Волоконно-оптическое устройство для визуализации распределения плотности потока импульсного ионизирующего излучения
Владельцы патента RU 2298813:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники" (ФГУП НИИИТ) (RU)
Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в системах цифровой регистрации однократного импульсного изображения плотности потока ионизирующего излучения при проведении научных исследований по ядерной физике. Техническим результатом, достигаемым от реализации предложенного устройства, является уменьшение искажений изображения при визуализации плотности потока импульсного ионизирующего излучения, вызванных радиационным поражением отрезков оптического волокна. Волоконно-оптическое устройство для визуализации распределения плотности потока импульсного ионизирующего излучения содержит N одинаковых волоконно-оптических экранов, каждый из которых выполнен в виде квадратной рамки с натянутыми на ней параллельно друг другу К отрезками оптического волокна одинаковой длины, N·K волоконно-оптических линий задержки, N одинаковых волоконно-оптических линий передачи информации, многоканальный электронно-оптический регистратор, снабженный экраном, N одинаковых оптических сумматоров, каждый из которых имеет К входов и один выход, при этом вход каждой волоконно-оптической линии задержки подключен к соответствующему отрезку оптического волокна соответствующего волоконно-оптического экрана, а выход - к соответствующему входу соответствующего оптического сумматора, выходы всех оптических сумматоров через волоконно-оптические линии передачи информации подключены к соответствующим входам многоканального электронно-оптического регистратора. 2 ил.
Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в системах цифровой регистрации однократного импульсного изображения плотности потока ионизирующего излучения при проведении научных исследований по ядерной физике.
Известно устройство [1] для получения изображения источника ионизирующего излучения, содержащее волоконно-оптический экран в виде квадратной рамки с натянутыми на нее отрезками оптического волокна одинаковой длины, расположенными параллельно друг другу, шаговый двигатель, фотоэлектронные преобразователи, количество которых равно количеству отрезков оптического волокна в волоконно-оптическом экране, и блок обработки информации, реализующий томографическую реконструкцию регистрируемого изображения плотности потока ионизирующего излучения. Волоконно-оптический экран располагается перпендикулярно оси потока регистрируемого излучения с возможностью вращения вокруг этой оси, которое осуществляется шаговым двигателем. Каждый из отрезков оптического волокна волоконно-оптического экрана подключен одним из своих концов к оптическому входу соответствующего фотоэлектронного преобразователя. Выходы фотоэлектронных преобразователей подключены к соответствующим входам блока обработки информации, выход которого подключен к входу шагового двигателя. При регистрации изображения по команде с блока обработки информации шаговый двигатель поворачивает волоконно-оптический экран на фиксированный угол Δϕ. Ионизирующее излучение, падающее на k-й отрезок оптического волокна волоконно-оптического экрана, генерирует в нем оптический сигнал, мощность Pk которого определяется формулой
где ε - коэффициент преобразования плотности потока ионизирующего излучения в оптическую мощность; G(x, y) - плотность потока ионизирующего излучения в плоскости волоконно-оптического экрана; δ(•) - функция Дирака; (х, y) - Декартовы координаты в плоскости волоконно-оптического экрана; (ϕk, yk) - полярные координаты k-го отрезка оптического волокна в плоскости волоконно-оптического экрана. Оптические сигналы с отрезков волокна поступают на фотоэлектронные преобразователи, где преобразуются в электрические аналоги, которые регистрируются блоком обработки информации. Затем блок вновь выдает команду на поворот шагового двигателя, и процедура повторяется до тех пор, пока волоконно-оптический экран не повернется на угол 180°. После окончания измерений блок обработки информации производит томографическую реконструкцию изображения по зарегистрированным данным {P(ϕk, ρk)}. Реконструированное изображение выводится на дисплей блока обработки информации.
В данном устройстве реализована схема параллельного сбора сигналов с отрезков оптического волокна, поэтому между ними отсутствуют перекрестные помехи, вызванные радиационным поражением отрезков волокна.
