СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам получения изображений, сформированных с помощью протонного излучения, и может быть использовано, например, для исследования быстропротекающих процессов, изучения поведения объектов и определения их структуры при ударно-волновом нагружении и т.д.

Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение высококачественного изображения области исследования.

Из предшествующего уровня техники известны способы получения изображений быстропротекающего процесса, сформированных с помощью протонного излучения, например, на ускорителе в BNL (Брукхевен, США) ["THE PROTON RADIOGRAPHY CONCEPT" H.-J. Ziock, K.J. и др. - LA-UR-98-1368], или в LANL (Лос-Аламос, США) ["А narrow-gap ion chamber for beam motion correction in proton radiography experiments"; L.J. Schultza, и др. - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 508 (2003) 220-226]. Способы включают в себя следующие операции: формирование протонного пучка с помощью магнитооптической системы (МОС), пропуск пучка через область исследования, получение цифровых изображений с помощью систем регистрации до области исследования и после. Изображение после пропуска пучка через объект исследования получают в плоскости фокусировки второй МОС, устраняющей влияние вторичных частиц на изображение и обеспечивающей фокусировку протонов, рассеянных в плоскости объекта, на сцинтиллятор (плоскость изображения), удаленный на несколько метров. МОС включает магнитные линзы и коллиматор. Во втором документе регистрирующая система, установленная после области исследования, включает конвертор, преобразующий протонное излучение в видимый свет (сцинтиллятор), зеркало, оптические линзы и цифровые камеры. Информацию о распределении протонов в пучке до объекта исследования регистрируют с помощью ионной камеры, сегментированной на 4 квадранта, по которым вычисляют положение центра протонного пучка.

Один из недостатков известных способов связан с тем, что МОС, формирующая протонный пучок в области исследования, обеспечивает вывод протонного пучка с одной фиксированной шириной, притом, что размер области исследования может меняться в процессе эксперимента. Это приводит к неэффективному использованию количества протонов и снижению качества протонных изображений.

Известен способ получения изображений, сформированных с помощью протонного излучения, по патенту RU2573178 (публик. 20.01.2016). Способ частично устраняет недостатки предыдущих аналогов. Для обеспечения эффективного использования протонов и повышения качества протонных изображений в соответствии со способом по указанному патенту, осуществляют ввод протонного пучка, по крайней мере, в один магнитооптический канал, изменяют ширину протонного пучка на разные величины и с помощью первой МОС формируют протонный пучок с фазовыми параметрами, которые соответствуют параметрам области исследования и параметрам МОС, затем направляют пучок на вход протонографической установки (ПРГК) и просвечивают область исследования, пропуская поочередно протонные сгустки различной ширины, после чего прошедший протонный пучок направляют во вторую МОС, состоящую, по крайней мере, из двух различных по апертуре линзовых систем, апертура каждого набора соответствует протонному пучку определенной ширины, при этом линзовые наборы размещают последовательно в одном магнитооптическом канале. Линзовые системы формируют протонное изображение области исследования в своих плоскостях изображений.

Из предшествующего уровня техники известно также, что для повышения качества протонных изображений осуществляют настройку "МОС, обеспечивающую фокусировку протонов в плоскость изображения. В ПРГК на данный момент преимущественно используют так называемую «-1» оптику, состоящую из четырех квадрупольных линз, симметрично расположенных относительно своей серединной плоскости, где размещен коллиматор. Также существуют и другие магнито-оптические схемы [«DESIGN AND OPERATION OF A PROTON MICROSCOPE FOR RADIOGRAPHY AT 800 MEV», T. Mottershead, D. Barlow et al, Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference, 2003]. Все схемы, используемые при проведении опытов по протонной радиографии, обладают так называемой плоскостью Фурье (ПФ), в которой происходит перераспределение протонного пучка по углу рассеяния: смещение протонов относительно центральной оси в данной плоскости прямо пропорционально углу рассеяния протонов в объекте исследования и не зависит от положения протонов в плоскости объекта. Иными словами, в ПФ происходит «дифференцирование» (или сортировка) протонов по углу рассеяния. Благодаря этому свойству, и, размещая в ПФ коллиматоры различного диаметра [Flash radiography with 24 GeV/c protons, С.L. Morris et al, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 109, 104905 (2011)], можно осуществить настройку МОС. При установке коллиматоров различного диаметра в ПФ меняется вид общего коэффициента пропускания, поэтому, подобрав коллиматор оптимального диаметра, можно получить общий коэффициент пропускания, минимизирующий ошибку восстановления массовой толщины для конкретного объекта с конкретной массовой толщиной. Это делает протонную установку универсальной: на одной и той же установке можно исследовать процессы пылеобразования с характерными массовыми толщинами в сотни мг/см² и одновременно тяжелые объекты с массой в несколько сот г/см². В случае оптики ПФ располагается в серединной плоскости, в других случаях ПФ может располагаться в других местах.

