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

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.
Известен способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения (Physics Division Progress Report 1999-2000 Proton Radiography, D.A.Clarc et al., pp. 156-168), включающий получение цифровых изображений протонного пучка до прохождения им области исследования с помощью первой и второй систем регистрации и после прохождения им области исследования в плоскости фокусировки магнитооптической системы (МОС) 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.
Недостатком данного способа является сложность из-за применения диффузора и размещения его в определенном месте, с соответствующей настройкой магнитооптического каната. Получение расчетного изображения по двум экспериментально полученным изображениям также приводит к снижению точности обработки.
Известен другой способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, выбранный в качестве ближайшего аналога [патент RU 2604723. «Способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения», публик. 10.12.2016]. Способ включает следующие операции. При проведении экспериментов регистрируют два цифровых изображения протонного пучка с помощью двух систем регистрации, каждая из которых включает конвертор, преобразующий протонное излучение в фотоны, регистрируемые ПЗС-матрицей с помощью объектива. Одно изображение получают при регистрации пучка до области исследования, второе - в плоскости фокусировки МОС после пропуска пучка через область исследования. Перед первой системой регистрации устанавливают металлические реперные объекты (реперы), размещая их в одной плоскости, далее по полученным двум цифровым изображениям сопоставляют координаты реперов с последующим определением проективного преобразования, используя которое осуществляют приведение первого изображения протонного пучка ко второму. Таким образом, получается два изображения, первое - изображение протонного пучка до прохождения области исследования, приведенное к ракурсу второго изображения, и второе - изображение протонного пучка после прохождения области исследования. После этого осуществляют попиксельное деление второго изображения на первое приведенное изображение, в результате чего получают изображение области исследования.
Для того чтобы реперы не «загораживали» часть объекта на изображениях, их штатное положение находится за полем обзора. При необходимости оператор вдвигает их в поле обзора и регистрирует их изображение одновременно на двух системах регистрации. По полученным изображениям, как сказано выше, вычисляют координаты центров реперов, с помощью которых определяют проективное преобразование, используя которое осуществляют приведение первого протонного изображения протонного пучка ко второму. Затем реперы выводятся из поля обзора и проводятся дальнейшие эксперименты, получают изображения, при обработке которых применяется проективное преобразование, полученное на данном этапе.
Такой способ предполагает, что при получении изображений в дальнейшем каналы регистрации (объектив + ПЗС-матрица) не меняют своего положения, то есть «нацелены» на одну и ту же точку конвертора (точка пересечения оптической оси и плоскости конвертора не меняется). Однако данное условие не всегда выполняется: так как объектив крепится к раме не жестко, а с помощью подвижного соединения (для возможностей настройки), то с течением времени он может «просесть» и оптическая ось может сдвинуться. Это приводит к тому, что ракурс пучка после объекта (полученного на второй системе регистрации) перестает соответствовать ракурсу приведенного пучка до объекта (подученного на первой системе регистрации), что приводит к искажениям при нормировке (попиксельном делении) одного изображения на другое. На практике каналы регистрации ведут себя непредсказуемо: некоторые из них могут несколько дней висеть, не меняя своего положения, некоторые «провисают» за день, некоторые за час.
Для компенсации данного эффекта необходимо периодически переснимать реперные объекты. Эта процедура трудоемкая, так как. во-первых, реперы вводятся в поле обзора индивидуальным шаговым двигателем, поэтому повторяемости положения реперных объектов нет, поэтому сразу сказать сдвинулось изображение пли нет нельзя. Во-вторых, при исследовании габаритного объекта, перекрывающего все поле обзора, реперные объекты будут обладать малым контрастом и точность их обработки упадет. А самое главное, обработка реперных объектов происходит с непосредственным участием оператора и является трудоемкой процедурой. Поэтому ее необходимо сократить до минимума.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности информации при обработке полученных протонных изображений без усложнения процесса проведения экспериментов и последующей обработки протонограмм.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, заключающемся в том, что предварительно настраивают систему получения протонных изображений с системами регистрации, размещенными до и после области исследования, и магнитооптической системой, обеспечивающей фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость изображения, для чего размещают реперы вне поля обзора установки с возможностью их ввода в это поле на время пропуска пучка прогонов, которое осуществляют без размещения объекта исследования, и по полученным с систем регистрации изображениям определяют координаты реперов для вычисления проективного преобразования, приводящего изображение с одной системы регистрации к другой, при проведении дальнейших экспериментов с размещением объекта исследования, учитывают полученное проективное преобразование, приводят изображение объекта исследования с одной системы регистрации к ракурсу изображения со второй, и, применяя попиксельное деление изображения со второй системы регистрации на приведенное изображение с первой, получают изображение объекта исследования, новым является то, что дополнительно осуществляют контроль движения каналов регистрации, для чего перед конвертором системы регистрации устанавливают лазер, обеспечивая жесткое крепление к неподвижному конструктивному элементу установки и до проведения экспериментов при выключенном свете системой регистрации снимают метку от лазера, в дальнейшем при проведении экспериментов метку от лазера снимают повторно с требуемой необходимостью и, путем сравнения с начально снятой меткой, определяют вектор поступательного движения каналов регистрации или, при необходимости, аффинное преобразование данного движения, которое используют при обработке изображении для получения уточненного изображения объекта исследования путем корректировки либо проективного преобразования, полученного ранее при введении реперов, либо самого изображения объекта исследования.
