Устройство для визуализации распределения плотности потока в пучке импульсного ионизирующего излучения

 

Использование: для визуализации распределения плотности потока в пучке импульсного ионизирующего излучения. Сущность изобретения: в устройство, содержащее волоконно-оптический экран, образованный отрезками оптических волокон одинаковой длины и расположенными в одной плоскости параллельно друг другу, которые через волоконно-оптическую линию связи подключены к фотоэлектрическому преобразователю, выход которого соединен с микропроцессором, введены l -1 аналогичных волоконно-оптических экранов, каждый из которых по отношению к предыдущему расположен под углом 180° /l, а отрезки оптических волокон каждого волоконно-оптического экрана последовательно соединены между собой через линии задержки из оптического волокна, и каждый волоконно-оптический экран подключен к микропроцессору через соответствующие волоконно-оптическую линию связи и фотоэлектрический преобразователь 6 ил., 5 табл.

Изобретение относится к физическим измерениям.

Известно устройство для визуализации распределения плотности потока в пучке импульсного ионизирующего излучения (ИМ), в частности плотности тока в пучке заряженных частиц, содержащее подложку из изоляционного материала, поверхность которой по меньшей мере равна площади сечения пучка. На подложке закреплены mxn= q электропроводных элементов. Эти элементы образуют матрицу с m строками и n столбцами. Каждый элемент предназначен для перехвата части пучка и электрически соединен с системой обработки полученных электрических сигналов [1].

Недостатком устройства является искажение сигналов, снимаемых с элементов за счет того, что элементы расположены близко и между ними возникают паразитные емкости, влияние которых на выходные сигналы тем больше, чем меньше длительность исследуемого импульсного потока. Кроме того устройство с электропроводящими элементами чувствительно к ЭМИ.

Известна методика электронно-оптической регистрации профиля пучка импульсного ускорителя, основанная на применении камеры-обскуры со сцинтилляционным экраном, оптически связанным с электронно-оптическим преобразователем, работающим в фотохронографическом режиме регистрации [2].

Устройство на основе этой методики позволяет регистрировать изображение пучка с разрешением ≈3 нс и по временным характеристикам подходит для решения поставленной задачи. Однако, устройство чувствительно к ЭМИ, требует сложной системы экранировки и, кроме того, из-за электрического выхода устройства информацию на расстояние можно передавать только по радиочастотному кабелю, что также не позволяет передавать информацию на значительные расстояния в условиях воздействия ЭМИ на радиочастотный кабель.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для получения изображения объекта, содержащее квадратную рамку с натянутыми на нее оптическими волокнами (ОВ), расположенными параллельно друг другу и является волоконно-оптическим экраном (ВОЭ). Рамка расположена перпендикулярно оси падающего пучка с возможностью вращения вокруг этой оси. ВОЭ перемещается дискретно с помощью соединенного с ним шагового двигателя. К каждому ОВ подключены фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), которые преобразуют световую энергию свечения ОВ под действием ИИ в электрический аналог [3].

Все ФЭП подключены к блоку обработки информации, который построен на основе принципа томографии. Этот блок восстанавливает искомую функцию G(x, y) - плотность потока ИИ, где х,y - координаты точки в плоскости сечения потока и соответственно ВОЭ, например, методом обратного проецирования из функции Р(y) - световой мощности, образованной значениями зарегистрированных сигналов с ФЭП с известным коэффициентом преобразования световой мощности в электрический сигнал.

Устройство отвечает всем требованиям, предъявляемым к такого рода устройствам, кроме одного, оно не может работать с импульсами ИИ наносекундной длительности, так как минимальное значение длительности импульсов определяется максимально возможной скоростью вращения шагового двигателя, т.е. практически устройство предназначено для работы по стационарными потоками ИИ.

Целью изобретения является увеличение скорости сбора информации.