Обрабатывая изображения, полученные с помощью ПРГК, полагают, что параметры приходящего с ускорителя и направляемого на ПРГК протонного пучка согласованы с параметрами фокусирующей МОС. Это должно означать, что угол наклона фазового эллипса пучка соответствует углу наклона фазового эллипса аксептанса МОС, и в этом случае коэффициент пропускания МОС практически не должен меняться по всему полю обзора ПРГК и должен зависеть только от угла рассеяния в объекте исследования. Также в ПФ для согласованного пучка, не рассеянного в области исследования (объект в ней не установлен), его размер, определяемый эмиттансом и размерами пучка в плоскости объекта, должен быть минимальным. Однако при проведении экспериментов пучок не полностью блокируется коллиматором, диаметр которого 10 или 15 мм, размеры пучка по основанию заметно превышают 15 мм, хотя расчетный размер пучка в ПФ составляет 5-10 мм по основанию. Также в практике протонного радиографирования было замечено, что коэффициент пропускания МОС в различных областях поля обзора отличается, вплоть до того, что в одной области наблюдается позитивное изображение, в другой области -негативное (изображение объектов темнее или светлее фона). Это говорит о том, что в ПФ, где установлен коллиматор, имеется зависимость координаты протона от его координаты в плоскости объекта (в идеале координата протона в ПФ должна зависеть только от угла рассеяния протона). Это однозначно говорит о том, что протонный пучок не согласован с МОС. Рассогласованность пучка приводит к трудностям при восстановлении общего коэффициента пропускания, поэтому вопрос о контроле пучка в ПФ является актуальным.

Известен способ получения изображений, сформированных с помощью протонного излучения синхрофазотрона У-70, установленного в Протвино, и ПРГК [«Протонная радиографическая установка на 70ГэВ - ом ускорителе ГНЦ ИФВЭ», Ю.М Антипов и др. Препринт 2009-14 ИФВЭ, 2009 г.]. Данный способ принят в качестве ближайшего аналога и включает в себя следующие операции: формирование протонного пучка с помощью первой МОС и пропуск его через область исследования, пропуск прошедшего через область исследования протонного пучка через вторую МОС, получение цифровых изображений до и после прохождения пучком области исследования с помощью первой и второй систем регистрации, сведение полученных изображений к одному ракурсу и попиксельное деление второго изображения на первое с получением изображения области исследования. Каждая из регистрирующих систем включает конвертор (сцинтиллятор), преобразующий протонное излучение в видимый свет, зеркало и цифровые камеры (ПЗС-матрицы). Первая МОС установлена на выходе ускорителя до входа в ПРГК. Изображение после пропуска пучка через область исследования получают в плоскости фокусировки второй, фокусирующей МОС, устраняющей влияние вторичных частиц на изображение и обеспечивающей фокусировку протонов, рассеянных в плоскости объекта, на сцинтиллятор. МОС включает магнитные линзы и коллиматор.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение качества зарегистрированных протонных изображений, что обеспечивает точность их обработки.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающем пропуск через область исследования протонного пучка, сформированного с помощью первой МОС, пропуск прошедшего через область исследования протонного пучка через вторую МОС, состоящую из квадрупольных линз и коллиматора, расположенного в плоскости Фурье, получение цифровых изображений до и после прохождения пучком области исследования с помощью двух систем регистрации, каждая из которых включает конвертор, преобразующий протонное излучение в фотоны, регистрируемые ПЗС-матрицей, с последующей обработкой полученных цифровых изображений для получения изображения области исследования, новым является то, что, предварительно осуществляют контроль согласованности параметров протонного пучка, формируемого первой МОС с параметрами второй МОС, для чего из первой системы регистрации удаляют конвертор, а в плоскости Фурье второй МОС вместо коллиматора устанавливают детектор протонного излучения с последующей установкой их на прежнее место перед проведением исследований, и, изменяя угол наклона фазового эллипса в вертикальной и горизонтальной плоскостях для протонного пучка, формируемого первой МОС, пропускают пучок через область исследования и вторую МОС, регистрируют сигнал с детектора, установленного в плоскости Фурье и определяют размеры пучка по обеим плоскостям, параметры протонного пучка, при которых его размеры минимальны, являются согласованными с параметрами второй МОС и пучок с такими параметрами используют при проведении исследований.

