СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОТОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD FOR PRODUCING PROTON IMAGES

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам регистрации оптических изображений, сформированных с помощью протонного излучения, и может быть использовано, например, в системах цифровой съемки для определения внутренней структуры объектов или исследования быстропротекающих процессов.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение достоверной информации об исследуемых объектах при уменьшении стоимости эксперимента.
Известен способ получения изображений исследуемого образца с помощью рентгеновского или протонного излучения по заявке на изобретение US 2015041662 (публик. 12.02.2015). Исследование образца происходит таким образом, что, например, генерируется рентгеновское излучение и направляется через фильтр и образец к твердотельному детектору. Рентгеновское излучение проходит через образец и таким образом ослабляется. Излучение, прошедшее через образец, с определенным пространственным разрешением принимается твердотельным детектором, включающим несколько детекторных элементов, каждый из которых выполнен, например, на основе гетероструктуры GaN-AlGaN. Сигнал детектора от каждого детекторного элемента характеризует число носителей заряда, генерируемых в секции потенциальной ямы детекторного элемента. Сигналы детектора затем обрабатываются с получением изображений, например проецируемых изображений образца.
При этом способе исследования применяется излучение с низкой энергией.
6
7
Известен способ регистрации рентгеновского или γ-излучения высокой энергии, применяемый при радиографических исследованиях, который основан на эффекте ионизации вторичных электронов, образуемых при взаимодействии излучения с рабочим газом под давлением. Для этого в регистрирующую систему радиографической установки включают матричный детектор, содержащий множество матричных блоков ионизационной камеры, заполненных рабочим газом под давлением от 10 до 10 Па. Центральная ось каждого из матричных блоков ориентирована на источник излучения. Исследуемый объект полностью расположен в поле зрения матричного детектора (патент RU 2147138, публик. 27.03.2000). Ионизирующая частица, попавшая в детектор, производит пары электрон-дырка, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродам детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей или γ-квантом в детекторе. Важно, чтобы детектор собрал все образовавшиеся в нем заряды.
0
2
10
-3
5
Также известен способ регистрации ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых детекторов, которые являются твердотельными аналогами газонаполненных ионизационных камер (патент RU 2484554, публик. 10.06.2013). Устройство регистрации ионизирующих частиц по известному способу содержит ионизационную ячейку, включающую в себя выделенный объем полупроводника с собственной проводимостью, окруженного изолятором, с нанесенными электродами. В качестве полупроводника используется нелегированный кремний (Electronic Grade Silicon) с собственной концентрацией носителей n=1.5⋅10 см, чему соответствует собственное удельное объемное сопротивление ρ=2.3⋅10 Ом⋅см. В качестве изолятора - окись кремния SiO. Электроды образуют с кремнием омические контакты. Устройство регистрации может быть создано и на основе других широкозонных полупроводников - арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP) и т.д.
Полупроводниковые детекторы имеют ряд существенных преимуществ перед газонаполненными ионизационными камерами. Энергия, необходимая для получения одной пары носителей в полупроводниковом детекторе, гораздо меньше (2,96 эВ в Ge и 3,66 эВ в Si), чем в газах, заполняющих камеры (~30 эВ). Поэтому число образовавшихся пар в детекторе соответственно больше и оно меньше подвержено статистическим флуктуациям. Кроме того, плотность материала полупроводникового детектора гораздо больше, чем плотность газов, заполняющих ионизационные камеры. Поэтому даже небольшие детекторы могут регистрировать частицы высоких энергий и γ-кванты. Однако при этом имеют место недостатки с точки зрения диапазона энергий или чувствительности.
