СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ПУТЕМ ФУНКЦИИ РАЗМЫТИЯ ТОЧКИ (ФРТ) В КОНВЕРТОРЕ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ПРОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

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 о свойствах регистрирующей системы для оптимизации протонных комплексов и верификации расчетных методик при моделировании процессов прохождения излучения через вещество.

При формировании изображения исследуемой области (объекта) с помощью протонного пучка перед устройством регистрации - электронно-оптическим преобразователем (ЭОП) - размещают конвертор (сцинтилляционный преобразователь, далее - сцинтиллятор) энергии протонного пучка в электромагнитное излучение (ЭМИ) оптического диапазона и систему его переноса на вход ЭОП. В сцинтилляторе (пластиковом, LSO и т.д.) высокоэнергетичный протон в результате сильных и электромагнитных взаимодействий оставляет часть своей энергии, а выделенная энергия преобразуется в носители информации (квант света, свободные носители заряда и т.д.), поддающиеся обработке и регистрации оптическими и электронными устройствами.

Протоны от источника для просвечивания области исследования подаются сгустками через строго определенные интервалы времени, что позволяет сделать несколько кадров. 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 5-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.

Традиционным методом экспериментального получения ФРТ в радиографии, использующей нейтральные частицы, (рентгенография, нейтронография) является измерение функции размытия грани (ФРГ) [В. Masschaele et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 542 (2005) 361-366, UCRL-JC-130427, Preprint, Roll Bar X-Ray Spot Size Measurement Technique, R.A. Richardson and T.L. Houck /или/ OPTICAL DIAGNOSTICS ON ETA II FOR X-RAY SPOT SIZE, R.A. Richardson, Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999]. Имея ФРГ можно без труда рассчитать функцию размытия линии (ФРЛ), а затем и ФРТ.

Однако, в случае протонной радиографии, использующей в качестве просвечивающих частиц заряженные частицы, а также магнитную оптику для компенсации рассеяния протонов в веществе объекта, в конечном изображении невозможно точно выделить размытие вследствие хроматических аберраций.

Расчетно получить ФРТ также затруднительно, вследствие следующих факторов.

Во-первых, в реальных сцинтилляторах световыход является функцией плотности энерговыделения. Например, для органических сцинтилляторов данная зависимость описывается полуэмпирической моделью Биркса [Bartels J., Haidt D., Zichichi A., The European Physical Journal C, v.15, 2000], коэффициент в которой необходимо получать опытным путем для каждого сцинтиллятора, а далеко не для всех сцинтилляторов данный коэффициент измерен и опубликован.

Во-вторых, при моделировании процессов встает вопрос о точности моделирования взаимодействия частиц со средой.

В-третьих, существуют факторы, связанные с оптическими эффектами, среди которых имеет место оптическое размытие объективами, связанное с толщиной сцинтиллятора и с тем, что свет испускается не из плоскости, а из всего объема сцинтиллятора. Также, для правильного моделирования необходимо иметь экспериментальные данные о качестве обработки поверхности сцинтиллятора и об объемном рассеянии света в веществе сцинтиллятора.

Таким образом, для учета оптических процессов переноса света необходимо провести серию специальных экспериментов по изучению данных вопросов для экспериментального восстановления ФРТ. Без этого функции размытия точки, полученные расчетным путем, имеют лишь приблизительный вид. Заявляемый способ не имеет прототипа, т.к. из предшествующего уровня техники не выявлено аналогичных способов определения экспериментальным путем ФРТ в конверторе для регистрации протонного излучения.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности информации при определении ФРТ.

Указанный технический результат достигается за счет того, что ФТР в конверторе для регистрации протонного излучения восстанавливают экспериментальным путем, для чего осуществляют вывод и отклонение из протонного пучка части протонов путем пропускания их через изогнутый каналирующий кристалл, один из торцов которого располагают навстречу потоку протонов, направляя выведенные протоны на конвертор регистрирующей системы, после чего на экспериментально полученном изображении выделяют область локализации выведенных протонов, зависящую от поперечного размера кристалла и его расположения относительно конвертора, а по яркости пикселей выделяют область, формируемую рассеянными фотонами и вторичными частицами, образовавшимися в результате взаимодействия протонов с веществом конвертора, далее из изображения последней области вычисляют размер изображения восстанавливаемой ФРТ в форме квадрата, а затем, варьируя значения пикселей в области локализации прошедших протонов и квадратной области, подбирают совокупность значений пикселей в квадратной области, при которой результат свертки изображений области локализации и квадратной области максимально соответствует экспериментально полученному изображению. Данная совокупность является восстановленной ФРТ.

Кристалл может быть изготовлен из кремния в форме удлиненной изогнутой пластины.

Подбор совокупности значений пикселей в квадратной области для удобства может быть ограничен условием центральной симметрии.

