RU2529454C1 - Method for experimental determination of point blurring function in converter for detecting proton radiation - Google Patents
Method for experimental determination of point blurring function in converter for detecting proton radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2529454C1 RU2529454C1 RU2013120274/28A RU2013120274A RU2529454C1 RU 2529454 C1 RU2529454 C1 RU 2529454C1 RU 2013120274/28 A RU2013120274/28 A RU 2013120274/28A RU 2013120274 A RU2013120274 A RU 2013120274A RU 2529454 C1 RU2529454 C1 RU 2529454C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- protons
- region
- converter
- crystal
- image
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of proton radiography, in particular to methods for recording optical images formed using proton radiation, and can be used, for example, in digital recording systems to determine the internal structure of objects or to study fast processes.
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.The task in this field of technology is to obtain reliable information about the properties of the recording system for optimizing proton complexes and verifying calculation methods when modeling the processes of radiation passing through matter.
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.When forming an image of the studied region (object) using a proton beam, a converter (scintillation transducer, hereinafter - scintillator) of the proton beam energy in the optical range and its transfer system to input image intensifier tube. In a scintillator (plastic, LSO, etc.), a high-energy proton as a result of strong and electromagnetic interactions leaves part of its energy, and the released energy is converted into information carriers (quantum of light, free charge carriers, etc.) that can be processed and recorded optical and electronic devices.
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.Protons from the source for scanning through the study area are fed in clots at strictly defined time intervals, which allows several frames to be taken. When registering images in proton radiographic experiments, an error appears due to the imperfect nature of the recording system. During the interaction of protons with the scintillator matter, the atoms of the substance ionize along the proton trajectory; in addition, 5-electrons with significant ranges can be formed, as well as secondary particles - the result of inelastic nuclear interaction of high-energy protons with the scintillator material nuclei. As a result, the energy released when a proton enters the scintillator is localized not only near the proton trajectory, but can also be located at a considerable distance from its trajectory. This circumstance leads to the fact that a light burst from a single proton entering the scintillator is recorded not as a point, but as a certain distribution. When averaging these outbreaks over a large number of incident protons, a smoothed, noise-free function is obtained, called the point blur function (PSF), which should be taken into account when processing data to restore the original image without error.
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.The traditional method of experimental production of PSF in radiography using neutral particles (radiography, neutron diffraction) is to measure the function of blurring the face (Germany) [V. 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 / or / OPTICAL DIAGNOSTICS ON ETA II FOR X-RAY SPOT SIZE, R.A. Richardson, Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999]. Having Germany, you can easily calculate the line blur function (FDR), and then the FRT.
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.However, in the case of proton radiography, using charged particles as translucent particles, as well as magnetic optics to compensate for the scattering of protons in the material of the object, it is impossible to accurately distinguish blurring due to chromatic aberrations in the final image.
Расчетно получить ФРТ также затруднительно, вследствие следующих факторов.It is also difficult to obtain a PSF, due to the following factors.
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.First, in real scintillators, the light output is a function of the energy density. For example, for organic scintillators, this dependence is described by the Birks semiempirical model [Bartels J., Haidt D., Zichichi A., The European Physical Journal C, v.15, 2000], the coefficient in which must be obtained experimentally for each scintillator, and far not for all scintillators, this coefficient is measured and published.
Во-вторых, при моделировании процессов встает вопрос о точности моделирования взаимодействия частиц со средой.Secondly, when modeling processes, the question arises of the accuracy of modeling the interaction of particles with the medium.
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.Thirdly, there are factors associated with optical effects, among which there is optical blurring by lenses, associated with the thickness of the scintillator and the fact that light is emitted not from the plane, but from the entire volume of the scintillator. Also, for the correct simulation, it is necessary to have experimental data on the quality of scintillator surface treatment and on the volume scattering of light in the scintillator material.
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.Thus, to take into account the optical processes of light transfer, it is necessary to carry out a series of special experiments to study these issues for the experimental reconstruction of PSF. Without this blur function, the points obtained by calculation have only an approximate form. The inventive method does not have a prototype, because from the prior art there are no similar methods for experimentally determining the PSF in a converter for detecting proton radiation.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности информации при определении ФРТ.The technical result of the proposed method is to increase the reliability of information in determining the PSF.
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.The specified technical result is achieved due to the fact that the FTF in the converter for detecting proton radiation is restored experimentally, for which part of the protons is removed and deflected from the proton beam by passing them through a curved channeling crystal, one of whose ends is arranged towards the proton flux, directing the extracted protons to the converter of the recording system, after which the region of localization of the extracted protons, depending on the experimentally obtained image, is determined south of the transverse size of the crystal and its location relative to the converter, and according to the brightness of the pixels, the region formed by scattered photons and secondary particles resulting from the interaction of protons with the converter substance is distinguished, then the image size of the reconstructed PSF in the form of a square is calculated from the image of the last region, and then by varying the pixel values in the region of localization of the transmitted protons and the square region, a set of pixel values in the square region is selected at which p convolution result image localization and square region most closely matches the experimentally obtained image. This set is a restored PSF.
Кристалл может быть изготовлен из кремния в форме удлиненной изогнутой пластины.The crystal may be made of silicon in the form of an elongated curved plate.
Подбор совокупности значений пикселей в квадратной области для удобства может быть ограничен условием центральной симметрии.The selection of a set of pixel values in a square region for convenience may be limited by the condition of central symmetry.
