СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОТОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОЙ ОПТИКИ, РАБОТАЮЩЕЙ С УВЕЛИЧЕНИЕМ
METHOD OF FORMING PROTON IMAGES OBTAINED BY MAGNETIC OPTICS OPERATING WITH MAGNIFICATION

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам формирования и регистрации протонных изображений с помощью магнитной оптики, работающей с увеличением, и может быть использовано, например, для исследований динамических процессов малого масштаба (с характерными размерами 1 мкм), таких как струе- и пылеобразование с поверхности материалов, распространение детонации во взрывчатом веществе (исследование структуры фронта), томографические исследования с высокой точностью и т.д.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является формирование изображений высокой точности для получения достоверной информации об исследуемых объектах.
Изначально протонная микроскопия появилась в США как дальнейшее развитие метода формирования изображений с помощью протонной радиографии с использованием ”-1” оптики, который был предложен в середине 90-х годов прошлого века [Magnetic Optics for Proton Radiography, Mottershead C Thomas, Zumbro John D., Proceedings of the Particle Accelerator Conference. Canada Vancouver 1997, 1397-1399; The Proton Radiography Concept, H.-J. Ziock, K.J. Adams, et. al., LA-UR-98-1368 1998]. Опыты по протонной радиографии были осуществлены на линейном протонном ускорителе с энергией 800 МэВ, установленном в Лос-Аламосской Национальной Лаборатории (ЛАНЛ). Типичная ”-1” магнитная оптика состоит из 4 одинаковых квадрупольных магнитных линз, симметрично расположенных относительно Фурье-плоскости, которая находится посередине, между плоскостями расположения объекта и плоскости регистрации. Градиент магнитного поля во всех четырех линзах, то есть магнитная сила линз, одинаковы, для подстройки магнитной оптики под уменьшенную энергию протонов (вследствие прохождения через оптически толстые объекты) градиент меняется пропорционально для всех линз.
Известен способ получения изображений с помощью протонного излучения, сформированного с использованием синхрофазотрона У-70, установленного в Протвино - Институте физики высоких энергий (ИФВЭ) [A Radiographic Facility for the 70_GeV Proton Accelerator of the Institute for High Energy Physics. Yu.M. Antipov, A.G. Afonin, A.V. Vasilevskii, I.A. Gusev, V.I. Demyanchuka, O.V. Zyat'kov, N.A. Ignashin, Yu.G. Karshev, A.V. Larionov, A.V. Maksimov, A.A. Matyushin, A.V. Minchenko, M.S. Mikheev, V.A. Mirgorodskii, V.N. Peleshko, V.D. Rud'ko, V.I. Terekhov, N.E. Tyurin, Yu.S. Fedotov, Yu.A. Trutnev, V.V. Burtsev, A.A. Volkov, I.A. Ivanin, S.A. Kartanov, Yu.P. Kuropatkin, A.L. Mikhailov, K.L. Mikhailyukov, O.V. Oreshkov, A.V. Rudnev, G.M. Spirov, M.A. Syrunin, M.V. Tatsenko, I.A. Tkachenko, and I.V. Khramov, INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES, Vol. 53, No. 3, 2010]. В ИФВЭ использовалась также типичная ”-1” магнитная оптика, как и в опытах в Лос-Аламосе.
nd
Известна конструкция протонного микроскопа, который находится во ФГУП «Государственный научный центр РФ - Институт теоретической и экспериментальной физики» г. Москва [Overview of proton radiography at ITER, Golubev A.A. et. al., proceedings of the 2 Workshop on High Energy Proton Microscope, Chernogolovka, June 2-4, 2010], и который также построен на базе протонной установки с энергией 800 МэВ, с ”-1” магнитной оптикой [Diagnostics of Fast processes by Charged Particle Beams at TWAS-ITER Accelerator-Accumulator Facility, Technical Physics Letters, 2010, vol. 36, No. 2, pp. 177-180].
