FR2709563A1 - System for focusing high-energy radiation - Google Patents
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Abstract
Description
"Système de focalisation de rayonnement de forte énergie"
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention conceme un système de focalisation de rayonnement de forte énergie."High energy radiation focusing system"
DESCRIPTION
Technical area
The present invention relates to a high energy radiation focusing system.
Etat de la technique antérieure
La domaine de l'invention est celui de la propagation d'un rayonnement dans un matériau diffusant. Lorsqu'un objet en matériau diffusant est éclairé par une source, les photons le traversent en diffusant un certain nombre de fois, ou sont absorbés par le milieu. De fortes corrélations existent entre la géométrie de cet objet et la distribution angulaire des photons émergeants. Lorsque le rayonnement est pénétrant, comme c'est le cas des rayons X, les conditions aux limites (forme de l'objet) sont difficilement prises en compte dans l'estimation des grandeurs physiques définissant le rayonnement sortant. Ces demières, comme l'intensité spécifique ou le flux radiatif, en présence de diffusions, n'ont pas d'expressions analytiques et leur détermination nécessite différentes approximations ou des méthodes numériques.State of the art
The field of the invention is that of the propagation of radiation in a diffusing material. When an object of diffusing material is illuminated by a source, the photons pass through it by diffusing a certain number of times, or are absorbed by the medium. Strong correlations exist between the geometry of this object and the angular distribution of the emerging photons. When the radiation is penetrating, as is the case with X-rays, the boundary conditions (shape of the object) are hardly taken into account in the estimation of the physical quantities defining the outgoing radiation. These latter, like the specific intensity or the radiative flux, in the presence of diffusions, have no analytical expressions and their determination requires different approximations or numerical methods.
A l'heure actuelle, I'étude des milieux diffusants et du transfert radiatif conceme aussi bien la recherche dite fondamentale que les différentes techniques de spectroscopie et d'imagerie. En ce qui conceme ces dernières, on distingue deux types de préoccupations: celles dont l'objectif est d'éliminer le bruit de fond d'une image, bruit généré par du rayonnement diffusé, et celles dont le but est d'utiliser la diffusion pour réaliser des systèmes d'imagerie tridimensionnel. Un article intitulé "Compton back-scatter tomography of low atomic number materials with the surpass system" de J. Kosanetzky, G. Harding,
K.H. Fischer et A. Meyer (NDT Intemational, volume 21, no. 3, décembre 1985, pages 2118-2132) décrit un système d'imagerie rétrodiffusé basé sur la détection du rayonnement Compton diffusé.At the present time, the study of diffusing media and of radiative transfer relates both to so-called fundamental research and to the various techniques of spectroscopy and imaging. With regard to the latter, there are two types of concerns: those whose objective is to eliminate the background noise from an image, noise generated by scattered radiation, and those whose purpose is to use the diffusion to realize three-dimensional imaging systems. An article entitled "Compton back-scatter tomography of low atomic number materials with the surpass system" by J. Kosanetzky, G. Harding,
KH Fischer and A. Meyer (NDT Intemational, volume 21, no. 3, December 1985, pages 2118-2132) describes a backscattered imaging system based on the detection of scattered Compton radiation.
En amont, la production d'un rayonnement X est obtenue par des sources couplées à des systèmes de collimation qui atténuent très nettement l'intensité du faisceau. De nombreux travaux visent à construire des optiques spécialement adaptées, permettant un contrôle optimal du rayonnement produit. Cependant, ces optiques ne fonctionnent qu'à de faibles énergies, "X mous". Elles font appel soit à la méthode dite de diffusion à petits angles et sont inefficaces à des énergies élevées, comme c'est le cas des "X durs", soit utilisent la réflexion de Bragg, comme étudiée dans les articles suivants
- "Monochromatization by multilayered optics on a cylindrical reflector and on an ellipsoïdal focusing ring" de G.F. Marschal (Optical
Engineering, volume 25, no 8,1986);
-"A unified geometrical insight for the design of toroidal reflectors with multilayered optical coatings: figured X ray optics" (rapport du
SPIE, volume 563, 1985).Upstream, the production of X-rays is obtained by sources coupled to collimation systems which very clearly attenuate the intensity of the beam. Many works aim to build specially adapted optics, allowing optimal control of the radiation produced. However, these optics only work at low energies, "soft X". They use either the so-called small angle scattering method and are ineffective at high energies, as is the case with "hard X", or use Bragg reflection, as studied in the following articles
- "Monochromatization by multilayered optics on a cylindrical reflector and on an ellipsoïdal focusing ring" by GF Marschal (Optical
Engineering, volume 25, no 8,1986);
- "A unified geometrical insight for the design of toroidal reflectors with multilayered optical coatings: figured X ray optics" (report of
SPIE, volume 563, 1985).