Недостатком данного устройства является большое время сбора информации, ограниченное в данном случае максимальной скоростью вращения шагового двигателя, что не позволяет использовать его для регистрации однократных импульсных изображений.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для визуализации распределения плотности потока импульсного ионизирующего излучения [2], содержащее N одинаковых волоконно-оптических экранов, каждый из которых выполнен в виде квадратной рамки с натянутыми на нее К отрезками оптического волокна одинаковой длины, расположенными параллельно друг другу. Экраны располагаются вплотную соосно и параллельно друг другу, и каждый следующий экран повернут относительно предыдущего на угол 180°/N. Отрезки оптического волокна, входящие в состав одного экрана, последовательно соединены между собой волоконно-оптическими линиями задержки. Один из крайних отрезков волокна каждого из N волоконно-оптических экранов оптически подключен своим концом через соответствующую волоконно-оптическую линию передачи информации к соответствующему фотоэлектронному преобразователю, количество которых равно количеству волоконно-оптических экранов. Выходы фотоэлектронных преобразователей подключены к соответствующим входам блока обработки информации, выполненного с возможностью реализации томографической реконструкции изображения плотности потока ионизирующего излучения.
Устройство работает следующим образом. Пучок импульсного ионизирующего излучения воздействует на каждый отрезок оптического волокна каждого волоконно-оптического экрана и генерирует в нем оптический сигнал, мощность Pnk(t) которого определяется следующим интегралом:
k=1,..., K; n=1,..., N;
где ε - коэффициент преобразования плотности потока ионизирующего излучения в оптическую мощность; G(x, y, t) - плотность потока ионизирующего излучения в плоскости волоконно-оптического экрана; δ(•) - функция Дирака; (х, y) - Декартовы 180° координаты в плоскости волоконно-оптического экрана; 
- угол между соседними экранами; 
- расстояние между соседними отрезками оптического волокна; L - длина отрезка оптического волокна. Этот сигнал по соседним отрезкам и волоконно-оптическим линиям задержки поступает через волоконно-оптическую линию передачи информации в соответствующий фотоэлектронный преобразователь. При поступлении сигналов со всех отрезков оптического волокна одного экрана на входе фотоэлектронного преобразователя образуется сигнал в виде цуга импульсов, мощность Р'n (t) которого может быть записана в виде формулы
где αk - оптические потери в k-м отрезке оптического волокна; Δtзад - длительность задержки в волоконно-оптической линии задержки, равная
Δtзад=Lзад/с,
где Lзад - длина волоконно-оптической линии задержки; с - скорость оптического сигнала в линии задержки. Потерями в линиях задержки и задержками в отрезках оптического волокна здесь пренебрегается. Чтобы не было наложения импульсов от соседних волокон, необходимо выполнение условия
Δtзад>Δtp,
где tр - длительность импульса ионизирующего излучения, воздействующего на отрезки оптического волокна волоконно-оптического экрана.
В фотоэлектронном преобразователе оптические сигналы преобразуются в электрический аналог, который с выхода фотоэлектронного преобразователя поступает на соответствующий вход блока обработки информации, где оцифровывается и записывается в запоминающее устройство. После того как оптические сигналы со всех волоконно-оптических экранов будут записаны в блок обработки информации, в последнем осуществляется томографическая реконструкция изображения плотности потока ионизирующего излучения для каждого зарегистрированного отдельного момента времени с последующей визуализацией реконструированного изображения на дисплее блока обработки информации. Преимуществом прототипа в сравнении с устройством [1] является возможность визуализации распределения плотности потока ионизирующего излучения в однократных импульсных процессах.
Однако в данном устройстве реализована схема последовательного сбора сигналов с отрезков оптического волокна одного экрана, при котором оптические сигналы проходят по соседним отрезкам, которые могут быть поражены радиацией регистрируемого излучения.
