(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка адаптивной рентгеновской оптики нового поколения для устройств исследования биологических объектов и быстропротекающих процессов
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
Разработка адаптивной рентгеновской оптики новейшего поколения для устройств исследования био объектов и быстропротекающих действий
Введение
Разработка новейших наиболее чувствительных и всепригодных способов использования РИ для проведения количественных исследовательских работ в разных областях науки и техники, как к примеру, томография (получение послойного изображения внутренней структуры объекта) мед и био объектов, определение настоящих структур совершенных / неидеальных кристаллов и наносистем, элементы микро и нано электроники, проведение экспресс-анализов геологических образцов и внедрение в технологический процесс является очень животрепещущей задачей. Для решения поставленной задачки предлагается употреблять монохроматические (без гармоник) пучки РИ с управляемыми в пространстве и во времени параметрами. Одним из многообещающих способов получения таковых пучков является дифракция РИ в кристалле со сверхрешеткой инициированной, к примеру, акустическим полем, ТГ либо механическими напряжениями. наличие сверхрешетки, резко изменяет сечение процесса рассеяния в определенном образчике и может употребляться для действенного управления параметрами дифрагированного излучения.
Проект ориентирован на разработку и создание технических средств динамического пространственно-временного управления пучками РИ с целью предстоящего их использования в разных типах рентгеновских установок (от рентгеновской трубки до источника синхротронного излучения 3 поколения) для получения пучков РИ с данными спектральными и пространственно-временными чертами. В истинное время в большинстве рентгеновских установках используются статические оптические элементы, что приводит к значительному усложнению устройств и методик по исследованию образцов.
нужно отметить, что современные опыты предъявляют высочайшие требования к монохроматизации и направленности излучения Дл/л ? 10-4 и Ди ? 1ґґ — 10ґґ (л — длина волны, Ди — угловая расходимость), соответственно.
Для управления плотностью РИ используются рентгеновские зеркала. В истинное время технологии разрешают создавать зеркала для рентгеновских лучей с длиной волны от 2 до 55 нанометров. Рентгеновское зеркало состоит из почти всех слоев особых материалов (до нескольких сотен слоев).
Для фокусировки рентгеновских пучков вместе с зеркалами употребляют френелевские зонные пластинки. Для больших энергий их подменяют фокусирующими элементами, принцип деяния которых основан на преломлении. Потому что величина декремента д преломления рентгеновских лучей весьма мала (1-n=д?10-6, где n — показатель преломления), потому употребляют набор цилиндрических рентгеновских линз, преломляющие поверхности которых с микронной точностью нужно располагать на одной оси, что связано с доп трудностями при использовании на интенсивных пучках.
Для современных синхротронных источников, в рентгеновской микроскопии и для локальных структурных исследовательских работ нужны долгодействующие рентгенооптические элементы постоянные во времени, с большенный светосилой, высочайшей разрешающей способностью и динамическим пространственно-временным управлением пучка РИ. Имеющиеся базисные рентгенооптические элементы, к примеру, зеркала, действующие на принципе полного внутреннего отражения рентгеновских лучей, зеркала с периодичной мультислойной структурой, френелевские зонные пластинки, кристаллические монохроматоры и др., достигнули уровня, который не дозволяет повысить их эффективность, из-за поглощения рентгеновских лучей в самом рентгенооптическом элементе.
Главный целью проекта является разработка адаптивных частей рентгеновской оптики с внедрением эффектов «полной переброски» и «прозрачности», которые дозволят повысить эффективность проведения рентгеновских исследовательских работ за счет динамической перестройки экспериментальных схем.
Новизна предлагаемых подходов заключается в использовании эффектов «полной переброски» рентгеновских лучей из направления падения в направление отражения и «прозрачности», которые реализуются в кристаллах в присутствии повторяющейся деформации. В обыкновенном всасывающем кристалле интенсивности падающего, проходящего и дифрагированного РИ соединены последующим соотношением I0 > Iпр + Iдиф. В условии «полной переброски», с учетом эффекта «прозрачности», теоретический предел — I0 = Iдиф, Iпр = 0, что дозволяет понизить требования к интенсивности первичного пучка излучения, и как следствие уменьшение радиационного нагрева оптических частей.
Целью первого шага «Техническое предложение» является выбор направления исследовательских работ и разработка технического предложения прототипов модулей на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа.
задачки, решаемые на первом шаге:
— проведение патентных исследовательских работ в согласовании с ГОСТ Р15.011-96;
— выбор направления исследовательских работ, в том числе: разработка вероятных направлений проведения исследовательских работ; разработка вероятных решений отдельных исследовательских задач; сравнительная оценка эффективности вероятных направлений исследовательских работ; обоснование выбора рационального варианта направления исследовательских работ;
— проведение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую делему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих забугорных и (либо) русских научных журнальчиках, монографии и (либо) патенты) — не наименее 25-ти научно-информационных источников за период 2005-2011 гг.;
— проведение теоретического исследования путей сотворения модулей на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа;
— разработка технического предложения прототипов модулей на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа.
В итоге удачного выполнения всех намеченных целей определено направление исследовательских работ, способы и подходы для заслуги главный цели проекта, результатом которого должны быть разработаны адаптивные элементы рентгеновской оптики.
