СПОСОБ НАСТРОЙКИ МАГНИТООПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРОТОНОГРАФИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
METHOD FOR TUNING MAGNETO-OPTICAL SYSTEM OF PROTONOGRAPHIC COMPLEX

Изобретение относится к способам регистрации изображений, сформированных с помощью пучка протонов, и может найти применение при исследовании материалов и объектов с использованием радиографических способов регистрации изображений, использующих заряженные частицы.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение высококачественного изображения области исследования. Способы настройки систем получения изображения являются неотъемлемой частью решения данной задачи.
Ключевой системой протонографического комплекса является магнитооптическая система (МОС), которая фокусирует протонный пучок, рассеявшийся в исследуемом объекте, находящийся в объектной плоскости, на сцинтиллятор (в плоскость регистрации) (фиг. 1). Соответственно, от настройки этой системы зависит качество проводимых исследований методом протонной радиографии. При настройке МОС осуществляют измерение одного из ее главных параметров - так называемого «нулевого» тока в квадрупольных магнитных линзах, входящих в МОС. При данном токе проводятся протонографические эксперименты с объектами, имеющую небольшую массовую толщину, при прохождении через которые протоны теряют незначительное количество энергии. Если же в плоскости объекта установлен объект оптически толстый, то после его прохождения импульс протонов уменьшается в среднем на некоторую величину Δp. Для таких протонов жесткость МОС получается завышенной и для них фокусное расстояние МОС уменьшается, при этом протоны фокусируются в точку на некотором расстоянии L от плоскости регистрации, что приводит к размытию изображения на некоторую величину Δx~L⋅θ (фиг. 2). В этом случае для фокусировки протонов, то есть для минимизации размытия изображения, необходимо уменьшать силу тока в линзах от значения «нулевого» тока (фиг. 2) таким образом, чтобы плоскость фокусировки совпала бы с плоскостью регистрации. Учитывая, что с помощью протонной радиографии исследуются различные объекты с различными массовыми толщинами, необходимо иметь способ настройки магнитооптической системы на определенную толщину или диапазон толщин.
Известен способ устранения размытия изображения, вызванного как системой регистрации, так и геометрическим смещением протонов путем получения набора функций размытия точки (ФРТ) для магнитооптической системы протонографического комплекса по патенту RU 2700707 «Способ определения экспериментальным путем функции размытия точки при обработке изображений, сформированных с помощью протонного излучения (варианты)» [опубл. 19.09.2019]. Способ включает устранение размытия, вызванное системой регистрации, далее получают изображения ФРТ, обусловленного геометрическим смещением протонов, зависящим от объекта исследования, параметров установки, защитного оборудования, для чего пропускают протонный пучок через набор тест-объектов различной толщины и осуществляют леконволюцию полученного набора изображений с изображением ФРТ, обусловленного системой регистрации. По профилям, построенным перпендикулярно ступени, восстанавливают функцию размытия края, функцию размытия линии, ФРТ, таким образом, получают изображения ФРТ или набор изображений ФРТ для разных толщин тест-объектов. После этого осуществляют свертку этих изображений с изображением ФРТ, обусловленного системой регистрации и получают полные ФРТ для разных толщин. Далее для каждой точки изображения восстанавливают массовую толщину исследуемого объекта, прошедшую протонным излучением, а по этой массовой толщине рассчитывают локальную ФРТ для каждой толщины объекта исследования, например, линейной интерполяцией ФРТ из полученного набора.
Данный способ предназначается для вычисления ФРТ для определенной толщины вещества или набора толщин в определенной конфигурации МОС, при которой проводился эксперимент с некоторым объектом. Указанный способ не предназначен для исследования различных конфигураций МОС и выбора оптимальной из них.
Из описания к патенту RU 2708541 «Способ настройки магнитооптической системы протонографического комплекса» [опубл. 09.12.2019] известен способ определения оптимальной величины тока, при которой магнитная индукция МОС согласована с энергией пучка протонов (измерение «нулевого» тока). Способ включает пропускание пучка протонов через объектную плоскость МОС, включающей магнитные линзы и коллиматор, с последующим получением с помощью системы регистрации изображений тест-объекта, помещенного в объектную плоскость, меняя величину тока магнитных линз для определения оптимального значения, при котором магнитная индукция МОС согласована с энергией пучка протонов, при этом в качестве тест-объекта используют пластину, толщина которой выбрана из условия обеспечения потери энергии протонов при прохождении через нее, не превышающей разброс энергии протонов в падающем пучке, при этом пластину выполняют либо сплошной и ориентируют так, чтобы пучок проходил через ее грань, либо с одной или несколькими прямоугольными прорезями, и ориентируют так, чтобы пучок проходил через прорези, изменение величины тока линз производят с шагом, соответствующим требуемой точности настройки МОС, выбор оптимального значения тока магнитных линз осуществляют по профилям интенсивности протонного пучка, которые строят по полученным изображениям тест-объекта в направлении, перпендикулярном грани или прорезям, в том случае, если на грани или границах прорезей отсутствует всплеск интенсивности, то плоскость фокусировки МОС совпадает с объектной плоскостью, а величина тока магнитных линз, при которой было получено изображение, является оптимальной. Данный способ выбран в качестве ближайшего аналога.
