СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩЕГО ПРОЦЕССА С ПОМОЩЬЮ ПРОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к способам исследования быстропротекающих процессов, основанным на пропускании излучения через исследуемую область с последующим получением изображения, и может найти применение при исследовании материалов и объектов, подвергаемых динамическому нагружению, в частности радиографических способах регистрации изображений, сформированных с помощью протонного излучения.

Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение высококачественного изображения области исследования при приемлемых затратах на строительство, монтаж и обслуживание исследовательского комплекса.

Из предшествующего уровня техники известны способы формирования изображений быстропротекающего процесса с помощью протонного излучения, например способ, реализуемый с помощью макета радиографического комплекса на основе протонного ускорителя У-70 (ГНЦ РФ ИФВЭ, г. Протвино). Известный способ включает в себя следующие операции: ввод протонного пучка в один магнитооптический канал, формирование с помощью системы согласующих магнитных линз протонного пучка с фазовыми параметрами, соответствующими параметрам области исследования и системе формирования изображения, просвечивание области исследования путем пропускания через нее протонных сгустков, направление прошедших через область исследования протонных сгустков в магнитооптическую систему формирования протонного изображения, состоящую из линз, апертура которых соответствует ширине сформированного протонного пучка, и формирование теневого протонного изображения в плоскости регистрации.

Один из недостатков известного способа связан с тем, что система линз, формирующих протонный пучок в области исследования, обеспечивает вывод протонного пучка с одной фиксированной шириной при том, что размер области исследования может меняться в процессе эксперимента. Это приводит к неэффективному использованию энергии протонов и снижению качества протонных изображений.

Для обеспечения эффективного использования протонов и повышения качества протонных изображений необходимо использовать, по крайней мере, два канала, реализующих известный способ, с магнитными линзами малой и большой аппретуры, а так же дополнительные системы разветвленной доставки излучения (с числом каналов не менее 2-х) к месту проведения эксперимента, стоимость и габариты которых составят существенную часть стоимости всего комплекса.

Известен способ формирования изображения быстропротекающего процесса, который может быть реализован с помощью проектного варианта радиографического комплекса AHF, выполненного на основе синхротрона (Proton radiography, Physies Division Progress Report, 1999-2000, p. 156-168). Данный способ был принят в качестве прототипа как наиболее близкий к заявляемому способу по количеству сходных признаков и решаемой задаче. В комплексе AHF канал вывода протонного пучка за пределы периметра синхротрона связан с разветвленной системой доставки протонного пучка к месту проведения исследований, содержащей до 12-и каналов доставки.

Способ, который можно реализовать с помощью радиографического комплекса AHF, включает в себя следующие операции:

- ввод протонного пучка, по крайней мере, в два магнитооптических канала с широкой и узкой апертурой, в частности - шесть с широкой и шесть с узкой апертурой,

- формирование ширины протонного пучка в каждом канале в соответствии с апертурой канала, для чего в каждом канале на пути следования протонных сгустков размещают рассеиватель. Рассеиватели выполняют в виде металлических пластин, отличающихся друг от друга толщиной, чем толще рассеиватель, тем шире пучок. При прохождении пучка через один из каналов он увеличивается в диаметре до 200 мм, при прохождении через другой - до 50 мм,

- сначала пучок направляют в канал с большой апертурой,

- после прохождения протонным пучком рассеивателя с помощью системы согласующих магнитных линз формируют протонные пучки с фазовыми параметрами, соответствующими параметрам области исследования и магнитооптической системы формирования протонных изображений,

- просвечивают область исследования, пропуская протонные сгустки сначала большей ширины,

- при уменьшении области исследования в течение одного эксперимента направляют протонные сгустки в канал с меньшей апертурой

- просвечивают область исследования, пропуская протонные сгустки меньшей ширины,

- при использовании нескольких магнитооптических каналов их располагают под разными углами по отношению к месту исследования и просвечивание области исследования осуществляют под разными углами,

- после прохождения протонных пучков с разных каналов через область исследования их направляют в соответствующие магнитооптические системы формирования протонных изображений, состоящие из линз, апертура которых соответствует ширине протонного пучка,

- формируют теневые протонные изображения в плоскости регистрации протонных изображений.