1. Выбор и обоснование рационального варианта направления исследовательских работ
1.1 Разработка вероятных направлений проведения исследовательских работ
макет спектральный фазоконтрастный кварцевый
Актуальность цели и задач обозначенные в проекте обоснованы широким внедрением РИ в прикладных задачках, к примеру, то есть заключения о сущности болезни и состоянии пациента»>диагностика (процесс установления диагноза, то есть заключения о сущности болезни и состоянии пациента) в медицине, биологии, анализ структуры вещества и др. В истинное время рентгеновские трубки обширно употребляются для решения почти всех задач, как в медицине, так и в технике. Но, невзирая на существенное повышение «яркости» современных рентгеновских трубок, они не разрешают решать ряд принципиальных задач, к примеру, в мед диагностике, где из-за низкого контраста не постоянно удаётся выявить иной стороны, при кропотливом обследовании, доза облучения может оказаться достаточно значимой, что обосновано непрерывным диапазоном излучения рентгеновских трубок. Необходимо подчеркнуть, невзирая на развитие разных видов томографии (Томография др.-греч. — сечение — получение послойного изображения внутренней структуры объекта), био и генетических методик исследования, ведущим и более обширно всераспространенным способом была и остается рентгенодиагностика. По оценкам разных организаций рентгенодиагностика занимает от 50 до 80% общего размера исследовательских исследовательских работ в медицине. Из постановления Головного Санитарного доктора «О ограничении облучения населения при проведении рентгенологических мед исследовательских работ» от 21.04.2006 следует, что проведенная в Русской Федерации радиационно-гигиеническая паспортизация и анализы доз облучения, получаемых популяцией, разрешают прийти к выводу о неблагополучной ситуации в данной сфере [1]. В этом постановлении предписывается всем санитарным докторам субъектов РФ (Российская Федерация — часть заморочек можно решить, если употреблять источники СИ в рентгеновском спектре. Круг задач, которые можно решать при помощи схожих источников, так широкий, что в истинное время для данной цели создаются [2-4] большие ускорительные комплексы уже 4-го поколения. Но число каналов СИ на уже имеющихся ускорителях совсем недостаточно для выполнения всех заявок на проведение исследовательских и технологических работ. Довольно сказать, что на местности РФ (Российская Федерация — к примеру, в мед диагностике.
Мировые разработки компактных систем генерации монохроматического РИ с относительно низкой стоимостью находятся в стадии исходных исследовательских работ. В рамках проекта будут изучены многообещающие способы монохроматизации и управления РИ. Внедрение разрабатываемых адаптивных частей рентгеновской оптики по оценкам дозволит на порядок прирастить светимость монохроматических источников РИ основанные на дифракции и без утрат транспортировать пучки РИ. к примеру, в кварцевых монохроматорах под действием УЗ либо ТГ наблюдается эффект существенного усиления интенсивности дифрагированного пучка до 100%-го отражения падающего излучения [7]. Не считая того при контролируемом наружном действии, как следствие, возникает возможность динамического управления интенсивностью проходящего пучка, что открывает новейшие способности для исследовательских работ в медицине и биологии.
1.2 Разработка вероятных решений отдельных исследовательских задач
Пространственно-временное управление потоком РИ делается методом контролируемых электромагнитных действий на управляющий модуль, состоящий из дифракционной среды — кристаллический пьезоэлемент и корпус-держатель. Возбуждающийся в дифракционной среде УЗ изменяет дифракционные характеристики кристаллического элемента, что приводит к способности управления потоком растерянного рентгеновского пучка.
Затухание УЗ в среде происходит за время порядка секунды, что дозволяет воплотить безынерционный метод и повысить эффективность управления рентгеновскими пучками.
Повышение светимости будет достигаться за счет эффекта «переброски» проходящего пучка в направление дифракции, без ухудшения монохроматичности.
Монохроматизация «белоснежного диапазона» будет осуществляться кристаллической структурой пьезоэлемента, по закону Брэгга из «белоснежного диапазона» выделяется квазимонохроматическая линия в спектре от 5 до 70 кэВ.
За счет конфигурации микроскопичной структуры дифракционной среды акустическим полем, понижая воздействие всасывающей ветки дисперсионной поверхности на прохождение РИ, будет уменьшаться коэффициент линейного поглощения излучения в рентгеновском спектре, обеспечивая размеренную работу оптических частей под действием интенсивных пучков ионизирующего излучения.
Для проверки корректности избранного пути были проведены независящие тестовые опыты, в каких исследовался процесс дифракции РИ на кристалле кварца возбужденный переменным электронным полем.
Тестовые экспериментальные исследования по когерентному рассеянию тормозного излучения
Экспериментально наблюдалось управляемое повышение интенсивности дифрагированного РИ. Опыты проводились с внедрением кристалла кварца Х-среза шириной: 0,3 мм. На поверхность кристаллов было нанесено алюминиевое напыление, нужное для наиболее действенного возбуждения акустического поля в кристалле.
Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1. В качестве источника рентгеновского излучения использовалась рентгеновская трубка РАП 160-5. Измерения проводились при напряжении 48 кВ и токе 1 мА. Рентгеновский аппарат был помещен в свинцовый домик с шириной стены 5 см. Излучение формировалось коллиматором поперечником 3 мм, размещенным на расстоянии 90 мм от выходного окна рентгеновской трубки, опосля что падало на кристалл кварца, установленный в дистанционно-управляемом гониометре, на расстоянии 215 мм от коллиматора.
Гониометр имеет три поступательные и три вращательные степени свободы, что дает возможность устанавливать кристалл под углом Брэгга для всех семейств отражающих атомных плоскостей так, чтоб сенсор, находящийся в горизонтальной плоскости, мог регистрировать лишь пучки, распространяющиеся в данной плоскости. Исследовалось отражение от атомных плоскостей, нацеленных перпендикулярно к большенный поверхности кристалла .
Набросок 1 — Схема опыта. иB — угол Брэгга, иD — угол наблюдения
Излучение записывалось в симметричной геометрии Лауэ на расстоянии от кристалла-монохроматора 300 мм сцинтилляционным сенсором (NaI), работающим в токовом режиме, и полупроводниковым БДЕР-КИ с разрешением 280 эВ на полосы 5,6 КэВ. У сцинтилляционного сенсора поперечник чувствительного размера был равен 30 мм с выходным окном из бериллиевой фольги шириной 20 мкм, что обеспечивало эффективную регистрацию рентгеновского излучения в спектре от 8,5 до 50 кэВ. Перед сенсором устанавливался щелевой коллиматор с размером 30*3 мм, что соответствовало угловому захвату в плоскости дифракции 10 мрад. В случае с БДЕР-КИ-11К перед сенсором устанавливался круглый коллиматор поперечником 2 мм.