Интерес к протонной микроскопии проявляется и со стороны других стран, в частности Китая. В работе [A design study of a magnifying magnetic lens for proton radiography, YANG Guo-Jun, ZHANG Zhuo, WEI Tao, HE Xiao-Zhong, LONG Ji-Dong, SHI Jin-Shui, ZHANG Kai-Zhi; Chinese Physics C, vol. 36, No. 3, Mar., 2012, pp 247-250], например, был сделан анализ магнитной ”-1” оптики и на основе данной конфигурации предложена схема расположения квадрупольных линз для протонного микроскопа.
В качестве наиболее близкого аналога по количеству сходных признаков и решаемой задаче к предлагаемому способу был выбран способ, описанный в статье «Design and Operation of a Proton Microscope for Radiography at 800 MeV» [Tom Mottershead et. al.; The mechanical design of a Proton Microscope for Radiography at 800 MeV, Robert Valdiviez et. al., Proceedings of the 2003 Particle Accelerator Conference, Los Alamos National Laboratory, 2003]. Базой для протонного микроскопа, с помощью которого можно осуществить этот известный способ, служит линейный протонный ускоритель, установленный в ЛАНЛ, с энергией 800 МэВ. Магнитная система, формирующая увеличенное протонное изображение объекта исследования, может состоять либо из квадрупольных линз (при 3-х кратном увеличении), либо из постоянных магнитов (обеспечивающих 7-ми кратное увеличение). По принципу работы протонный микроскоп мало чем отличается от обычной протонной установки с ”-1” магнитной оптикой, формирующей изображение объекта, помещенного в объектную плоскость, в плоскости регистрации с масштабом 1:1. Однако схема расположения магнитных линз в протонном микроскопе отличается от расположения линз в ”-1” оптике. Известный способ формирования протонных изображений, получаемых с помощью магнитной оптики, работающей с увеличением, включает в себя следующие процессы: формирование протонного пучка с энергией 800 МэВ; пропускание пучка протонов через объект исследования; пропускание прошедшего пучка через магнитную оптику, в качестве которой используют систему, состоящую из нескольких квадрупольных линз, размещенных вдоль оптической оси, подобрав предварительно их схему размещения; формирование в 2-х плоскостях изображения с одинаковым увеличением и его регистрацию. Линзы, оптимальное число которых равно 4-м, имеют различный градиент магнитного поля. При подборе схемы их размещения сначала устанавливают ближнюю к объекту исследования линзу, затем определяют расстояние между линзами и расстояние от крайней линзы до плоскости регистрации изображения с помощью метода, основанного на решении задачи минимизации функции множества переменных. Данную задачу решают, используя оптимизационную программу «MARYLIE», в которую в качестве информативных параметров вводят энергию протонного пучка, коэффициент увеличения магнитной оптики, диапазон изменения перемещений квадрупольных линз вдоль оптической оси, диапазон изменения градиентов магнитного поля в квадрупольных линзах.
Недостатком наиболее близкого аналога является невысокое разрешение при формировании изображений объектов с большой массовой толщиной, что сужает диапазон массовых толщин исследуемых объектов, кроме того, способ ограничен тем, что изображение в двух плоскостях формируют с одинаковым увеличением, все это снижает функциональные возможности способа.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности передачи изображения за счет снижения хроматических аберраций, расширение функциональных возможностей способа за счет расширения диапазона массовых толщин исследуемых объектов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе формирования протонных изображений, получаемых с помощью магнитной оптики, работающей с увеличением, включающим формирование протонного пучка, пропускание его через объект исследования, пропускание прошедшего излучения через магнитную оптику, состоящую из квадрупольных линз, схему размещения которых подбирают предварительно с помощью метода, основанного на решении задачи минимизации функции множества переменных, используя соответствующую оптимизационную программу, в которой в качестве информативных параметров используют энергию протонного пучка, коэффициент увеличения магнитной оптики, диапазон изменения перемещений квадрупольных линз вдоль оптической оси и диапазон изменения градиентов магнитного поля в квадрупольных линзах, последующее формирование в плоскости регистрации изображения и его регистрацию, при этом в процессе формирования протонного пучка ускорение протонов осуществляют до энергии не менее 20 ГэВ, а к информативным параметрам добавляют разброс энергии протонов после прохождения объекта исследования, коэффициент коррекции хроматической аберрации, который определяют из условия получения безаберрационного пятна фокусировки пучка протонов в плоскости регистрации и общее расстояние от объекта исследования до плоскости регистрации.