L'invention a pour objet de résoudre les différents problèmes existant dans les systèmes existants à des énergies plus élevées. The object of the invention is to solve the various problems existing in existing systems at higher energies.
ExPosé de l'invention
L'invention propose un système de focalisation d'un rayonnement de forte énergie comprenant une source de rayonnement, un objet diffusant et un détecteur, caractérisé en ce que l'objet diffusant présente une symétrie de révolution autour de l'axe source-détecteur, en ce qu'il comporte une ouverture centrale et en ce qu'il est formé en un matériau permettant des diffusions multiples des photons émis par la source.Presentation of the invention
The invention provides a system for focusing high energy radiation comprising a radiation source, a scattering object and a detector, characterized in that the scattering object has a symmetry of revolution around the source-detector axis, in that it has a central opening and in that it is formed of a material allowing multiple scattering of the photons emitted by the source.
Avantageusement la forme de l'objet est étroitement corrélée au type d'émission de la source (isotrope, lobe particulier d'émission), à la distance entre la source et l'objet et à la distance entre l'objet et le détecteur. Advantageously, the shape of the object is closely correlated to the type of emission from the source (isotropic, particular emission lobe), to the distance between the source and the object and to the distance between the object and the detector.
La cavité intérieure de l'objet diffusant est corrélée à l'enveloppe extérieure de l'objet. Ces deux enveloppes extérieure et intérieure ont des formes spécifiques pour permettre la focalisation. L'objet diffusant a par exemple une forme extérieure cylindrique dont les faces avant et arrière sont des sections planes. Avantageusement l'ouverture centrale a une forme elliptique. The internal cavity of the diffusing object is correlated with the external envelope of the object. These two outer and inner envelopes have specific shapes to allow focusing. The diffusing object has, for example, a cylindrical outer shape whose front and rear faces are planar sections. Advantageously, the central opening has an elliptical shape.
Dans un premier exemple de réalisation, L'objet diffusant est une lentille convergente, constituée d'un milieu fortement diffusant, les diffusions des photons étant du type Compton, le rayonnement de la source devant être tel que la section efficace de diffusion Compton soit grande devant les dimensions de l'objet. Cet objet diffusant peut être un objet en carbone placé entre une source de rayons X de forte énergie et un détecteur, la densité du matériau étant p=1,58g/cm3 et, pour cette énergie, la section efficace de diffusion Compton étant E = 0,122cm2 /g, la distance d entre la source et le détecteur étant d=0,5 m, la forme extérieure de l'objet étant un cylindre de rayon rmax = 0,25m,
L'équation de la cavité elliptique intérieure étant:
r z = 1
a b avecb=d/2. In a first exemplary embodiment, the diffusing object is a converging lens, consisting of a highly diffusing medium, the photon diffusions being of the Compton type, the radiation of the source having to be such that the effective cross-section of Compton scattering in front of the dimensions of the object. This diffusing object can be a carbon object placed between a high-energy X-ray source and a detector, the density of the material being p = 1.58 g / cm3 and, for this energy, the Compton scattering cross section being E = 0.122 cm2 / g, the distance d between the source and the detector being d = 0.5 m, the external shape of the object being a cylinder of radius rmax = 0.25 m,
The equation of the interior elliptical cavity being:
rz = 1
ab with b = d / 2.