Для нахождения рефлекса () проводилось сканирование по углам ц и и (см. набросок 2 соответственно), опосля что были выбраны углы ориентации, надлежащие максимуму выхода дифрагированного излучения.
Набросок 2 — Зависимость иненсивности дифрагированного излучения от кристалла кварца шириной 0,3 мм: а) сканирование по углу ц; б) сканирование по углу и
Дальше экспериментально определялась резонансная частота э/м-действия на монохроматор, при которой происходит наибольшая деформация отражающих плоскостей. В безупречном случае резонансная частота определяется по формуле:
где: n — нечётные целые числа, l — толщина кристалла, cs — скорость распространения ультразвуковой волны в кварце порядка 5700 м/с. Проведенные расчеты для толщины l = 0,3 мм проявили теоретическую резонансную частоту первого резонанса f1 = 9,50 МГц. Вследствие несовершенства кристаллов и погрешности регистрируемой аппаратуры проводилось частотное сканирование в области теоретической резонансной частоты (см. набросок 3) для нахождения настоящего значения f1.
Набросок 3 — Зависимость интенсивности дифрагированного излучения от частоты э/м действия на монохроматор для толщины кристалла 0,3 мм
Согласно рисунку 3 настоящая резонансная частота для данного кристалла составила величину 9,33 МГц.
На рисунке 4 приведена зависимость интенсивности дифрагированного излучения от величины напряжение поданного на кристалл. Из данной зависимости видно, что исходный участок кривой интенсивности имеет линейный нрав, на котором интенсивность прямо пропорциональна напряжению, поданному на кристалл.
Набросок 4 — Зависимость интенсивности дифрагированного излучения от амплитуды э/м действия на монохроматор для толщины кристалла 0,3 мм
На рисунке 5 представлены диапазоны в максимуме кривой качания для варианта возбужденного и невозбужденного, нацеленного и неориентированного кристалла. Углы Брега в данном случае были равны 4,4° и 5,5°, что соответствует энергии 24,3 и 19,3 кэВ соответственно. Величина амплитуды электронного поля на обкладках кристалла выбиралась из прошлых исследовательских работ (рис. 6).
Набросок 5 — Спектры дифрагированного РИ от кристалла кварца шириной 0,3 мм: а) в максимуме кривой качания (1 — угол Брэгга равен 5,5°, 2 — угол Брэгга равен 4,4°); б) ориентрированный вариант для угла Брэгга равен 5,5°
Как проявили опыты, при возбуждении кристалла в направлении дифракции поток РИ возрастает в 5,3 раз. Энергетическая ширина линий составила величину порядка 872 и 922 эВ для невозбужденного и возбужденного кристалла, соответственно, которая определялась, в данном опыте, шириной аппаратурной полосы сенсора и расходимостью первичного пучка. Частота возбуждающего тока, зависимо от кристалла, устанавливалась равной экспериментальной резонансной частоте.
Опыты по монохроматизации тормозной составляющие диапазона от рентгеновской трубки показали повышение интенсивности дифрагированного пучка в критериях эффекта переброски. Наблюдалось повышение интенсивности в 5,3 раза в деформированном монохроматоре по сопоставлению c монохроматором без наружного действия. Зависимости интенсивности дифрагированного пучка от амплитуды и частоты возбуждающего поля подтвердили возможность управления чертами пучков РИ методом конфигурации наружных действий на монохроматор.
Приобретенные результаты разрешают гласить о перспективности избранного подхода для разработки адаптивной рентгеновской оптики для устройств получения монохроматического РИ, работающие на принципе дифракции.
1.3 Сравнительная оценка эффективности вероятных направлений исследовательских работ
Главным источником РИ на данный момент являются рентгеновская трубка, диапазон которой представляет собой сумму линий характеристического и сплошного тормозного излучения. Из-за непрерывного нрава диапазона тормозного излучения рентгеновский анализ структуры с внедрением рентгеновских трубок сталкивается с неуввязками, низкого свойства изображений и, к примеру, в медицине значимой дозовой перегрузки на пациента. Высочайшие дозовые перегрузки в свою очередь накладывают ограничение на частоту проведения мед диагностики, что не дозволяет выявить злокачественные образования в организме человека на ранешних стадиях. Крайнее соединено так же и с тем, что для мед диагностики как и раньше продолжают обширно применяться рентгеновские пленки.
Нехорошие нюансы использования рентгеновских пленок соединены, сначала, с тем, что они имеют недостаточно высшую контрастность. Таковым образом, складывается ситуация, когда для выявления злокачественных образований мед диагностику требуется проводить наиболее нередко, но высочайшие дозовые перегрузки при единичном обследовании не разрешают созодать этого. Вероятным методом решения крайней трудности могло бы стать наиболее обширное внедрение в исследовательских целях цифровых сенсоров.
Цифровые сенсоры имеют как определенные достоинства над рентгеновскими пленками, так и некие недочеты. К первым можно отнести наиболее высшую, на несколько порядков, контрастность, а ко вторым худшее разрешение. Тем не наименее, обозначенный недочет не является значимым для мед диагностики, так как трудности с выявлением злокачественных образований, на исходных стадиях вызывает конкретно низкое отличие плотностей, а не малые размеры этих образований, и разрешение цифровых сенсоров оказывается так же достаточным. Но обозначенный путь сначала дозволяет прирастить возможность выявления в одиночном обследовании, но не понизить дозовую нагрузку. Последнюю делему можно решить, применяя пучки монохроматического РИ.
