Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Разработка адаптивной рентгеновской оптики нового поколения для устройств исследования биологических объектов и быстропротекающих процессов

Введение

Разработка новых более чувствительных и универсальных методов использования РИ для проведения количественных исследований в различных областях науки и техники, как например, томография медицинских и биологических объектов, определение реальных структур совершенных / несовершенных кристаллов и наносистем, элементы микро и нано электроники, проведение экспресс-анализов геологических образцов и внедрение в технологический процесс является весьма актуальной задачей. Для решения поставленной задачи предлагается использовать монохроматические (без гармоник) пучки РИ с управляемыми в пространстве и во времени параметрами. Одним из перспективных методов получения таких пучков является дифракция РИ в кристалле со сверхрешеткой инициированной, например, акустическим полем, ТГ или механическими напряжениями. Наличие сверхрешетки, резко изменяет сечение процесса рассеяния в конкретном образце и может использоваться для эффективного управления параметрами дифрагированного излучения.

Проект направлен на разработку и создание технических средств динамического пространственно-временного управления пучками РИ с целью дальнейшего их использования в различных типах рентгеновских установок (от рентгеновской трубки до источника синхротронного излучения 3 поколения) для получения пучков РИ с заданными спектральными и пространственно-временными характеристиками. В настоящее время в большинстве рентгеновских установках применяются статические оптические элементы, что приводит к значительному усложнению устройств и методик по исследованию образцов.

Необходимо отметить, что современные эксперименты предъявляют высокие 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 применяются рентгеновские зеркала. В настоящее время технологии позволяют создавать зеркала для рентгеновских лучей с длиной волны от 2 до 55 нанометров. Рентгеновское зеркало состоит из многих слоев специальных материалов (до нескольких сотен слоев).

Для фокусировки рентгеновских пучков наряду с зеркалами используют френелевские зонные пластинки. Для высоких энергий их заменяют фокусирующими элементами, принцип действия которых основан на преломлении. Так как величина декремента д преломления рентгеновских лучей очень мала (1-n=д?10^-6, где n - показатель преломления), поэтому используют комплект цилиндрических рентгеновских линз, преломляющие поверхности которых с микронной точностью необходимо располагать на одной оси, что сопряжено с дополнительными трудностями при использовании на интенсивных пучках.

Для современных синхротронных источников, в рентгеновской микроскопии и для локальных структурных исследований необходимы долгодействующие рентгенооптические элементы стабильные во времени, с большой светосилой, высокой разрешающей способностью и динамическим пространственно-временным управлением пучка РИ. Существующие базовые рентгенооптические элементы, например, зеркала, действующие на принципе полного внутреннего отражения рентгеновских лучей, зеркала с периодичной многослойной структурой, френелевские зонные пластины, кристаллические монохроматоры и др., достигли уровня, который не позволяет повысить их эффективность, из-за поглощения рентгеновских лучей в самом рентгенооптическом элементе.

Основной целью проекта является разработка адаптивных элементов рентгеновской оптики с использованием эффектов «полной переброски» и «прозрачности», которые позволят повысить эффективность проведения рентгеновских исследований 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 периодической деформации. В обычном поглощающем кристалле интенсивности падающего, проходящего и дифрагированного РИ связаны следующим соотношением I₀ > I_пр + I_диф. В условии «полной переброски», с учетом эффекта «прозрачности», теоретический предел - I₀ = I_диф, I_пр = 0, что позволяет снизить требования к интенсивности первичного пучка излучения, и как следствие уменьшение радиационного нагрева оптических элементов.

Целью первого этапа «Техническое предложение» является выбор направления исследований и разработка технического предложения прототипов модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа.

Задачи, решаемые на первом этапе:

- проведение патентных исследований в соответствии с ГОСТ Р15.011-96;

- выбор направления исследований, в том числе: разработка возможных направлений проведения исследований; разработка возможных решений отдельных исследовательских задач; сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований; обоснование выбора оптимального варианта направления исследований;

- проведение аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) - не менее 25-ти научно-информационных источников за период 2005-2011 гг.;

- проведение теоретического исследования путей создания модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа;

- разработка технического предложения прототипов модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа.

В результате успешного выполнения всех поставленных задач определено направление исследований, методы и подходы для достижения основной цели проекта, результатом которого должны быть разработаны адаптивные элементы рентгеновской оптики.