Известен способ получения изображений, сформированных с помощью протонного излучения синхрофазотрона У-70, установленного в Протвино, и магнитооптической системы [«Протонная радиографическая установка на 70 ГэВ - ом ускорителе ГНЦ ИФВЭ» Ю.М Антипов и др. Препринт 2009-14 ИФВЭ, 2009]. Данный способ выбран в качестве наиболее близкого аналога и включает в себя следующие операции: формирование протонного пучка, который пропускают через объект исследования, получение цифровых изображений протонного пучка до и после прохождения пучком объекта исследования с помощью первой и второй систем регистрации соответственно. Изображение пучка после прохождения объекта исследования получают в плоскости фокусировки второй магнитооптической системы, обеспечивающей фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость изображения, далее осуществляют сведение полученных изображений к одному ракурсу и попиксельное деления второго изображения на первое, что позволяет получить теневое изображение объекта исследования. Каждая из регистрирующих систем включает конвертер, поворотное зеркало и цифровые камеры (ПЗС-матрицы).
В известном способе в качестве конвертера, преобразующего протонное излучение в видимый свет, регистрируемый в конечном итоге ПЗС-матрицами, используют сцинтиллятор, то есть пластину из вещества, обладающую способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения.
Для использования в экспериментах по протонной радиографии сцинтиллятор должен обладать радиационной стойкостью, большим световыходом и малым временем высвечивания. Наиболее оптимальным материалом, обладающим всеми этими свойствами, является кристалл LSO (LYSO), который и используется при проведении экспериментов.
К сожалению, у LSO есть и недостатки:
- ограничения по размеру кристаллов, вследствие чего для изготовления больших по полю обзора сцинтилляторов необходимо стыковать несколько кристаллов, что приводит к появлению дефектов на изображении в местах стыка;
- неравномерность оптических характеристик кристаллов LSO по полю обзора;
- за счет вторичных частиц, возникающих при взаимодействии протонов с веществом сцинтиллятора, энерговыделение происходит не только вдоль траектории протона, но и на значительном (>10 мм) расстоянии от нее, что приводит к дополнительному размытию изображения;
- недостаточно малое время высвечивания (40 нc), что при расстоянии между банчами ускорителя У-70 165 нc не обеспечивает полного затухания сигнала и последующий кадр регистрирует "хвосты" от предыдущего кадра;
3
- дороговизна (1 см стоит около 100$);
- большая плотность LSO приводит к тому, что часть падающих на него протонов (несколько процентов) участвует в неупругих ядерных реакциях с возникновением большого количества вторичных частиц и соответственно большого локального энерговыделения (при толщине LSO 2 мм и энергии падающих протонов 50 ГэВ энерговыделение без неупругих ядерных реакций составляет около 2 МэВ, а при их возникновении - около 25 МэВ). Это, в свою очередь, приводит к увеличению дисперсии энерговыделения и эффективному уменьшению (в 10 раз и более) статистики протонов, участвующих в формировании изображения.
Технических результатом, достигаемым предлагаемым способом, является повышение качества изображения путем уменьшения размытия и уменьшение времени высвечивания при уменьшении стоимости конвертера, снятии ограничений на его размеры, практически полном отсутствии ядерных реакций.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения протонных изображений, включающем пропуск протонного пучка через область исследования и его регистрацию до и после прохождения области исследования путем направления пучка протонов в конвертер, преобразующий протонное излучение в фотоны, которые затем направляют на вход ПЗС-матрицы для получения цифровых изображений, с последующей их обработкой путем сведения к одному ракурсу и попиксельного деления изображения, полученного после прохождения пучком области исследования, на изображение, полученное до прохождения им области исследования, новым является то, что в результате преобразования протонного излучения в фотоны формируют узконаправленный пучок фотонов путем направления пучка протонов в конвертер, преобразующий протонное излучение в излучение Вавилова-Черенкова, при этом газ, которым заполняют рабочий объем конвертера, выбирают из условия, чтобы его коэффициент преломления находился в диапазоне 1,0001-1,001, далее сформированный пучок фотонов фокусируют и направляют на вход ПЗС-матрицы.