В качестве оптимизационной программы можно использовать программу TRANSPORT [TRANSPORT. A COMPUTER PROGRAM FOR DESIGNING CHARGED PARTICLES BEAM TRANSPORT SYSTEMS, K.L. Brown, D.C. Carey, Ch. Iselin and F. Rothacker, CERN 80-04, GENEVA, 1980], а объект исследования облучать параллельными пучками.
Ускорение протонов до энергии не менее 20 ГэВ позволяет обеспечить получение данных для исследуемого объекта с высокой. В этом случае относительное уменьшение энергии протона из-за многократного кулоновского рассеяния, ядерного взаимодействия и потерь на ионизацию меньше, что приводит к уменьшению хроматической аберрации протонов при использовании магнитной оптики, расширяется диапазон массовых толщин исследуемых объектов, а также значительно увеличивается разрешение на малых толщинах.
Использование в качестве информативных параметров разброса энергии протонов после прохождения объекта исследования коэффициента коррекции хроматической аберрации, который определяют из условия получения безаберрационного пятна фокусировки пучка протонов в плоскости регистрации и общее расстояние от объекта исследования до плоскости регистрации, позволяет учесть параметры влияния хроматической аберрации на формирование изображения, что обеспечивает корректировку аберрации путем ее минимизации, а следовательно, и повышение точности передачи изображения. Кроме того, это позволяет получить в разных плоскостях разный коэффициент увеличения, что полезно для наблюдения за различными физическими процессами, например, такими как формирование кумулятивной струи.
Облучение объекта исследования параллельными пучками позволяет упростить решение задачи мониторирования пучка, то есть получения распределения плотности пучка, падающего на объект, в плоскости, перпендикулярной пучку.
Использование оптимизационной программы TRANSPORT [TRANSPORT. A COMPUTER PROGRAM FOR DESIGNING CHARGED PARTICLES BEAM TRANSPORT SYSTEMS, K.L. Brown, D.C. Carey, Ch. Iselin and F. Rothacker, CERN 80-04, GENEVA, 1980] позволяет обеспечить точность расчета для энергии протонов не менее 20 ГэВ.
На фиг.1 изображена схема протонного микроскопа с использованием 4-х квадрупольных линз; на фиг.2 приведена зависимость разрешения магнитной оптики от коэффициента увеличения протонного микроскопа для тонких объектов; на фиг.3 - схема протонного микроскопа, поясняющая предлагаемый способ, с использованием 5-ти имеющихся в ИФВЭ квадрупольных линз 20К200 (размеры обозначены в метрах).
2
2
Примером конкретного выполнения, поясняющим способ формирования протонных изображений, получаемых с помощью магнитной оптики, работающей с увеличением, может служить протонный микроскоп, т.е. магнитооптическая система (МОС), состоящая из 5-ти квадрупольных линз 20К200, работающая с увеличением (~10 раз) на базе протонной радиографической установки в Протвино (ускоритель У-70), где доступно 30-70 ГэВ. Были проведены исследования, доказывающие возможность сооружения протонного микроскопа на базе этого синхротрона, так например, показано, что можно проводить исследования внутренней структуры объектов с высокой точностью (разрешение до 10 мкм при толщинах до 50 г/см и до 50 мкм при толщинах до 200 г/см.
Для сравнения на фиг.1 представлена схема протонного микроскопа (ближайшего аналога), состоящая из четырех квадрупольных линз. При данной схеме расположения градиенты магнитного поля в квадрупольных линзах неодинаковы (2-е линзы, в которых градиент магнитного поля больше, размещают внутри). На фиг.2 представлена зависимость разрешения магнитной оптики от коэффициента увеличения протонного микроскопа для тонких объектов. Из фигуры видно, что при повышении энергии протонов до 10 ГэВ на протонном микроскопе с коэффициентом увеличения 10 можно добиться разрешения лучше 1 мкм для объектов с малой массовой толщиной.