Понятно, что при диагностике, к примеру, грудной клеточки, сплошным диапазоном РИ, кванты с энергией наименее 20 кэВ на сто процентов поглощаются в био тканях человека, и, таковым образом, не дают вклада в нужный сигнал на выходе, а только лишь в поглощенную человеком дозу. Данную делему можно решить, используя фильтры РИ в виде тонких пластинок легких металлов, но это связано с некими неуввязками, к примеру не полное поглощение квантов низких энергий в фильтре, общее угнетение диапазона. Наилучшим решением было бы употреблять пучки монохроматического РИ с нужной энергией. В этом случае за счет доп увеличения контраста возникает возможность существенно понизить дозовую нагрузку.
Контраст изображения связан с соотношением сигнал/шум на выходе из исследуемого объекта. Действия рождения и поглощения рентгеновских квантов подчиняются статистике Пуассона, а, как следует, при сигнале , шум, обусловленный только статистическим нравом процесса будет равен . Согласуясь с сиим, соотношение сигнал/шум составит величину . Но крайнее правильно лишь в случае монолинии РИ. В случае непрерывного диапазона соотношение сигнал/шум следует рассчитывать по формуле , что неравно. Разумеется, соотношение сигнал/шум при одном и том же начальном сигнале N0 будет существенно выше в случае монолинии.
Сейчас, источники монохроматического РИ с достаточной интенсивностью реализованы лишь на базе синхротронов. Разумеется, что за счет синхротронов обеспечить Спрос на источники монохроматического РИ в мед диагностике нереально. Потому на данный момент очень остро стоит вопросец о разработке таковых источников, которые отвечали бы требованиям относительной компактности и дешевизны.
один из обширно применяемых методов получения монохроматического излучения от компактных ускорителей — монохроматизация непрерывного диапазона тормозного излучения, в другом методе употребляются электроны с энергией несколько 10-ов МэВ, на которых рассеивается лазерное излучение. В итоге комптоновского рассеяния генерируется монохроматический пучок фотонов с энергией до 100 кэВ. Оба метода не лишены недочетов, в первом случае сталкиваются с неувязкой огромных утрат первичного пучка, за счет неполного отражения и поглощения излучения монохроматором, во 2-м случае установки владеют низкой эффективностью и накладностью. Дальше будет рассмотрен 1-ый метод получения монохроматического РИ. Для его реализации в неких приложениях могут употребляться и рентгеновские трубки. Но для целей мед диагностики интенсивности излучения от рентгеновских трубок опосля монохроматизации излучения недостаточно.
Решением обозначенной трудности — маленький коэффициент отражения обычных монохроматоров — может стать внедрение активных монохроматоров. Такие монохроматоры представляют собой обычные кристаллические монохроматоры с накладываемыми на их различными наружными действиями. Таковыми действиями могут быть неизменные электронные поля, упругие деформации, температурный градиент, акустические поля и т.д.
Внедрение схожих частей дозволяет прирастить светимость монохроматических источников РИ основанных на дифракции, производить управление и транспортировку пучков РИ с минимальными потерями. Не считая того, при контролируемом наружном действии, возникает возможность управления во времени и в пространстве интенсивностью отраженного пучка.
Разрабатываемые в рамках проекта модули на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа должны обеспечить монохроматизацию РИ с минимальными потерями интенсивности первичного пучка РИ и возможность динамического управления пространственно-временными параметрами приобретенного пучка РИ.
В итоге исследования технического уровня методов и устройств для управления пространственно-временными параметрами пучков РИ пришли к выводам, что:
— по большинству технико-экономических характеристик объекты разработки не уступают найденным в процессе патентного поиска российским и забугорным аналогам;
— обнаруженные аналоги не владеют в полном составе функциями объектов разработки, а только реализуют их отчасти.
Пристального внимания заслуживают изобретения по патентам FR 2760889, RU 2201631 и авторским показаниям SU 1327716, SU 1814084, которые основаны на управляемом действии на среду оптического элемента, что дозволяет динамически изменять пространственно-временные свойства проходящих рентгеновских пучков.
метод управления временными чертами интенсивности рентгеновского излучения по авторскому свидетельству SU 1327716 вместе с коллимирующим монохроматором рентгеновского излучения по авторскому свидетельству SU 1814084 могут быть применены в качестве прототипов при разработке метода пространственно-временного и рационального управления монохроматическими пучками РИ в устройствах мед диагностики.
Предстоящее обеспечение практического эффекта от новейших технологий управления параметрами рентгеновских пучков зависит от уменьшения эффекта поглощения излучения, приводящего к сильному нагреву частей оптики под действием интенсивных рентгеновских пучков, и как следствие — к потере данных параметров.
1.4 Обоснование выбора рационального варианта направления исследовательских работ
По результатам патентных исследовательских работ и аналитического обзора литературы были сформулированы:
Базовая научная неувязка, на решение которой ориентирован проект — исследование процесса прохождения рентгеновского излучения через пьезоэлектрический кристалл в присутствии больших акустических волн.
Конкретные фундаментальные задачи в рамках трудности, на решение которых ориентирован проект: выявление закономерностей воздействия больших акустических волн на процесс когерентного рассеяния РИ, а именно, исследование коэффициентов поглощения и отражения; теоретические и экспериментальные исследования черт проходящего в направлении падения и дифрагированного рентгеновского пучка; разработка научных основ адаптивных частей оптики РИ; адаптация разработанных частей рентгеновской оптики к источникам рентгеновского излучения от рентгеновской трубки до источника синхротронного излучения 3 поколения.
Предлагаемые способы и подходы. Общий план работ на весь срок выполнения проекта:
Шаг I:
— настоящий обзор проделанных работ в области дифракции рентгеновских лучей на пьезоэлектрических образчиках в геометрии Лауэ при наличии наружных действий за период с 2000 до 2011 гг.;
— патентное исследование;
— по результатам обзора и патентного исследования корректировка избранного направления исследовательских работ;
— разработка технического предложения на разработку модулей на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа;
— заказ, подготовка образцов и оборудования нужные для экспериментальных исследовательских работ;
— автоматизация ряда узлов и регистрирующих устройств.
