Коллиматор

Пример коллиматора частиц

Коллиматор — это устройство , сужающее пучок частиц или волн. Сужение может означать либо то, что направления движения становятся более выровненными в определенном направлении (т. е. создание коллимированного света или параллельных лучей), либо уменьшение пространственного сечения луча ( устройство ограничения луча ).

История

Английский физик Генри Катер был изобретателем плавающего коллиматора , оказавшего большую услугу практической астрономии. О своем изобретении он сообщил в январе 1825 года. В своем докладе Катер упомянул предыдущие работы в этой области Карла Фридриха Гаусса и Фридриха Бесселя .

Оптические коллиматоры

Основная статья: Коллимированный свет

Пример оптического коллиматора с колбой, диафрагмой (А) и плоско-выпуклой линзой (Л).

В оптике коллиматор может состоять из изогнутого зеркала или линзы с каким-либо источником света и/или изображением в фокусе . Это можно использовать для воспроизведения цели, сфокусированной на бесконечности, или без него с небольшим параллаксом .

В освещении коллиматоры обычно разрабатываются с использованием принципов невизуальной оптики .

Оптические коллиматоры можно использовать для калибровки других оптических устройств. чтобы проверить, выровнены ли все элементы на оптической оси , установить правильную фокусировку элементов или выровнять два или более устройств, таких как бинокль или стволы оружия и прицелы . Геодезическую камеру можно коллимировать, установив ее фидуциарные маркеры так, чтобы они определяли главную точку, как в фотограмметрии .

Оптические коллиматоры также используются в качестве прицелов в коллиматорном прицеле , который представляет собой простой оптический коллиматор с перекрестием или какой-либо другой сеткой в ​​фокусе. Зритель видит только изображение сетки. Пользоваться им приходится либо обоими открытыми глазами и глядя одним глазом в коллиматорный прицел, либо открытым одним глазом и двигая головой, чтобы попеременно видеть прицел и цель, либо одним глазом, чтобы частично видеть одновременно прицел и цель. время. Добавление светоделителя позволяет зрителю видеть сетку и поле зрения , превращая прицел в отражатель .

Коллиматоры могут использоваться с лазерными диодами и на CO ₂ режущими лазерами . Правильную коллимацию лазерного источника с достаточно большой длиной когерентности можно проверить с помощью интерферометра сдвига .

Рентгеновские, гамма- и нейтронные коллиматоры

Коллиматоры, используемые для регистрации гамма-лучей и нейтронов во время ядерных испытаний.

В рентгеновской оптике , гамма- оптике и нейтронной оптике коллиматор — это устройство, которое фильтрует поток лучей так, что пропускаются только те, которые движутся параллельно заданному направлению. Коллиматоры используются для рентгеновской, гамма- и нейтронной визуализации, поскольку эти типы излучения трудно сфокусировать в изображение с помощью линз, как это обычно бывает с электромагнитным излучением на оптических или околооптических длинах волн. Коллиматоры также используются в детекторах радиации на атомных электростанциях, чтобы сделать их чувствительными к направлению.

Приложения

Как коллиматор Зеллера фильтрует поток лучей. Вверху: без коллиматора. Внизу: с коллиматором.

На рисунке справа показано, как коллиматор Зеллера используется в нейтронных и рентгеновских аппаратах. На верхней панели показана ситуация, когда коллиматор не используется, а на нижней панели представлен коллиматор. На обеих панелях источник излучения находится справа, а изображение записано на серой пластинке слева от панелей.

Без коллиматора будут регистрироваться лучи со всех направлений; например, луч, прошедший через верхнюю часть образца (справа от диаграммы), но движущийся вниз, может быть зарегистрирован в нижней части пластины. Полученное изображение будет настолько размытым и нечетким, что станет бесполезным.