1. Выбор и обоснование оптимального варианта направления исследований

1.1 Разработка возможных направлений проведения исследований

прототип спектральный фазоконтрастный кварцевый

Актуальность цели и задач обозначенные в проекте обусловлены широким использованием РИ в прикладных задачах, например, диагностика в медицине, биологии, анализ структуры вещества и др. В настоящее время рентгеновские трубки широко используются для решения многих задач, как в медицине, так и в технике. Однако, несмотря на значительное увеличение «яркости» современных рентгеновских трубок, они не позволяют решать ряд важных задач, например, в медицинской диагностике, где из-за низкого контраста не всегда удаётся выявить опухоль в организме человека на ранней стадии ее образования. С другой стороны, при тщательном обследовании, доза облучения может оказаться довольно значительной, что обусловлено непрерывным спектром излучения рентгеновских трубок. Следует отметить, несмотря на развитие различных видов томографии, биологических и генетических методик исследования, ведущим и наиболее широко распространенным методом была и остается рентгенодиагностика. По оценкам различных организаций рентгенодиагностика занимает от 50 до 80% общего объема диагностических исследований в медицине. Из постановления Главного Санитарного врача «Об ограничении облучения населения при проведении рентгенологических медицинских исследований» от 21.04.2006 следует, что проведенная в Российской Федерации радиационно-гигиеническая паспортизация и анализы доз облучения, получаемых населением, позволяют сделать вывод о неблагополучной ситуации в этой сфере [1]. В этом постановлении предписывается всем санитарным врачам субъектов РФ принять действенные меры по использованию низкодозовой диагностики при медицинских исследованиях. В связи с этим разработка систем низкодозовой диагностики является чрезвычайно актуальной задачей.

Эту задачу можно решить, если использовать пучки монохроматического РИ. Попытки монохроматизировать пучок излучения от рентгеновских трубок с помощью стандартных фильтров или монохроматоров приводят к уменьшению интенсивности пучка фотонов до уровня непригодного для диагностики.

Большинство проблем можно решить, если использовать источники СИ в рентгеновском диапазоне. Круг задач, которые можно решать с помощью подобных источников, настолько широк, что в настоящее время для этой цели создаются [2-4] крупные ускорительные комплексы уже 4-го поколения. Однако число каналов СИ на уже существующих ускорителях совершенно недостаточно для выполнения всех заявок на проведение исследовательских и технологических работ. Достаточно сказать, что на территории РФ существует только два центра в Новосибирске (институт ядерной физики им. Г.И. Будкера) и Москве (Российский научный центр «Курчатовский институт»), удовлетворяющие современным требованиям источников СИ.

Для обеспечения медицинских учреждений высококачественными рентгеновскими снимками с высоким контрастом от систем диагностики требуется плотность потока рентгеновского излучения с энергией фотонов 40 кэВ ~ 10⁷ фотон/мм² [5, 6]. Диагностические станции на базе синхротронных источников с использованием традиционной рентгеновской оптики в полной мере удовлетворяют предъявляемым требованиям - интенсивность, контраст и минимальные радиационные риски. Однако из-за дороговизны подобных установок, они остаются недоступными для широкого использования, например, в медицинской диагностике.

Мировые разработки малогабаритных систем генерации монохроматического РИ с относительно невысокой стоимостью находятся в стадии начальных исследований. В рамках проекта будут исследованы перспективные методы монохроматизации и управления РИ. Использование разрабатываемых адаптивных элементов рентгеновской оптики по оценкам позволит на порядок увеличить светимость монохроматических источников РИ основанные на дифракции и без потерь транспортировать пучки РИ. Например, в кварцевых монохроматорах под воздействием УЗ или ТГ наблюдается эффект существенного усиления интенсивности дифрагированного пучка до 100%-го отражения падающего излучения [7]. Кроме того при контролируемом внешнем воздействии, как следствие, появляется возможность динамического управления интенсивностью проходящего пучка, что открывает новые возможности для исследований в медицине и биологии.

1.2 Разработка возможных решений отдельных исследовательских задач

Пространственно-временное управление потоком РИ производится путем контролируемых электромагнитных воздействий на управляющий модуль, состоящий из дифракционной среды - кристаллический пьезоэлемент и корпус-держатель. Возбуждающийся в дифракционной среде УЗ изменяет дифракционные параметры кристаллического элемента, что приводит к возможности управления потоком рассеянного рентгеновского пучка.

Затухание УЗ в среде происходит за время порядка секунды, что позволяет реализовать безынерционный способ и повысить эффективность управления рентгеновскими пучками.

Увеличение светимости будет достигаться за счет эффекта «переброски» проходящего пучка в направление дифракции, без ухудшения монохроматичности.

Монохроматизация «белого спектра» будет осуществляться кристаллической структурой пьезоэлемента, по закону Брэгга из «белого спектра» выделяется квазимонохроматическая линия в диапазоне от 5 до 70 кэВ.

За счет изменения микроскопической структуры дифракционной среды акустическим полем, уменьшая влияние поглощающей ветви дисперсионной поверхности на прохождение РИ, будет уменьшаться коэффициент линейного поглощения излучения в рентгеновском диапазоне, обеспечивая стабильную работу оптических элементов под воздействием интенсивных пучков ионизирующего излучения.

Для проверки правильности выбранного пути были проведены независимые тестовые эксперименты, в которых исследовался процесс дифракции РИ на кристалле кварца возбужденный переменным электрическим полем.

