СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ПРОТОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD FOR RECORDING PROTON IMAGES GENERATED USING MAGNETOOPTICAL SYSTEM

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам формирования и регистрации протонных изображений с помощью магнитной оптики, и может быть использовано, например, для исследования быстропротекающих процессов, изучения поведения объектов и определения их структуры при ударно-волновом нагружении и т.д.
Известен способ регистрации 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, А.Г. Афонин, А.В. Василевский, В.И. Демянчук, О.В. Зятьков, Н.А. Игнашин, Ю.Г. Каршев, А.В. Максимов, A.А. Матюшин, А.В. Минченко, М.С. Михеев, В.А. Миргородский, В.Н. Пелешко, B.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.]. Данный способ выбран в качестве наиболее близкого аналога и включает в себя следующие операции: формирование протонного пучка с помощью первой магнитооптической системы, 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 конвертор (сцинтиллятор), преобразующий протонное излучение в видимый свет, зеркало и цифровые камеры (ПЗС-матрицы).
В известном способе используется только одна плоскость, в которую устанавливают сцинтилляционный конвертор и соответственно получают одно изображение объекта исследования для каждого сгустка (банча) протонов. При этом магнитная оптика прототипа обеспечивает фокусировку только для протонов с определенной энергией: при отклонении от этой энергии протоны перестают фокусироваться, возникает размытие изображения. Причем чем выше отклонение по энергии, тем выше размытие. При изменении энергии протонного пучка фокусировку можно обеспечить либо настройкой магнитной оптики (изменение градиента магнитного поля в квадрупольных линзах), либо движением плоскости фокусировки вдоль оси пучка.
Для объектов с большим перепадом массовых толщин протонный пучок на выходе из объекта неоднороден по энергии: протоны, прошедшие через оптически толстые области (например, центральная область), имеют меньшую энергию, чем протоны, прошедшие через оптически тонкие части (например, периферические области). В результате в известном способе с помощью магнитной оптики можно получить одно сфокусированное изображение либо оптически толстых областей, либо оптически тонких областей объекта исследования.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемым способом, является повышение информативности способа путем обеспечения одновременного получения сфокусированных изображений как оптически толстых, так и оптически тонких областей объекта исследования.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе регистрации протонных изображений, сформированных с помощью магнитооптической системы, включающем формирование протонного пучка, который пропускают через объект исследования и получение цифровых изображений пучка до пропускания его через объект исследования с помощью первой системы регистрации и после пропускания с помощью второй системы регистрации, конвертор которой размещают в плоскости фокусировки магнитооптической системы, настроенной на энергию протонного пучка, до прохождения им объекта исследования и обеспечивающей фокусировку протонов из плоскости объекта исследования в плоскость изображения, последующее получение теневого изображения объекта исследования путем приведения полученных изображений пучка к одному ракурсу и попиксельного деления одного изображения на другое, новым является то, что
во вторую систему регистрации включают, по крайней мере, один дополнительный конвертор с соответствующей регистрирующей аппаратурой, который устанавливают перед основным конвертором, и получают, по крайней мере, еще одно цифровое изображение протонного пучка, которое учитывают при получении теневого изображения объекта исследования путем приведения этого изображения пучка к одному ракурсу с изображением пучка, полученного с помощью первой системы регистрации, и попиксельного деления одного изображения на другое, при этом расстояние L между конверторами выбирают, исходя из параметров объекта исследования и магнитооптической системы, из следующего соотношения:
, где:
22
m - соответствующий элемент матрицы перехода М магнитооптической системы,
12
∂m/∂p - частная производная по импульсу протона соответствующих элементов матрицы перехода М,
Δp - разница по средней величине импульса между протонами, которые прошли через области объекта исследования с различной оптической толщиной.
Включение во вторую регистрирующую систему, по крайней мере, одного дополнительного конвертера с соответствующей регистрирующей аппаратурой позволяет получить дополнительное изображение пучка, прошедшего через область объекта исследования, выполненную другой оптической толщиной, и соответствующее этому более четкое изображение этой области объекта исследования.
Выбор расстояния L между конверторами (сцинтилляторами), которое рассчитывается исходя из параметров просвечиваемого объекта и магнитооптической системы, связан с обеспечением максимальной четкости получаемых изображений областей объекта исследования, которые имеют различную оптическую толщину.
На фиг. 1 схематично изображена система регистрации протонных изображений, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 - прототип, на фиг. 3 - схема, поясняющая вычисление расстояния L, где:
1 - пучок протонов до объекта исследования;
2 - объект исследования;
3 - магнитооптическая система;
4 - поворотные зеркала;
5 - конверторы (сцинтилляторы);
6 - регистрирующая аппаратура второй системы регистрации;
7 - расходящиеся пучки протонов, прошедшие через области объекта исследования с различной оптической толщиной;
8 - пучки протонов, прошедшие через области объекта исследования с различной оптической толщиной и проходящие через разные конверторы.