Недостатком данного устройства является появление искажений изображения при визуализации распределения плотности потока ионизирующего излучения, вызванное тем, что оптические сигналы, используемые при томографической реконструкции изображения, могут быть искажены в результате радиационного поражения отрезков оптического волокна волоконно-оптических экранов. Радиационное поражение оптического волокна состоит в потере его прозрачности из-за радиационно-наведенного поглощения в оптических волокнах [3]. Вследствие этого мощность оптического сигнала, индуцированная на одном из отрезков экрана, при его прохождении по соседним отрезкам этого экрана уменьшится неконтролируемым способом вплоть до уровня, когда она станет недоступной для измерения. Таким образом, в зарегистрированных сигналах может произойти потеря информации, которая и приведет к искажениям визуализируемого изображения. Количественной оценкой радиационно-наведенного поглощения является увеличение коэффициента потерь αk. При длине отрезка в 1 м и дозе радиации в 1000 Р его величина может составить до 100-1000 дБ, что сделает невозможным прохождение оптического сигнала по соседним отрезкам волокна экрана.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является уменьшение искажений изображения при визуализации плотности потока импульсного ионизирующего излучения, вызванных радиационным поражением отрезков оптического волокна.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптическое устройство для визуализации распределения плотности потока импульсного ионизирующего излучения, содержащее N одинаковых волоконно-оптических экранов, лежащих на одной оси вплотную друг к другу, параллельных относительно общей плоскости и перпендикулярных по отношению к потоку ионизирующего излучения, каждый из которых выполнен в виде квадратной рамки с натянутыми на ней параллельно друг другу К отрезками оптического волокна одинаковой длины, причем каждый следующий экран повернут относительно предыдущего на угол 180°/N, волоконно-оптические линии задержки, N одинаковых волоконно-оптических линий передачи информации и многоканальный электронно-оптический регистратор, снабженный экраном, дополнительно содержит N одинаковых оптических сумматоров, каждый из которых имеет К входов и один выход, число волоконно-оптических линий задержки выбрано равным N·K, вход каждой волоконно-оптической линии задержки подключен к соответствующему отрезку оптического волокна соответствующего волоконно-оптического экрана, а выход - к соответствующему входу соответствующего оптического сумматора, выходы всех оптических сумматоров через волоконно-оптические линии передачи информации подключены к соответствующим входам многоканального электронно-оптического регистратора.
На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
На фиг.2 приведена проекция волоконно-оптического экрана на параллельную ему плоскость XOY.
Устройство состоит из N одинаковых волоконно-оптических экранов 1, каждый из которых содержит К отрезков оптического волокна 2 одинаковой длины, натянутых на квадратную рамку 3 параллельно друг другу, выходы которых через К волоконно-оптических линий задержки 4 оптически подключены к соответствующим входам соответствующего оптического сумматора 5, выход которого через волоконно-оптическую линию передачи информации 6 подключен к соответствующему входу многоканального электронно-оптического регистратора 7.
Волоконно-оптические экраны 1 лежат на одной оси вплотную друг к другу, параллельны относительно общей плоскости и перпендикулярны по отношению к потоку ионизирующего излучения, причем соседние экраны 1 повернуты друг относительно друга на угол 180°/N. Таким образом, как показано на фиг.2, проекции отрезков оптических волокон 2 образуют на плоскости, параллельной экранам 1, сеть пересекающихся отрезков с полярными координатами отрезков (ρnk, ϕn), где ρnk - расстояние от центра координат до k-го отрезка волокна, принадлежащего n-му экрану, ϕn - угол между осью ОХ и нормалью к оптическим волокнам n-го экрана.
Длина Lзадk волоконно-оптической линии задержки 4 для k-го отрезка оптического волокна 2 волоконно-оптического экрана 1 выбирается из условия
где с - скорость распространения оптического сигнала в волоконно-оптической линии задержки 4; tp - длительность импульса ионизирующего излучения, воздействующего на оптические волокна волоконно-оптических экранов 1. При этом длительность задержки Δtзад.k будет равна
при этом временной интервал Δtd между длительностями задержки, относящимся к соседним отрезкам оптического волокна 2, будет равен
Устройство работает следующим образом. Пучок импульсного ионизирующего излучения, падающий перпендикулярно плоскости n-го волоконно-оптического экрана 1, пронизывает k-й отрезок оптического волокна 2 и индуцирует в нем импульс оптического сигнала, например через Черенковский процесс, мгновенное значение мощности Рnk(t) которого связано с плотностью потока ионизирующего излучения через интеграл
где ε - коэффициент преобразования плотности потока ионизирующего излучения в оптическую мощность; G(x, y, t) - искомая плотность потока ионизирующего излучения в плоскости волоконно-оптического экрана 1; δ(•) - функция Дирака; (х, y) - Декартовы координаты в плоскости волоконно-оптического экрана 1; - угол между соседними экранами 1; - расстояние между соседними отрезками оптического волокна 2; L - длина отрезка оптического волокна 2.