Согласованность протонного пучка с МОС обеспечивает соответствие угла наклона фазового эллипса пучка углу наклона фазового эллипса аксептанса МОС и в этом случае коэффициент пропускания МОС практически не меняется по всему полю обзора ПРГК.

На фиг. изображена схема участка ионопровода, поясняющая заявляемое изобретение, где: 1 - плоскость объекта; 2 - плоскость изображения; 3 - плоскость Фурье; 4 - детектор протонного излучения (сцинтиллятор); 5 - поворотное зеркало; 6 - окно вывода информации; 7 - регистратор.

В качестве примера конкретной реализации устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, может служить устройство, которое выполнено на основе действующего синхрофазотрона У-70, построенного в г. Протвино [Новости и проблемы фундаментальной физики, №1(5), 2009 г., с. 32-42]. На выходе синхрофазотрона установлена первая МОС, формирующая протонный пучок. Далее размещен ПРГК, состоящий из камеры для размещения объекта исследования, второй фокусирующей протоны МОС и двух систем регистрации протонного изображения. Первая система регистрации (на фиг. не показана) размещена до размещения объекта исследования и включает, зеркало, сцинтиллятор (LSO), преобразующий протонное излучение в фотоны, регистрируемые ПЗС-матрицей, входящей вместе с объективом в регистрирующую аппаратуру первой системы. После зоны размещения камеры с объектом исследования установлена вторая МОС, состоящая из магнитных квадрупольных линз, настроенная на расчетную энергию протонного пучка и обеспечивающая фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость изображения. В качестве МОС используют традиционную оптику, имеющую широкое применение в настоящий момент и формирующую изображение объекта, помещенного в объектную плоскость, в плоскости изображения с масштабом 1:1. МОС состоит из 4-х магнитных квадрупольных линз, расположенных симметрично относительно ПФ, в которой установлен коллиматор. Вторая система регистрации размещена после размещения второй МОС и включает поворотное зеркало, сцинтилляционный конвертер с соответствующей регистрирующей аппаратурой: объектив и ПЗС-матрицу. Для осуществления контроля согласованности протонного пучка со второй МОС в ПФ, располагающейся в середине второй МОС, внутри ионопровода устанавливают сцинтиллятор с возможностью его замены на коллиматор перед непосредственным проведением исследований, на небольшом расстоянии от сцинтиллятора располагают поворотное зеркало, выводящее свет через прозрачное окно вывода информации наружу на регистратор (объектив + ПЗС-матрица).

Заявляемый способ включает следующие операции.