Представленная на фиг.3 схема протонного микроскопа обеспечивает формирование изображения с десятикратным увеличением при использовании протонного пучка с энергией 60 ГэВ, сформированного на установке в г. Протвино. МОС микроскопа, представленного на фиг.3, состоит из 5 квадрупольных линз 20К200 и обладает двумя Фурье-плоскостями, в которых протоны распределяются по углам рассеяния в x- и y-плоскостях соответственно (минимальное количество линз в магнитной системе формирования изображения может быть равно 3). Выбор схемы размещения квадрупольных линз происходит следующим образом. Выбирают коэффициент конечного увеличения магнитной оптики, максимально достижимый градиент в квадрупольных линзах (существующих или проектируемых) и диапазон изменения местоположения линз, кроме этого учитывают мощность излучения, разброс энергии протонов после прохождения объекта исследования, коэффициент коррекции хроматической аберрации, который определяют из условия получения безаберрационного пятна фокусировки пучка протонов в плоскости регистрации и общее расстояние от объекта исследования до плоскости регистрации. Далее с помощью оптимизационной программы TRANSPORT [TRANSPORT. A COMPUTER PROGRAM FOR DESIGNING CHARGED PARTICLES BEAM TRANSPORT SYSTEMS, K.L. Brown, D.C. Carey, Ch. Iselin and F. Rothacker, CERN 80-04, GENEVA, 1980] выбирают расстояния от объекта исследования и от плоскости регистрации изображения до МОС, а также расстояние между линзами в МОС. Характерной чертой микроскопа является большой промежуток между крайней к плоскости регистрации линзы и плоскостью регистрации. Расстояния от объекта исследования и от плоскости регистрации изображения до МОС (в м) составляют: 5; 139,64 соответственно. Расстояния между линзами МОС, начиная от крайней к объекту исследования линзы, составляют: 0,7; 2; 0,7; 2 соответственно. Данная конфигурация подразумевает облучение объекта параллельным пучком протонов с энергией 60 ГэВ. Преимуществом МОС, работающей с увеличением, перед традиционной ”-1” оптикой является уменьшенная хроматическая аберрация, обратно пропорциональная коэффициенту увеличения. Значение разрешения зависит от конкретных магнитных линз и их конкретного взаимного расположения. 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 вещество и магнитооптическую систему. Для моделирования разрешения данной магнитной оптики была использована программа GEANT4 [S. Agostinelliae, J. Allisonas, К. Amakoe, et. al., GEANT4 - a simulation toolkit, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506 (2003) p 250-303].
2
Так как конечное размытие протонов сильно зависит от оптической толщины объекта, было смоделировано несколько пластин с массовыми толщинами 1, 10 и 100 г/см. Для сравнения была смоделирована магнитная ”-1” оптика канала, смонтированная в канале инжекции ускорителя У-70, где проходят опыты по протонной радиографии с 2005 года.
2
В таблице 1 представлено значение разрешения для двух конфигураций магнитной оптики при различных толщинах просвечиваемых объектов, а в таблице 2 - значения разрешения на протонной установке в ЛАНЛ с энергией протонов 800 МэВ и массовой толщиной исследуемых объектов не более 50 г/см.
Таблица 1
Увеличение
Толщина объекта, г/см<sup>2</sup>
Разрешение, мкм
×10
~1
0.4
(микроскоп)
~10
3.2
~100
20
×1
~1
12
(канал инжекции)
~10
33
~100
200
2
Видно, что разрешение в микроскопе улучшается примерно кратно степени его увеличения и для тонких объектов составляет менее одного микрона. Для массовых толщин в диапазоне несколько десятков - сотня г/см разрешение составляет порядка 10 мкм.
Таблица 2
Коэффициент увеличения магнитной оптики
Разрешение, мкм
1
180
3
65
7
30
Таким образом, за счет существенного увеличения энергии протонов (по сравнению с установкой в ЛАНЛ) расширяется диапазон массовых толщин исследуемых объектов, а также значительно увеличивается разрешение на малых толщинах. Если сравнивать с ”-1” оптикой, на которой проходят опыты по протонной радиографии в ИФВЭ (Протвино), то предлагаемый способ на базе У-70 обеспечивает кратное увеличение разрешения. Кроме этого предлагаемый способ позволяет получить различный коэффициент увеличения в разных плоскостях (например, 7 и 3).