Dans un second exemple de réalisation, L'objet diffusant est réalisé en un matériau faiblement diffusant et possède une ouverture centrale très fine qui est un canal dont l'ouverture est donnée par la taille du détecteur, la source est placée à l'intérieur de l'objet, L'énergie émise par la source étant à peine inférieure à celle correspondant aux pics d'absorption photoélectrique. In a second embodiment, the diffusing object is made of a weakly diffusing material and has a very fine central opening which is a channel whose opening is given by the size of the detector, the source is placed inside the object, the energy emitted by the source being barely less than that corresponding to the photoelectric absorption peaks.
Cet objet diffusant peut être un objet en radon, la section efficace de diffusion isotrope étant =0,2cm2 /g pour un rayonnement X de 98,4 keV, sa densité étant fixée à p= 9,73 i- g/cm3, L'équation de la forme extérieure étant: #e-#(s+L(y+(r+1)-#(y+x)=0
d est la distance entre la source et le détecteur, z et r sont les coordonnées cylindriques des points de la surface extérieure (z est négatif etr positif) et
d is the distance between the source and the detector, z and r are the cylindrical coordinates of the points of the external surface (z is negative and r positive) and
Dans un exemple de réalisation, la source et l'objet diffusant sont confondus en un objet source de forme extérieure focalisant le rayonnement reçu sur un détecteur placé contre elle, chaque point de l'objet source est supposé émettre de manière isotrope, L'équation de celui-ci étant de la forme:
où r et z sont deux coordonnées cylindriques d'un point de la surface extérieure.In an exemplary embodiment, the source and the diffusing object are merged into a source object of external shape focusing the radiation received on a detector placed against it, each point of the source object is assumed to emit isotropically, The equation of it being of the form:
where r and z are two cylindrical coordinates of a point on the outer surface.
A est défini par: A
où v est le volume de l'objet, d étant la distance entre le détecteur et le point de la surface se trouvant à l'opposé du détecteur, on a (d = î/T). A is defined by: A
where v is the volume of the object, d being the distance between the detector and the point on the surface opposite the detector, we have (d = î / T).
Cette source peut être réalisée par de la fluorécéine en solution soumise à un flash lumineux, ce milieu réémettant alors de manière isotrope. This source can be produced by fluorecein in solution subjected to a light flash, this medium then reemitting isotropically.
Les applications du système de l'invention sont nombreuses car elles concement tous les domaines qui ont besoin de focaliser un rayonnement pénétrant. Ces résultats peuvent être étendus à tous type de rayonnement, que ce soit pour des rayons X (entre le keV et le MeV) ou de la lumière. The applications of the system of the invention are numerous because they relate to all the fields which need to focus penetrating radiation. These results can be extended to all types of radiation, whether for X-rays (between keV and MeV) or light.
Brève descriPtion des dessins
- La figure 1 illustre un objet focalisant possédant une cavité elliptique et utilisant la diffusion Compton;
- la figure 2 illustre un objet focalisant par diffusion isotrope;
- la figure 3 illustre la forme d'une source focalisante.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
- Figure 1 illustrates a focusing object having an elliptical cavity and using Compton scattering;
- Figure 2 illustrates a focusing object by isotropic scattering;
- Figure 3 illustrates the shape of a focusing source.
ExPosé détaillé de modes de réalisation
D'un point de vue général, la géométrie d'un objet éclairé par une source influence suffisamment le rayonnement diffusé émergeant pour espérer en faire une lentille convergente en volume. II s'agit de déterminer la forme adéquate de cet objet pour que les photons le traversant, après de multiples diffusions, soient focalisés sur une région de l'espace de taille finie. La détermination de cette forme doit être obtenue sans altérer les propriétés microscopiques du milieu telles que sa densité ou les lois de diffusion. Detailed presentation of embodiments
From a general point of view, the geometry of an object illuminated by a source influences the emerging scattered radiation enough to hope to make it a convergent lens in volume. It is a question of determining the suitable shape of this object so that the photons passing through it, after multiple scatterings, are focused on a region of the space of finite size. The determination of this form must be obtained without altering the microscopic properties of the medium such as its density or the laws of diffusion.
