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

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.
Известны способы получения изображений, сформированных с помощью протонного излучения, например, на ускорителе в BNL (Брукхевен, США) ["THE PROTON RADIOGRAPHY CONCEPT" H.-J. Ziock, K. J. и др. - LA-UR-98-1368], или в LANL (Лос-Аламос, США) ["А narrow-gap ion chamber for beam motion correction in proton radiography experiments"; L.J. Schultza, и др. - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 508 (2003) 220-226]. Оба способа включают в себя следующие операции: получение цифровых изображений протонного пучка с помощью систем регистрации до области исследования и после прохождения области исследования в плоскости фокусировки магнитооптической системы. Во втором способе регистрирующая система после прохождения области исследования включает конвертор, преобразующий протонное излучение в видимый свет (сцинтиллятор), зеркало, оптические линзы и цифровые камеры. Информация о распределении протонов в пучке до объекта регистрируется с помощью ионной камеры, сегментированной на 4 квадранта, по которым вычисляется положение центра протонного пучка.
Известен еще один способ («Протонная радиографическая установка на 70 ГэВ-ом ускорителе ГНЦ ИФВЭ» Ю.М Антипов и др. Препринт 2009-14 ИФВЭ, 2009 г.]. Данный способ включает в себя следующие операции: получение цифровых изображений протонного пучка с помощью систем регистрации до области исследования и после прохождения области исследования в плоскости фокусировки магнитооптической системы. Каждая из регистрирующих систем включает конвертор, преобразующий протонное излучение в видимый свет (сцинтиллятор), зеркало, оптические линзы и цифровые камеры.
При регистрации изображений в протонных радиографических экспериментах появляется ошибка, связанная с неидеальностью регистрирующей системы. При взаимодействии протонов с веществом сцинтиллятора происходит ионизация атомов вещества вдоль траектории протона, кроме этого могут образовываться δ-электроны со значительными пробегами, а также вторичные частицы - результат неупругого ядерного взаимодействия высокоэнергетичных протонов с ядрами вещества сцинтиллятора. В результате энергия, выделяемая при попадании протона в сцинтиллятор, локализуется не только вблизи траектории протона, но также может находиться на значительном расстоянии от его траектории. Данное обстоятельство приводит к тому, что световая вспышка от попадания одного протона в сцинтиллятор регистрируется не в виде точки, а в виде некоторого распределения. При усреднении данных вспышек по большому количеству падающих протонов получается сглаженная, свободная от шумов функция, называемая функцией размытия точки (ФРТ), которую следует учитывать при обработке данных для восстановления исходного изображения без погрешности.
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. Данный способ выбран в качестве ближайшего аналога.
Недостатком ближайшего аналога является то, что применение диффузора усложняет способ из-за необходимости его размещения в определенном месте, с соответствующей настройкой магнитооптического канала. Получение расчетного изображения по двум экспериментально полученным изображениям также приводит к снижению точности обработки.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности информации при обработке зарегистрированных протонных изображений при упрощении процесса получения изображений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающем получение двух изображений протонного пучка с помощью двух систем регистрации, каждая из которых включают конвертор, преобразующий протонное излучение в фотоны, регистрируемые камерой (ПЗС-матрицей), первое изображение получают при регистрации пучка до области исследования, второе - в плоскости фокусировки магнитооптической системы после пропуска пучка через область исследования, последующую обработку изображений для получения изображения области исследования, новым является то, что до регистрации протонного пучка перед конвертором первой системы регистрации устанавливают металлические реперные объекты, размещая их в одной плоскости, далее по полученным двум изображениям протонного пучка сопоставляют координаты реперных объектов с последующим определением перспективного преобразования, используя которое осуществляют приведение этих изображений протонного пучка к одному ракурсу, после чего получают два изображения: первое - приведенное изображение протонного пучка до прохождения области исследования и второе - приведенное изображение протонного пучка после прохождения области исследования, затем осуществляют попиксельное деление второго приведенного изображения на первое приведенное изображение, в результате чего получают изображение области исследования.
В регистрирующую аппаратуру второй системы регистрации можно включить дополнительно, по крайней мере, еще одну камеру (ПЗС-матрицу) и получить изображение протонного пучка в плоскости фокусировки магнитооптической системы после пропуска его через область исследования с разных ракурсов, после чего, используя изображения реперных объектов, привести полученные изображения и первое цифровое изображение протонного пучка к одному ракурсу.