Тестовые экспериментальные исследования по когерентному рассеянию тормозного излучения

Экспериментально наблюдалось управляемое увеличение интенсивности дифрагированного РИ. Эксперименты проводились с использованием кристалла кварца Х-среза толщиной: 0,3 мм. На поверхность кристаллов было нанесено алюминиевое напыление, необходимое для более эффективного 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 толщиной стенки 5 см. Излучение формировалось коллиматором диаметром 3 мм, расположенным на расстоянии 90 мм от выходного окна рентгеновской трубки, после чего 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 любых семейств отражающих атомных плоскостей так, чтобы детектор, находящийся в горизонтальной плоскости, мог регистрировать только пучки, распространяющиеся в этой плоскости. Исследовалось отражение от атомных плоскостей, ориентированных перпендикулярно к большой поверхности кристалла .

Рисунок 1 - Схема эксперимента. и_B - угол Брэгга, и_D - угол наблюдения

Излучение регистрировалось в симметричной геометрии Лауэ на расстоянии от кристалла-монохроматора 300 мм сцинтилляционным детектором (NaI), работающим в токовом режиме, и полупроводниковым БДЕР-КИ с разрешением 280 эВ на линии 5,6 КэВ. У сцинтилляционного детектора диаметр чувствительного объема был равен 30 мм с выходным окном из бериллиевой фольги толщиной 20 мкм, что обеспечивало эффективную регистрацию рентгеновского излучения в диапазоне от 8,5 до 50 кэВ. Перед детектором устанавливался щелевой коллиматор с размером 30*3 мм, что соответствовало угловому захвату в плоскости дифракции 10 мрад. В случае с БДЕР-КИ-11К перед детектором устанавливался круглый коллиматор диаметром 2 мм.

Для нахождения рефлекса () проводилось сканирование по углам ц и и (см. рисунок 2 соответственно), после чего были выбраны углы ориентации, соответствующие максимуму выхода дифрагированного излучения.

Рисунок 2 - Зависимость иненсивности дифрагированного излучения от кристалла кварца толщиной 0,3 мм: а) сканирование по углу ц; б) сканирование по углу и

Далее экспериментально определялась резонансная частота э/м-воздействия на монохроматор, при которой происходит максимальная деформация отражающих плоскостей. В идеальном случае резонансная частота определяется по формуле:

где: n - нечётные целые числа, l - толщина кристалла, c_s - скорость распространения ультразвуковой волны в кварце порядка 5700 м/с. Проведенные расчеты для толщины l = 0,3 мм показали 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. рисунок 3) для нахождения истинного значения f₁.



Рисунок 3 - Зависимость интенсивности дифрагированного излучения от частоты э/м воздействия на монохроматор для толщины кристалла 0,3 мм

Согласно рисунку 3 истинная резонансная частота для заданного 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 начальный участок кривой интенсивности имеет линейный характер, на котором интенсивность прямо пропорциональна напряжению, поданному на кристалл.

Рисунок 4 - Зависимость интенсивности дифрагированного излучения от амплитуды э/м воздействия на монохроматор для толщины кристалла 0,3 мм

На рисунке 5 представлены спектры в максимуме кривой качания для случая возбужденного и невозбужденного, ориентированного 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 электрического поля на обкладках кристалла выбиралась из предыдущих исследований (рис. 6).

Рисунок 5 - Спектры дифрагированного РИ от кристалла кварца толщиной 0,3 мм: а) в максимуме кривой качания (1 - угол Брэгга равен 5,5°, 2 - угол Брэгга равен 4,4°); б) ориентрированный случай для угла Брэгга равен 5,5°

Как показали эксперименты, при возбуждении кристалла в направлении дифракции поток РИ увеличивается в 5,3 раз. Энергетическая ширина линий составила величину порядка 872 и 922 эВ для невозбужденного и возбужденного кристалла, соответственно, которая определялась, в данном эксперименте, шириной аппаратурной линии детектора и расходимостью первичного пучка. Частота возбуждающего тока, в зависимости от кристалла, устанавливалась равной экспериментальной резонансной частоте.

Эксперименты по монохроматизации тормозной компоненты спектра от рентгеновской трубки продемонстрировали увеличение интенсивности дифрагированного пучка в условиях эффекта переброски. Наблюдалось увеличение интенсивности в 5,3 раза в деформированном монохроматоре по сравнению c монохроматором без внешнего воздействия. Зависимости интенсивности дифрагированного пучка от амплитуды и частоты возбуждающего поля подтвердили возможность управления характеристиками пучков РИ путем изменения внешних воздействий на монохроматор.

Полученные результаты позволяют говорить о перспективности выбранного подхода для разработки адаптивной рентгеновской оптики для устройств получения монохроматического РИ, работающие на принципе дифракции.

1.3 Сравнительная оценка эффективности возможных направлений исследований

Основным источником РИ на данный момент являются рентгеновская трубка, спектр которой представляет собой сумму линий характеристического и сплошного тормозного излучения. Из-за непрерывного характера спектра тормозного излучения рентгеновский анализ структуры с использованием рентгеновских трубок сталкивается с проблемами, низкого качества изображений и, например, в медицине значительной дозовой нагрузки на пациента. Высокие дозовые нагрузки в свою очередь накладывают ограничение на частоту проведения медицинской диагностики, что не позволяет выявить злокачественные образования в организме человека на ранних стадиях. Последнее связано так же и с тем, что для медицинской диагностики по-прежнему продолжают широко применяться рентгеновские пленки.