К недостаткам такого способа относится отсутствие объективных критериев выбора оптимального тока (выбор производится «на глазок»), а также необходимость каждый раз изготавливать настроечный объект под конкретную толщину исследуемого объекта. К тому же, как правило, исследуемые объекты имеют неоднородную массовую толщину и поэтому зачастую необходимо выбирать компромиссное значение тока в квадрупольных линзах МОС, при котором размытие деталей объекта на фоне совокупности нескольких массовых толщин или некоторого диапазона массовых толщин, будет минимальным (оптимальным). Поэтому актуальной становится задача поиска объективных критериев настройки МОС под конкретную толщину объекта.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности и объективности настройки МОС на определенную толщину объекта.
a
a
а
1
2
1
2
Указанный результат достигается за счет того, что в способе настройки МОС протонографического комплекса, заключающемся в пропускании пучка протонов через объектную плоскость МОС, включающей магнитные линзы и коллиматор, и последовательном получении с помощью системы регистрации изображений тест-объекта, помещенного в объектную плоскость, меняя величину тока магнитных линз с шагом, соответствующим требуемой точности настройки МОС, определяют профили интенсивности протонного пучка, которые строят по полученным изображениям тест-объекта, по которым определяют оптимальную величину тока, при которой магнитная индукция МОС согласована с энергией пучка протонов, новым является то, что дополнительно осуществляют настройку под конкретную толщину объекта исследования, для чего в качестве тест-объекта используют ступенчатую деталь, толщины ступеней которой выбраны в диапазоне, перекрывающем толщину исследуемого объекта, тест-объект ориентируют боковыми гранями вдоль пучка протонов, профили интенсивности протонного пучка строят в направлении, перпендикулярном границе ступеней тест-объекта, при расположении ступеней тест-объекта, близких по толщине, по соседству, полученные профили аппроксимируют функцией  а при другом расположении ступеней - функцией  где , b, и с - экспериментально подбираемые коэффициенты, ,  - величины, зависящие от толщин соседних ступеней, b, b, b - искомые величины размытия (в случае, если в результате аппроксимации данные величины получились отрицательными, их необходимо брать но модулю), с - координата границы соседних ступеней, в результате получают зависимость величины размытия от толщины объекта, та толщина, для которой величина размытия минимальна, и будет оптимальной для получения минимального размытия при данном токе в МОС, а для определения оптимальной величины тока магнитных линз выбирают ту величину, при которой размытие на фоне данной толщины минимально.
а
На фиг. 1 представлена схема фокусировки протонов в случае небольшой оптической толщины, на фиг. 2 - большой (МОС в обоих случаях настроена на нулевую оптическую толщину), на фиг. 3 - обычный радиографический клин, на фиг. 4 - схематично механизм возникновения геометрической нерезкости, на фиг. 5 и 6 - границы, возникающие при неправильной настройке МОС, на фиг. 7 - ступенчатый тест-объект, на фиг. 8 и 9 - идеальная граница объекта толщиной , получаемая без размытия (пунктирная линия), и реальная граница, полученная с учетом гауссова размытия со среднеквадратичным отклонением b (сплошная линия).
a
а
1
2
За счет использования тест-объекта специальной формы, а также за счет специальной обработки его протонограмм можно вычислить зависимость степени размытия изображения от толщины объекта при определенном токе в квадрупольных линзах МОС. Для повышения точности настройки ступени тест-объекта выполнены различной толщины в том диапазоне по массовой толщине, в котором требуется проведение исследований. Вследствие рассеяния протонов в объекте, не до конца скомпенсированном в МОС, на итоговой протонограмме возникает размытие. Данное размытие можно в некотором приближении считать гауссовым, тогда размытие резкой грани описывается функцией ошибки erf(x). Если граница представлена ступенькой с толщинами  к  слева и справа от границы, и размытие для каждой из них примерно одинаково и равно b (фиг. 8 и 9), то в этом случае реальная граница описывается функцией
Для настройки МОС допустимо использование радиографического клина (фиг. 3). В этом случае между соседними ступенями могут возникать большие перепады по толщине. Во-первых, это приводит, к геометрической нерезкости, связанной с тем, что протонный пучок не плоско-параллельный, а расходящийся. Поэтому вдоль пучка можно ориентировать только одну грань в горизонтальной плоскости и одну грань в вертикальной плоскости. Остальные грани будут нерезкими вследствие косого падения протонного пучка через них, и чем длиннее грань (чем больше перепад между ступенями), тем больше возникающая геометрическая нерезкость. На фиг. 4 схематично представлен механизм ее возникновения: изображение левой грани, ориентированной по пучку, будет резким, а изображение правой грани, через которую пучок идет уже под углом, будет размытым. Для уменьшения влияния данного фактора нужно более длинные грани помещать вблизи сориентированной грани.
