Коллиматор - Collimator

Пример коллиматора частиц

А коллиматор это устройство, которое сужает пучок частиц или волн. Сужение может означать, что направления движения становятся более выровненными в определенном направлении (т.е. коллимированный свет или же параллельно лучей), или вызвать пространственное поперечное сечение пучка стать меньше (устройство ограничения луча).

История

Английский физик Генри Катер был изобретателем плавающий коллиматор, оказавшее большую услугу практической астрономии. Он сообщил о своем изобретении в январе 1825 года.^[1] В своем отчете Катер упомянул предыдущую работу в этой области. Карл Фридрих Гаусс и Фридрих Бессель.

Оптические коллиматоры

Основная статья: Коллимированный свет

Пример оптического коллиматора с колбой, апертурой (A) и плосковыпуклой линзой (L)

В оптика, коллиматор может состоять из изогнутое зеркало или же линза с каким-либо источником света и / или изображением на его фокус. Это можно использовать для воспроизведения цели, ориентированной на бесконечность мало или нет параллакс.

В освещение, коллиматоры обычно создаются с использованием принципов не отображающая оптика.^[2]

Оптические коллиматоры могут использоваться для калибровки других оптических устройств,^[3] чтобы проверить, все ли элементы выровнены на оптическая ось, чтобы установить элементы в правильном фокусе или выровнять два или более устройства, например бинокль или же стволы оружия и прицелы.^[4] Съемочную камеру можно коллимировать, установив ее фидуциарные маркеры так что они определяют главную точку, как в фотограмметрия.

Оптические коллиматоры также используются в качестве прицелы в коллиматорный прицел, представляющий собой простой оптический коллиматор с перекрестием или другим сетка в центре внимания. Зритель видит только изображение сетки. Они должны использовать его либо с открытыми глазами и одним глазом, смотрящим в коллиматорный прицел, с одним открытым глазом и перемещением головы, чтобы попеременно видеть прицел и цель, либо одним глазом, чтобы частично видеть прицел и цель одновременно. время.^{[5][требуется разъяснение ]} Добавление Разделитель луча позволяет зрителю видеть сетку и поле зрения, делая отражатель прицел.

Коллиматоры можно использовать с лазерные диоды и CO₂ режущие лазеры. Правильная коллимация лазерного источника с достаточно длинным длина когерентности можно проверить с помощью интерферометр сдвига.

Коллиматоры рентгеновского, гамма-излучения и нейтронов

Коллиматоры используются для регистрации гамма-лучей и нейтронов ядерных испытаний.

В Рентгеновская оптика, гамма-луч оптика и нейтрон оптика, а коллиматор представляет собой устройство, которое фильтрует поток лучей, так что пропускаются только те, которые идут параллельно заданному направлению. Коллиматоры используются для визуализации рентгеновских лучей, гамма-лучей и нейтронов, потому что трудно сфокусировать эти типы излучения в изображение с помощью линз, как это обычно бывает с электромагнитное излучение на оптических или близких к оптических длинах волн. Коллиматоры также используются в детекторах излучения в атомные электростанции сделать направленную чувствительность.

Приложения

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

На рисунке справа показано, как коллиматор Зёллера используется в нейтронных и рентгеновских аппаратах. Верхняя панель показывает ситуацию, когда коллиматор не используется, а нижняя панель представляет собой коллиматор. На обеих панелях источник излучения находится справа, а изображение записывается на серой пластине слева от панелей.

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

В нижней части рисунка добавлен коллиматор (синие полосы). Это может быть лист свинца или другого материала, непрозрачного для поступающего излучения с множеством крошечных отверстий, просверленных в нем, или, в случае нейтронов, это может быть сэндвич-конструкция (длина которой может достигать нескольких футов - см. ДВИГАТЕЛЬ-X ) со многими слоями, чередующимися между поглощающим нейтроны материалом (например, гадолиний ) с нейтронопередающим материалом. Это может быть что-то простое, например воздуха. или, если требуется механическая прочность, можно использовать алюминий. Если это часть вращающегося узла, сэндвич может быть изогнутым. Это дает возможность выбора энергии в дополнение к коллимации - кривизна коллиматора и его вращение будут представлять прямой путь только для нейтронов с одной энергией. Только лучи, которые проходят почти параллельно отверстиям, будут проходить через них - любые другие будут поглощены при попадании на поверхность пластины или на сторону отверстия. Это гарантирует, что лучи будут записаны в нужном месте на пластине, создавая четкое изображение.