Негативные аспекты использования рентгеновских пленок связаны, в первую очередь, с тем, что они имеют недостаточно высокую контрастность. Таким образом, складывается ситуация, когда для выявления злокачественных образований медицинскую диагностику требуется проводить более часто, но высокие дозовые нагрузки при единичном обследовании не позволяют делать этого. Возможным путем решения последней проблемы могло бы стать более широкое использование в диагностических целях цифровых детекторов.

Цифровые детекторы имеют как определенные преимущества над рентгеновскими пленками, так и некоторые недостатки. К первым можно отнести более высокую, на несколько порядков, контрастность, а ко вторым худшее разрешение. Тем не менее, указанный недостаток не является существенным для медицинской диагностики, поскольку сложности с выявлением злокачественных образований, на начальных стадиях вызывает именно низкое отличие плотностей, а не малые размеры этих образований, и разрешение цифровых детекторов оказывается так же достаточным. Однако указанный путь в первую очередь позволяет увеличить вероятность выявления в одиночном обследовании, но не снизить дозовую нагрузку. Последнюю проблему можно решить, применяя пучки монохроматического РИ.

Известно, что при диагностике, например, грудной клетки, сплошным спектром РИ, кванты с энергией менее 20 кэВ полностью поглощаются в биологических тканях человека, и, таким образом, не дают вклада в полезный сигнал на выходе, а лишь только в поглощенную человеком дозу. Данную проблему можно решить, используя фильтры РИ в виде тонких пластин легких металлов, однако это сопряжено с некоторыми проблемами, например не полное поглощение квантов низких энергий в фильтре, общее подавление спектра. Лучшим решением было бы использовать пучки монохроматического РИ с необходимой энергией. В этом случае за счет дополнительного повышения контраста появляется возможность значительно снизить дозовую нагрузку.

Контраст изображения связан с соотношением сигнал/шум на выходе из исследуемого объекта. События рождения и поглощения рентгеновских квантов подчиняются статистике Пуассона, а, следовательно, при сигнале , шум, обусловленный исключительно статистическим характером процесса будет равен . Согласуясь с этим, соотношение сигнал/шум составит величину . Однако последнее верно только в случае монолинии РИ. В случае непрерывного спектра соотношение сигнал/шум следует рассчитывать по формуле , что неравно. Очевидно, соотношение сигнал/шум при одном и том же исходном сигнале N₀ будет значительно выше в случае монолинии.

На данный момент, источники монохроматического РИ с достаточной интенсивностью реализованы только на базе синхротронов. Очевидно, что за счет синхротронов обеспечить спрос на источники монохроматического РИ в медицинской диагностике невозможно. Поэтому сейчас весьма остро стоит вопрос о создании таких источников, которые отвечали бы требованиям относительной компактности и дешевизны.

Один из широко используемых способов получения монохроматического излучения от малогабаритных ускорителей - монохроматизация непрерывного спектра тормозного излучения, в другом способе используются электроны с энергией несколько десятков МэВ, на которых рассеивается лазерное излучение. В результате комптоновского рассеяния генерируется монохроматический пучок фотонов с энергией до 100 кэВ. Оба способа не лишены недостатков, в первом случае сталкиваются с проблемой больших потерь первичного пучка, за счет неполного отражения и поглощения излучения монохроматором, во втором случае установки обладают низкой эффективностью и дороговизной. Далее будет рассмотрен первый способ получения монохроматического РИ. Для его реализации в некоторых приложениях могут использоваться и рентгеновские трубки. Однако для целей медицинской диагностики интенсивности излучения от рентгеновских трубок после монохроматизации излучения недостаточно.

Решением указанной проблемы - низкий коэффициент отражения традиционных монохроматоров - может стать использование активных монохроматоров. Такие монохроматоры представляют собой стандартные кристаллические монохроматоры с накладываемыми на них разнообразными внешними воздействиями. Такими воздействиями могут быть постоянные электрические поля, упругие деформации, температурный градиент, акустические поля и т.д.

Использование подобных элементов позволяет увеличить светимость монохроматических источников РИ основанных на дифракции, осуществлять управление и транспортировку пучков РИ с минимальными потерями. Кроме того, при контролируемом внешнем воздействии, появляется возможность управления во времени и в пространстве интенсивностью отраженного пучка.

Разрабатываемые в рамках проекта модули на основе 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 полученного пучка РИ.

В результате исследования технического уровня способов и устройств для управления пространственно-временными параметрами пучков РИ пришли к выводам, что:

- по большинству технико-экономических показателей объекты разработки не уступают обнаруженным в процессе патентного поиска отечественным и зарубежным аналогам;

- обнаруженные аналоги не обладают в полном составе функциями объектов разработки, а лишь реализуют их частично.