Для достижения указанной цели в устройстве для визуализации распределения плотности потока в пучке импульсного ионизирующего излучения, содержащем волоконно-оптический экран, образованный отрезками оптических волокон одинаковой длины, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу, которые через волоконно-оптическую линию связи подключены к фотоэлектрическому преобразователю, выход которых подключен к блоку обработки информации, построенному на основе принципа томографии, параллельно плоскости первого ВОЭ соосно расположены еще l-1 ВОЭ, каждый из которых по отношению к предыдущему расположен под углом ϕ =180^о/l, отрезки ОВ в каждом ВОЭ последовательно соединены между собой через линии задержки из ОВ, длина L_з которых выбрана из условия L_з> >С_ов˙ t_u, где С_св - скорость распространения света в волокне; t_и - длительность импульса ИИ, и образуют единую волоконно-оптическую линию, выход которой в каждом ВОЭ подключен через свою ВОЛС и ФЭП к соответствующему входу блока обработки информации.

Заявителю неизвестен отличительный признак относительно соответствующим образом расположенных ВОЭ, что и обеспечивает при определенном включении их в устройство возможность визуализации коротких импульсов наносекундного диапазона.

На фиг. 1 представлена конструкция одного волоконно-оптического экрана (ВОЭ). ВОЭ 1 несущую рамку 2, параллельно расположенные оптические волокна (ОВ) 3 в количестве n, укрепленные на рамке 2, линии 4 задержки из ОВ, включенные между каждой парой ОВ 3, так что оказываются включенными последовательно, в частности и ОВ 3 и, линии могут быть выполнены из одного ОВ и соответственно представлять собой единое ОВ.

На фиг. 2 показано предлагаемое устройство.

ВОЭ 1_1...l, расположены соосно, ось проходит через их центры. Каждый следующий ВОЭ 1_i+1 повернут относительно предыдущего ВОЭ 1_i на угол ϕ = вокруг центральной оси. Отсчет углов ведут от оси OY декартовой системы координат, расположенной, например, в плоскости первого ВОЭ 1₁так, что ось OY cовпадает с направлением ОВЗ, ось ОХ - перпендикулярна этому направлению, а центр 0 координат расположен на центральной оси.

ВОЭ I_1,...,l собраны в пакет вплотную друг у другу. Так как толщина ВОЭ 1 мала и определяется толщиной ОВ 3 (≈1 мм), то можно допустить, что все ВРЭ 1 _1,...,l лежат практически в одной плоскости, совпадающей с плоскостью ОХY при конечном определенном количестве l(l=5) координат этих ВОЭ 1. Расчеты показали правомерность такого допущения, так как при прохождении пакета ВОЭ 1_1,...,l поток ИИ практически не претерпевает изменения.

Одно из крайних ОВЗ каждого ВОЭ 1, например правое, является выходным и в каждом ВОЭ 1 оно через волоконно-оптическую линию связи (ВОЛС) 5_i подключено к своему фотоэлектрическому преобразователю (ФЭП) 6_i, выход которого подключен к соответствующему входу блока 7 обработки информации, который при выполнении на основе ЭВМ, состоит из АЦП В, запоминающего устройства (ЗУ) 9, вычислительного устройства (ВУ) 10 и дисплея 11.

Устройство работает следующим образом.

Импульс ионизирующего излучения воздействует на все ОВ 3 и возбуждает в каждом из них импульс черенковского излучения. В каждом ВОЭ 1_1,...,l возбуждено 1,2, . . .,n импульсов, эти импульсы последовательно поступают через ВОЛС 5_i на ФЭП 6_i.

Последовательность из импульсов образуется в силу того, что каждый последующий импульс в линии задержки 4_i, соединяющей ОВ 3_i и ОВ 3_i+1, задерживается относительно предыдущего на время задержки t_з, превышающее длительность формируемых импульсов t_u. Для обеспечения требуемой задержки соответствующим образом выбирают длину ОВ, из которого выполнена линия задержки, L_з> C_ов ˙ t_u.