Шаг II:
— разработка и изготовка доброкачественных кварцевых резонаторов различных толщин, приспособление линейного и радиального движения соответственной точности для сотворения экспериментальных образцов;
— проведение подготовительных экспериментальных исследовательских работ процесса когерентного рассеяния РИ в монокристалле кварца с большими акустическими волнами;
— анализ результатов исследовательских работ в рамках имеющихся теорий;
— обоснование избранного технического решения;
— разработка эскизной документации;
— изготовка малогабаритных генераторов и усилителей для возбуждения акустических волн в пьезоэлектрических образчиках.
Шаг III:
— определение хороших характеристик кристалла и акустического действия для производства модулей на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа;
— детализированное исследование воздействия акустических полей в кристаллах на коэффициент поглощения (эффект прозрачности) и отражения РИ в сделанных модулях;
— проведение экспериментальных работ нужных для тестирования базисных частей рентгеновской оптики, корректировка и модификация системы для освобождения от недочетов, выявленных в процессе тестирования.
Шаг IV:
— исследование прямой и оборотной задачки рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах со сверхрешеткой зависимо от ее характеристик;
— создание баз данных нужных для разработки дифрактометра и спектрометра новейшего поколения (диапазоны поглошения, структурные причины монокристаллов и т.д.);
— создание макета дифрактометра и спектрометра новейшего поколения с внедрением новейших частей рентгеновской оптики;
— разработка советов по использованию результатов НИР;
— оценка перспектив использования разработанных частей для управления рентгеновскими пучками для мед целей.
Ожидаемые в конце 2013 года научные результаты:
— обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую делему, исследуемую в рамках НИР;
— теоретическое исследование путей сотворения модулей на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа;
— результаты расчетов, имитационного моделирования когерентного рассеяния РИ в кристаллах кварца со сверхрешеткой;
— экспериментальный эталон модуля на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа;
— эскизная конструкторская документация на экспериментальные эталоны;
— лабораторные эталоны адаптивных частей рентгеновской оптики;
— щит для экспериментальных исследовательских работ характеристик разработанных частей рентгеновской оптики;
— методики испытаний программных и физических модулей щита для спектральных и дифракционных экспериментальных исследовательских работ;
— результаты экспериментальных исследовательских работ;
— разработка динамического управления параметрами монохроматического рентгеновского пучка;
— разработка получения интенсивных монохроматических пучков РИ;
— разработка уменьшения радиационного нагрева оптических частей;
— заявки на получение интернациональных патентов и патентов РФ (Российская Федерация — предложения и советы по внедрению разработанных модулей на базе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа на компактных ускорителях для получения интенсивных монохроматических пучков рентгеновского излучения для целей мед диагностики;
— теория прототипов новейших суперярких и сверхразрещающих лабораторных дифрактометров и спектрометров с внедрением новейших частей адаптивной рентгеновской оптики.
Результаты работ будут применены в образовательном процессе, в том числе для подготовки кадров высшей квалификации.
Все ожидаемые результаты будут апробированы на интернациональных конференциях, симпозиумах и размещены в реферируемых журнальчиках.
Список основного оборудования и материалов, имеющихся у коллектива для выполнения проекта:
— Рентгеновский аппарат РАП 60-25 неизменного деяния, с энергией РИ до 60 кэВ;
— Рентгеновский аппарат РАП 160-5 импульсный, с энергией РИ с до 160 кэВ;
— сенсоры РИ БДЕР-КИ-11К с разрешением порядка 2% на полосы 8 кэВ;
— сенсоры сцинтилляционные;
— дистанционно управляемое наружное гониометрического устройство для ориентирования кристаллических монохроматоров относительно оси первичного пучка РИ. Гониометр имеет три вращательные степени свободы с точностью ориентации углов не ужаснее 0,5 мрад, и три поступательные с точностью ориентации 0,5 мм;
— кварцевые монохроматоры поперечником 15 мм, шириной 0,9, 0,65 и 0,3 мм;
— широкополосный генератор сигналов случайной формы WW5061;
— электрические ускорители микротрон с энергией электронов 5,6 МэВ и бетатроны на энергию 6, 18 и 30 МэВ;
— 10 индивидуальных компа;
— суперкомпьютерный кластер «СКИФ-политех», на базе двуядерных микропроцессоры Intel Xeon 515 с пиковой производительностью 1 Tflops.
Модель генерации РИ электрическим пучком ускорителя
Для оценки перспектив использования разрабатываемых просветленных частей рентгеновской оптики и главных требований к компактным ускорителям, для реализации на их базе малогабаритных источников монохроматического РИ, была разработана компьютерная модель процесса взаимодействия электрических пучков с бесформенными мишенями.
Для оптимизации издержек на физическое моделирование источника РИ целенаправлено провести компьютерное моделирование спектрально-угловых черт РИ, рожденное в бесформенной мишени электрическим пучком. Для этих целей была разработана модель процесса генерации РИ с внедрением физических и математических библиотек Geant4 и CLHEP, соответственно. На рисунке 6 приведена схема моделируемого опыта.
Набросок 6 — Схема моделируемого опыта по генерации РИ из бесформенной мишени пучком электронов
В качестве примера, выбрана мишень из Mo шириной 100 мкм и поперечными размерами 20Ч20 мм2 на которую падает пучок электронов с энергией 6 МэВ, который рождает в ней поток РИ. Сенсор с поперечными размерами 20Ч20 мм2 (размер пикселя 0,5Ч0,5 мм2) установлен на расстоянии 350 мм. Воздух из рассматриваемой области откачан. Задачка состоит в моделировании спектрального распределения фотонов РИ.