Пристального внимания заслуживают изобретения по патентам FR 2760889, RU 2201631 и авторским свидетельствам SU 1327716, SU 1814084, которые основаны на управляемом воздействии на среду оптического элемента, что позволяет динамически изменять пространственно-временные характеристики проходящих рентгеновских пучков.

Способ управления временными характеристиками интенсивности рентгеновского излучения по авторскому свидетельству SU 1327716 совместно с коллимирующим монохроматором рентгеновского излучения по авторскому свидетельству SU 1814084 могут быть использованы в качестве прототипов при разработке способа пространственно-временного и оптимального управления монохроматическими пучками РИ в устройствах медицинской диагностики.

Дальнейшее обеспечение практического эффекта от новых технологий управления параметрами рентгеновских пучков зависит от уменьшения эффекта поглощения излучения, приводящего к сильному нагреву элементов оптики под воздействием интенсивных рентгеновских пучков, и как следствие - к потере заданных свойств.

1.4 Обоснование выбора оптимального варианта направления исследований

По результатам патентных исследований и аналитического обзора литературы были сформулированы:

Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект - исследование процесса прохождения рентгеновского излучения через пьезоэлектрический кристалл в присутствии объемных акустических волн.

Конкретные фундаментальные задачи в рамках проблемы, на решение которых направлен проект: выявление закономерностей влияния объемных акустических волн на процесс когерентного рассеяния РИ, в частности, исследование коэффициентов поглощения и отражения; теоретические и экспериментальные исследования характеристик проходящего в направлении падения и дифрагированного рентгеновского пучка; разработка научных основ адаптивных элементов оптики РИ; адаптация разработанных элементов рентгеновской оптики к источникам рентгеновского излучения от рентгеновской трубки до источника синхротронного излучения 3 поколения.

Предлагаемые методы и подходы. Общий план работ на весь срок выполнения проекта:

Этап I:

- полноценный обзор проделанных работ в области дифракции рентгеновских лучей на пьезоэлектрических образцах в геометрии Лауэ при наличии внешних воздействий за период с 2000 до 2011 гг.;

- патентное исследование;

- по результатам обзора и патентного исследования корректировка выбранного направления исследований;

- разработка технического предложения на разработку модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа;

- заказ, подготовка образцов и оборудования необходимые для экспериментальных исследований;

- автоматизация ряда узлов и регистрирующих приборов.

Этап II:

- разработка и изготовление добротных кварцевых резонаторов разных толщин, приспособление линейного и кругового движения соответствующей точности для создания экспериментальных образцов;

- проведение предварительных экспериментальных исследований процесса когерентного рассеяния РИ в монокристалле кварца с объемными акустическими волнами;

- анализ результатов исследований в рамках существующих теорий;

- обоснование выбранного технического решения;

- разработка эскизной документации;

- изготовление компактных генераторов и усилителей для возбуждения акустических волн в пьезоэлектрических образцах.

Этап III:

- определение оптимальных параметров кристалла и акустического воздействия для изготовления модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального экспресс анализа;

- детальное исследование влияния акустических полей в кристаллах на коэффициент поглощения (эффект прозрачности) и отражения РИ в изготовленных модулях;

- проведение экспериментальных работ необходимых для тестирования базовых элементов рентгеновской оптики, коррекция и модификация системы для освобождения от недостатков, выявленных в процессе тестирования.

Этап IV:

- исследование прямой и обратной задачи рассеяния рентгеновских лучей в кристаллах со сверхрешеткой в зависимости от ее параметров;

- создание баз данных необходимых для разработки дифрактометра и спектрометра нового поколения (спектры поглошения, структурные факторы монокристаллов и т.д.);

- создание прототипа дифрактометра и спектрометра нового поколения с использованием новых элементов рентгеновской оптики;

- разработка рекомендаций по использованию результатов НИР;

- оценка перспектив использования разработанных элементов для управления рентгеновскими пучками для медицинских целей.

Ожидаемые в конце 2013 года научные результаты:

- обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР;

- теоретическое исследование путей создания модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа;

- результаты расчетов, имитационного моделирования когерентного рассеяния РИ в кристаллах кварца со сверхрешеткой;

- экспериментальный образец модуля на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа;

- эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы;

- лабораторные образцы адаптивных элементов рентгеновской оптики;

- стенд для экспериментальных исследований параметров разработанных элементов рентгеновской оптики;

- методики испытаний программных и физических модулей стенда для спектральных и дифракционных экспериментальных исследований;

- результаты экспериментальных исследований;

- технология динамического управления параметрами монохроматического рентгеновского пучка;

- технология получения интенсивных монохроматических пучков РИ;

- технология уменьшения радиационного нагрева оптических элементов;

- заявки на получение международных патентов и патентов РФ;

- проект Технического задания на проведение ОКР по созданию опытных промышленных образцов элементов адаптивной рентгеновской оптики;

- предложения и рекомендации по внедрению разработанных модулей на основе активного кварцевого элемента для фазоконтрастного и сверхразрешающего спектрального рентгеновского экспресс анализа на малогабаритных ускорителях для получения интенсивных монохроматических пучков рентгеновского излучения для целей медицинской диагностики;

- концепция прототипов новых суперярких и сверхразрещающих лабораторных дифрактометров и спектрометров с использованием новых элементов адаптивной рентгеновской оптики.