Заявляемый способ основан на использовании такого явления, как каналирование протонов высоких энергий изогнутыми кристаллами [A.G. Afonin et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. В 234 (2005) 14-22]. Используя это явление и выбрав соответствующую форму кристалла, можно получить протоны, локализованные в одной области.

Применение изогнутого каналирующего кристалла, один из торцов которого располагают навстречу потоку протонов, направляя выведенные протоны на конвертор регистрирующей системы, позволяет локализовать взаимодействие протонов со сцинтиллятором в области небольшого размера с резкими границами.

Для вычисления ФРТ принимается во внимание то, что протоны, отклоненные кристаллом, попадают только в ограниченную область сцинтиллятора, формируемую захваченными и отклоненными кристаллом протонами, а также деканалированными протонами. Размеры этой области оцениваются исходя из поперечного сечения изогнутого кристалла, а также с учетом рассеяния протонов в воздушном промежутке между кристаллом и сцинтиллятором.

На фиг.1 приведена схема эксперимента по восстановлению ФРТ; на фиг.2 приведено полученное на сцинтилляционной пластине LSO изображение протонов, отклоненных кристаллом, ориентированным торцом навстречу потоку; на фиг.3 - часть изображения прошедших через кристалл протонов, использующаяся при математической обработке; на фиг.4 - профиль восстановленной ФРТ; на фиг.5 - сравнение с расчетным профилем.

Схема эксперимента для заявляемого способа следующая. Пучок протонов, выходящий из ионопровода 1 в месте регистрации изображения, где размещен объектив и ПЗС-камера, обрезается свинцовым коллиматором 3 и проходит через каналирующий кристалл 4. При этом небольшая часть из них отклоняется и фокусируется с помощью зеркала 5 на конвертере в виде тонкого прямоугольника, соответствующего торцу кристалла. В качестве конвертера использован сцинтиллятор LSO 6. Эксперименты проводили с различными кристаллами из кремния, выполненными в виде прямоугольных пластин с изгибом (обеспечивающим угол отклонения протонов).

Измерения проводились следующим образом. Кристалл 4 ориентировали в рабочее положение "по пучку", т.е. вдоль траекторий полета протонов, при этом часть протонов захватывалась, выводилась кристаллом 4 из пучка и регистрировалась с помощью сцинтиллятора 6. На фиг.2 показано изображение отклоненных протонов, регистрируемое на сцинтилляторе 6. На этом рисунке видно яркое пятно, соответствующее протонам, захваченным кристаллом 4, а также широкая линия, обусловленная так называемыми деканалированными протонами, т.е. протонами, захваченными кристаллом, но выведенными из него вследствие дефектов кристаллической решетки. На фиг.3 представлена часть протонного изображения, полученного на пластиковом сцинтилляторе толщиной 10 мм, с размерами в логарифмическом масштабе, после вычета фоновой подсветки по градациям серого цвета. Информация с данной части и используется для дальнейшего математического анализа.

Для вычисления ФРТ принимаем то, что протоны, отклоненные кристаллом, попадают только в ограниченную область сцинтиллятора 6, формируемую захваченными и отклоненными кристаллом 4 протонами, а также деканалированными протонами. Размеры этой области оцениваются исходя из поперечного сечения изогнутого кристалла 4, а также с учетом рассеяния протонов в воздушном промежутке между кристаллом и сцинтиллятором 6. Граница данной области показана на фиг.3 пунктирной линией. Опишем методику восстановления ФРТ. Пусть у нас есть экспериментально зарегистрированное изображение кристалла с вычтенным фоном от вторичных частиц. Для обработки из этого изображения выбирается прямоугольная область Ω_эксп (представлена на фиг.3), в пределах которой зарегистрированный сигнал существенно выше фонового сигнала. Далее вычисляются границы области Ω_крист, в которую попадают захваченные кристаллом протоны (отмечена пунктирной линией на фиг.3). Также выбирается область подбора ФРТ в виде квадратной матрицы; размеры данной области выбираются исходя из размеров области Ω_эксп. В качестве начального приближения матрицы ФРТ выбирается δ-функция, т.е. центральный элемент матрицы равен 1, остальные - 0. Алгоритм подбора ФРТ заключается в следующем. Одновременно варьируется значения пикселей в области Ω_крист, а также значения пикселей ФРТ, и методами минимизации функции многих переменных подбирается такое изображение Im_восст(х,у) в области Ω_крист, и такая матрица функции рассеяния точки, чтобы их свертка была бы наиболее близкой к экспериментально зарегистрированному изображению. При вариации значений ФРТ используется предположение о ее центральной симметрии. Для реализации этого была разработана программа, позволяющая решать класс подобных оптимизационных задач. На фиг.4 представлен профиль подобранной таким образом ФРТ, на фиг.5 - сравнение его с расчетным профилем энерговыделения, где видно, что расчетная функция размытия точки сильно отличается от экспериментально восстановленной, что наглядно показывает необходимость экспериментального получения ФРТ для применения ее при обработке получаемой информации для повышения ее достоверности.