Проект состоит из последующих файлов:
Mo-6MeV.cc makefile run.mac vis.mac
и каталогов:
include src
/include:
DetectorConstruction.hh
PhysicsList.hh
PrimaryGeneratorAction.hh
SensitiveDetector.hh
SteppingVerbose.hh
/src:
DetectorConstruction.cc
PhysicsList.cc
PrimaryGeneratorAction.cc
SensitiveDetector.cc
SteppingVerbose.cc
Дальше следует описание содержимого всякого файла.
файл Mo-6MeV.cc
Программка на GEANT4 обязана содержать определение нескольких главных классов, которые заключают в себя всю специфику определенной задачки, и регистрацию этих классов в особом объекте G4RunManager, который и управляет действием моделирования. В число этих классов входят как неотклонимые:
· G4VUserDetectorConstruction, содержащий определение геометрии установки, и, обычно, определение применяемых материалов и предназначение чувствительных областей;
· G4VPhysicsList, подключающий моделирование интересующих физических действий;
· G4VUserPrimaryGeneratorAction, описывающий источник первичных частиц в моделировании;
так и необязательные классы, без которых моделирование может быть: G4UserRunAction, G4UserEventAction и G4UserSteppingAction, дозволяющие видоизменять файл, а в основном файле проекта Mo-6MeV.cc происходит сведение всего воедино и регистрация классов в G4RunManager.
файл начинается с подключений заголовочных файлов.
#include<G4RunManager.hh>
#include<G4UImanager.hh>
#include<G4UIterminal.hh>
#include<G4VisExecutive.hh>
#include<G4Material.hh>
#include<G4UserRunAction.hh>
#include<G4Run.hh>
#include<iostream>
#include<string>
#include<CLHEP/Random/Random.h>
#include<unistd.h>
#include<time.h>
В перечне подключаемых файлов поначалу перечислены системные, входящие в состав GEANT4 и компилятора, а потом заголовочные файлы текущего проекта. Они различаются методом задания имени: не в угловых скобках <>, а в кавычках. Эти файлы расположены в папке include.
#include «DetectorConstruction.hh»
#include «PrimaryGeneratorAction.hh»
#include «SteppingVerbose.hh»
#include «PhysicsList.hh»
#include «SensitiveDetector.hh»
using namespace std;
const char macros[]= «run.mac»;
Дальше следует определение класса RunAction, который наследуется от класса G4UserRunAction и содержит функцию-член BeginOfRunAction, которая автоматом вызывается сначала всякого пуска. Для простоты определение этого класса не вынесено в отдельные файлы, а полностью приведено в Mo-6MeV.cc.
class RunAction: public G4UserRunAction
{
public:
void BeginOfRunAction (const G4Run* aRun)
{
G4cout << «### Run» << aRun->GetRunID() << «start.» << G4endl;
}
};
Дальше следует определение функции main(). тут происходит инициализация GEANT4 и все другие вспомогательные деяния.
int main (int argc, char** argv)
{
установка экземпляра класса SteppingVerbose, который отвечает за печать подробной инфы о любом шаге частиц в процессе моделирования. Степень детализации выводимой инфы зависит от числового параметра /stepping/verbose в файле run.mac либо vis.mac, 0 соответствует мало подробной, а 9 очень подробной инфы о любом шаге. Класс SteppingVerbose определен в файлах SteppingVerbose.hh и SteppingVerbose.cc. Оператор new делает объект — экземпляр этого класса и возвращает указатель на сделанный объект.
G4VSteppingVerbose: SetInstance (new SteppingVerbose);
Настройка генератора случайных чисел. По дефлоту он возвращает одну и ту же последовательность случайных чисел, что комфортно при отладке. Для генерирования наиболее случайных последовательностей требуется задавать так называемое зерно (seed), которое в данном случае задается как сумма текущего времени в секундах. Это дает довольно удовлетворительную случайность.
CLHEP: HepRandom:setTheSeed (time(0));
Дальше создается объект G4RunManager, который управляет пуском и остановкой моделирования.
G4RunManager * runManager = new G4RunManager;
Создается объект DetectorConstruction (см. класс DetectorConstrucion в файле DetectorConstruction.hh) и регится в G4RunManager.
DetectorConstruction* detector_c = new DetectorConstruction;
runManager->SetUserInitialization (detector_c);
Так же создается и регится в G4RunManager пакет физических действий PhysicsList (см. надлежащие файлы).
G4VUserPhysicsList *p = new PhysicsList;
runManager->SetUserInitialization(p);
Создается и инициализируется объект класса G4VisExecutive, который дозволяет разными методами визуализировать моделирование.
G4VisManager* visManager = new G4VisExecutive;
visManager->Initialize();
runManager->SetUserAction (new PrimaryGeneratorAction);
runManager->SetUserAction (new RunAction);
runManager->SetUserAction (new EventAction);
runManager->SetUserAction (new SteppingAction);
В конце вызывается способ G4RunManager: Initialize() и процесс инициализации GEANT4 заканчивается.
runManager->Initialize();
Печать инфы о зарегистрированных материалах.
cout<< «======================================»<<endl;
cout<< *(G4Material: GetMaterialTable()) << endl;
cout<< «======================================»<<endl;
Через объект класса G4UImanager делается выполнение макрокоманд из файла run.mac либо vis.mac (на него показывает определенная выше переменная macros). Это комфортно, поэтому что при изменении run.mac либо vis.mac не необходимо перекомпилировать всю программку. В run.mac либо vis.mac находятся команды, конкретно запускающие моделирование.
G4UImanager * UI = G4UImanager: GetUIpointer();
G4UIsession * session = new G4UIterminal();
UI->ExecuteMacroFile(macros);
Опосля окончания моделирования освобождается память.
delete session;
delete visManager;
delete runManager;
return 0;
}
Класс DetectorConstruction
Геометрические свойства моделирования в GEANT4 задаются через класс G4VUserDetectorConstruction. Чтоб создать это, нужно найти класс, наследующий G4VUserDetectorConstruction и найти в нем функцию Construct(), которая будет автоматом вызвана на шаге инициализации.