Le système de l'invention s'appuie sur ces constatations pour réaliser la focalisation de rayonnements difficilement maîtrisables. Si on dispose d'une source isotrope 10 émettant une énergie Eo par unité de temps, L'énergie
E, reçue sur un détecteur 11 de surface S, placé à une distance R de la source, par unité de temps, est:
E, = Eo S ' 2xR2
Cette énergie est d'autant plus faible que le détecteur est éloigné de la source. Les photons, dont la direction de propagation n'est pas comprise dans l'angle solide sous-tendu par le détecteur, sont définitivement perdus. La mise en place d'un objet diffusant 12 de forme bien définie permet à une certaine fracticn de ces photons d'arriver sur le détecteur. Cette lentille doit posséder une ouverture centrale afin de ne pas atténuer le rayonnement direct.The system of the invention is based on these observations to achieve the focusing of radiation which is difficult to control. If there is an isotropic source 10 emitting an energy Eo per unit of time, the energy
E, received on a surface detector 11 S, placed at a distance R from the source, per unit of time, is:
E, = Eo S '2xR2
This energy is lower the further the detector is from the source. The photons, whose direction of propagation is not included in the solid angle subtended by the detector, are definitively lost. The installation of a diffusing object 12 of well defined shape allows a certain fraction of these photons to arrive on the detector. This lens must have a central opening in order not to attenuate direct radiation.
De plus, la droite source/détecteur doit être un axe de symétrie de la lentille.In addition, the source / detector line must be an axis of symmetry of the lens.
Plusieurs paramètres sont fondamentaux dans la détermination de la forme de la lentille:
- la forme de la source (si elle est ponctuelle ce paramètre n'intervient pas) et la taille du détecteur;
- les distances existant entre la lentille et le détecteur et entre la lentille et la source;
- la densité du matériau et le volume total de la lentille;
- le rayonnement utilisé, les lois de diffusion et d'absorption;
- les sources intemes qui réémettent les photons absorbés.Several parameters are fundamental in determining the shape of the lens:
- the shape of the source (if it is punctual this parameter does not intervene) and the size of the detector;
- the distances between the lens and the detector and between the lens and the source;
- the density of the material and the total volume of the lens;
- the radiation used, the laws of diffusion and absorption;
- the internal sources which re-emit the absorbed photons.
Ce demier paramètre nous permet de préciser qu'il existe une forme particulière de source qui maximise le flux reçu sur le détecteur (la lentille jouant le rôle de source secondaire). This last parameter allows us to specify that there is a particular form of source which maximizes the flux received on the detector (the lens playing the role of secondary source).
Sur la figure 1 la forme présentée n'est pas la géométrie exacte d'un objet focalisant 12, c'est la forme approchée d'une lentille convergente, constituée d'un milieu fortement diffusant. Les diffusions des photons sont du type Compton. Le rayonnement de la source est tel que le libre parcours moyen de diffusion Compton est faible devant les dimensions de l'objet. In Figure 1 the shape presented is not the exact geometry of a focusing object 12, it is the approximate shape of a converging lens, consisting of a strongly diffusing medium. The photon scatterings are of the Compton type. The radiation from the source is such that the average free path of Compton diffusion is small compared to the dimensions of the object.
Cet objet peut être un objet en carbone placé entre une source de rayons X d'énergie 200 keV et un détecteur. La densité du matériau est p= 1,58 g/cm3 et, pour cette énergie, la section efficace de diffusion Compton est
Le libre parcours moyen de diffusion est donc
On choisit la distance d entre la source et le détecteur: d=0,5m. La forme extérieure de l'objet est un cylindre de rayon rmax = 0,25m.The distance d between the source and the detector is chosen: d = 0.5m. The external shape of the object is a cylinder with radius rmax = 0.25m.
L'équation de la cavité elliptique intérieure 13 est:
r2 z2
2 b2
d où b=-, avec a = 0,125m.The equation of the interior elliptical cavity 13 is:
r2 z2
2 b2
where b = -, with a = 0.125m.
