Коллиматор: устройство для сужения или выпрямления пучка

Введение

Устройство, сужающее или выпрямляющее пучок.

Коллиматор – это устройство, которое сужает пучок частиц или волн. Сужение может означать как приведение направлений движения в большее соответствие с определенным направлением (то есть создание коллимированного света или параллельных лучей), так и уменьшение поперечного сечения пучка (устройство для ограничения пучка).

История

Английский физик Генри Кэтер был изобретателем плавающего коллиматора, который принес большую пользу практической астрономии. Он доложил о своем изобретении в январе 1825 года. В своем докладе Кэтер упомянул предшествующие работы в этой области Карла Фридриха Гаусса и Фридриха Бесселя.

Оптические коллиматоры

В оптике коллиматор может состоять из искривленного зеркала или линзы с каким-либо источником света и/или изображением в фокусе. Это позволяет воспроизвести объект, сфокусированный на бесконечности, с минимальным или отсутствующим параллаксом. В освещении коллиматоры обычно разрабатываются на основе принципов безобразной оптики. Оптические коллиматоры могут использоваться для калибровки других оптических приборов, для проверки выравнивания всех элементов по оптической оси, для установки элементов в правильную фокусировку или для выравнивания двух или более приборов, таких как бинокли или стволы оружия и прицелы. Аэрофотосъемочная камера может быть отколлимирована путем установки ее фидуциальных отметок таким образом, чтобы они определяли главную точку, как это делается в фотограмметрии. Оптические коллиматоры также используются в качестве прицелов в коллиматорных прицелах, которые представляют собой простые оптические коллиматоры с перекрестием или другой сеткой в фокусе. Наблюдатель видит только изображение сетки. Использовать их можно либо с обоими открытыми глазами, при этом один глаз смотрит в коллиматорный прицел, либо с одним открытым глазом, перемещая голову, чтобы поочередно видеть прицел и цель, либо одним глазом, чтобы одновременно частично видеть и прицел, и цель. Добавление разделителя луча позволяет наблюдателю видеть сетку и поле зрения, создавая рефлекторный прицел. Коллиматоры могут использоваться с лазерными диодами и CO2-лазерами для резки. Правильность коллимации лазерного источника с достаточной длиной когерентности можно проверить с помощью сдвигового интерферометра.

Коллиматоры рентгеновских, гамма- и нейтронных лучей

В рентгеновской оптике, гамма-лучевой оптике и нейтронной оптике коллиматор – это устройство, которое фильтрует поток лучей, пропуская только те, что движутся параллельно заданному направлению. Коллиматоры используются в рентгеновской, гамма-лучевой и нейтронной визуализации, поскольку фокусировка этих типов излучения в изображение с помощью линз затруднена, в отличие от рутинной фокусировки электромагнитного излучения на оптических или близких к оптическим длинах волн. Коллиматоры также применяются в детекторах излучения на атомных электростанциях для придания им направленной чувствительности.

Приложения

На рисунке справа показано, как коллиматор Зёллера используется в нейтронных и рентгеновских установках. Верхняя часть рисунка демонстрирует ситуацию без использования коллиматора, а нижняя – с ним. На обеих частях рисунка источник излучения находится справа, а изображение регистрируется на серой пластине слева. Без коллиматора будут регистрироваться лучи со всех направлений; например, луч, прошедший через верхнюю часть образца (справа на диаграмме), но направленный вниз, может быть зарегистрирован в нижней части пластины. В результате изображение получится настолько размытым и нечетким, что станет бесполезным. На нижней части рисунка добавлен коллиматор (синие полосы). Он может представлять собой лист свинца или другого материала, непрозрачного для входящего излучения, с множеством крошечных отверстий, либо, в случае нейтронов, многослойную конструкцию (длиной до нескольких футов; см. ENGIN X), состоящую из чередующихся слоев поглощающего нейтроны материала (например, гадолиния) и пропускающего нейтроны материала. Последним может быть, например, воздух; в качестве альтернативы, для обеспечения механической прочности можно использовать алюминий. Если коллиматор является частью вращающегося узла, многослойная конструкция может быть изогнутой. Это позволяет осуществлять отбор энергии в дополнение к коллимации: кривизна коллиматора и его вращение обеспечивают прямой путь только для нейтронов определенной энергии. Через отверстия будут проходить только лучи, движущиеся почти параллельно им, остальные будут поглощены, сталкиваясь с поверхностью пластины или стенкой отверстия. Это гарантирует точную регистрацию лучей на пластине и получение четкого изображения. В промышленной радиографии, использующей источники гамма-излучения, такие как иридий-192 или кобальт-60, коллиматор (ограничитель пучка) позволяет радиологу контролировать экспозицию излучения для проявления пленки и получения рентгенограммы с целью выявления дефектов в материалах. В этом случае коллиматор чаще всего изготавливается из вольфрама и характеризуется количеством слоев половинного ослабления, то есть количеством раз, в которое он уменьшает нежелательное излучение вдвое. Например, самые тонкие стенки коллиматора из вольфрама толщиной 4 HVL снижают интенсивность проходящего через них излучения на 88,5%. Форма этих коллиматоров обеспечивает свободное прохождение излучаемого излучения к образцу и рентгеновской пленке, одновременно блокируя большую часть излучения, направленного в нежелательные стороны, например, на персонал.