Объявление класса DetectorConstruction находится в файле DetectorConstruction.hh.
DetectorConstruction.hh
Сначала файла находится так именуемый include guard, нужный во всех заголовочных файлах.
#ifndef DetectorConstruction_h
#define DetectorConstruction_h 1
Подключение заголовочных файлов GEANT4. В GEANT4 употребляется последующее соглашение: любой класс объявляется в отдельном файле, и имя файла совпадает с именованием класса. Файл globals.hh содержит физические константы.
#include<globals.hh>
#include<G4VUserDetectorConstruction.hh>
#include<G4VSolid.hh>
#include<G4LogicalVolume.hh>
#include<G4VPhysicalVolume.hh>
#include<G4Material.hh>
Для удобства определен класс World, который соответствует наружному размеру в геометрии GEANT4, снутри которого находится вся моделируемая установка. Этот размер можно было бы сделать и просто через цепочку Solid>Logic>Physic, но можно и инкапсулировать ее в одном классе World.
class World {
protected:
G4VSolid *solid;
G4LogicalVolume *logic;
G4VPhysicalVolume *physic;
G4Material *mater;
double sizex, sizey, sizez;
public:
World (double size_x, double size_y, double size_z, G4Material *mater_=NULL);
operator G4LogicalVolume*() {return logic;}
G4LogicalVolume *getLogic() {return logic;}
G4VSolid *getSolid() {return solid;}
G4VPhysicalVolume *getPhysic() {return physic;}
};
Объявление класса DetectorConstruction, наследуемого от G4VUserDetectorConstruction.
class DetectorConstruction: public G4VUserDetectorConstruction
{
Открытые члены класса DetectorConstruction.
Дальше идет объявление конструктора и деструктора класса DetectorConstruction — функций, которые автоматом вызываются при разработке и ликвидировании объекта.
public:
DetectorConstruction();
~DetectorConstruction();
Функция Construct заключает внутри себя основную функциональность класса DetectorConstruction. Она делает геометрию и материалы.
G4VPhysicalVolume* Construct();
protected:
Также объявляется защищенная переменная-указатель на World. Она будет проинициализированна позже.
World *world;
};
#endif
Определение объявленного в файле DetectorConstruction.hh класса DetectorConstruction находится в файле DetectorConstruction.cc.
DetectorConstruction.cc
#include<G4NistManager.hh>
#include<G4Box.hh>
#include<G4Tubs.hh>
#include<G4LogicalVolume.hh>
#include<G4PVPlacement.hh>
#include<G4SDManager.hh>
#include<G4VisAttributes.hh>
#include<G4RotationMatrix.hh>
#include «DetectorConstruction.hh»
#include «SensitiveDetector.hh»
using namespace std;
тут определяется макрос Mat(), для того чтоб уменьшить запись: сейчас заместо того чтоб писать G4NistManager: Instance()->FindOrBuildMaterial («G4_Mo») довольно написать Mat («G4_Mo»). При всем этом будет произведена инициализация соответственного материала в базе данных GEANT4.
#define Mat(x) (G4NistManager: Instance()->FindOrBuildMaterial(x))
Определение конструктора класса World. Он воспринимает четыре параметра: ширину, высоту, глубину и материал, и делает в качестве материнского размера куб с этими параметрами через цепочку вызовов Solid>Logic>Physic.
World: World (double size_x, double size_y, double size_z, G4Material *mater_):
mater (mater_), sizex (size_x), sizey (size_y), sizez (size_z)
{
solid = new G4Box («world», sizex/2, sizey/2, sizez/2);
logic = new G4LogicalVolume (solid, mater, «World», 0, 0, 0);
physic = new G4PVPlacement (0, G4ThreeVector(), logic, «World», 0, false, 0);
}
Дальше определяются конструктор и деструктор DetectorConstruction.
DetectorConstruction:~DetectorConstruction(){}
Основную работу в DetectorConstruction делает функция Construct()
G4VPhysicalVolume* DetectorConstruction: Construct()
{
Для начала создается материнский размер размером 10Ч10Ч10 см., «заполненный» вакуумом.
world = new World (5*cm, 5*cm, 5*cm, Mat («G4_Galactic»));
Потом создается мишень-конвертор шириной 100 мкм (2*0,05*mm).
G4Box *solidTgt = new G4Box («solidTgt», 10*mm, 10*mm, 0.05*mm);
На последующем шаге создается логический размер G4LogicalVolume, который содержит информацию о материале и магнитных свойствах среды. В данном случае никаких магнитных параметров нет.
G4LogicalVolume *logiclTgt = new G4LogicalVolume (solidTgt, Mat («G4_Mo»), «logiclTgt»);
3-ий шаг — это физический размер, в каком содержится информация о положении объекта относительно материнского, другими словами World. тут оно задается вектором G4ThreeVector (0, 0, 0), другими словами в центре.
G4PVPlacement *physilTgt = new G4PVPlacement (0, G4ThreeVector (0,0,0), logiclTgt, «physilTgt», world->getLogic(), false, 0);
Аналогично создается размер сенсора смещенный по оси Z на 350 мм.
G4Box *solidDet = new G4Box («solidDet», 10*mm, 10*mm, 0.001*mm);
G4LogicalVolume *logicDet = new G4LogicalVolume (solidDet, Mat («G4_Si»), «logicDet»);
G4PVPlacement *physiDet = new G4PVPlacement (0, G4ThreeVector (0,0,350*mm), logicDet, «physiDet», world->getLogic(), false, 0);
Для того чтоб сенсор реагировал на попадание частиц, он должен быть назначен так именуемой чувствительной областью. Для данной цели в G4LogicalVolume есть особое поле SensitiveDetector, которое содержит указатель на объект класса G4VSensitiveDetector. Этот объект автоматом вызывается всякий раз, когда очередной шаг моделирования частички попадает снутри данного размера. Подходящим образом, программируя класс SensitiveDetector можно получать выходные данные моделирования (см. раздел SensitiveDetector дальше).
