Протонный микроскоп на ускорительном комплексе ТВН-ИТЭФ

Внедрение: 2014 г.

На ускорительном комплексе ТВН-ИТЭФ (тераваттном накопителе института теоретической и экспериментальной физики) создана протонно-радиографическая установка с применением магнитной оптики (протонный микроскоп ПУМА), которая позволяет проводить измерения распределения плотности вещества внутри статических и динамических объектов с помощью пучка протонов с энергией 800 МэВ при проведении фундаментальных и прикладных исследований в области физики высокой плотности энергии в веществе, радиобиологии и материаловедения [1]. Протонно-радиографическое изображение изучаемого объекта, помещенного в предметную плоскость установки, формируется в плоскости детектора с коэффициентом увеличения K = 4 с помощью магнитооптической системы, состоящей из четырех квадрупольных линз на постоянных магнитах. Для решения задачи управления магнитооптической системой был использован модуль E14-140.

Протонный микроскоп ПУМА создан на быстром выводе пучка протонов ускорительно-накопительного комплекса ТВН-ИТЭФ и является частью многофункционального экспериментального комплекса ПРИМА. При проектировании использовались квадрупольные линзы на постоянных магнитах (п.м.к.), имеющие высокий градиент магнитного поля при малых геометрических размерах. Схема магнитной оптики всей установки представляет собой систему из 7 магнитных квадрупольных линз (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема расположения магнитных элементов и траектория пучка протонного микроскопа ПУМА.

Три электромагнитные квадрупольные линзы МЛ-15 (1–3) обеспечивают оптимальные параметры (размер и угловые характеристики) протонного пучка в плоскости размещения исследуемого объекта М и частично компенсируют аберрации установки. Для формирования и увеличения изображения объекта в плоскости регистрации И используется система из четырех п.м.к.-линз (4–7). Настройка резкости изображения производится продольным перемещением п.м.к.-линз.

Определение плотности в исследуемом объекте производится после обработки радиографических изображений, получаемых с помощью регистрации на п.з.с.-камеры по свечению сцинтиллятора, расположенного в плоскости регистрации. Процедура обработки протонно-радиографических изображений представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Процедура обработки радиографических изображений.

На первом этапе обработки из полученного протонно-радиографического изображения вычитается «черный фон» – изображение, полученное п.з.с.-камерой в отсутствие пучка. Далее производится деление полученного изображения на изображение «белое поле», полученное в отсутствие объекта, из которого так же было вычтено изображение «черного фона». Таким образом, получаем изображение исследуемого объекта в единицах трансмиссии пучка протонов. Ее величина в плоскости регистрации определяется процессами ядерного взаимодействия и многократного кулоновского рассеяния в объекте.

Перемещение п.м.к.-линз осуществляется с помощью системы из четырех линейных манипуляторов, состоящих из линейных актуаторов и шаговых двигателей, обладающих точностью 50 мкм. Четыре п.м.к.-линзы установлены на общий рельс и перемещаются с помощью линейных актуаторов, установленных по разные стороны от рельса. Диапазон перемещения каждой магнитной квадрупольной линзы 250 мм, скорость перемещения 1 мм/c. Для управления манипуляторами п.м.к.линз служит контроллер на основе USB-модуля E14-140. Для управления перемещением линз с персонального компьютера в среде программирования Delphi была разработана программа PROTOM, позволяющая осуществлять установку п.м.к.-линз в требуемое положение как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Рисунок 3. Схема аппаратного обеспечения протонного микроскопа ПУМА.

Рисунок 4. Внешний вид установки – протонный микроскоп ПУМА.

Рисунок 5. Отдельный модуль квадрупольной линзы протонного микроскопа (слева) и готовые п.м.к.-линзы протонного микроскопа (справа).

Созданный в ИТЭФ протонный микроскоп ПУМА позволяет проводить протонно-радиографические исследования статических объектов с полем зрения 20 мм и пространственным разрешением от 60 до 115 мкм в диапазоне массовых толщин объекта от 0,46 до 17 г/см² соответственно. Проведен ряд экспериментов по исследованию статических и динамических объектов с массовой толщиной до 20 г/см². Характеристики пространственного разрешения установки ПУМА находятся на уровне характеристик существующего в LANSCE (США) протонного микроскопа. Экспериментальные данные, полученные на установке ПУМА, будут использованы при разработке высокоточного протонного микроскопа PRIOR для проекта FAIR в Дармштадте (Германия).

Источник: 

Канцырев А.В., Голубев А.А., Богданов А.В., Демидов В.С., Демидова Е.В., Ладыгина Е.М., Марков Н.В., Скачков В.С., Смирнов Г.Н., Рудской И.В., Кузнецов А.П., Худомясов А.В., Шарков Б.Ю., Дудин С.В., Колесников С.А., Минцев В.Б., Николаев Д.Н., Терноаой В.Я., Уткин А.В., Юрьев Д.С., Шилкин Н.С., Фортов В.Е., Туртиков В.И., Бурцев В.В., Жерноклетов М.В., Завьялов Н.В., Картанов С.А., Михайлов А.Л., Руднев А.В., Таценко М.В., Варенцов Д.В., Шестов Л.М. Протонный микроскоп на ускорительном комплексе ТВН-ИТЭФ // Приборы и техника эксперимента. – 2014. – № 1. – С. 5-14.

Разработчик: ГНЦ РФ ИТЭФ