СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF OBTAINING AND PROCESSING IMAGES FORMED USING PROTON RADIATION

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, и может быть использовано, например, в системах цифровой съемки для определения внутренней структуры объектов или исследования быстропротекающих процессов.
При регистрации протонных изображений существуют геометрические искажения, связанные с магнитной оптикой, с неперпендикулярным расположением сцинтиллятора и пучка, с различными ракурсами, под которыми ведется съемка протонных изображений различными каналами регистрации.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение достоверной информации об исследуемых объектах.
Известен способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения (Physics Division Progress Report 1999-2000 Proton Radiography, D.A. Clarc et al., p. 156-168), включающий получение двух цифровых изображений протонного пучка до прохождения им области исследования с помощью первой и второй систем регистрации и цифрового изображения протонного пучка после прохождения им области исследования в плоскости фокусировки магнитооптической системы с помощью третьей системы регистрации. Каждая из систем регистрации включает конвертор, преобразующий протонное излучение в фотоны, регистрируемые ПЗС-матрицей. Первое изображение протонного пучка получают непосредственно перед диффузором, наличие которого необходимо для дальнейшей обработки изображения и который размещают в магнитооптическом канале. Второе изображение получают на значительном удалении от диффузора - 6 м. Далее осуществляют обработку полученных цифровых изображений и расчетным путем получают изображение области исследования. При этом осуществляют следующие операции. С помощью первых двух изображений расчетным путем получают изображение протонного пучка в области исследования/плоскости объекта исследования, далее осуществляют попиксельное деление третьего изображения на полученное расчетным путем с получением изображения области исследования.
Недостаток известного способа является то, что получение расчетного изображения по двум экспериментальным изображениям приводит к снижению точности обработки.
Известен другой способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения (D. Varentsov, O. Antonov, A. Bakhmutova, C.W. Barnes, A. Bogdanov, C.R. Danly, S. Efimov, M. Tndres, A. Fertman, A.A. Golubev, D.H.H Hoffmann, B. Lonita, A. Kantsyrev, Ya.E. Krasik, P.M. Lang, I. Lomonosov, F.G. Mariam, N. Markov, F.E. Merrill, V.B. Mintsev, D. Nikolaev, V. Panyushkin, M. Rodionova, M. Schanz, K. Schoenberg, A. Semennikov, L. Shestov, V.S. Skachkov, V. Turtikov, S. Udrea, O. Vasylyev, K. Weyrich, C. Wilde, A. Zubareva, Commissioning of the PRIOR proton microscope, arxiv: 1512.05644v2 [physics.ins-det] 19 jan 2016), выбранный в качестве ближайшего аналога. Способ включает получение изображений протонного пучка с помощью системы регистрации путем пропускания его через магнитооптическую систему и область исследования, в которой сначала устанавливают тест-объект, а затем его заменяют исследуемым объектом и последующую обработку полученных изображений. Тест-объект представляет собой медную квадратную подложку с отверстиями в узлах ортогональной сетки, нанесенной на площадь 9×9 мм. Тест-объект устанавливают встречно потоку протонов. При пропускании протонного пучка через тест-объект получают изображение, по которому устанавливают соответствие между размерами тест-объекта на полученном изображении и его фактическими геометрическими размерами путем пространственной калибровки (учитывая расстояние между крайними элементами по горизонтальному и вертикальному направлениям), которое применяют при обработке изображения объекта исследования.
Недостаток способа состоит в том, что из-за конструкции используемого тест-объекта невозможно выставить его строго перпендикулярно оси магнитооптической системы регистрации, что не позволяет полностью исключить влияние на протонное изображение неточности в позиционировании объекта исследования по углу относительно этой оси и приводит к снижению точности обработки изображений.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение качества и точности обработки зарегистрированных протонных изображений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающем получение цифровых изображений протонного пучка с помощью системы регистрации путем пропускания его через магнитооптическую систему и область исследования, в которой сначала размещают тест-объект, представляющий собой подложку с одинаковыми реперными отметками в узлах ортогональной решетки, с последующей заменой тест-объекта на исследуемый объект, по полученному изображению тест-объекта устанавливают соответствие между его размерами на изображении с фактическими геометрическими размерами, которое учитывают при обработке полученного изображения объекта исследования, новым является то, что до получения изображения тест-объекта осуществляют его юстировку относительно оси магнитооптической системы, для чего в центре тест-объекта перпендикулярно подложке закрепляют протяженный элемент постоянного сечения, и, осуществляя угловое перемещение тест-объекта, выставляют его перпендикулярно оси магнитооптической системы, а соответствие между размерами тест-объекта на полученном изображении и его фактическими геометрическими размерами устанавливают путем определения пиксельных координат реперных отметок и подбором проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты реперных отметок в плоскости тест-объекта.