Для того чтобы понять, движется канал регистрации или нет без пропускания и регистрации пучка протонов, можно иметь некоторую оптическую статичную метку в пространстве. Если конвертор неподвижен и жестко закреплен на неподвижной поверхности, то можно нанести небольшую четкую метку на его поверхности. Однако данная метка должна быть видна на всех каналах регистрации, в том числе с небольшим полем обзора, поэтому данная метка не может располагаться на периферии, где ценность информации, закрываемой меткой, невысока; в центральной области метка может частично перекрыть область, где развиваются важные процессы, затрудняя их интерпретацию. К тому же, если конвертор имеет возможность дистанционного движения (для движения в пучок или выдвижения из него, регулировки высоты), то по положению метки на поверхности конвертора невозможно понять движется ли канал регистрации или нет. Снятие метки от лазера каналами регистрации упрощает процесс контроля движения канатов. В дальнейшем, в процессе проведения экспериментальной сессии с некоторой периодичностью, определяемой дальнейшими исследованиями (например, каждый час или после длительного простоя или после подстройки оптической схемы и т.д.) данная операция повторяется. Изменение местоположения светлого пятна на темном фоне легко контролируется без участия оператора автоматическими методами, основанными на корреляционном анализе. Вектор данного движения учитывают при обработке изображений для компенсации движения каната регистрации. По одной точке можно контролировать поступательное движение каната регистрации (наклон вверх-вниз, поворот влево-вправо). В общем случае канал регистрации может еще и вращаться. В этом случае для контроля его движения необходимо проецировать на конвертор минимум две точки.
На фигуре изображена схема осуществления контроля движения каналов регистрации, поясняющая заявляемый способ, где:
1 – ионопровод,
2 – сцинтиллятор,
3 – поворотное зеркало,
4 – радиационная защита,
5 – канал регистрации,
5' – повернутый канал регистрации,
6 – лазер.
В качестве примера конкретной реализации устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, может служить протонографический комплекс (ПРГК), который выполнен на основе действующего синхрофазотрона У-70. построенного в г. Протвино [Новости и проблемы фундаментальной физики, №1(5), 2009 г., с. 32-42]. ПРГК включает систему формирования протонных изображений, зону для размещения объекта исследования и. по крайней мере, две системы регистрации протонного изображения. Система формирования протонных изображений включает магнитные линзы и коллиматор. Каналы систем регистрации включают но сцинтилляционному конвертеру, зеркалу и цифровые камеры. Аппаратуру первой системы регистрации устанавливают непосредственно перед зоной размещения объекта исследования (область исследования), при этом непосредственно перед конвертором первой системы регистрации устанавливают металлические реперные объекты - реперы, размещенные в одной плоскости. После зоны размещения объекта исследования размещают МЮС, магнитные квадрупольные линзы, которые настроены на расчетную энергию протонного пучка, и обеспечивают фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость регистрации изображения. Вторую и, при необходимости, третью систему регистрации устанавливают после зоны размещения объекта исследования.
Способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включает следующие операции.
Настраивают систему формирования протонных изображений объекта исследования с двумя системами регистрации и МОС, обеспечивающей фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость изображения. Перед конвертором первой системы регистрации размешают 4 реперных объекта. Перед конвертором устанавливают лазер 6, обеспечивая жесткое крепление к неподвижному объекту (например, к ионопроводу 1 или к радиационной защите 4), и ориентированный лучом в центр сцинтиллятора 2. В штатном положении лазер 6 выключен.
Вводят реперы и, без установки объекта исследования, пропускают пучок протонов через установку, получая изображения до и после области исследования. По изображениям реперов определяют их координаты и вычисляют проективное преобразование, приводящее изображение первой системы регистрации ко второй. Затем для контроля движения каналов регистрации 5 во время проведения экспериментов включают лазер 6 и в темноте регистрируют точку на камере второй системы регистрации. При необходимости контроля вращательного движения каналов на конвертор проецируют совокупность меток с определением аффинного преобразования.
Далее сформированный пучок протонов пропускают через объект исследования. Кадры с первой системы регистрации по полученному ранее проективному преобразованию приводят к ракурсу второй системы регистрации. Затем осуществляют попиксельное деление второю изображения на приведенное первое изображение с получением изображения области исследования. В процессе проведения экспериментальной сессии с некоторой периодичностью, определяемой дальнейшими исследованиями (например, каждый час или после длительного простоя или после подстройки оптической схемы и т.д.), включают лазер и в темноте регистрируют точку или совокупность меток на камеру второй системы регистрации. При изменении ориентации канала регистрации (например, при повороте в положение 5') лазерные метки на зарегистрированном изображении будут смещены. В этом случае определяют смещение лазерных меток относительно начального положения и уточняют проективное преобразование, полученное при введении реперов, которое используют при дальнейшей регистрации объектов исследования.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает существенное упрощение процесса проведения экспериментов и последующую обработку протонограмм.