ФЭП 6_1,...,l преобразуют последовательности световых импульсов и электрические аналоги, которые поступают на входы блока 7 обработки информации.

На фиг. 3 показана последовательность электрических импульсов на одном из входов блока 7.

Каждый импульс последовательности по форме повторяет импульс ИИ, но амплитуда импульсов различна, так как поперечное сечение пучка имеет произвольную форму и при этом облученная часть длины разных ОВ 3 может быть различна, а, следовательно, и формируемый в ОВ 3 световой импульс имеет соответствующую амплитуду; с некоторыми ОВ 3 поток ИИ может вообще не пересекаться, и тогда с этих ОВ 3 импульсы отсутствуют.

АЦП 8 оцифровывает каждый поступающий на него импульс, и дискретные цифровые значения импульса P₁^nl, P₂^nl,...,P_m^nl в моменты времени t₁^nl,t₂^nl,.. .,t_m^nl поступают с АЦП 8 в ЗУ 9.

На фиг. 4 показаны два импульса из двух последовательностей из n импульсов на третьем и пятом входах АЦП 8, например, с десятого ОВ 3 третьего ВОЭ 1 (первый импульс: n=10, l=3) и с двенадцатого ОВЗ пятого ВОЭ 1 (второй импульс: n= 12, l=5). Выборка значений импульса ведется от начала каждого импульса (t_o) в моменты времени t₁, t₂,...,t_m, одинаковые для всех импульсов всех последовательностей.

ЗУ 9 разделено на части по суммарному числу ОВЗ, равному nxl, которые занимают первую область ЗУ 9.

В каждой такой части записывают таблицу {t_m^nl, P_m^nl} значений сигнала P_m^nl в моменты времени t_m^nl с каждого ОВ 3. Цифровые значения сигналов в моменты времени t_m пропорциональны значению световой мощности.

После того, как информация о световых импульсах со всех ОВ 3 записана в ЗУ 9, ВУ 1 0 начинает обработку этой информации по заложенной в него программе, алгоритм которой строится на основании преобразования Радона.

Дискретные значения сигналов Р_i^nl в каждый момент времени t_i, хранящиеся в ЗУ 9, связаны со значением плотности потока ИИ G/t_i (x,y) соотношением Pⁿ_i^l = G(xy)δ(xcosϕ^nl+ysinϕ^nl-S^nl)dxdy, (1) где S^nl - расстояние ОВ 3^nl от центра системы координат оху; Ω - область на плоскости оху, в которой регистрируется поток ИИ.

В формуле (1) размерный коэффициент пропорциональности включен в выражение G(xy).

Значения плотности потока G(x,y) ВY 10 определяет по программе в соответствии с алгоритмом G(xy)/t_i= dsdϕ (2) Значения производных и интегралов берутся численно. Для этого во второй области ЗУ 8 помещены координаты всех точек {(x_iy_i)}, где i - индекс точки, в которых необходимо определять значения функции G(x,y), В этой же области помещены значения координат {(S^nl, ϕ^nl)} для всех ОВЗ^nl.

По значениям {(P_m^nl)}, {(x_i, y_i)}, {(S^nl, ϕ^nl} численно берется интеграл (2) для каждого момента времени.

Полученные множества {G/t_i(x_iy_i)}, {G/t₂(x_iy_i)}...{G/t_m(x_iy_i)} из ВУ 10 поступают в третью область ЗУ 9 и там хранятся до момента визуализации на экране дисплея 11 по запросу оператора. Экран дисплея 11 является геометрическим аналогом плоскости координат оху.

По требованию оператора информация из ЗУ 9 через ВУ 10 поступает на дисплей 11 и визуализуется на нем в виде яркостных точек в i точках экрана, соответствующих координатам x_iy_i в любой момент времени из t₁,...,t_m. Эти точки образуют световую картинку поперечного сечения пучка ИИ в заданный момент времени. Интенсивность свечения точек пропорциональна интенсивности потока ИИ в этих точках, причем оператор может получить любой кадр.