Конвертер, преобразующий протонное излучение в излучение Вавилова-Черенкова, можно использовать как отдельно, так и параллельно с традиционным сцинтилляционным конвертером, установив их рядом и сформировав дополнительный оптический канал регистрации, тем самым обеспечить возможность объединить изображения с разных типов конвертеров, что позволяет повысить информативность.
Размещение в плоскости фокусировки магнитооптической системы конвертера, представляющего из себя герметичный и прозрачный контейнер, наполненный газом с показателем преломления, обеспечивающим рождение излучения Вавилова-Черенкова при соответствующей энергии протонов, позволяет весь рожденный свет направить на вход ПЗС-матрицы, т.к. пучок фотонов, являясь узконаправленным, может быть весь зарегистрирован с помощью системы регистрации. В случае применения сцинтилляционных конвертеров из LSO (ближайший аналог) на один падающий протон рождаются сотни тысяч фотонов. Однако данные фотоны рождаются изотропно и за счет низкой эффективности светосбора системы регистрации, которая не может располагаться близко к высокоэнергетическому протонному пучку высокой интенсивности, количество регистрируемых фотонов не превышает 3-5 на один падающий протон.
Кроме того, конвертер, применяемый в заявляемом способе, дает возможность использовать широко распространенные газы. К тому же, меняя рабочий газ или его давление, можно увеличить световыход путем повышения коэффициента преломления, что существенно упрощает обслуживание и снижает стоимость.
Фокусировка всего рожденного таким образом света позволяет обеспечить эффективность регистрации.
На чертеже приведена схема устройства получения изображений после прохождения пучком протонов области исследования, поясняющая заявляемый способ, где 1 - излучение источника протонов; 2 - конвертер, основанный на излучении Вавилова-Черенкова; 3 - поворотное зеркало; 4 - фокусирующее зеркало; 5 - ПЗС-матрица.
-4
1
2
В качестве примера конкретного выполнения, поясняющего заявляемый способ, может служить устройство получения протонных изображений объекта исследования при его ударно-волновом нагружении с применением радиографического комплекса на основе протонного ускорителя У-70 (г. Протвино), на котором проводят опыты по протонной радиографии с 2005 года. Для получения протонографических снимков использовали две системы регистрации, каждая из которых включает конвертер, преобразующий протонное излучение в фотоны, поворотное зеркало и регистрирующую излучение цифровую камеру (ПЗС-матрицу), входящую вместе с объективом в регистрирующую аппаратуру. Аппаратуру первой системы регистрации устанавливали непосредственно перед зоной размещения объекта исследования (не показано). После зоны размещения объекта исследования размещали магнитооптическую систему, состоящую из магнитных квадрупольных линз, настроенных на расчетную энергию протонного пучка и обеспечивающую фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость регистрации изображения. Вторая система регистрации размещена после магнитооптической системы. В качестве конвертеров в системах регистрации использовали конвертер, основанный на излучении Вавилова-Черенкова, представляющего собой прозрачный для излучения контейнер, заполненный рабочим газом. В качестве рабочего газа конвертера использовали газ с показателем преломления n, обеспечивающий рождение излучения Вавилова-Черенкова при соответствующей энергии протонов. Например, для энергии 50 ГэВ показатель преломления должен удовлетворять соотношению (n-1)>2⋅10. Такие газы широко распространены, например, это воздух (n=1.000292), метан (n=1.000441), углекислый газ (n=1.00045), сероводород (n=1.000619), хлороформ (n=1.001455) и т.д. К тому же, меняя давление газа в контейнере, можно добиться требуемого коэффициента преломления, который меняется пропорционально давлению. Сферическое зеркало имеет радиус кривизны 1 м (и фокусное расстояние F=0,5 м). Оптический путь от конвертера до сферического зеркала L составляет 3 м, расстояние от сферического зеркала до ПЗС-матрицы L составляет 0,6 м. Представленный конвертер можно использовать как отдельно, так и параллельно с традиционным сцинтилляционным, установив их рядом друг с другом в системах регистрации, обеспечив дополнительный оптический канал. Заявляемый способ включает следующие операции.
