УСТРОЙСТВО И СПОСОБЫ:НАСТРОЙКИ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА ПРОТОНОВ В ОБЪЕКТНОЙ ПЛОСКОСТИ ПРОТОНОГРАФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА, СОГЛАСОВАНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ НАСТРОЙКИ МНОГОКАДРОВОЙ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ ПРОТОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
APPARATUS AND METHODS OF ADJUSTING MAGNETIC SYSTEM FOR FORMING BEAM OF PROTONS IN OBJECT PLANE OF PROTON GRAPHIC SYSTEM, MATCHING MAGNETIC INDUCTION OF MAGNETOOPTICAL IMAGING SYSTEM AND MONITORING ADJUSTMENT OF MULTIFRAME FOR RECORDING PROTON IMAGES

Изобретение относится к способам регистрации изображений, сформированных с помощью пучка протонов, и может найти применение при исследовании материалов и объектов с использованием радиографических способов регистрации изображений, использующих заряженные частицы.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение высококачественного изображения области исследования при приемлемых затратах на строительство, монтаж и обслуживание исследовательского комплекса. Способы настройки систем получения высококачественного изображения являются неотъемлемой частью решения данной задачи.
Из предшествующего уровня техники известны устройства, с помощью которых осуществляют настройку различных систем протонографического комплекса. Например, использование мир и тест-объектов для настройки системы регистрации протонографических изображений в одном кадре (Antipov, Y.M., Afonin, A.G., Vasilevskii, A.V., Gusev, I.A., Demyanchuk, V.I., Zyat'kov, O.V., Ignashin, N.A., Karshev, Y.G., Larionov, A.V., Maksimov, A.V., Matuyshin, A.A., Minchenko, A.V., Mikheev, M.S., Mirgorodskii, V.A., Peleshko, V.N., Rud'ko, V.D., Terekhov, V.L, Tyurin, N.E., Fedotov, Y.S., Trutnev, Y.A., Burtsev, V.V., Volkov, A.A, Ivanin I.A., Kartanov, S.A., Kuropatkin, Y.P., Mikhailov, A.L., Mikhailyukov, K.L., Oreshkov, O.V., Rudnev, A.V., Spirov, G.M., Symnin, M.A., Tatsennko, M.V., Tkachenko, I.A. & Khramov, I.V. 2010. A radiograpfic facility for the 70-GeV proton accelerator of the institute for high energy physics. Instruments and Experimental Techniques, 53,319-326.). К примеру, в качестве миры используют систему наборов металлических пластин, чередующихся с оргстеклом с изменяющимся шагом в каждом из наборов.
Процесс настройки с помощью таких устройств достаточно длительный и с их помощью невозможно настроить многокадровую систему регистрации, поскольку объект просвечивания статический, а в статике один кадр не отличается от другого.
Из предшествующего уровня техники известен способ согласования магнитной индукции магнитооптической системы формирования изображения протонографического канала с энергией протонов, включающий определение распределения протонов в пучке путем пропускания пучка через устройство настройки манитооптической системы протонографического канала - профилометр. При прохождении пучка через профилометр, его электроды заряжаются, регистрируют распределение зарядов, по которому судят о распределении протонов в пучке [«Многокадровая протонография на базе ускорителя У-70 как метод исследования быстропротекающих процессов», В.В.Бурцев, А.И.Лебедев, А.Л.Михайлов, В.А. Огородников, О.В.Орешков, К.Н.Панов, А.В.Руднев, О.В.Свирский, М.А.Сырунин, Ю.А.Трутнев, И.В.Храмов. 65 лет ВНИИЭФ. Физика и техника высоких плотностей энергии: Научное издание в 2-х выпусках. Выпуск 2. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», стр.205-225]. Данный способ выбран в качестве прототипа заявляемому способу согласования магнитной индукции магнитооптической системы формирования изображения протонографического канала с энергией протонов.
Недостатки этого способа заключаются в низкой точности определения распределения протонов по полю. Для того чтобы получить распределение протонов с помощью профилометров по всему магнитооптическому каналу, необходимо размещать подвижные узлы и их элементы в различных местах канала, что связано с техническими трудностями. Кроме того, профилометры располагают внутри вакуумной системы протонографического канала, что затрудняет вывод информации.