Результаты работ будут использованы в образовательном процессе, в том числе для подготовки кадров высшей квалификации.

Все ожидаемые результаты будут апробированы на международных конференциях, симпозиумах и опубликованы в реферируемых журналах.

Перечень основного оборудования и материалов, имеющихся у коллектива для выполнения проекта:

- Рентгеновский аппарат РАП 60-25 постоянного действия, с энергией РИ до 60 кэВ;

- Рентгеновский аппарат РАП 160-5 импульсный, с энергией РИ с до 160 кэВ;

- детекторы РИ БДЕР-КИ-11К с разрешением порядка 2% на линии 8 кэВ;

- детекторы сцинтилляционные;

- дистанционно управляемое внешнее гониометрического устройство для ориентирования кристаллических монохроматоров относительно оси первичного пучка РИ. Гониометр имеет три вращательные степени свободы с точностью ориентации углов не хуже 0,5 мрад, и три поступательные с точностью ориентации 0,5 мм;

- кварцевые монохроматоры диаметром 15 мм, толщиной 0,9, 0,65 и 0,3 мм;

- широкополосный генератор сигналов произвольной формы WW5061;

- электронные ускорители микротрон с энергией электронов 5,6 МэВ и бетатроны на энергию 6, 18 и 30 МэВ;

- 10 персональных компьютера;

- суперкомпьютерный кластер «СКИФ-политех», на основе двуядерных процессоры Intel Xeon 515 с пиковой производительностью 1 Tflops.

Модель генерации РИ электронным пучком ускорителя

Для оценки перспектив использования разрабатываемых просветленных элементов рентгеновской оптики и основных требований к малогабаритным ускорителям, для реализации на их основе компактных источников монохроматического РИ, была разработана компьютерная модель процесса взаимодействия электронных пучков с аморфными мишенями.

Для оптимизации затрат на физическое моделирование источника РИ целесообразно провести компьютерное моделирование спектрально-угловых характеристик РИ, рожденное в аморфной мишени электронным пучком. Для этих целей была разработана модель процесса генерации РИ с использованием физических и математических библиотек Geant4 и CLHEP, соответственно. На рисунке 6 приведена схема моделируемого эксперимента.

Рисунок 6 - Схема моделируемого эксперимента по генерации РИ из аморфной мишени пучком электронов

В качестве примера, выбрана мишень из Mo толщиной 100 мкм и поперечными размерами 20Ч20 мм² на которую падает пучок электронов с энергией 6 МэВ, который рождает в ней поток РИ. Детектор с поперечными размерами 20Ч20 мм² (размер пикселя 0,5Ч0,5 мм²) установлен на расстоянии 350 мм. Воздух из рассматриваемой области откачан. Задача состоит в моделировании спектрального распределения фотонов РИ.

Проект состоит из следующих 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

Далее следует описание содержимого каждого файла.

Файл Mo-6MeV.cc

Программа на GEANT4 должна содержать определение нескольких основных классов, которые заключают в себя всю специфику конкретной задачи, и регистрацию этих классов в специальном объекте G4RunManager, который и управляет процессом моделирования. В число этих классов входят как обязательные:

· G4VUserDetectorConstruction, содержащий определение геометрии установки, и, обычно, определение используемых материалов и назначение чувствительных областей;

· G4VPhysicsList, подключающий моделирование интересующих физических процессов;

· G4VUserPrimaryGeneratorAction, описывающий источник первичных частиц в моделировании;

так и необязательные классы, без которых моделирование возможно: G4UserRunAction, G4UserEventAction и G4UserSteppingAction, позволяющие модифицировать поведение GEANT4 на том или ином этапе моделирования.

Определение каждого класса помещается в соответствующий отдельный файл, а в главном 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 списке подключаемых файлов сначала перечислены системные, входящие в состав GEANT4 и компилятора, а затем заголовочные файлы текущего проекта. Они отличаются способом задания имени: не в угловых скобках <>, а в кавычках. Эти файлы размещены 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»;

Далее следует определение класса RunAction, который наследуется от класса G4UserRunAction и содержит функцию-член BeginOfRunAction, которая автоматически вызывается в начале каждого запуска. Для простоты определение этого класса не вынесено в отдельные файлы, а целиком приведено в Mo-6MeV.cc.

class RunAction: public G4UserRunAction

{

public:

void BeginOfRunAction (const G4Run* aRun)

{

G4cout << «### Run» << aRun->GetRunID() << «start.» << G4endl;

}

};

Далее следует определение функции main(). Здесь происходит инициализация GEANT4 и все остальные вспомогательные действия.

int main (int argc, char** argv)

{

Установка экземпляра класса SteppingVerbose, который отвечает за печать подробной информации о каждом шаге частиц в процессе моделирования. Степень детализации выводимой информации зависит от числового параметра /stepping/verbose в файле run.mac или vis.mac, 0 соответствует минимально подробной, а 9 максимально подробной информации о каждом шаге. Класс SteppingVerbose определен в файлах SteppingVerbose.hh и SteppingVerbose.cc. Оператор new создает объект - экземпляр этого класса и возвращает указатель на созданный объект.