Данный способ устраняет недостатки предшествующего аналога, однако конструктивно-компоновочное решение проектного варианта радиографического комплекса AHF основано на применении большого количества магнитов, большого количества каналов формирования протонных изображений и их длины, что приводит к значительной стоимости строительства и больших затратах на обслуживание и эксплуатацию.

Техническим результатом заявляемого способа является уменьшение расходов на его осуществление при сохранении его функциональных возможностей (объем информации за время проведения одного опыта не уступает прототипу).

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе формирования изображения быстропротекающего процесса с помощью протонного излучения, включающем общие с прототипом признаки, а именно:

- ввод протонного пучка, по крайней мере, в один магнитооптический канал,

- изменение ширины протонного пучка путем размещения в магнитооптическом канале на пути следования протонных сгустков рассеивателя,

- после прохождения рассеивателя пучка с помощью системы согласующих магнитных линз формирование протонного пучка с параметрами, соответствующими параметрам области исследования и магнитооптической системы формирования изображения,

- поочередное просвечивание области исследования путем поочередного пропуска протонных сгустков различной ширины в одном эксперименте,

- при использовании нескольких магнитооптических каналов просвечивание области исследования осуществляют под разными углами,

- направление протонного пучка, прошедшего область исследования, в магнитооптические системы формирования протонного изображения, состоящие, по крайней мере, из двух наборов линз, апертура каждого набора соответствует ширине протонного пучка, проходящего через него,

- формирование теневых протонных изображений области исследования в плоскости изображений магнитооптической системы,

содержатся отличительные признаки, а именно:

- изменение ширины протонного пучка на различные величины осуществляют последовательно в одном и том же магнитооптическом канале,

- для этого либо после прохождения части протонных сгустков через рассеиватель его удаляют или изменяют толщину, а затем пропускают оставшуюся часть протонных сгустков,

- либо смещают часть протонных сгустков с помощью магнитных линз относительно другой части и, используя разнотолщинный рассеиватель, смещенные части протонных сгустков пропускают через области рассеивателя с разной толщиной,

- при этом оба набора линз системы формирования теневого протонного изображения размещают последовательно в одном магнитооптическом канале.

Изменение толщины рассеивателя после прохождения через него части протонных сгустков может быть осуществлено либо путем его перемещения поперек движения протонных сгустков, при этом рассеиватель выполняют разнотолщинным, либо путем удаления электровзрывом или газодинамически его слоев, при этом рассеиватель выполняют многослойным.

В качестве рассеивателя может быть использована токопроводящая литиевая линза, фокусирующая или дефокусирующая протонные сгустки.

При помощи второго набора линз системы формирования теневого протонного изображения можно формировать изображение с увеличенным масштабом.

Меняя ширину протонного пучка как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения в течение одного эксперимента в одном и том же магнитооптическом канале можно обойтись без дополнительных ответвлений магнитооптических каналов, при этом сохраняется объем информации о процессах, происходящих в области исследования, который возможно получить с помощью прототипа, следовательно уменьшаются затраты на осуществление способа формирования изображения.

Удаление рассеивателя после прохождения части протонных сгустков или изменение его толщины, а затем пропуск оставшейся части протонных сгустков или смещение части протонных сгустков с помощью магнитных линз относительно другой части и, используя разнотолщинный рассеиватель, пропуск смещенных частей протонных сгустков через области рассеивателя с разной толщиной позволяют осуществить изменение ширины протонного пучка поочередно на разные величины в одном магнитооптическом канале.