В настоящее время не существует способов контроля настройки многокадровой системы регистрации. Существует способ контроля настройки отдельных каналов путем регистрации отдельных банчей протонного пучка на соответствующие моменты времени [«Протонная радиографическая установка на 70 ГэВ-ом ускорителе ГНЦ ИФВЭ», Ю.М.Антипов, А.Г.Афонин, А.В.Василевский, В.И.Демянчук, О.В.Зятьков, Н.А.Игнашин, Ю.Г.Каршев, А.В.Максимов, А.А.Матюшин, А.В.Минченко, М.С.Михеев, В.А. Миргородский, В.Н.Пелешко, В.Д.Рудько, В.И.Терехов, Н.Е.Тюрин, Ю.С.Федотов, Ю.А.Трутнев, В.В.Бурцев, А.А.Волков, И.А.Иванин, С.А.Картанов, Ю.П.Куропаткин, А.Л.Михайлов, О.В.Орешков, А.В.Руднев, Г.М.Спиров, М.А.Сырунин, М.В.Таценко, И.А.Ткаченко, И.В.Храмов. Препринт 2009. - 14 ИФВЭ, 2009 г.]. Протонный пучок ускорителя У-70 содержит 29 банчей (сгустков) протонов. Каждый банч имеет свой номер. Длительность банча составляет ~15 нс, временной интервал между банчами ~165 нс. Поскольку распределение протонов по пространству в каждом из 29 банчей практически одинаково, не исключены ошибки в настройке многокадровой системы регистрации, когда один банч принимается за другой.
В принципе, возможно использовать для контроля настройки многокадровой системы регистрации динамические объекты, содержащие взрывчатые вещества (ВВ), поскольку характерные скорости движения исследуемых процессов не менее 1 км/с. Настройка магнитного тракта может проводиться поэтапно для каждого квартета, поэтому может потребоваться большое количество взрывных экспериментов. Каждый взрывной эксперимент предполагает монтаж взрывного устройства внутри взрывозащитной камеры (ВЗК). После каждого такого опыта камеру и устройство необходимо менять, это приводит к большим затратам времени и ресурсов, поэтому на практике он не применяется. Другие способы достижения таких скоростей, например, с помощью газовой пушки еще более трудоемкие.
На основании вышеизложенного для заявляемого способа контроля настройки многокадровой системы регистрации протонных изображений прототип не найден.
Техническим результатом, который может быть получен при применении заявляемых устройства и способов, является повышение качества настройки магнитооптической системы протонографического комплекса. В состав магнитооптической системы входят: система формирования пучка (узлы и устройства, осуществляющие транспортировку протонного пучка от ускорителя до объектной плоскости/области исследования), система формирования изображения (узлы и устройства, осуществляющие транспортировку от объектной плоскости до системы регистрации) и система регистрации изображения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что:
Устройство для настройки магнитооптической системы и контроля качества изображения многокадровой системы регистрации протонографического комплекса включает импульсный электромагнит, образованный парой или системой пар тонких проводников, ориентированных вдоль оси протонографического комплекса и разнесенных в поперечной плоскости, при этом каждая пара подсоединена к своему генератору импульсов тока, запускаемого программатором, обеспечивающим временную задержку срабатывания генераторов, причем вне электромагнита, перпендикулярно направлению движения протонов установлена масштабирующая решетка из металлических пластин, закрепленных в каркасе;
Способ настройки магнитной системы формирования пучка протонов в объектной плоскости протонографического комплекса, кроме общих с прототипом признаков, заключающихся в определении распределения протонов в пучке путем пропускания пучка через устройство настройки магнитооптической системы протонографического комплекса, включает отличительные, а именно:
- в качестве устройства настройки магнитооптической системы протонографического комплекса используют устройство, состоящее из импульсного электромагнита, включающего, как минимум, пару проводников;
- проводники размещают в объектной плоскости системы формирования изображения вдоль направления распространения протонного пучка;
- через проводники пропускают электрический ток, который формирует магнитное поле;
- через магнитное поле пропускают пучок протонов, которое изменяет их траекторию;
- пучок протонов направляют через систему формирования изображения, включающую коллиматор, на систему регистрации;
- с помощью системы регистрации протоны пучка формируют изображение, создаваемое магнитным полем устройства, а также изображение масштабирующей решетки;