Работа устройства показана на примере обработки математической модели пучка ИИ на персональной ЭВМ типа РС/АТ.

На фиг. 5 показан математический фантом пучка ИИ - это заштрихованная область в плоскости координат оху, которая имеет конфигурацию сечения реальных пучков.

Для простоты иллюстрации принимаем условие, что плотность пучка постоянна по сечению, равна 10¹¹ р/с и равна нулю за пределами заштрихованной области.

Для регистрации пучка-модели выбраны следующие элементы устройства в части ОВ и ВОЭ, приведенные в табл. 1.

Так как по условию G(x,y)=const, то значение для каждого ОВ пропорционально длине a^nl пересечения ОВ с поперечным сечением пучка, что определяет алгоритм сбора информации P^nl= ε ˙ G ˙ a^nl, (3) где ε - коэффициент пропорциональности между плотностью потока ИИ и создаваемой им световой мощностью на единицу длины ОВ - для γ -излучения ε =10^-15 мкВт/мм ˙ р/с.

При отсутствии реального физического пучка оператор измеряет на изображении фантома расстояния a^nl, вычисляет по соотношению (3) значения Р^nl для каждого ОВ и вручную заносит эти записи в ЗУ 9.

Значения световой мощности Р^nl мкВт приведены в табл. 2-5.

ВУ 10 в приводимом примере работает по программе, составленной по более простому алгоритму, чем приведенное ранее соотношение (2), но коррелирующееся с ним. Этот алгоритм известен как алгоритм обратного проецирования и заключается в том, что значения световой мощности Р с ОВ разных ВОЭ суммируются в точках пересечения ОВ.

На фиг. 5 приведены проекции на плоскость пучка-фантома четырех произвольно выбранных ОВ_n=4,5,6,7 от четырех ВОЭ _l=1,2,3,4, их обозначения даны в скобках, первая цифра соответствует n, вторая -l. Эти ОВ пересекаются в одной точке с координатами х_оу_о.

Оценка значения плотности потока пучка ИИ в этой точке G(х_оу_о) ≈G^*производится в ВУ 10 путем суммирования значения световой мощности Р^nlкаждого из четырех ОВ: G^*=P^4,1+Р^5,2+Р^6,3+Р^7,4 Аналогичные вычисления производятся для всех точек пересечения ОВ между собой для четырех ВОЭ (количество ОВ в ВОЭ в соответствии с табл. 2-5). Полученные величины G_i^* отображаются на экране дисплея, например, в виде закрашенного кружочка, диаметр которого пропорционален G^* и сечение пучка отображается на экране дисплея - фиг. 6.

Применение даже такого простого алгоритма позволяет выделить наиболее характерные детали изображения поперечного сечения пучка электронов, например, его лукообразную форму. По полученному изображению можно также судить о размерах поперечного сечения пучка.

Для проведения эксперимента на модели пучка для измерения импульса длительностью 10 кс использовались ВОЭ с длиной ОВ L=20 см. Длину оптического волокна выбирают из условия L_ов< С_ов ˙ t_u, (4) где С_ов - скорость света в волокне, во избежание "размывания" формируемого оптического импульса при облучении волокна.

Устройство построено на следующих конкретных элементах: блок обработки информации построен на основе ЭВМ РС/АТ в части запоминающего устройства, вычислительного устройства и дисплея; на входе этих блоков установлен АЦП из регистратора СРГ7 - разработка НИИИТ, 1985 г.; ФЭП - СПРОМ, разработка НИИИТ, 1988 г. , оптическое волокно, линия задержки и ВОЛС выполнены на многомодовом волокне марки ОК-ПН-02-5-ч/о.