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.The inventive method is based on the use of such a phenomenon as the channeling of high-energy protons by curved crystals [A.G. Afonin et al. / Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. In 234 (2005) 14-22]. Using this phenomenon and choosing the appropriate crystal shape, one can obtain protons localized in one region.
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.The use of a curved channeling crystal, one of whose ends is opposite the proton flux, directing the extracted protons to the converter of the recording system, allows localizing the interaction of protons with the scintillator in a small region with sharp boundaries.
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.To calculate the PSF, it is taken into account that protons deflected by a crystal fall only in a limited region of the scintillator formed by protons trapped and deflected by the crystal, as well as decanalized protons. The dimensions of this region are estimated based on the cross section of a bent crystal, and also taking into account the scattering of protons in the air gap between the crystal and the scintillator.
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.Figure 1 shows a diagram of an experiment to restore PSF; figure 2 shows the image obtained on an LSO scintillation plate of the image of protons deflected by a crystal oriented end to end towards the flow; figure 3 - part of the image passed through the crystal of protons, used in mathematical processing; figure 4 is a profile of the restored PSF; figure 5 is a comparison with the calculated profile.
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).The experimental design for the proposed method is as follows. The proton beam exiting the ion guide 1 at the image recording location where the lens and the CCD camera are located is cut off by a lead collimator 3 and passes through the channeling crystal 4. At the same time, a small part of them is deflected and focused using a
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.The measurements were carried out as follows. Crystal 4 was oriented to the "beam" position, i.e. along the flight paths of protons, while some of the protons were captured, removed by crystal 4 from the beam and recorded using
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 Ωэксп (представлена на фиг.3), в пределах которой зарегистрированный сигнал существенно выше фонового сигнала. Далее вычисляются границы области Ωкрист, 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 Ωэксп. 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 Ωкрист, а также значения пикселей ФРТ, и методами минимизации функции многих переменных подбирается такое изображение Imвосст(х,у) в области Ωкрист, 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.To calculate the PSF, we assume that the protons deflected by the crystal fall only in a limited region of the
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013120274/28A RU2529454C1 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Method for experimental determination of point blurring function in converter for detecting proton radiation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013120274/28A RU2529454C1 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Method for experimental determination of point blurring function in converter for detecting proton radiation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2529454C1 true RU2529454C1 (en) | 2014-09-27 |
Family
ID=51656696
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013120274/28A RU2529454C1 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Method for experimental determination of point blurring function in converter for detecting proton radiation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2529454C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2604723C1 (en) * | 2015-10-14 | 2016-12-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of producing and processing images generated using proton radiation |
RU2700707C1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-09-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of experimentally determining a point spread function when processing images formed using protonic radiation (versions) |
-
2013
- 2013-04-30 RU RU2013120274/28A patent/RU2529454C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
A.G. Afonin et al. Nucl. Instr. Meth. B 234 (2005) 14-22. "The Schemes of Proton Extraction from IHEP Accelerator Using Bent Crystals". * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2604723C1 (en) * | 2015-10-14 | 2016-12-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of producing and processing images generated using proton radiation |
RU2700707C1 (en) * | 2018-11-26 | 2019-09-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of experimentally determining a point spread function when processing images formed using protonic radiation (versions) |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3342342B1 (en) | Radiation image processing method and radiographic system | |
Berujon et al. | X-ray pulse wavefront metrology using speckle tracking | |
EP3175425B1 (en) | Method for image outlier removal for transmission electron microscope cameras | |
Soe et al. | Automatic track following system to study double strangeness nuclei in nuclear emulsion exposed to the observable limit | |
Bashir et al. | Phase imaging using focused polycapillary optics | |
RU2529454C1 (en) | Method for experimental determination of point blurring function in converter for detecting proton radiation | |
CN106204478B (en) | The magneto optic images Enhancement Method based on ambient noise feature space | |
Smalley et al. | Image restoration of high-energy x-ray radiography with a scintillator blur model | |
Lewandowski et al. | Noise evaluation of a digital neutron imaging device | |
CN106290433A (en) | X-ray data processing means and method thereof and program | |
WO2017045657A1 (en) | A method of detection of defects in materials with internal directional structure and a device for performance of the method | |
RU2604723C1 (en) | Method of producing and processing images generated using proton radiation | |
JP2018049818A (en) | Tomographic imaging method | |
Kluge et al. | Optimization and characterization of the PGAI-NT instrument’s Neutron Tomography set-up at MLZ | |
Doshi et al. | Characterization of an indirect X-ray imaging detector by simulation and experiment | |
Yan et al. | detecting nuclear radiation with an uncovered CMOS camera & a long-wavelength pass filter | |
Doering | Three-dimensional flaw reconstruction using a real-time X-ray imaging system | |
RU2582205C1 (en) | Method for recording proton images generated using magnetooptical system | |
Aleksandrov et al. | The pattern recognition software for automatic treatment of track detector data at the PAVICOM completely automated measuring facility | |
Larsson | X-Ray Detector Characterization-a comparison of scintillators | |
Wang et al. | Experimental study of spatial resolution of MCPs for compact high-resolution neutron radiography system | |
RU2700707C1 (en) | Method of experimentally determining a point spread function when processing images formed using protonic radiation (versions) | |
Craft et al. | AFIP-7 Tomography–2013 Status Report | |
RU2757865C1 (en) | Method for obtaining images formed using proton radiation | |
Segawa et al. | Development of a pulsed neutron three-dimensional imaging system using a highly sensitive image-intensifier at J-PARC |