До проведения экспериментов с исследуемым объектом осуществляют контроль согласованности протонного пучка со второй МОС, для чего из первой системы регистрации удаляют конвертор, а в ПФ 3 второй МОС вместо коллиматора устанавливают детектор протонного излучения - сцинтиллятор 4. Изменяя угол наклона фазового эллипса в вертикальной и горизонтальной плоскостях для протонного пучка, формируемого первой МОС, пропускают пучок через область исследования и вторую МОС.С помощью поворотного зеркала 5, которое размещают рядом с сцинтиллятором 4 второй МОС, выводят информацию через окно вывода 6 и регистрируют изображения с помощью регистратора 7. По заранее нанесенным на сцинтиллятор 4 меткам восстанавливают масштаб протонного изображения. Производят численные оценки размеров пучка в горизонтальной и вертикальной плоскости (например, ширину на полувысоте). Параметры протонного пучка, при которых размеры его в ПФ минимальны, являются согласованными с параметрами второй МОС. Далее, установив конвертор в первой регистрирующей системе и заменив сцинтиллятор 4 на коллиматор во второй МОС, пропускают через область исследования протонный пучок, сформированный с помощью первой МОС, параметры которого были выбраны, получают цифровые изображения до и после прохождения пучком области исследования с помощью двух систем регистрации и осуществляют обработку полученных цифровых изображений для получения изображения области исследования. При обработке восстанавливают коэффициент пропускания.

За счет увеличения точности восстановления коэффициента пропускания и четкости полученных изображений предлагаемый способ на базе У-70 с оптикой обеспечивает получение более качественных изображений и упрощает их обработку.

Использование: для получения изображений с помощью протонного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что до проведения экспериментов с исследуемым объектом осуществляют контроль согласованности параметров протонного пучка, формируемого первой магнитооптической системой (МОС) с параметрами второй магнитооптической системы, для чего из первой системы регистрации удаляют конвертор, а в плоскости Фурье (ПФ) второй МОС вместо коллиматора устанавливают детектор протонного излучения, изменяя угол наклона фазового эллипса в вертикальной и горизонтальной плоскостях для протонного пучка, формируемого первой МОС, пропускают пучок через область исследования и вторую МОС, регистрируют сигнал с детектора, установленного в ПФ, и определяют размеры пучка в горизонтальной и вертикальной плоскости, параметры протонного пучка, при которых его размеры в ПФ минимальны, являются согласованными с параметрами второй МОС, далее, установив конвертор в первой регистрирующей системе и заменив детектор протонного излучения на коллиматор во второй МОС, пропускают через область исследования протонный пучок, сформированный с помощью первой МОС, параметры которого были выбраны, получают цифровые изображения до и после прохождения пучком области исследования с помощью двух систем регистрации и осуществляют обработку полученных цифровых изображений для получения изображения области исследования. Технический результат: повышение качества зарегистрированных протонных изображений. 1 ил.

Способ получения изображений, сформированных с помощью протонного излучения, характеризующийся тем, что до проведения экспериментов с исследуемым объектом осуществляют контроль согласованности параметров протонного пучка, формируемого первой магнитооптической системой (МОС) с параметрами второй магнитооптической системы, для чего из первой системы регистрации удаляют конвертор, а в плоскости Фурье (ПФ) второй МОС вместо коллиматора устанавливают детектор протонного излучения, изменяя угол наклона фазового эллипса в вертикальной и горизонтальной плоскостях для протонного пучка, формируемого первой МОС, пропускают пучок через область исследования и вторую МОС, регистрируют сигнал с детектора, установленного в ПФ, и определяют размеры пучка в горизонтальной и вертикальной плоскости, параметры протонного пучка, при которых его размеры в ПФ минимальны, являются согласованными с параметрами второй МОС, далее, установив конвертор в первой регистрирующей системе и заменив детектор протонного излучения на коллиматор во второй МОС, пропускают через область исследования протонный пучок, сформированный с помощью первой МОС, параметры которого были выбраны, получают цифровые изображения до и после прохождения пучком области исследования с помощью двух систем регистрации и осуществляют обработку полученных цифровых изображений для получения изображения области исследования.