В качестве тест-объекта может быть использован объект, представляющий собой набор одинаковых элементов, выполненных из менее плотного материала, чем материал подложки.
В качестве набора одинаковых элементов могут быть использованы сферические металлические элементы.
В протяженном элементе может быть выполнено сквозное отверстие. Подложка может быть выполнена из оргстекла.
Осуществляя юстировку тест-объекта относительно оси магнитооптической системы, для чего в центре тест-объекта перпендикулярно подложке закрепляют протяженный элемент постоянного сечения, и, осуществляя угловое перемещение тест-объекта, выставляют его перпендикулярно оси магнитооптической системы, можно добиться точности в позиционировании тест-объекта по углу относительно оси магнитооптической системы, что приведет в дальнейшем к точности в позиционировании объекта исследования относительно этой оси, что в конечном итоге повысит качество и точность обработки зарегистрированных протонных изображений.
Установление соответствия между размерами тест-объекта на полученном изображении и его фактическими геометрическими размерами путем определения пиксельных координат всех реперных отметок и подбором проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты реперных отметок в плоскости тест-объекта позволяет более точно определить координаты найденных элементов в плоскости тест-объекта.
Использование в качестве тест-объекта объекта, представляющего собой набор одинаковых элементов, выполненных из менее плотного материала, чем материал подложки, позволяет получить более качественное изображение тест-объекта.
Применение высокоточных сферически-симметричных объектов позволяет максимально исключить влияние на протонное изображение неточности в позиционировании объекта по углу относительно оси магнитооптической системы.
Выполнение в протяженном элементе сквозного отверстия позволяет наиболее точно осуществить юстировку-тест объекта относительно оси магнитооптической системы.
На фиг. 1, представлен фрагмент тест-объекта, на фиг. 2 - фотография тест-объекта, на фиг. 3 - изображение тест-объекта при пропускании пучка протонов, где: 1 - протяженный элемент постоянного сечения; 2 - реперные отметки в узлах ортогональной решетки; 3 - подложка.
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 магнитооптическую систему, состоящую из магнитных линз и коллиматора. Система регистрации состоит из сцинтилляционного конвертера, зеркала и цифровых камер. Для проведения измерений использовался тест-объект (фиг. 2), который представляет собой набор 110 высокоточных стальных шаров диаметром 9 мм, закрепленных на подложке из органического стекла в узлах ортогональной решетки со строгим интервалом (20 мм) между собой. Посадочные места для крепления шаров выполнены на станке с ЧПУ с точностью ±10 мкм. В центре тест-объекта перпендикулярно подложке закреплен протяженный элемент одного сечения, в котором выполнено сквозное отверстие - трубка.
Для устранения геометрических искажений, связанных е различными ракурсами, под которыми ведется съемка протонных изображений различными каналами регистрации, и приведения полученных цифровых изображений к правильному ракурсу, предварительно в камеру для размещения объекта исследования помещают тест-объект (фиг. 2). Используя для этого тест-объект с высокоточными сферически-симметричными реперными отметками в виде стальных шаров и осуществляя юстировку тест-объекта перпендикулярно оси магнитооптической системы, можно практически полностью исключить влияние на протонное изображение неточности в позиционировании тест-объекта по углу относительно оси магнитооптической системы. Перпендикулярность подложки 3 оси магнитооптической системы проверяют по цифровому изображению протонного пучка, который пропускают через магнитооптическую систему и камеру с тест-объектом путем углового перемещения тест-объекта, пока сквозное отверстие трубки 2 на изображении не будет соответствовать фактическому геометрическому размеру. Полученное таким образом изображение тест-объекта используют для определения соответствия между размерами тест-объекта на полученном изображении и его фактическими геометрическими размерами. Соответствие между размерами тест-объекта при сквозной калибровке масштабного коэффициента переноса изображения в тракте формирования и регистрации изображений устанавливают путем определения пиксельных координат центров всех стальных шаров и подбором проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты центров стальных шаров в плоскости тест-объекта. Определив проективное преобразование, применяют его при обработке изображений исследуемых объектов, для чего заменяют тест-объект на исследуемый объект и получают, цифровое изображение протонного пучка, который пропускают через магнитооптическую систему и камеру с объектом исследования. Затем подобранное при использовании изображения тест-объекта проективное преобразование применяют при обработке изображений объекта исследования.
Т.о. заявляемый способ позволяет повысить качество и точность обработки зарегистрированных протонных изображений.