- при получении несимметричного относительно решетки изображения делается вывод о необходимости настройки магнитной системы формирования пучка протонов в объектной плоскости протонографического канала;
- настройку осуществляют путем изменения тока линз системы формирования пучка и повторного пропускания пучка протонов до формирования симметричного изображения;
- необходимые токи линз предварительно можно рассчитать путем численного моделирования, при этом существенно сокращается число необходимых пусков ускорителя;
Способ согласования магнитной индукции магнитооптической системы формирования изображения протонографического комплекса с энергией протонов, кроме общих с прототипом признаков, заключающихся в определении распределения протонов в пучке путем пропускания пучка через устройство настройки магнитооптической системы протонографического канала, содержит отличительные, а именно:
- в качестве устройства настройки магнитооптической системы протонографического канала используют устройство, состоящее из импульсного электромагнита, включающего, как минимум, пару проводников; проводники размещают в объектной плоскости системы формирования изображения;
- размещение осуществляют таким образом, что его проводники ориентированы по направлению распространения протонного пучка;
- на выходе электромагнита, перпендикулярно направлению движения протонов, устанавливают масштабирующую решетку, выполненную из металлических пластин, закрепленных в каркасе;
- через проводники пропускают электрический ток и формируют магнитное поле;
- через поле пропускают пучок протонов, изменяя их траекторию;
- протоны направляют через систему формирования изображения, включающую коллиматор, на систему регистрации;
- с помощью системы регистрации формируют изображение масштабирующей решетки;
- при получении искаженного изображения обеспечивают согласование магнитной индукции магнитооптической системы формирования изображения с энергией пучка протонов путем изменения тока линз магнитооптической системы формирования изображения и повторного пропуска пучка протонов до формирования неискаженного изображения масштабирующей решетки, необходимые токи линз можно рассчитать предварительно путем численного моделирования, при этом существенно сокращается число необходимых пусков ускорителя.
Способ контроля настройки многокадровой системы регистрации протонных изображений включает сравнение расчетных изображений смоделированных процессов с зарегистрированными при формировании серии меняющихся изображений на конверторе системы регистрации протонографического канала, для этого в объектной плоскости системы формирования изображения возбуждают импульсное магнитное поле, влияющее на направление движения протонов, при этом максимум плотности энергии поля перемещают в объектной плоскости со скоростью не менее 1 км/с путем размещения устройства, состоящего из импульсного электромагнита, образованного системой пар тонких проводников, ориентированных вдоль оси протонографического канала и разнесенных в поперечной плоскости, при этом каждая пара подсоединена к своему генератору импульсов тока, запускаемого программатором, обеспечивающим временною задержку срабатывания генераторов, затем через магнитное поле пропускают серию банчей протонов, формируя последовательность изображений на регистраторе.
Применение импульсного электромагнита, образованного парой или системой пар тонких проводников, ориентированных вдоль оси протонографического комплекса и разнесенных в поперечной плоскости, позволяет сформировать магнитное поле, которое изменяет траекторию пучка при транспортировке его в плоскость регистратора и сформировать изображение, по форме которого судят о точности настройки системы подготовки пучка.
Установка вне электромагнита, перпендикулярно направлению движения протонов, масштабирующей решетки из металлических пластин, закрепленных в каркасе, позволяет определить симметричность изображения относительно ее. При получении несимметричного изображения обеспечивают настройку магнитной системы формирования пучка протонов в объектной плоскости протонографического комплекса путем изменения тока линз системы формирования пучка и повторного пропуска пучка протонов до получения расчетной формы, отвечающей оптимальному соотношению токов в системе подготовки пучка.
Подсоединение каждой пары проводников к своему генератору импульсов тока, запускаемого программатором, обеспечивающим временную задержку срабатывания генераторов, позволяет формировать серию изображений, существенно отличающихся друг от друга, отвечающих каждому из банчей протонного пучка.