Изменение толщины рассеивателя после прохождения через него части протонных сгустков либо путем его перемещения поперек движения протонных сгустков, при этом рассеиватель выполняют разнотолщинным, либо путем удаления электровзрывом или газодинамически его слоев, при этом рассеиватель выполняют многослойным, позволяет быстро изменить ширину протонного пучка в требуемый момент, что исключает затраты на формирование и эксплуатацию дополнительных каналов.

Размещение наборов линз системы формирования протонного изображения последовательно, в одном магнитооптическом канале позволяет сформировать изображение при пропускании через область исследования пучков разной ширины без дополнительных разветвлений магнитооптических каналов.

На фиг. 1 изображен схематично общий вид радиографичекого комплекса, позволяющего пояснить заявляемый способ, где: 1 - тоннель большого кольца, 2 - технологическое здание, 3 - здание бустера и линак, 4 - внешняя обваловка тоннеля, 5 - здание проведения эксперимента, 6 - тоннель каналов регистрации, 7 - измерительные здания, 8 - поглотители пучка 9 - тоннель каналов разводки, 10 - исследовательский канал, 11 - переезд через тоннель, 12 - здание управления комплексом.

На фиг. 2 приведен пример размещения набора линз в системе формирования протонного изображения, при котором узкий и широкий пучки регистрируются последовательно в одном канале. Сплошными линиями показаны траектории протонов при широком пучке, штриховыми - при узком пучке.

На фиг. 3 приведен частный случай последовательного размещения системы формирования протонного изображения, при котором вторая линзовая система формирует изображение с увеличением.

На фиг. 4, 5, 6, приведены примеры реализации динамического изменения ширины протонного пучка в одном эксперименте.

На фиг. 4 - при отклонении части сгустков от другой части при пропускании пучка через разнотолщинный рассеиватель, на фиг. 5 - при перемещении разнотолщинного рассеивателя с помощью взрывного устройства, на фиг. 6 - при использовании в качестве рассеивателя токопроводящей литиевой линзы, где: 13 - разнотолщинный рассеиватель, 14 - взрывчатое вещество, 15 - ударник, 16, 17 - литиевые магнитные линзы с разным значением магнитного поля, пунктиром показана ось орбиты.

В качестве примера конкретного выполнения, поясняющего заявляемый способ, может служить следующий радиографический комплекс на основе протонного ускорителя. Комплекс содержит импульсные источники тока, линейный ускоритель с выходной энергией протонов 40 МэВ, бустер-синхротрон с выходной энергией протонов 1,2 ГэВ и основной синхротрон с выходной энергией протонов 20 ГэВ. Кольцевые магнитные структуры синхротронов содержат дипольные поворотные магниты, магнитные линзы (квадрупольные, секступольные магниты), дипольные корректирующие бамп-магниты, кикер-магниты и септум-магниты соединены между собой и линейным ускорителем вакуумными каналами транспортировки протонного пучка. Линейный ускоритель также соединен с ловушкой для аварийного сброса протонного пучка. В основное кольцо синхротрона входят четыре системы вывода на основе кикер-магнитов, которые размещают перед каналами вывода протонного пучка из синхротрона, причем один из каналов направлен наружу, а три - внутрь периметра основного синхротрона. Внутри основного синхротрона также размещены три канала, входящих в систему доставки протонного пучка к месту проведения исследования.

Каждый канал доставки протонного пучка к месту исследования включает систему формирования и регистрации протонографического изображения, элементы которой размещаются с обеих сторон исследуемого объекта, и заканчивается ловушкой для поглощения протонов. Система формирования и регистрации протонографического изображения содержит рассеиватели, каждый из которых установлен в канале доставки протонного пучка к месту исследования. Рассеиватель представляет собой двухсегментную разнотолщинную вольфрамовую пластину диаметром 15 мм, толщина одного сегмента - 1 мм, другого - 2 мм. После рассеивателя в каждом канале установлена система согласующих магнитных линз. После места проведения эксперимента 5 в канале размещают магнитооптическую систему формирования протонного изображения, состоящую из двух различных по апертуре линзовых систем, апертуры которых соответствует номиналам ширины протонного пучка. Линзовые системы формируют теневое протонное изображение области исследования в своих плоскостях изображений.