1
2
1
2
2
Устанавливают объект исследования, настраивают систему получения протонных изображений объекта исследования с двумя системами регистрации и магнитооптической системой, обеспечивающей фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость изображения. Первое изображение - изображение протонного пучка до прохождения объекта исследования получают с помощью первой системы регистрации, аппаратура которой установлена перед зоной размещения объекта исследования (не показано). Второе изображение - изображение с объектом исследования, зарегистрированное в месте фокусировки протонного пучка, получают с помощью второй системы регистрации после пропускания пучка протонов через объект исследования. Это происходит следующим образом. Протоны 1, несущие информацию об объекте, пропускают через конвертер 2, рождая узконаправленный пучок фотонов, который, отразившись поворотным зеркалом 3, фокусируется сферическим зеркалом 4, формируя непосредственно на ПЗС-камере 5 изображение объекта. Оптический путь от конвертера 2 до сферического зеркала L, расстояние от сферического зеркала 4 до ПЗС-матрицы 5 - L. Коэффициент уменьшения будет равен L/L, то есть изображение будет уменьшено примерно в 5 раз. Это сделано из тех соображений, чтобы при поле обзора диаметром 6 см получить изображение на ПЗС-матрице, соответствующее ее размеру, то есть чуть больше 1 см. Для того чтобы увеличить степени свободы при проведении эксперимента (вариация расстояния L, коэффициента увеличения, изменение светосилы оптической системы) перед ПЗС-матрицей 5 можно установить объектив. После этого осуществляют попиксельное деление приведенного изображения с объектом исследования на приведенное изображение протонного пучка до прохождения им области исследования. В результате этого появляется более информативное и точное изображение объекта исследования. Для повышения информативности пучок протонов можно параллельно пропустить через сцинтилляционный конвертер по сформированному дополнительному оптическому каналу регистрации и получить изображения с разных типов конвертеров с последующим их объединением.
При применении конвертеров, основанных на излучении Вавилова-Черенкова, возникают трудности, которые можно устранить. Так, при прохождении протонов с энергией 50 ГэВ через вещество с коэффициентом преломления 1.001 рождается 0.7-0.8 фотонов на 1 см пройденной протоном длины. Увеличить световыход можно, повышая коэффициент преломления (меняя рабочий газ или увеличивая давление) или увеличивая толщину конвертера. Однако при этом пропорционально углу рождения «черенковских» фотонов и длине конвертера будет расти и размытие конечного изображения. Анализ показывает, что, ограничивая размытие изображения 100 мкм, можно добиться световыхода в ~0.5 фотонов на один падающий протон. Это - небольшая величина. Но в случае сцинтилляционных конвертеров из LSO на один падающий протон рождаются сотни тысяч фотонов, однако данные фотоны рождаются изотропно и за счет низкой эффективности светосбора системы регистрации, которая не может располагаться близко к высокоэнергетическому протонному пучку высокой интенсивности, количество регистрируемых фотонов не превышает 3-5 на один падающий протон. К тому же за счет увеличения дисперсии энерговыделения в сцинтилляционном конвертере, как уже было сказано, эффективное уменьшение статистики протонов составляет 10 и более раз.
При применении конвертеров, основанных на излучении Вавилова-Черенкова, весь рожденный свет от падающих протонов, являясь узконаправленным пучком, может быть зарегистрирован с помощью системы регистрации. Для этого в систему регистрации включают сферическое зеркало 4, размеры которого можно сделать достаточно большим, чтобы собирать и фокусировать на ПЗС-матрицу 5 весь рожденный таким образом свет. То есть по эффективности регистрации протонов такие конвертеры не уступают традиционным сцинтилляционным конвертерам, при этом они лишены недостатков, которые имеют сцинтилляционные конвертеры.