СПОСОБ НАСТРОЙКИ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОТОНОГРАФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
METHOD OF TUNING A MAGNETOOPTICAL SYSTEM OF A PROTONOGRAPHIC COMPLEX

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. Способы настройки систем получения изображения являются неотъемлемой частью решения данной задачи.
Ключевой системой протонографического комплекса является магнитооптическая система (МОС), которая фокусирует протонный пучок, рассеявшийся в исследуемом объекте, находящийся в объектной плоскости, на сцинтиллятор (в плоскость регистрации). Соответственно, от настройки этой системы зависит качество проводимых исследований методом протонной радиографии. Одним из главных параметров МОС является так называемый «нулевой» ток в квадрупольных магнитных линзах, входящих в МОС, соответствующий начальной энергии протонов (магнитная индукция МОС согласована с энергией). Иными словами, при таком токе протоны с начальной энергией, вылетающие из точки в объектной плоскости под различными углами, фокусируются в плоскости регистрации. При такой величине тока проводятся протонографические эксперименты с объектами, имеющую небольшую массовую толщину, при прохождении через которые протоны теряют незначительное количество энергии. При увеличении массовой толщины просвечиваемого объекта энергия протонов за счет ионизационных потерь уменьшается и в этом случае для фокусировки необходимо пропорционально уменьшать силу тока в линзах от значения «нулевого» тока. Таким образом, параметр «нулевого» тока имеет большое значение и измеряется каждый раз в начале протонографической сессии.
Известен способ настройки магнитооптической системы протонографического комплекса (патент RU 2515222, публик.10.05.2014), выбранный в качестве ближайшего аналога. Способ заключается в пропускании пучка протонов через магнитное поле и объектную плоскость системы формирования изображения, представляющей собой МОС, включающую магнитные линзы и коллиматор, и последовательном получении с помощью системы регистрации изображений тест-объекта, помещенного в объектную плоскость перпендикулярно движению протонов, меняя величину тока магнитных линз для определения значения, при котором магнитная индукция системы формирования изображения согласована с энергией пучка протонов. Магнитное поле в объектной плоскости формируют с помощью устройства настройки МОС, состоящего из конденсатора, импульсного электромагнита, включающего пару или систему пар проводников, которые размещают в объектной плоскости системы формирования изображения таким образом, что проводники ориентированы по направлению распространения протонного пучка, причем каждая пара подсоединена к своему генератору импульсов тока, которые запускают программатором, обеспечивающим временную задержку срабатывания генераторов, при этом на выходе электромагнита установлен тест-объект, представляющий собой масштабирующую решетку из металлических пластин, закрепленных в каркасе. Через проводники пропускают электрический ток и формируют магнитное поле, через которое пропускают пучок протонов, изменяя их траекторию и направляя через систему формирования изображения на систему регистрации, с помощью которой формируют изображение масштабирующей решетки, при получении искаженного изображения обеспечивают согласование магнитной индукции МОС с энергией пучка протонов путем изменения тока линз МОС и повторного пропуска пучка протонов до формирования неискаженного изображения масштабирующей решетки.
К недостаткам данного способа следует отнести то, что процесс настройки МОС требует наличия генераторов импульсов тока, конденсатора, блоков управления, что усложняет процесс настройки, кроме того, после каждого измерения необходимо перезаряжать конденсатор, на что уходит дополнительное время.
Техническим результатом заявляемого способа является существенное упрощение способа настройки МОС, а также повышение скорости настройки.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе настройки магнитооптической системы протонографического комплекса, заключающемся в пропускании пучка протонов через объектную плоскость магнитооптической системы, включающей магнитные линзы и коллиматор, и последовательном получении с помощью системы регистрации изображений тест-объекта, помещенного в объектную плоскость, меняя величину тока магнитных линз для определения оптимальной величины тока, при которой магнитная индукция магнитооптической системы согласована с энергией пучка протонов, новым является то, что в качестве тест-объекта используют пластину, толщина которой выбрана из условия обеспечения потери энергии протонов при прохождении через нее, не превышающей разброса энергии протонов в падающем пучке, при этом пластину выполняют либо сплошной и ориентируют так, чтобы пучок проходил через ее грань, либо с одной или несколькими прямоугольными прорезями, и ориентируют пластину так, чтобы пучок проходил через прорези, изменение величины тока линз производят с шагом, соответствующим требуемой точности настройки магнитооптической системы, выбор оптимального значения тока магнитных линз осуществляют по профилям интенсивности протонного пучка, которые строят по полученным изображениям тест-объекта в направлении, перпендикулярном грани или прорезям, в том случае, если на грани или границах прорезей отсутствует всплеск интенсивности, то плоскость фокусировки магнитооптической системы совпадает с объектной плоскостью, а величина тока магнитных линз, при которой было получено изображение, является оптимальной.
Использование в качестве тест-объекта пластины, толщина которой выбрана из условия обеспечения потери энергии протонов при прохождении через нее, не превышающей разброса энергии протонов в падающем пучке, позволяет осуществить процесс настройки МОС с определенной точностью без применения дополнительного оборудования.
Выполнение пластины либо сплошной при ее ориентации так, чтобы пучок проходил через ее грань, либо с одной или несколькими прямоугольными прорезями, и ориентацией так, чтобы пучок проходил через прорези, позволяет сформировать резкую границу для образования всплесков интенсивности протонного пучка на этих границах при несоответствии величины тока в магнитных линзах энергии протонного пучка. При наличии в пластине нескольких прямоугольных прорезей количество границ для анализа увеличится, и точность метода возрастет.