Оптические сигналы Pnk(t) с выходов отрезков 2 каждого из экранов 1 поступают через соответствующие им волоконно-оптические линии задержки 4 в оптический сумматор 5, на выходе которого образуется сигнал в виде цуга импульсов с мощностью Р'n(t), описываемый формулой
В данной формуле для упрощения записи потерями оптической мощности в линиях задержки 4 пренебрегается. Для того чтобы соседние импульсы цуга не накладывались друг на друга, необходимо выполнение условия
Δtd>tp,
где tp - длительность импульса ионизирующего излучения. Это условие автоматически выполняется, если выбор длины волоконно-оптической линии задержки 4 осуществлен по формуле (1).
Сигналы P'n(t) в виде цугов оптических импульсов поступают с выходов оптических сумматоров 5 волоконно-оптических экранов 1 через волоконно-оптические линии передачи 6 на соответствующие входы многоканального электронно-оптического регистратора 7, где мощности Р'n(t) этих сигналов преобразуются в цифровую форму и записываются в память регистратора 7 в виде численного массива
Р'nm=P'n((m-1)·Δt),
где m - номер выборки, m=1,..., М, М - число выборок; Δt - время выборки.
Процесс обработки в регистраторе 7 состоит в реконструкции томографических изображений плотности потока ионизирующего излучения для последовательных моментов времени 
где 
количество выборок оптического сигнала с одного отрезка волокна 2; что математически выражается в вычислении распределения функции Gm'(х, y)=G(x, y, tm'). Для этого из массива {P'nm} выделяется набор амплитуд 
соответствующих определенному моменту времени tm', элементы которого определяют по формуле
Выбранные значения 
пропорциональны значениям некоторой функции f(ρ,ϕ), которая является томографическим образом функции распределения плотности потока ионизирующего излучения Gm'(x, y)
в выбранных точках (ρnk,ϕn). Зная функцию f(ρ,ϕ), можно найти распределение плотности потока ионизирующего излучения Gm'(x, y) по формуле
Так как значения функции f(ρ, ϕ) известны в дискретных точках, то нахождение распределения плотности Gm'(x, y) в предлагаемом устройстве находится приближенно численными методами. После вычисления Gm'(x, y) производится его визуализация на экране аналого-цифрового регистратора.
Предлагаемое устройство в отличие от прототипа осуществляет параллельный сбор информации о сигналах, сгенерированных на отрезках оптического волокна 2 под воздействием регистрируемого импульсного ионизирующего излучения. При этом сигналы не проходят по соседним отрезкам, которые подверглись радиационному поражению, как в прототипе, следствием чего является уменьшение искажения информации, по которой ведется реконструкция плотности потока ионизирующего излучения и соответственно искажений его изображения при визуализации.
Источники информации
1. Патент Франции №2441182, кл. G01Т 1/29, 1986.
2. Патент РФ №2019858, кл. G01Т 1/29, 1990 (прототип).
3. Дианов Е.М. и др. Квантовая электроника, т.10, №3(1983), стр.473-496.
Волоконно-оптическое устройство для визуализации распределения плотности потока импульсного ионизирующего излучения, содержащее N одинаковых волоконно-оптических экранов, лежащих на одной оси вплотную друг к другу, параллельных относительно общей плоскости и перпендикулярных потоку ионизирующего излучения, каждый из которых выполнен в виде квадратной рамки с натянутыми на ней параллельно друг другу К отрезками оптического волокна одинаковой длины, причем каждый следующий экран повернут относительно предыдущего на угол 180°/N, волоконно-оптические линии задержки, N одинаковых волоконно-оптических линий передачи информации и многоканальный электронно-оптический регистратор, снабженный экраном, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит N одинаковых оптических сумматоров, каждый из которых имеет К входов и один выход, число волоконно-оптических линий задержки выбрано равным N·K, вход каждой волоконно-оптической линии задержки подключен к соответствующему отрезку оптического волокна соответствующего волоконно-оптического экрана, а выход к соответствующему входу соответствующего оптического сумматора, выходы всех оптических сумматоров через волоконно-оптические линии передачи информации подключены к соответствующим входам многоканального электронно-оптического регистратора.