G4VSteppingVerbose: SetInstance (new SteppingVerbose);

Настройка генератора случайных чисел. По умолчанию он возвращает одну и ту же последовательность случайных чисел, что удобно при отладке. Для генерирования более случайных последовательностей требуется задавать так называемое зерно (seed), которое в данном случае задается как сумма текущего времени в секундах. Это дает достаточно удовлетворительную случайность.

CLHEP: HepRandom:setTheSeed (time(0));

Далее создается объект G4RunManager, который управляет запуском и остановкой моделирования.

G4RunManager * runManager = new G4RunManager;

Создается объект DetectorConstruction (см. класс DetectorConstrucion в файле DetectorConstruction.hh) и регистрируется в G4RunManager.

DetectorConstruction* detector_c = new DetectorConstruction;

runManager->SetUserInitialization (detector_c);

Так же создается и регистрируется в G4RunManager пакет физических процессов PhysicsList (см. соответствующие файлы).

G4VUserPhysicsList *p = new PhysicsList;

runManager->SetUserInitialization(p);

Создается и инициализируется объект класса G4VisExecutive, который позволяет различными способами 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 метод G4RunManager: Initialize() и процесс инициализации GEANT4 завершается.

runManager->Initialize();

Печать информации о зарегистрированных материалах.

cout<< "======================================"<<endl;

cout<< *(G4Material: GetMaterialTable()) << endl;

cout<< "======================================"<<endl;

Через объект класса G4UImanager производится выполнение макрокоманд из файла run.mac или vis.mac (на него указывает определенная выше переменная macros). Это удобно, потому что при изменении run.mac или vis.mac не нужно перекомпилировать всю программу. В run.mac или vis.mac находятся команды, непосредственно запускающие моделирование.

G4UImanager * UI = G4UImanager: GetUIpointer();

G4UIsession * session = new G4UIterminal();

UI->ExecuteMacroFile(macros);

После окончания моделирования освобождается память.

delete session;

delete visManager;

delete runManager;

return 0;

}

Класс DetectorConstruction

Геометрические характеристики моделирования в GEANT4 задаются через класс G4VUserDetectorConstruction. Чтобы сделать это, необходимо определить класс, наследующий G4VUserDetectorConstruction и определить в нем функцию Construct(), которая будет автоматически вызвана на этапе инициализации.

Объявление класса DetectorConstruction находится в файле DetectorConstruction.hh.

DetectorConstruction.hh

В начале файла находится так называемый include guard, необходимый во всех заголовочных файлах.

#ifndef DetectorConstruction_h

#define DetectorConstruction_h 1

Подключение заголовочных файлов GEANT4. В GEANT4 используется следующее соглашение: каждый класс объявляется в отдельном файле, и имя файла совпадает с именем 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 внешнему объему в геометрии GEANT4, внутри которого находится вся моделируемая установка. Этот объем можно было бы создать 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.

Далее идет объявление конструктора и деструктора класса DetectorConstruction - функций, которые автоматически вызываются при создании и уничтожении объекта.

public:

DetectorConstruction();

~DetectorConstruction();

Функция Construct заключает в себе основную функциональность класса DetectorConstruction. Она создает геометрию и материалы.

G4VPhysicalVolume* Construct();

protected:

Также объявляется защищенная переменная-указатель на World. Она будет проинициализированна позднее.

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;

Здесь определяется макрос Mat(), для того чтобы сократить запись: теперь вместо того чтобы писать G4NistManager: Instance()->FindOrBuildMaterial («G4_Mo») достаточно написать Mat («G4_Mo»). При этом будет произведена инициализация соответствующего материала в базе данных GEANT4.

#define Mat(x) (G4NistManager: Instance()->FindOrBuildMaterial(x))

Определение конструктора класса World. Он принимает четыре параметра: ширину, высоту, глубину и материал, и создает в качестве материнского объема 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);

}

Далее определяются конструктор и деструктор DetectorConstruction.

DetectorConstruction:~DetectorConstruction(){}

Основную работу в DetectorConstruction выполняет функция Construct()

G4VPhysicalVolume* DetectorConstruction: Construct()

{

Для начала создается материнский объем размером 10Ч10Ч10 см., «заполненный» вакуумом.

world = new World (5*cm, 5*cm, 5*cm, Mat («G4_Galactic»));

Затем создается мишень-конвертор толщиной 100 мкм (2*0,05*mm).