За промышленная радиография с использованием источников гамма-излучения, таких как иридий-192 или же кобальт-60 коллиматор (устройство ограничения луча) позволяет рентгенологу контролировать воздействие излучения для экспонирования пленки и создания рентгеновского снимка для проверки материалов на наличие дефектов. Коллиматор в этом случае чаще всего изготавливается из вольфрам, и оценивается в зависимости от того, сколько половинных слоев он содержит, то есть во сколько раз он вдвое снижает нежелательное излучение. Например, самые тонкие стенки по бокам вольфрамового коллиматора 4 HVL толщиной 13 мм (0,52 дюйма) уменьшат интенсивность проходящего через них излучения на 88,5%. Форма этих коллиматоров позволяет испускаемому излучению свободно перемещаться к образцу и рентгеновской пленке, блокируя большую часть излучения, которое испускается в нежелательных направлениях, например, на рабочих.

Ограничения

Коллиматор для нейтрон поток, Вашингтонский университет циклотрон

Хотя коллиматоры улучшают разрешающая способность, они также уменьшают интенсивность за счет блокировки входящего излучения, что нежелательно для приборов дистанционного зондирования, требующих высокой чувствительности. По этой причине гамма-спектрометр на Марс Одиссея не коллимированный инструмент. Большинство свинцовых коллиматоров пропускают менее 1% падающих фотонов. Предпринимались попытки заменить коллиматоры электронным анализом.^{[нужна цитата ]}

В лучевой терапии

Коллиматоры (ограничители пучка) используются в линейные ускорители используется для лучевая терапия лечения. Они помогают формировать луч излучения, выходящего из машины, и могут ограничивать максимальный размер поля луча.

Лечебная головка линейного ускорителя состоит из первичного и вторичного коллиматоров. Первичный коллиматор устанавливается после того, как электронный луч достиг вертикальной ориентации. При использовании фотонов он помещается после того, как луч прошел через рентгеновскую мишень. Вторичный коллиматор располагается либо после сглаживающего фильтра (для фотонной терапии), либо после рассеивающей фольги (для электронной терапии). Вторичный коллиматор состоит из двух зажимов, которые можно перемещать для увеличения или уменьшения размера обрабатываемого поля.

Новые системы с участием многолепестковые коллиматоры (MLC) используются для дальнейшей формы луча для локализации полей лечения при лучевой терапии. MLC состоят примерно из 50–120 листов тяжелых металлических коллиматорных пластин, которые скользят на место для формирования поля желаемой формы.

Вычисление пространственного разрешения

Чтобы найти пространственное разрешение коллиматора с параллельными отверстиями с длиной отверстия, ${\displaystyle l}$, диаметр отверстия ${\displaystyle D}$ и расстояние до изображаемого объекта ${\displaystyle s}$, можно использовать следующую формулу

${\displaystyle R_{collimator}=D+{\frac {Ds}{l_{effective}}}}$

где эффективная длина определяется как

${\displaystyle l_{effective}=l-{\frac {2}{\mu }}}$

Где ${\displaystyle \mu }$ - линейный коэффициент затухания материала, из которого изготовлен коллиматор.

Смотрите также

• Автоколлимация
• Автоколлиматор
• Коллимированный свет
• Невизуальная оптика
• Snoot в освещении

Рекомендации

1. Описание плавающего коллиматора. Капитан Генри Катер. Прочтите 13 января 1825 г. [Фил. Пер. 1825, стр. 147.]
2. Чавес, Хулио (2015). Введение в не отображающую оптику, второе издание. CRC Press. ISBN  978-1482206739.
3. "Коллиматоры и автоколлиматоры"Рон Декстер
4. "ВОИС" Магнитный легкий коллиматор"". Архивировано из оригинал на 2009-02-02. Получено 2007-12-18.
5. Элементарная оптика и приложения к приборам управления огнем: май 1921 г. США. Армия. Отдел боеприпасов, стр. 84