После получения изображений протонного пучка с помощью двух систем регистрации можно дополнительно осуществить обработку второго изображения, для чего экспериментальным или расчетным путем восстанавливают изображение ФРТ в области, ограниченной чувствительностью регистрирующей аппаратуры второй системы регистрации, затем осуществляют обратную свертку (деконволюцию) второго изображения протонного пучка с восстановленным изображением ФРТ для получения изображения протонного пучка с учетом погрешности второй системы регистрации, которое вместе с первым цифровым изображением приводят к одному ракурсу.
Также можно дополнительно осуществить обработку первого изображения, для чего экспериментальным или расчетным путем восстанавливают изображение ФРТ в области, ограниченной чувствительностью регистрирующей аппаратуры первой системы регистрации, затем осуществляют обратную свертку (деконволюцию) первого изображения протонного пучка с восстановленным изображением ФРТ для получения изображения протонного пучка с учетом погрешности первой системы регистрации, которое вместе со вторым изображением, дополнительно обработанным с учетом погрешности второй системы регистрации, приводят к одному ракурсу.
При обработке изображения, полученного с помощью первой системы регистрации в заявляемом способе, или двух изображений, полученных с помощью первых двух систем регистрации в ближайшем аналоге, получают изображение протонного пучка непосредственно в области исследования/плоскости объекта исследования, а при осуществлении последующей "сшивки" - вычислением преобразования, осуществляющего трансформацию изображения протонного пучка до прохождения области исследования к изображению протонного пучка после прохождения области исследования, получают изображение области исследования/объекта исследования. В ближайшем аналоге расчетным путем получают изображение протонного пучка в области исследования/плоскости объекта исследования по двум изображениям протонного пучка, полученным до прохождения им области исследования, исходя из линейности преобразования пучка. Для вычисления этого преобразования необходимо вычислить параметры пучка (координаты центра, его ширину) на двух изображениях, что с достаточной точностью выполнить проблематично, и это существенно усложняет способ.
Заявляемый способ технически осуществим более просто, т.к. в этом случае необходима регистрация распределения плотности протонов пучка до прохождения им области исследования с помощью одной системы регистрации и без диффузора. За счет регистрации изображений реперов одновременно с помощью регистрирующей аппаратуры обоих систем регистрации происходит автоматическая "сшивка" изображений пучков, регистрируемых до и после прохождения им области исследования, что позволяет упростить обработку изображений и повысить точность.
За счет высокой точности определения центра реперных объектов (в силу их малости координаты центров могут быть вычислены с субпиксельной точностью) и за счет регистрации протонного пучка непосредственно перед областью исследования обеспечивается более высокая точность обработки изображений по сравнению с наиболее близким аналогом, так как в последнем подразумевается более длинная цепочка преобразований, в каждом из которых обеспечивается точность, меньшая, чем в заявляемом способе (определить центр пучка с размерами несколько сантиметров гораздо сложнее, чем центр круглого объекта диаметром 1-2 мм).
Включение в регистрирующую аппаратуру второй системы регистрации, по крайней мере, еще одной камеры (ПЗС-матрицы) позволяет сводить изображения протонного пучка, полученные различными камерами (ПЗС-матрицами) с разных ракурсов в динамических экспериментах, что увеличивает информативность.
Для устранения ошибки, связанной с неидеальностью регистрирующей системы, учитывают ФРТ при обработке данных для восстановления исходного изображения без погрешности. Для чего после получения в эксперименте изображений протонного пучка и до приведения полученных изображений к одному ракурсу осуществляют обратную свертку (деконволюцию) второго изображения и восстановленной ФРТ и обратную свертку первого изображения и восстановленной ФРТ.