G4Box *solidTgt = new G4Box («solidTgt», 10*mm, 10*mm, 0.05*mm);

На следующем этапе создается логический объем G4LogicalVolume, который содержит информацию о материале и магнитных свойствах среды. В данном случае никаких магнитных свойств нет.

G4LogicalVolume *logiclTgt = new G4LogicalVolume (solidTgt, Mat («G4_Mo»), «logiclTgt»);

Третий этап - это физический объем, в котором содержится информация о положении объекта относительно материнского, то есть World. Здесь оно задается вектором G4ThreeVector (0, 0, 0), то есть в центре.

G4PVPlacement *physilTgt = new G4PVPlacement (0, G4ThreeVector (0,0,0), logiclTgt, «physilTgt», world->getLogic(), false, 0);

Аналогично создается объем детектора 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 чтобы детектор реагировал на попадание частиц, он должен быть назначен так называемой чувствительной областью. Для этой цели в G4LogicalVolume есть специальное поле SensitiveDetector, которое содержит указатель на объект класса G4VSensitiveDetector. Этот объект автоматически вызывается каждый раз, когда очередной шаг моделирования частицы попадает внутри данного объема. Соответствующим образом, программируя класс SensitiveDetector можно получать выходные данные моделирования (см. раздел SensitiveDetector далее).

SensitiveDetector *detector = new SensitiveDetector («SensitiveDetector»);

Объект SensitiveDetector должен быть зарегистрирован в G4SDManager.

G4SDManager* SDman = G4SDManager: GetSDMpointer();

SDman->AddNewDetector(detector);

Здесь SensitiveDetector сопоставляется детектору.

logicDet->SetSensitiveDetector(detector);

Стенки объекта World делаются прозрачными, чтобы не мешали при визуализации, а мишень окрашивается в синий цвет.

world->getLogic()->SetVisAttributes (G4VisAttributes: Invisible);

logiclTgt->SetVisAttributes (G4VisAttributes:

G4VisAttributes (G4Colour: Blue()));

В конце успешно выполнившаяся функция Construct должна возвратить указатель на физический объем объекта World.

return world->getPhysic();

}

SenstiveDetector

Объекты SensitiveDetector обрабатывают информацию о каждом шаге моделирования внутри области геометрии, которой они назначены.

SensitiveDetector.hh

#ifndef SENSITIVEDETECTOR

#define SENSITIVEDETECTOR

#include<G4VSensitiveDetector.hh>

class G4Step;

class G4TouchableHistory;

Здесь объявляется класс SensitiveDetector. В данном случае он должен собирать спектрально-угловую информацию фотонов РИ, которые попали в детектор. Рассчитываются гистограммы, а затем значения из столбцов записываются в текстовые файлы.

class SensitiveDetector: public G4VSensitiveDetector

{

private:

Число столбцов в гистограмме спектра.

static const int NOBINS = 6000;

Максимальный и минимальный 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 детектора 20*20 мм² разбита на 1600 пикселей, каждый размером по 0,5*0,5 мм².

int histogrampmd[1600];

Временная переменная в которую записывается значение энергии фотона.

double accenergy;

Переменная в которую записывается интегральное значение фотонов.

int phN;

public:

SensitiveDetector (G4String name);

~SensitiveDetector();

G4bool ProcessHits (G4Step *step, G4TouchableHistory *hist);

void EndOfEvent (int nEvent);

};

#endif /* SENSITIVEDETECTOR */

SensitiveDetector.cc

В начале, все как обычно: подключаются используемые библиотечные классы.

#include<G4Step.hh>

#include<fstream>

#include<iostream>

#include "SensitiveDetector.hh»

using namespace std;

Конструктор класса SensitiveDetector. Он принимает в качестве параметра имя, которое имеет тип G4String. При создании объекта это записывается так: new SensitiveDetector («a name»). Кроме того здесь же инициализируются константы, задающие верхний и нижний предел на графике. Потом 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(). Всякий раз, когда очередной шаг моделирования попадает в объем, которому принадлежит данный SensitiveDetector, вызывается эта функция.

G4bool SensitiveDetector: ProcessHits (G4Step *step, G4TouchableHistory *hist)

{

Получаем имя частицы, чтобы выделить только фотоны.

G4Track* track = step -> GetTrack();

G4String particleName = track->GetDefinition()->GetParticleName();

if (particleName == «gamma»)

{

Затем увеличиваем переменную phN на единицу и получаем параметры частицы - полную энергию частицы 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;

Теперь мы заносим полученные значения в гистограммы. Эта задача сводится к увеличению на 1 столбца гистограммы, соответствующего данной энергии или 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 частицу, чтобы не регистрировать ее дважды. При этом частица выводится из моделирования.

step->GetTrack()->SetTrackStatus(fStopAndKill);

}

return true;

}

Деструктор ~SensitiveDetector. Эта функция вызывается автоматически при удалении объекта, поэтому здесь удобно разместить вывод результатов в файл.

SensitiveDetector:~SensitiveDetector()

{

Создаем поток, вывод которого направляется в файл spectrum.dat.

std:ofstream file («spectrum.dat»);