Получение изображений тест-объекта, последовательно изменяя величину тока линз с шагом, соответствующим требуемой точности настройки магнитооптической системы, позволяет с требуемой точностью определить оптимальное значение тока магнитных линз, при котором магнитная индукция МОС согласована с энергией пучка протонов.
Осуществление выбора оптимального значения тока магнитных линз по профилям интенсивности протонного пучка, которые строят по полученным изображениям тест-объекта в направлении, перпендикулярном грани или прорезям, позволяет, используя явление образования всплесков, настроить МОС за короткое время без применения дополнительной аппаратуры.
Построение профилей интенсивности протонного пучка, по которым осуществляют выбор оптимального значения тока магнитных линз, позволяет, используя явление образования всплесков на границе прорезей, осуществить настройку, МОС без использования дополнительных электротехнических средств.
Выбор оптимального значения тока магнитных линз по отсутствию изменения интенсивности на границе прорезей, позволяет быстро и точно обеспечить настройку МОС.
На фиг. 1 представлена схема прохождения пучка протонов через систему формирования и регистрации протонного изображения при согласованности магнитной индукции МОС с энергией пучка протонов, на фиг. 2 - схема образования всплесков интенсивности протонного пучка на границе прорезей при несогласованности магнитной индукции МОС (тока) с энергией пучка протонов; на фиг. 3 - тест-объект; на фиг. 4, 5 - протонные радиограммы тест-объекта при различных токах в магнитных линзах; на фиг. 6-11 - профили интенсивности пучка протонов вдоль пунктирной линии на фиг. 4 при различных токах в магнитных линзах (фиг. 6 - 559 А, фиг. 7 - 560 А, фиг. 8 - 561 А, фиг. 9 - 562 А, фиг. 10 - 563 А и фиг. 11 - 566 А).
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], и включает камеру для размещения объекта исследования, систему формирования и регистрации протонного изображения. Система формирования представляет собой МОС, состоящую из магнитных линз и коллиматора. Система регистрации состоит из сцинтилляционного конвертера, зеркала и цифровых камер. Толщина пластины выбирается из тех соображений, чтобы потеря энергии протонов в ней была бы существенно меньше разброса энергии в падающем пучке. Для ускорителя У-70 разброс протонов по энергии составляет ~50 МэВ, таким образом, толщина пластины из железа или меди не должна превышать 20 мм, а из вольфрама - 10 мм, при этом масштаб потери энергии протонами в таких пластинах не превысит 25 МэВ. Для проведения настройки использовали тест-объект, изготовленный из железа толщиной 10 мм, в котором электрозрозионным способом сделаны пропилы шириной от 200 мкм до 2 мм. Для настройки были использованы прорези шириной 2 мм. Процесс настройки МОС за счет согласования тока магнитных линз и энергии протонов, т.е. выбора «нулевого» тока заключается в последовательном радиографировании данного тест-объекта с различными значениями тока в линзах.
В результате настройки МОС протонографического комплекса определяют оптимальную величину тока магнитных линз, т.е «нулевого» тока. На фиг. 1 представлена схема прохождения пучка протонов через систему формирования и регистрации протонного изображения при согласованности магнитной индукции МОС с энергией пучка протонов. Заявляемый способ основан на таком явлении, как всплески интенсивности протонов на резкой границе прорезей тест-объекта при несоответствии тока в магнитных линзах энергии пучка протонов. В этом случае фокусное расстояние МОС меняется и на сцинтилляционный конвертер фокусируется распределение протонов не в объектной плоскости, а в некоторой другой плоскости, отстоящей от нее на некоторое расстояние  (фиг. 2). На этой же фиг. приведена схема возникновения всплесков вблизи границы прорезей тест-объекта: протоны, не проходящие через тест-объект, летят по прямой и интенсивность не теряют (штриховые линии), а протоны, проходящие через тест-объект, теряют часть своей интенсивности (за счет неупругих ядерных взаимодействий) и рассеиваются за счет многократного кулоновского рассеяния, выходя за пределы границы этой области (штрих-пунктирные линии). В результате общая интенсивность на конвертере имеет всплески в районе границы исследуемого объекта. Очевидно, что интенсивность данного эффекта уменьшается по мере уменьшения расстояния  между объектной плоскостью и плоскостью фокусировки и когда плоскости совпадают, то есть МОС настроена правильно, данный эффект пропадает. Для осуществления согласования в объектную плоскость устанавливают тест-объект (фиг. 3), пропуская пучок протонов и изменяя последовательно ток магнитных линз, получают с помощью системы регистрации изображения тест-объекта при различных значениях тока от 559 А до 566 А. Были получены протонные изображения данного тест-объекта (фиг. 4, 5) по которым строился профиль интенсивности поперек прорезей толщиной 2 мм. Данные профили при различных значениях тока в магнитных линзах представлены на фиг. 6-11. Видно, что при токе 559 А всплески выражены явно, при 560 А они практически исчезают, при токе 561 А они полностью отсутствуют, а начиная со значения тока 562 А, интенсивность всплесков начинает расти, и при 566 А их интенсивность очень велика. Таким образом, ток 561 А обеспечивает оптимальную настройку магнито-оптической системы, фокусирующий протоны с энергией 50 ГэВ с объектной плоскости на плоскость регистрации. Предлагаемый метод измерения «нулевого» тока прост в реализации и не требует больших затрат.