Способ формирования изображения быстропротекающего процесса с помощью радиографического комплекса на основе протонного ускорителя заключается в следующем. После заполнения кольца основного синхротрона 1 равномерно расположенными по периметру орбиты 4 сгустками протонов они подвергаются дальнейшему ускорению до энергии 20 ГэВ. Удержание протонного пучка на орбите траектории осуществляется магнитной системой кольца основного синхротрона 1, состоящей из дипольных поворотных магнитов и магнитных линз. После достижения энергии 20 ГэВ на систему управления комплексом поступает сигнал готовности. По команде с системы управления комплексом происходит синхронизированный запуск быстропротекающего процесса в объекте исследования и, с заранее заданной временной задержкой, вывод протонных сгустков из кольца основного синхротрона 1. Вывод протонных сгустков происходит в результате одновременного срабатывания кикер-магнитов каждой из 3-х систем вывода пучка внутрь кольца основного синхротрона 1. При однократном срабатывании кикер-магнитов в каждый канал вывода 2 поступает один или более сгустков протонов. Далее сгустки по каналам системы доставки пучка 3 проходят элементы системы формирования и регистрации пучка 4, а затем объект исследования 5, расположенный в геометрическом центре кольца основного синхротрона.

Каналы доставки протонного пучка 3 расположены в одной плоскости и подводятся к исследуемому объекту под углом 120° относительно друг друга. Каждый сгусток протонов, проходящий через объект, позволяет получить 1 кадр одномерного изображения. Таким образом, при максимальном числе ускоренных сгустков протонов, равном 18, имеется возможность получить до 6 кадров трехмерного изображения мгновенного состояния динамического процесса. Используемая схема вывода позволяет выпускать протонные сгустки из кольца основного синхротрона 1 последовательно один за другим или с пропуском вывода, существенно растягивая временной интервал между ними. Изменение ширины протонного пучка на разные величины осуществляют последовательно в одном и том же магнитооптическом канале, для этого следующие друг за другом протонные сгустки смещают относительно друг друга с помощью магнитных линз и, используя разнотолщинный рассеиватель 13, смещенные протонные сгустки пропускают через области рассеивателя с разной толщиной (фиг. 4).

Изменить ширину протонного пучка можно и так: после прохождения части протонных сгустков через рассеиватель его удаляют, а затем пропускают оставшуюся часть протонных сгустков, либо рассеиватель выполняют разнотолщинным и после прохождения части протонных сгустков через толстую часть рассеивателя его перемещают с помощью взрывного устройства, включающего ударник 15 и заряд взрывчатого вещества 14, и оставшуюся часть протонных сгустков пропускают через более тонкую часть (фиг. 5). Изменение толщины рассеивателя после прохождения через него части протонных сгустков можно осуществить путем удаления электровзрывом или газодинамически его слоев, при этом рассеиватель выполняют многослойным. В качестве рассеивателя можно использовать токопроводящую литиевую линзу (фиг. 6). Каналы доставки 3 завершаются протонными ловушками, где происходит полное поглощение пучка. Система на основе кикер-магнита, предназначенная для внешнего вывода протонного пучка из кольца синхротрона 1, отводит пучок в канал, который завершается также протонной ловушкой и служит для аварийного однооборотного сброса пучка, а также используется на этапе отладки систем синхротрона 1, однако этот канал можно использовать для других экспериментов.

Т.о. заявляемый способ позволяет обеспечить многокадровые, многоракурсные протонографические исследования быстропротекающих процессов в динамических системах. При этом по сравнению с аналогичными способами обладает рядом существенных преимуществ: повышенными функциональными возможностями за счет расширения объема информации, получаемой за время проведения одного опыта при уменьшении расходов на его осуществление ввиду упрощения, удешевления монтажа, отладки и обслуживания конструкции.