2
L'objet présenté sur la figure 2 est obtenu en supposant que le matériau utilisé est faiblement diffusant. II possède une ouverture centrale très fine. C'est un canal 13 dont l'ouverture est donnée par la taille du détecteur 11.2
The object presented in FIG. 2 is obtained by supposing that the material used is weakly diffusing. It has a very fine central opening. It is a channel 13 whose opening is given by the size of the detector 11.
La source 10 est placée à l'intérieur de l'objet 12.The source 10 is placed inside the object 12.
Afin de s'affranchir de l'effet photoélectrique, L'énergie émise par la source 10 doit être à peine inférieure à celles correspondant aux pics d'absorption photoélectrique (ces dernières diffèrent d'un matériau à l'autre). In order to overcome the photoelectric effect, the energy emitted by the source 10 must be barely less than those corresponding to the photoelectric absorption peaks (the latter differ from one material to another).
L'objet 12 peut être un objet en radon (z=83). La section efficace de diffusion isotrope est
pour un rayonnement X de 98,4 keV. Sa densité est fixée à p= 9,73 10-3 g/cm3. Le libre parcours moyen de diffusion isotrope est donc
for an X-ray radiation of 98.4 keV. Its density is fixed at p = 9.73 10-3 g / cm3. The mean free path of isotropic diffusion is therefore
En grandeurs adimensionnées, L'équation de la forme extérieure est: #e-#(s+L-(y+(r+1)-#(y+x)=0
d est la distance entre la source et le détecteur, z et r sont les coordonnées cylindriques des points de la surface extérieure (z est négatif etr positif). On a
d is the distance between the source and the detector, z and r are the cylindrical coordinates of the points of the external surface (z is negative and r positive). We have
Ceci fixe d =1,02 m. Le volume de l'objet est v=0,995 d3=1,08m3. This fixes d = 1.02 m. The volume of the object is v = 0.995 d3 = 1.08m3.
Sur la figure 3 on s'intéresse à la forme extérieure d'une source 10 focalisant le rayonnement reçu sur un détecteur Il placé contre elle. La source et l'objet diffusant sont alors confondus en un objet source. In Figure 3 we are interested in the external shape of a source 10 focusing the radiation received on a detector Il placed against it. The source and the diffusing object are then merged into a source object.
Chaque point de l'objet source est supposé émettre de manière isotrope. Each point of the source object is supposed to emit isotropically.
Ceci est important pour une réalisation possible. On peut utiliser la fluorécéine en solution. Celle-ci est soumise à un flash lumineux. Le milieu réémet alors de manière isotrope. This is important for a possible realization. Fluorcein can be used in solution. This is subjected to a light flash. The medium then re-emits isotropically.
L'équation de la forme optimisante est:
ou r et z sont deux coordonnées cylindriques d'un point de la surface extérieure.The equation of the optimizing form is:
where r and z are two cylindrical coordinates of a point on the outer surface.
A est défini par:
où v est le volume de l'objet. Soit d la distance entre le détecteur et le point de la surface se trouvant à l'opposé du détecteur, on a : d = 1.A is defined by:
where v is the volume of the object. Let d be the distance between the detector and the point on the surface opposite the detector, we have: d = 1.
##
Pour un volume de lm3, on aÀ=0,8887m2 et d=1,06m. ##
For a volume of lm3, we have À = 0.8887m2 and d = 1.06m.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9310460A FR2709563B1 (en) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | High energy radiation focusing system. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9310460A FR2709563B1 (en) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | High energy radiation focusing system. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2709563A1 true FR2709563A1 (en) | 1995-03-10 |
| FR2709563B1 FR2709563B1 (en) | 1995-09-29 |
Family
ID=9450504
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9310460A Expired - Fee Related FR2709563B1 (en) | 1993-09-02 | 1993-09-02 | High energy radiation focusing system. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2709563B1 (en) |
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- 1993-09-02 FR FR9310460A patent/FR2709563B1/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| FR2709563B1 (en) | 1995-09-29 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |