlayıcıların üretim yeri ne olursa olsun aynı güçte olmalarına ve Birleşmiş Milletler’in standart nitelendirme testi olarak kullanılmalarına yardımcı olabilir. Standart bir test yaklaşımı yasal yürütme kurumlarının ve yapımı ateşleyicilerle endüstri standartlarını karşılaştırmalarına da yardım edebilir. 

AXPRO’nun yarattığı bu yeni yaklaşım, yer değiştirmenin tüm alandaki sayısal analizini sunan  optik ölçüm tekniği dijital görüntü korelasyonu (DIC) ile şok dalgasının ışıkla etkileştiği zaman yaratılan gölgenin görüntülendiği özel gölge resim (shadowgraphy) tekniğini bir araya getiriyor. Bu yaklaşımda olası tüm ışıktan yalıtılmış bir odada patlayıcıların ateşlenip gölge resim tekniği ve yüksek hızlı bir kamerayla çekilerek ölçüm hesaplamalarının DIC yazılımıyla işlenmesi şeklinde oluyor. Bu sonuçlar, olay sırasında şok dalgası basıncını doğrudan ölçen basınç göstergeleriyle kalibre ediliyor. Bu yöntemin sağladığı ölçümler, nispeten düşük bir maliyetle ateşleyicinin enerji çıkışını doğrudan temsil ediyor; yüksek veri doğruluğu sağlıyor ve önceden kullanılan tekniklere göre veri analiz süresini kısaltıyor. 

Gölge resim oluşturmak için 9100fps kare hızlı ve 608x600 piksel çözünürlüklü bir Phantom v711 yüksek hızlı kamera, tek bir AlienBees Flash Unit B1600 ışık kaynağı, 5 milimetrelik bir çubuk aynası, ve geriye yansıtan bir ekran kullanıldı. Şekil 4 gölge resim deney kurulumunun kuş bakışı görünümünü gösteriyor. Patlama gibi son derece hızlı bir olayı yakalamak için, kısa pozlama süresi ve geniş (4.5) f-stop kullanmak gerekiyor. Patlayıcıların ürettikleri parlak ışık görüntüleri doygunlaştırabiliyor, ama bu tipik olarak sadece ilk birkaç kareyi etkiliyor. Bunu azaltmak için araştırmacılar en dinamik aralık (EDR) modunu kullandılar. Bu mod yüksek kontrastlı veya doygunlaşan pikselli bir görüntüdeki verileri, bu pikseller aşırı pozlanmadan önce üzerlerindeki pozlamayı durdurarak koruyor. 

Şekil 4. Geriye yansıtmalı gölge resim deneyi kurulumu (üstten görünüm).

Gölge resim ile ilgili Schlieren teknikleri de düşünülmesine rağmen, araştırmacılar Schlieren görüntüleme için gereken aynaların sadece analiz alanını sınırlamakla kalmayıp, gereken cihaz maliyetini de yükselttiğini anladılar. Gölge resim tekniğinde özel aynalar gerekmeden daha ucuz, geniş, geriye yansıtan bir ayna üzerine gölge bindirilebiliyor. Böylece görüntüler 40-50 santimetre kare alandan alınabiliyor. Bu ekranlar enkazdan zarar görürlerse kolayca onarılabiliyor veya değiştirilebiliyor. Ayrıca AlienBees Flash Unit 81600 ışık kaynağı, Schlieren tekniğinin ürettiğine benzer kalitede görüntü üretti. 

DIC kullanarak ölçümleri hesaplamak için araştırmacılar ImageJ yazılımını kullanarak ardışık karelerdeki şok dalgasının konumlarını izlediler. Java tabanlı resim işleme programı ImageJ, ABD National Institutes of Health’te geliştirildi. Şok dalgasının dairesel yayılımının bir görüntüsü elde edildi ve parçaların hızlarını ölçmek için kullanıldı. DIC ile en yüksek kaliteli verileri ve resimleri yakalamak, ölçeğin en az hatayla belirlenmesini ve kameranın hedefe özenle yönlendirilmesini gerektirdi. Araştırmacılar yayılan şok darbelerini ölçtükleri için, paralel olmayan ışıkları düzeltmek önemli. Şekil 5, 6 ve 7 ateşlemeleri ve yazılımın ürettiği yaklaşık patlama dalgasını gösteriyor.

Şekil 5. Patlama dalgasının resim dizisi.

Şekil 6. Patlama dalgasının resmi.

Şekil 7. ImageJ yazılımı kullanılarak üretilen yaklaşık patlama dalgası.