Устройство обеспечивает работу с импульсами, начиная с единиц наносекунд, и этот предел определяется в основном геометрическими размерами пучка ИИ. Действительно, из соотношения (4) получаем длительность импульса t_u= L_oв/C_oв, где L_ов - длина волокна, которая должна быть не меньше максимального диаметра пучка (площадь ВОЭ по крайней мере не меньше диаметра пучка), откуда для типовых пучков диаметром d_и=20 см получаем t_и > = 2·10^-9 c.

Верхний предел длительности измеряемых импульсов t_u^maх определяется длиной линии задержки, которая выполняется в виде катушки с намотанным на нее оптическим волокном. Минимальный диаметр катушки должен быть не менее 8 см, так как при таком диаметре изгиба волокна потери в нем минимальны. Длина линии задержки ограничена затуханием света α в оптическом волокне и выбирается таким образом, чтобы затухание в линиях задержки, ОВ и ВОЛС было меньше некоторого порогового значения α _пор, которое определяется по формуле
α_пор= 10lg , (5) где P_min - минимальная световая мощность, которая может быть зарегистрирована на ФЭП,
Р_сигн - световая мощность люминесценции, возникающий в ОВ под действием ИИ.

Пороговое значение затухания α _пор связано с максимальной длиной линии задержки L_max соотношением
α _пор=g(L_зmax ˙ (n-1)+L_ов ˙ n+L_волс), (6) где g - коэффициент затухания света в оптическом волокне;
L_волс - длина волоконно-оптической линии связи;
n - число ОВ в одном ВОЭ;
L_ов - длина каждого ОВ в ВОЭ.

Из соотношений (5) и (6) находим
L_{з max}= . (7)
Для указанного выше типа ФЭП Р_min= = 1 мкВТ.

Величина световой мощности Р_сигн, образуемой на одном ОВ, будет порядка 100 мкВТ. Число nОВ на одном ВОЭ возьмем равным 19. При длине одного ОВ L_ов=0,2 м коэффициент затухания в оптическом волокне указанного типа
g=5 ˙10^-3 дБ/м.

Длина волоконно-оптической линии связи L_волс=1000 м.

Подставляя эти данные в формулу (7), получаем
L_{з max}= ≈ 166,5 м
Отсюда верхний предел длительности измеряемых импульсов ИИ в (4) будет равен
t^m_и^ax= = ≈ 830 нс.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет увеличить скорость сбора информации о распределении плотности потока пучка и по поперечному сечению, что выражается в возможности работы с импульсными пучками ИИ во временном диапазоне, начиная с длительности импульсов t_u≈ 2 нс, что не хуже временного разрешения наиболее скоростного из аналогов [2] и несравнимо лучше возможностей прототипа [3] , который, как указывалось, может работать практически только со стационарными потоками.

При этом заявляемое устройство обладает преимуществами прототипа по стойкости к ЭМИ и возможностью передавать информацию на значительные расстояния в полевых условиях.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА В ПУЧКЕ ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащее волоконно-оптический экран, образованный отрезками оптических волокон одинаковой длины и расположенных в одной плоскости параллельно друг другу, которые через волоконно-оптическую линию связи подключены к фотоэлектрическому преобразователю, и микропроцессор, отличающееся тем, что, с целью увеличения скорости и достоверности измерений, параллельно плоскости первого волоконно-оптического экрана соосно расположены l - 1 аналогичных волоконно-оптических экранов, каждый из которых по отношению к предыдущему размещен под углом 180^o / l, отрезки оптических волокон каждого волоконно-оптического экрана последовательно соединены между собой через линии задержки из оптического волокна, длина L_з которых выбрана из условия
L_з > C_ов · t_и,
где C_ов - скорость распространения света в оптическом волокне,
t_и - длительность импульса ионизирующего излучения,
и каждый волоконно-оптический экран подключен к микропроцессору через соответствующие волоконно-оптическую линию связи и фотоэлектрический преобразователь.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7