Примером конкретного выполнения системы регистрации протонных изображений, представленной схематично на фиг. 1, является система регистрации протонных изображений неоднородного объекта исследования при его ударно-волновом нагружении. Объект исследования содержит области с различной оптической толщиной. Для исследования вопроса о том, какого значения разрешения можно достигнуть при энергии протонов 50-70 ГэВ, доступных в ИФВЭ (Протвино), было проведено моделирование прохождения протонов через объект исследования и магнитооптическую систему. Так как конечное размытие протонов сильно зависит от оптической толщины объекта, был смоделирован объект в виде перекрывающих железных пластин с массовыми толщинами 1 и 10 см, была смоделирована магнитная "-1" оптика канала, смонтированная в канале инжекции ускорителя У-70, где проходят опыты по протонной радиографии с 2005 года. Первая система регистрации (не показана) размещена до зоны 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 объекта исследования установлена магнитооптическая система, состоящая из магнитных квадрупольных линз, настроенная на расчетную энергию протонного пучка и обеспечивающая фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость регистрации. В качестве магнитооптической системы используют традиционную ″-1″ оптику, имеющую широкое применение в настоящий момент и формирующую изображение объекта, помещенного в объектную плоскость, в плоскости регистрации с масштабом 1:1. Магнитооптическая система состоит из 4-х магнитных квадрупольных линз (внутренний диаметр 10 см), расположенных по схеме с чередующейся ориентацией. Вторая система регистрации размещена после магнитооптической системы и включает два поворотных зеркала, два сцинтиллятора с соответствующей регистрирующей аппаратурой: два объектива и две ПЗС-матрицы. Расстояние между сцинтилляторами L выбирают, исходя из параметров просвечиваемого объекта и магнитооптической системы для одновременного получения сфокусированных изображений как оптически толстых областей объекта исследования, так и оптически тонких. Заявляемый способ включает следующие операции.
Формируют с помощью магнитооптической системы пучок протонов 1, который пропускают через объект исследования 2. Получают цифровое изображение протонного пучка 1 с помощью первой системы регистрации, аппаратуру которой устанавливают непосредственно перед зоной размещения объекта исследования 2. Пучок протонов 7 на выходе из объекта исследования 2, выполненного из частей с различной оптической плотностью, неоднороден по энергии: протоны, прошедшие через оптически толстые области объекта исследования, имеют меньшую энергию, чем протоны, прошедшие через оптически тонкие области. В плоскости фокусировки магнитооптической системы 3, которая фокусирует протоны из плоскости объекта исследования 2 в плоскость изображения, с помощью регистрирующей аппаратуры второй системы регистрации 6 получают два цифровых изображения протонов протонного пучка 8 после прохождения ими через объект исследования 2. Вторая регистрирующая система содержит два поворотных зеркала 4, обеспечивающих направление выведенных протонов, два сцинтиллятора 5, один из которых обеспечивает получение сфокусированного изображения протонов пучка 8, прошедшего через оптически толстую область объекта исследования, а другой - через оптически тонкую.
Расстояние L между сцинтилляторами составляет 34,5 см, и выбирают его исходя из параметров просвечиваемого объекта 2 и магнитооптической системы 3 следующим образом.
При фокусировке магнитооптической системой 3 протонов из плоскости объекта 2 в плоскость изображения координаты протонов х и угол их наклона х′ в поперечной плоскости связаны соотношением:
12
21
Для фокусировки протонного пучка необходимо, чтобы коэффициенты m и m были нулевые, то есть матрица перехода М была бы диагональной (в случае традиционной "-1" оптики матрица перехода будет равна М=-I).
Для координаты протона можно записать:
beam
где х′ - угол наклона протона в поперечной плоскости до объекта, θ - угол его рассеяния в объекте. При изменении импульса протона на величину Δр его координата в плоскости изображения сдвигается на некоторую величину (фиг. 3) такую, что:
Для минимизации конечного размытия пучок, падающий на объект, делают согласованным, то есть для него выполняется равенство:
beam
где x - координата протона, падающего на объект. Вследствие большой энергии координата протона при прохождении через объект меняется мало, то есть
beam
beam
x=x′, поэтому:
Расстояние L между плоскостями при этом вычисляется по формуле (фиг. 3):
im
22
obj
В силу малости углов полета протонов, а также потому, что x′≈mx′ при малых изменениях импульса:
beam
beam
22
12
22
12
2
В последнем равенстве мы пренебрегаем членом х′ по сравнению с θ, так как угол рассеяния в объекте обычно существенно больше угла наклона протона в падающем пучке и, кроме того, угол x′ имеет строгую корреляцию с координатой протона и не приводит к размытию изображения. Члены m и ∂m/∂p можно вычислить или аналитически (для простых магнитооптических систем), или численно. Величина Δр вычисляется из разности оптической толщины между двумя областями объекта, исходя из средней величины потери энергии (например, для перепада в 10 см железа Δр составит около 140 МеВ/с при энергии протонов в несколько десятков ГэВ, так как при этих энергиях среднее значение потери энергии протона в железе составляет примерно 1.8 МэВ/(г/см)). Для протонной радиографической установки, смонтированной в канале инжекции ускорителя У-70 в ИФВЭ, m=-1, ∂m/∂р=253.27 м/(ГэВ/с), поэтому расстояние L между детекторами составит 35.5 см.
Таким образом, обеспечено одновременное получение двух сфокусированных протонных изображений пучка, часть протонов которого прошла через оптически толстую область объекта исследования, а остальная - через оптически тонкую, что невозможно при использовании наиболее близкого аналога (фиг. 2), где из-за наличия только одного конвертора сфокусированным будет изображение протонов, прошедших какую-то одну область - либо толстую, либо тонкую. Далее получают два теневых изображения объекта исследования 2 путем приведения полученных с помощью второй регистрирующей системы двух изображений пучка к одному ракурсу с изображением пучка, полученным с помощью первой системы регистрации, и попиксельного деления этих двух изображений на первое.
За счет существенного увеличения четкости полученных изображений пучка, пошедшего через объект исследования с большим перепадом массовых толщин, предлагаемый способ на базе У-70 с ″-1″ оптикой обеспечивает получение более точного изображения объекта исследования и позволяет расширить диапазон массовых толщин исследуемых объектов.