AXPRO araştırmacıları yeni tekniklerini #6 ve #8 güçte elektrik ateşlemelerinin ilk patlama dalgalarının ve elektrik köprü kablosu (bridgewire) ateşleyicilerin resimlerini üreterek test ettiler ve bu ateşleyicilerin her birinin gücünü doğrudan nitelendirdiler. Bu teknikle elde edilen net ve doğru resimler sayesinde patlama performansını tam doğru ve hassas olarak nitelendirebildiler. Ardından Mach sayısını ve mesafeyi hesaplamaya izin veren resim ve verileri kullanarak bir katsayı elde ettiler. 

Patlayıcıların çekimlerinde ışık patlayıcıları çekerken uygun aydınlatma önemli. Patlamanın parlaklığı nedeniyle çekimlerde her zaman ek aydınlatma gerekmiyor. Aslında daha önemli bir konu, patlamanın yaydığı ışığı kısıtlamak. Nötr yoğunluklu filtreler ışığın tüm dalga boylarının yoğunluğunu azalttığı için açıklık, pozlama süresi ve sensör hassasiyeti kombinasyonlarının kullanımına izin veriyor, böylece aşırı pozlanmış resimler önleniyor. Mümkün olan en büyük f-stop değerini, kısa pozlama süresini ve kameranın EDR modunu kullanmak da ışığı azaltmak için yararlı olabiliyor. Şekil 8, 9 ve 10, parlak bir görüntüyü çekerken azaltılan pozlama süresi ve EDR modunun etkisini gösteriyor.

Şekil 8. 25.000fps, 1 µs pozlama, 5 EDR değerlerinde Phantom v2512 görseli

Şekil 9. 25.000fps, 10 µs pozlama, 5 EDR değerlerinde Phantom v2512 görseli

Şekil 10. 25.000fps, 39 µs pozlama, 20 EDR değerlerinde Phantom v2512 görseli

Patlamadan önce gerekirse bir nesnenin veya alanın bir görüntüsünü aydınlatmak için patlamaya dayanıklı LED’ler kullanılabilir. Bir nesneyi aydınlatırken, hem aydınlatan ışık kaynağının hem de patlamadan gelen ışığın kameranın dinamik aralığı içerisinde kalması önemli. Patlamadan ne kadar ışık geleceğini kestirmeye yönelik yöntemler sınırlı olduğu için, bunu yapmak çok zor olabiliyor. Pratik bir yöntem, 1 mikrosaniye veya daha azı için yeterli aydınlatmayla başlayıp ardından bu aşırı parlak olursa açıklık ayarını değiştirmek veya nötr yoğunluklu bir filtre eklemek şeklinde uygulanabiliyor.

Bir nesnenin patlamadan önce izlenmesi gerekiyorsa, ateş topunun içinden görebilmek için bir lazer veya çentik filtresinden (notch filter) yararlanılabiliyor. Lazer nesneyi yüksek parlaklıkta, dar bant genişlikli ışıkla aydınlatırken, çentik süzgeci patlamanın yaydığı geniş bantlı ışığı geri çevirip lazer ışığı yakalıyor. Böylece kamera normalde parlak ateş topu tarafından engellenecek olan patlamanın ayrıntılarını kaydediyor. Cavitar Ltd, patlamaları çekmek için gereken kısa pozlama sürelerinde yüksek tekrarlama oranları sağlayan diyot lazerler sunuyor. Bu lazerin kızılötesine yakın dalga boyu, dumanlı ortamda görüntü yakalamaya yardımcı oluyor ve saniyede 100.00’den fazla çekim hızlarıyla kullanılabiliyor.

Argon mumlar (argon gazıyla doldurulmuş içi boş kaplar) da kısa pozlama süresiyle çekim için yüksek yoğunluklu ışık kaynağı olarak kullanılabiliyor. Patlamanın elektrik yükü argon içerisinde bir şok dalgası yaratarak çok yoğun, kısa süreli bir ışık patlaması oluşturuyor. Kuruluma aynalar eklenmesi, gölgeler yaratılmasını engelleyecek bir şekilde ışığı yönlendirebiliyor. Karmaşık kurulumu ve elektrikli ışık kaynaklarının kolayca elde edilebilmesi nedenleriyle bu teknik nadiren kullanılıyor. Örneğin yüksek hızlı çekimler için argon mumlarının yerine MegaSun aydınlatma sistemi kullanılabiliyor. 

Sonuç olarak yüksek hızlı çekimle elde edilen yüksek kaliteli veriler ile birlikte doğru görüntü yakalama yaklaşımı ve aydınlatma kurulumu, bilim insanlarına patlamalar ve ateşlenmeleri üzerinde daha önce mümkün olmayan yollarla çalışma ve araştırma yapma imkanı veriyor.