На фиг. 1 приведена фотография крепления четырех реперных объектов перед конвертором первой системы регистрации; на фиг. 2 - цифровое изображение протонного пучка до прохождения им объекта исследования; на фиг. 3 - цифровое изображение пучка после прохождения им объекта исследования, зарегистрированное в месте фокусировки протонного пучка; на фиг. 4 и на фиг. 5 - те же изображения, приведенные к одному ракурсу; на фиг. 6 - результат попиксельного деления приведенного изображения, полученного при обработке цифрового изображения протонного пучка, полученного с помощью второй системы регистрации на приведенное изображение пучка, полученного при обработке цифрового изображения протонного пучка, полученного с помощью первой системы регистрации; на фиг. 7, 8, 9 - цифровые изображения протонного пучка после прохождения им объекта исследования, зарегистрированные в месте фокусировки протонного пучка с помощью трех разных ПЗС-матриц; на фиг. 10, 11, 12 - изображения с фиг. 7, 8, 9, приведенные к одному ракурсу; на фиг. 13 - результат попиксельного деления приведенного изображения, полученного при обработке цифрового изображения протонного пучка, полученного с помощью второй системы регистрации на приведенное изображение протонного пучка, полученного при обработке цифрового изображения, полученного с помощью первой системы регистрации, но с учетом погрешности регистрирующей аппаратуры второй системы регистрации.
В качестве примера конкретного выполнения, поясняющего заявляемый способ, может служить система получения протонных изображений объекта исследования при его ударно-волновом нагружении, входящая в состав 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 конвертор (сцинтиллятор LSO), преобразующий протонное излучение в фотоны, 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, при этом непосредственно перед конвертором первой системы регистрации были установлены металлические реперные объекты, размещенные в одной плоскости. 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. 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.
Заявляемый способ включает следующие операции.
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. Перед конвертором первой системы регистрации размещают 4-е реперных объекта (фиг. 1). Сформированный пучок протонов пропускают через объект исследования. Получают два цифровых изображения протонного пучка. Первое изображение - изображение протонного пучка до прохождения объекта исследования (фиг. 2) получают с помощью первой системы регистрации, аппаратура которой установлена перед зоной размещения объекта исследования. Второе изображение - изображение с объектом исследования, зарегистрированное в месте фокусировки протонного пучка с помощью второй системы регистрации после пропускания пучка через объект исследования (фиг. 3). Далее определяют координаты реперных объектов на двух цифровых изображениях (поиск центров всех четырех реперных объектов на обоих изображениях или вычисляют координаты, используя математические методы компенсации) и определяют перспективное преобразование, используя которое осуществляют приведение обоих цифровых изображений к одному ракурсу, после чего получают два приведенных изображения. Первое - приведенное изображение протонного пучка до прохождения области исследования (фиг. 4) и приведенное изображение с объектом исследования (фиг. 5). 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 (фиг. 6) в коэффициентах ослабления протонного пучка, пригодное для дальнейшего анализа его плотности.
Еще больше повысить точность полученного описываемым методом изображения объекта исследования можно, если учесть ФРТ для систем регистрации. Данная функция является откликом системы регистрации на точечное возмущение и демонстрирует дополнительное размытие протонного изображения, обусловленное системой. Данную функцию можно получить экспериментально (например, по способу, заявленному в патенте RU 2529454, опубл. 27.09.2014) или расчетным образом. Далее, для устранения дополнительного размытия от системы регистрации, осуществляют обратную свертку (деконволюцию) второго цифрового изображения с восстановленным изображением ФРТ для получения изображения с учетом погрешности второй системы регистрации, которое вместе с первым цифровым изображением приводят к одному ракурсу. После чего производят попиксельное деление двух изображений, получая точное изображение объекта исследования с учетом погрешности второй системы регистрации (фиг. 13) в коэффициентах ослабления протонного пучка, пригодное для дальнейшего анализа его плотности. Дополнительно, получение ФРТ и осуществление обратной свертки делают и для первой системы регистрации, еще больше увеличивая точность изображения объекта исследования.
В том случае, если вторая система регистрации содержит более одной камеры (ПЗС-матрицы), регистрирующих цифровое изображение объекта, получаемое с помощью сцинтиллятора в месте фокусировки пучка, то данные изображения неизбежно будут получены с разных ракурсов и, возможно, разного масштаба (фиг. 7, 8, 9). Предложенным методом можно сводить изображения, полученные различными ПЗС-матрицами в динамических экспериментах. Для этого, зная координаты реперов на разных цифровых изображениях пучка после прохождения им объекта, осуществляют преобразование данных изображений к одному ракурсу (фиг. 10, 11, 12).
Т.о. с помощью заявляемого способа решается важная задача получения достоверной информации в методе протонной радиографии.