Магнитное поле, возбуждаемое парой проводников с током, приводит к значительному отклонению частиц и, соответственно, к усилению искажений изображения решетки, возникающих при неоптимальной настройке линз системы переноса изображения. Изменяя токи в линзах системы переноса изображения, добиваются идеального изображения решетки.
Сравнивая расчетные изображения, полученные с высокой точностью, и регистрируемые в эксперименте изображения получают оценку качества настройки многокадрового регистратора. Изображение решетки служит масштабирующим фактором.
Контроль распределения протонов в пучке осуществляют по изображению пучка протонов, это позволяет надежно настраивать многокадровую систему регистрации путем сравнения экспериментально полученных кадров и теоретически рассчитанных.
Перемещение максимума плотности энергии поля в объектной плоскости со скоростью не менее 1 км/с позволяет отличить визуально последующий кадр от предыдущего.
На фиг.1, 2, 3, 4 представлена серия картин, рассчитанных при вариации тока в системе линз подготовки пучка.
На фиг.5, 6, 7, - серия снимков, полученная при оптимизации тока линз квартета.
На фиг.8, 9, 10 - серия снимков расчетных, использованных при настройке многокадровой системы регистрации, а на фиг.11, 12, 13 - экспериментальных, с обычным коллиматором диаметром 20 мм.
На фиг.14 схематично изображен пример конкретного выполнения заявляемого устройства, где: 1 - генераторы тока, 2 - проводники, 3 - масштабирующая решетка, 4 - коллиматор.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства, изображенного на фиг.14, является устройство для настройки магнитооптической системы и контроля качества изображения многокадровой системы регистрации протонографического комплекса (далее - устройство настройки и контроля), состоящее из цилиндрического металлического корпуса диаметром ~15 см. В корпусе размещен импульсный электромагнит, образованный тремя парами тонких (диаметром ~2 мм) медных проводников, соединенных последовательно и образующих токовые петли. Корпус снабжен ногами регулируемой высоты. Проводники ориентированы вдоль оси протонографического канала и разнесены в поперечной плоскости. Проводники закреплены в винипластовой трубе с полиэтиленовыми крышками толщиной 5 мм каждая. Каждая петля соединена со своим высоковольтным импульсным генератором тока, размещенным вне корпуса и запускаемым программатором, посредством трех кабелей КВИ-50 длиной 3 м. Программатор обеспечивает временную задержку срабатывания генераторов. Параллельно выводам каждой из петель подключен резистор (~1 кОм) для подавления коммутационных колебаний напряжения. На выходе электромагнита в корпусе установлена масштабирующая решетка (размер ячейки 2 см) из металлических пластин толщиной 2 мм, закрепленных в каркасе, и коллиматор. Коллиматор установлен вне корпуса и выполнен из вольфрама в виде трубки толщиной 5 см и внутренним диаметром 20 мм. После коллиматора на оптической оси установлено поворотное зеркало и конвертор в виде диска из силиката лютеция. Изображение регистрируют с помощью многокадрового регистратора. Поворотное зеркало, конвертор и многокадровый регистратор на рисунке не показаны.
Работа устройства настройки и контроля осуществляется следующим образом.
После сборки устройства осуществляют его юстировку относительно пучка протонов путем регулировки высоты ног цилиндрического корпуса и совмещением направляющей линии на корпусе с проекцией нити, натянутой вдоль оси пучка по направляющей линии. Окончательную юстировку (настройку и контроль) осуществляют по протонографическим изображениям решетки 3. Непосредственно рядом с устройством располагают генераторы импульсов тока 1, высоковольтное зарядное устройство и блок управления (программатор). Все емкостные накопители генераторов 1 заряжаются до одного напряжения, а программное изменение соотношения токов в проводниках 2 устройства настройки и контроля осуществляется выбором задержки запуска генераторов 1. С помощью устройства настройки и контроля осуществляют все заявляемые способы.