The figure to the right illustrates how a Söller collimator is used in neutron and X ray machines. The upper panel shows a situation where a collimator is not used, while the lower panel introduces a collimator. In both panels the source of radiation is to the right, and the image is recorded on the gray plate at the left of the panels. Without a collimator, rays from all directions will be recorded; for example, a ray that has passed through the top of the specimen (to the right of the diagram) but happens to be travelling in a downwards direction may be recorded at the bottom of the plate. The resultant image will be so blurred and indistinct as to be useless. In the lower panel of the figure, a collimator has been added (blue bars). This may be a sheet of lead or other material opaque to the incoming radiation with many tiny holes bored through it or in the case of neutrons it can be a sandwich arrangement (which can be up to several feet long; see ENGIN X) with many layers alternating between neutron absorbing material (e. g., gadolinium) with neutron transmitting material. This can be something simple, such as air; alternatively, if mechanical strength is needed, a material such as aluminium may be used. If this forms part of a rotating assembly, the sandwich may be curved. This allows energy selection in addition to collimation; the curvature of the collimator and its rotation will present a straight path only to one energy of neutrons. Only rays that are travelling nearly parallel to the holes will pass through them—any others will be absorbed by hitting the plate surface or the side of a hole. This ensures that rays are recorded in their proper place on the plate, producing a clear image. For industrial radiography using gamma radiation sources such as iridium 192 or cobalt 60, a collimator (beam limiting device) allows the radiographer to control the exposure of radiation to expose a film and create a radiograph, to inspect materials for defects. A collimator in this instance is most commonly made of tungsten, and is rated according to how many half value layers it contains, i. e., how many times it reduces undesirable radiation by half. For instance, the thinnest walls on the sides of a 4 HVL tungsten collimator thick will reduce the intensity of radiation passing through them by 88.5%. The shape of these collimators allows emitted radiation to travel freely toward the specimen and the x ray film, while blocking most of the radiation that is emitted in undesirable directions such as toward workers.

Ограничения

Хотя коллиматоры повышают разрешение, они также уменьшают интенсивность, блокируя входящее излучение, что нежелательно для приборов дистанционного зондирования, которым требуется высокая чувствительность. Именно поэтому гамма-спектрометр на борту Mars Odyssey является неколлимированным прибором. Большинство свинцовых коллиматоров пропускают менее 1% падающих фотонов. Предпринимались попытки заменить коллиматоры на электронную обработку данных.

При лучевой терапии

Коллиматоры (устройства ограничения пучка) используются в линейных ускорителях, применяемых для лучевой терапии. Они помогают формировать пучок излучения, выходящий из аппарата, и могут ограничивать максимальный размер поля облучения. Головка линейного ускорителя состоит из первичного и вторичного коллиматора. Первичный коллиматор устанавливается после того, как электронный пучок приобретает вертикальную ориентацию. При использовании фотонов он располагается после прохождения пучка через рентгеновскую мишень. Вторичный коллиматор располагается либо после выравнивающего фильтра (для фотонной терапии), либо после рассеивателя (для электронной терапии). Вторичный коллиматор состоит из двух подвижных пластин, которые могут перемещаться для увеличения или уменьшения размера поля облучения. Новые системы, включающие многолистовые коллиматоры (МЛК), используются для дальнейшего формирования пучка с целью локализации полей облучения в лучевой терапии. МЛК состоят примерно из 50–120 листов массивных металлических коллиматорных пластин, которые перемещаются, чтобы сформировать желаемую форму поля.