Во-вторых, большие перепады по толщине приводят к тому, что размытие в соседних ступенях перестает быть одинаковыми и формула (1) перестает быть справедливой. В этом случае необходимо аппроксимировать границу более сложной формулой:
a
а
a
1
2
1
2
где , , b, b и с - подбираемые коэффициенты. Ввод дополнительного коэффициента увеличивает универсальность метода и позволяет вычислить размытие границ даже в тех случаях, когда граница не монотонна. Например, на фиг. 5, 6 представлены границы, возникающие при некоторых комбинациях параметров , b и с. Подобные границы встречаются в практике протонной радиографии, особенно при неправильной настройке МОС.
2
В качестве примера конкретной реализации устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, может служить радиографический комплекс, который выполнен 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 используется специальный тест-объект, представляющий собой несколько ступеней различной толщины в том диапазоне по массовой толщине, в котором требуется проведение исследований. Для повышения точности настройки ступени, близкие по толщине, следует располагать по соседству. Пример тест-объекта представлен на фиг. 7. Материал специального тест-объекта совпадает с материалом исследуемого образца. Шаг по толщине h тест-объекта выбирают таким образом, чтобы величина размытия, обусловленного хроматической аберрацией, не сильно менялась при перепаде массовых толщин (например, в пределах 5-30 г/см). Минимальная ширина ступеней выбирается исходя из условия того, чтобы она была существенно больше характерных размеров размытия (например, более 10 мм).
1
2
На фиг. 8 пунктирной линией схематично представлена внешняя грань тест-объекта толщиной а, получаемая без размытия (в идеальных условиях), а сплошной линией - реальная граница, полученная с учетом гауссова размытия со среднеквадратичным отклонением b, которую можно описать функцией f(x)=a/2⋅(1+erf (-((x-c))/b). Если граница представлена ступенькой с толщинами a и а слева и справа от границы, и размытие для каждой из них примерно одинаково (b), то в этом случае реальная граница описывается выше представленной функцией (1).
Заявляемый способ настройки МОС на определенную толщину объекта, выбранную перед проведением экспериментов, заключается в пропускании пучка протонов через объектную плоскость магнитооптической системы, включающей магнитные линзы и коллиматор, и последовательном получении с помощью системы регистрации изображений тест-объекта в виде совокупности ступеней, перекрывающих по массовой толщине исследуемую толщину, помещенного в объектную плоскость и ориентированного вдоль протонного пучка, для различных значений тока в квадрупольных линзах МОС. Перпендикулярно границе ступеней, соседних по толщине, строят профиль, который аппроксимируется функцией:
a
f{x)=(1+erf(-(x-c)/b),
a
где , b, и с - подбираемые коэффициенты. Коэффициент b как раз обозначает величину размытия для средней арифметической толщины двух соседних ступеней.
Таким образом, при определенном токе для каждой пары соседних по толщине ступеней вычисляют величину размытия. В результате получается зависимость размытия от толщины объекта (среднее арифметическое толщин двух соседних ступеней). Та толщина, для которой величина размытия минимальна, и будет оптимальной для получения минимального размытия при данном токе в МОС. Для подбора тока, оптимального для определенной толщины объекта (то есть минимизирующего размытие деталей на фоне данной толщины), необходимо провести радиографирование специального тест-объекта в виде ступеней с определенным шагом по току (например, 1А) и выбрать тот ток, который минимизирует размытие для определенной толщины.
При использовании для настройки МОС допустимо использование и других объектов, состоящих из нескольких ступеней различной толщины, в котором ступени близкой толщины необязательно расположены вплотную друг к другу, например, обычный радиографический клин (фиг. 3). В этом случае необходимо аппроксимировать границу более сложной формулой (2). Ввод новых коэффициентов увеличивает универсальность метода и позволяет вычислить размытие границ даже в тех случаях, когда граница не монотонна. Например, на фиг. 8, 9 представлены границы, возникающие при некоторых комбинациях параметров а, b и с. Подобные границы встречаются в практике протонной радиографии, особенно при неправильной настройке МОС.
Т.о. заявляемый способ позволяет повысить качество и точность обработки зарегистрированных протонных изображений.