0
0
Способ настройки магнитной системы формирования пучка протонов в объектной плоскости протонографического комплекса включает в себя следующие операции. Предварительно расчетным путем определяют величину тока, питающего линзы системы формирования пучка протонов. Формируют серию банчей протонов. Задают последовательность включения генераторов 1 с помощью программатора в соответствии с последовательностью прохождения банчей протонов по системе транспортировки через устройство. При пропускании тока через проводники 2 формируют быстропеременное магнитное поле. С помощью трех пар проводников 2 с током, коллиматора 3 и системы транспортировки пучка в плоскости регистратора формируют изображение решетки 3 и магнитного поля, форма которого зависит от точности настройки системы подготовки пучка. Изображение формируют на конверторе и с помощью поворотного зеркала транспортируют на многокадровый регистратор. При получении несимметричного относительно решетки изображения обеспечивают настройку магнитной системы формирования пучка протонов в объектной плоскости протонографического комплекса путем изменения тока линз системы формирования пучка и повторного пропуска пучка протонов через устройство до получения соответствующей формы, отвечающей оптимальному соотношению токов в системе формирования пучка. На фиг.1, 2, 3, 4 показана серия картин, рассчитанных при вариации тока в системе линз формирования пучка (коллиматор диаметром 15 мм). Первоначально в линзах ток равен I, а расчетное изображение магнитного поля устройства становится симметричным относительно горизонтальной оси при токе 0.94×I.
Способ согласования магнитной индукции магнитооптической системы формирования изображения протонографического комплекса с энергией протонов включает в себя следующие операции. Пропускание тока через проводники 2 для формирования быстропеременного магнитного поля, через которое пропускают поток протонов, направляют его через систему формирования изображения, включающую коллиматор 4, на систему регистрации, которая состоит из конвертора, поворотного зеркала и многокадрового регистратора, с помощью которого формируют изображение масштабирующей решетки 3. Магнитная система переноса пучка при идеальной настройке обеспечивает перенос изображения из точки в точку без искажений. Пропуская пучок протонов через масштабирующую решетку 3, получаем ее неискаженное изображение. Магнитное поле, возбуждаемое тремя парами проводников с током 2, приводит к значительному отклонению частиц и, соответственно, к усилению искажений изображения решетки 3, возникающих при неоптимальной настройке линз системы формирования изображения. При получении искаженного изображения обеспечивают согласование магнитной индукции магнитооптической системы формирования изображения с энергией пучка протонов. Согласование осуществляют путем изменения тока линз магнитооптической системы формирования изображения, затем повторно пропускают пучок протонов через масштабирующую решетку 3 до формирования идеального (неискаженного) изображения масштабирующей решетки 3. На фиг.5, 6, 7 приведены экспериментальные изображения магнитного поля и масштабирующей решетки, полученные при экспериментальной апробации заявляемого устройства. На фиг.5 и 6 видна дисторсия изображения решетки, искажения минимальны для изображения на фиг.7, когда ток подобран правильно.
Способ контроля настройки многокадровой системы регистрации протонных изображений включает следующие операции. Получают с высокой точностью расчетные изображения смоделированных процессов (приведены на фиг.8, 9, 10). В объектной плоскости системы формирования изображения возбуждают импульсное магнитное поле, влияющее на направление движения протонов, при этом максимум плотности энергии поля перемещают в объектной плоскости со скоростью 5 км/с. С помощью системы проводников 2, генераторов тока 1 и программатора формируется серия изображений, существенно отличающихся друг от друга, отвечающих каждому из банчей протонного пучка (приведены на фиг.11, 12, 13). Сравнивая расчетные изображения, полученные с высокой точностью, и регистрируемые в эксперименте изображения получают оценку качества настройки многокадрового регистратора. Изображение решетки служит масштабирующим фактором. Можно сказать, что каждый банч «видит» различное магнитное поле и, соответственно, на конверторе формируется различное изображение. Контроль распределения протонов в пучке осуществляют по изображению пучка протонов, это позволяет надежно настраивать многокадровую систему регистрации путем сравнения экспериментально полученных кадров и теоретически рассчитанных. В опытах по апробации предлагаемого способа определена чувствительность настройки подводящего магнитного тракта и магнитной оптики, которая составляет не менее 0.2% по току в линзах.
Таким образом, заявляемое устройство и способы позволяют повысить качество настройки магнитооптической системы протонографического комплекса при простоте и приемлемых затратах на обслуживание исследовательского комплекса. На данный момент других способов или устройств, позволяющих настроить магнитную оптику с точностью 0.2% по току, не обнаружено.