На нижней панели рисунка добавлен коллиматор (синие полосы). Это может быть лист свинца или другого материала, непрозрачного для падающего излучения, со множеством крошечных отверстий, просверленных в нем, или, в случае нейтронов, это может быть сэндвич-конструкция (длина которой может достигать нескольких футов; см. ENGIN-X ) с множество слоев, чередующихся между материалом, поглощающим нейтроны (например, гадолинием ), и материалом, передающим нейтроны. Это может быть что-то простое, например воздух; альтернативно, если необходима механическая прочность, можно использовать такой материал, как алюминий. Если он является частью вращающегося узла, сэндвич может быть изогнут. Это позволяет выбирать энергию в дополнение к коллимации; кривизна коллиматора и его вращение будут представлять прямой путь только для одной энергии нейтронов. Через них пройдут только лучи, идущие почти параллельно отверстиям, а все остальные будут поглощены при попадании на поверхность пластины или на стенку отверстия. Это гарантирует, что лучи будут записаны в нужном месте на пластине, создавая четкое изображение.

Для промышленной рентгенографии с использованием источников гамма-излучения, таких как иридий-192 или кобальт-60 , коллиматор (устройство ограничения луча) позволяет рентгенологу контролировать экспозицию излучения для экспонирования пленки и создания рентгенограммы, проверки материалов на наличие дефектов. Коллиматор в этом случае чаще всего изготавливается из вольфрама и оценивается в зависимости от того, сколько слоев половинного значения он содержит, т. е. во сколько раз он вдвое уменьшает нежелательное излучение. Например, тончайшие стенки по бокам вольфрамового коллиматора 4 HVL толщиной 13 мм (0,52 дюйма) снизят интенсивность проходящего через них излучения на 88,5%. Форма этих коллиматоров позволяет излучаемому излучению свободно перемещаться к образцу и рентгеновской пленке, блокируя при этом большую часть излучения, испускаемого в нежелательных направлениях, например, в сторону работников.

Ограничения

Коллиматор нейтронного Вашингтонского университета потока, циклотрон

Хотя коллиматоры улучшают разрешение , они также снижают интенсивность , блокируя входящее излучение, что нежелательно для инструментов дистанционного зондирования, требующих высокой чувствительности. По этой причине гамма-спектрометр на « Марсианской Одиссее» является неколлимированным инструментом. Большинство свинцовых коллиматоров пропускают менее 1% падающих фотонов. Предпринимались попытки заменить коллиматоры электронным анализом.

В лучевой терапии

Коллиматоры (устройства ограничения пучка) используются в линейных ускорителях, используемых для лучевой терапии. Они помогают формировать луч излучения, выходящий из машины, и могут ограничивать максимальный размер поля луча.

Лечебная головка линейного ускорителя состоит из первичного и вторичного коллиматора. Первичный коллиматор устанавливается после того, как электронный луч достиг вертикальной ориентации. При использовании фотонов он размещается после того, как луч прошел через рентгеновскую мишень. Вторичный коллиматор располагается после сглаживающего фильтра (для фотонной терапии) или рассеивающей фольги (для электронной терапии). Вторичный коллиматор состоит из двух губок, которые можно перемещать, увеличивая или уменьшая размер поля воздействия.

Новые системы, включающие многолепестковые коллиматоры (MLC), используются для дальнейшего формирования луча для локализации полей воздействия при лучевой терапии. MLC состоят примерно из 50–120 листов тяжелых металлических коллиматорных пластин, которые скользят на место, образуя поле желаемой формы.

Вычисление пространственного разрешения

Чтобы найти пространственное разрешение коллиматора с параллельными отверстиями с длиной отверстия, $l$, диаметр отверстия $D$ и расстояние до изображаемого объекта $s$, можно использовать следующую формулу $$R_{\text{collimator}}=D+{\frac {Ds}{l_{\text{effective}}}}$$ где эффективная длина определяется как $$l_{\text{effective}}=l-{\frac {2}{\mu }}$$ Где $\mu$ – линейный коэффициент затухания материала, из которого изготовлен коллиматор.

См. также

• Автоколлимация
• Автоколлиматор
• Коллимированный свет
• полость
• Неизображающая оптика
• Морда в освещении
• Рефлекторный прицел в кабине истребителя