SensitiveDetector *detector = new SensitiveDetector («SensitiveDetector»);
объект SensitiveDetector должен быть зарегистрирован в G4SDManager.
G4SDManager* SDman = G4SDManager: GetSDMpointer();
SDman->AddNewDetector(detector);
тут SensitiveDetector сопоставляется сенсору.
logicDet->SetSensitiveDetector(detector);
Стены объекта World делаются прозрачными, чтоб не мешали при визуализации, а мишень окрашивается в голубий цвет.
world->getLogic()->SetVisAttributes (G4VisAttributes: Invisible);
logiclTgt->SetVisAttributes (G4VisAttributes:
G4VisAttributes (G4Colour: Blue()));
В конце удачно выполнившаяся функция Construct обязана вернуть указатель на физический размер объекта World.
return world->getPhysic();
}
SenstiveDetector
Объекты SensitiveDetector обрабатывают информацию о любом шаге моделирования снутри области геометрии, которой они назначены.
SensitiveDetector.hh
#ifndef SENSITIVEDETECTOR
#define SENSITIVEDETECTOR
#include<G4VSensitiveDetector.hh>
class G4Step;
class G4TouchableHistory;
тут объявляется класс SensitiveDetector. В этом случае он должен собирать спектрально-угловую информацию фотонов РИ, которые попали в сенсор. Рассчитываются гистограммы, а потом значения из столбцов записываются в текстовые файлы.
class SensitiveDetector: public G4VSensitiveDetector
{
private:
Число столбцов в гистограмме диапазона.
static const int NOBINS = 6000;
Наибольший и малый пределы графика. значения этих констант задаются в файле SensitiveDetector.cc.
const double HIST_MAX;
const double HIST_MIN;
гистограмма будет представлена массивом int.
int histogram[NOBINS];
Размер массива углового распределения [40*40], вся площадь сенсора 20*20 мм2 разбита на 1600 пикселей, любой размером по 0,5*0,5 мм2.
int histogrampmd[1600];
Временная переменная в которую записывается
double accenergy;
Переменная в которую записывается интегральное
int phN;
public:
SensitiveDetector (G4String name);
~SensitiveDetector();
G4bool ProcessHits (G4Step *step, G4TouchableHistory *hist);
void EndOfEvent (int nEvent);
};
#endif /* SENSITIVEDETECTOR */
SensitiveDetector.cc
Сначала, все как обычно: подключаются применяемые библиотечные классы.
#include<G4Step.hh>
#include<fstream>
#include<iostream>
#include «SensitiveDetector.hh»
using namespace std;
Конструктор класса SensitiveDetector. Он воспринимает в качестве параметра имя, которое имеет тип G4String. При разработке объекта это записывается так: new SensitiveDetector («a name»). Не считая того тут же инициализируются константы, задающие верхний и нижний предел на графике. Позже обнуляются переменная phN и ячейки массивов histogrampmd, histogram.
SensitiveDetector: SensitiveDetector (G4String name): G4VSensitiveDetector(name),
HIST_MAX (6000*keV),
HIST_MIN (0*keV)
{phN = 0;
for (int i=0; i<40; i++) {
for (int j=0; j<40; j++) {
histogrampmd [j+i*40] = 0;
}
}
for (int i = 0; i<NOBINS; i++)
histogram[i] = 0;
}
Основная функция этого класса — ProcessHits(). Каждый раз, когда очередной шаг моделирования попадает в размер, которому принадлежит данный SensitiveDetector, вызывается эта функция.
G4bool SensitiveDetector: ProcessHits (G4Step *step, G4TouchableHistory *hist)
{
Получаем имя частички, чтоб выделить лишь фотоны.
G4Track* track = step -> GetTrack();
G4String particleName = track->GetDefinition()->GetParticleName();
if (particleName == «gamma»)
{
Потом увеличиваем переменную phN на единицу и получаем характеристики частички — полную энергию частички и ее координаты.
double energy = step->GetTrack()->GetDynamicParticle()->GetTotalEnergy();
G4ThreeVector pmd = track->GetDynamicParticle()->GetMomentumDirection();
G4ThreeVector xyz = track->GetPosition();
double xp=xyz.x(), yp=xyz.y(), zp=xyz.z();
double px=acos (pmd.x())*180/pi, py=acos (pmd.y())*180/pi, pz=acos (pmd.z())*180/pi;
сейчас мы заносим приобретенные значения в гистограммы. Эта задачка сводится к повышению на 1 столбца гистограммы, соответственного данной энергии либо координате.
accenergy = energy;
double bin_width = (HIST_MAX — HIST_MIN) / NOBINS;
int index = int (floor((accenergy-HIST_MIN)/bin_width));
if (index >= 0 && index < NOBINS)
{
histogram[index]++;
}
double bin_widthpmd = 0.5*mm;
int pih = int((xyz.x() + 10)/bin_widthpmd);
int pjh = int((xyz.y() + 10)/bin_widthpmd);
histogrampmd [pjh+pih*40]++;
В последнюю очередь мы уничтожаем данную частичку, чтоб не регистрировать ее два раза. При всем этом частичка выводится из моделирования.
step->GetTrack()->SetTrackStatus(fStopAndKill);
}
return true;
}
Деструктор ~SensitiveDetector. Эта функция вызывается автоматом при удалении объекта, потому тут комфортно расположить вывод результатов в файл.
SensitiveDetector:~SensitiveDetector()
{
Создаем поток, вывод которого направляется в файл spectrum.dat.
std:ofstream file («spectrum.dat»);
]]>