Kolimator - Collimator

Przykład kolimatora cząstek

Kolimatora jest urządzeniem, które zwęża się strumień cząstek lub fal. Zwężenie może oznaczać albo spowodowanie wyrównania kierunków ruchu w określonym kierunku (tj. skolimowane światło lub promienie równoległe ), albo spowodowanie zmniejszenia przestrzennego przekroju wiązki ( urządzenie ograniczające wiązkę ).

Historia

Angielski fizyk Henry Kater był wynalazcą pływającego kolimatora , który oddał wielką przysługę praktycznej astronomii. O swoim wynalazku poinformował w styczniu 1825 roku. W swoim raporcie Kater wspomniał o wcześniejszych pracach w tej dziedzinie Carla Friedricha Gaussa i Friedricha Bessela .

Kolimatory optyczne

Przykład kolimatora optycznego z żarówką, aperturą (A) i soczewką płaskowypukłą (L)

W optyce kolimator może składać się z zakrzywionego lustra lub soczewki z pewnym rodzajem źródła światła i/lub obrazu w jego ognisku . Można to wykorzystać do odtworzenia celu skupionego w nieskończoności z niewielką lub bez paralaksy .

W oświetleniu kolimatory są zazwyczaj projektowane z wykorzystaniem zasad optyki nieobrazowej .

Kolimatory optyczne mogą służyć do kalibracji innych urządzeń optycznych, sprawdzenia, czy wszystkie elementy są wyrównane na osi optycznej , ustawienia elementów we właściwym ogniskowaniu lub do wyrównania dwóch lub więcej urządzeń, takich jak lornetki lub lufy pistoletów i celowniki . Kamerę geodezyjną można kolimować, ustawiając jej znaczniki powiernicze tak, aby wyznaczały punkt główny, tak jak w fotogrametrii .

Kolimatory optyczne są również używane jako celowniki pistoletowe w celowniku kolimatorowym , który jest prostym kolimatorem optycznym z krzyżem nitkowym lub inną siatką w jego ognisku. Widz widzi tylko obraz celownika. Muszą go używać albo z otwartymi oczami i jednym okiem patrzącym w celownik kolimatorowy, jednym okiem otwartym i poruszającą głową, aby na przemian widzieć celownik i cel, lub jednym okiem, aby częściowo widzieć celownik i cel jednocześnie czas. Dodanie dzielnika wiązki pozwala widzowi zobaczyć siatkę i pole widzenia , tworząc celownik reflektora .

Kolimatory mogą być stosowane z diodami laserowymi oraz laserami do cięcia CO 2 . Prawidłową kolimację źródła laserowego o wystarczająco długiej koherencji można zweryfikować za pomocą interferometru ścinającego .

Kolimatory rentgenowskie, gamma i neutronowe

Kolimatory używane do rejestrowania promieni gamma i neutronów z próby jądrowej.

W optyce rentgenowskich , gamma Optics oraz neutrony optycznych, A kolimatora jest urządzeniem, które filtruje strumień promieniowania tak, że tylko te podróży równoległych do określonego kierunku, akceptowane. Kolimatory są używane do obrazowania rentgenowskiego, gamma i neutronowego, ponieważ trudno jest skupić te rodzaje promieniowania na obrazie za pomocą soczewek, co jest rutyną w przypadku promieniowania elektromagnetycznego o długości fali optycznej lub prawie optycznej. Kolimatory są również wykorzystywane w detektorach promieniowania w elektrowniach jądrowych, aby nadać im czułość kierunkową.

Aplikacje

Jak kolimator Söller filtruje strumień promieni. Góra: bez kolimatora. Dół: z kolimatorem.

Rysunek po prawej ilustruje, w jaki sposób kolimator Söllera jest używany w maszynach neutronowych i rentgenowskich. Górny panel pokazuje sytuację, w której kolimator nie jest używany, natomiast dolny panel wprowadza kolimator. W obu panelach źródło promieniowania znajduje się po prawej stronie, a obraz jest zapisywany na szarej płycie po lewej stronie paneli.

Bez kolimatora promienie ze wszystkich kierunków będą rejestrowane; na przykład promień, który przeszedł przez górną część próbki (po prawej stronie diagramu), ale zdarza się, że porusza się w dół, może być zarejestrowany na dole płytki. Powstały obraz będzie tak zamazany i niewyraźny, że stanie się bezużyteczny.

W dolnym panelu figury dodano kolimator (niebieskie paski). Może to być arkusz ołowiu lub innego materiału nieprzezroczystego dla nadchodzącego promieniowania z wieloma małymi otworami przewierconymi przez niego lub w przypadku neutronów może to być układ warstwowy (który może mieć długość do kilku stóp - patrz ENGIN-X ) z wiele warstw naprzemiennie pomiędzy materiałem pochłaniającym neutrony (np. gadolinem ) a materiałem przepuszczającym neutrony. Może to być coś prostego, np. powietrze. lub jeśli wymagana jest wytrzymałość mechaniczna, można zastosować aluminium. Jeżeli stanowi to część zespołu obrotowego, kanapka może być zakrzywiona. Pozwala to na dobór energii oprócz kolimacji - krzywizna kolimatora i jego obrót będą przedstawiać prostą drogę tylko do jednej energii neutronów. Przejdą przez nie tylko promienie, które poruszają się prawie równolegle do otworów — wszelkie inne zostaną pochłonięte przez uderzenie w powierzchnię płyty lub bok otworu. Gwarantuje to, że promienie są rejestrowane we właściwym miejscu na płycie, dając wyraźny obraz.

W przypadku radiografii przemysłowej wykorzystującej źródła promieniowania gamma, takie jak iryd-192 lub kobalt-60 , kolimator (urządzenie ograniczające wiązkę) umożliwia radiografowi kontrolowanie ekspozycji na promieniowanie w celu naświetlenia filmu i wykonania zdjęcia rentgenowskiego w celu sprawdzenia materiałów pod kątem wad. Kolimator w tym przypadku jest najczęściej wykonany z wolframu i jest oceniany na podstawie tego, ile zawiera połówkowych warstw wartości, tj. ile razy zmniejsza niepożądane promieniowanie o połowę. Na przykład, najcieńsze ścianki po bokach kolimatora wolframowego 4 HVL o grubości 13 mm (0,52 cala) zmniejszą intensywność przechodzącego przez nie promieniowania o 88,5%. Kształt tych kolimatorów umożliwia swobodne przemieszczanie się emitowanego promieniowania w kierunku próbki i kliszy rentgenowskiej, jednocześnie blokując większość promieniowania emitowanego w niepożądanym kierunku, np. w kierunku pracowników.

Ograniczenia

Kolimator strumienia neutronów , cyklotron University of Washington

Chociaż kolimatory poprawiają rozdzielczość , zmniejszają również intensywność poprzez blokowanie docierającego promieniowania, co jest niepożądane w przypadku instrumentów teledetekcyjnych wymagających wysokiej czułości. Z tego powodu spektrometr promieniowania gamma na Mars Odyssey jest instrumentem niekolimowanym. Większość kolimatorów ołowiowych przepuszcza mniej niż 1% padających fotonów. Podejmowano próby zastąpienia kolimatorów analizą elektroniczną.

W radioterapii

Kolimatory (urządzenia ograniczające wiązkę) stosowane są w akceleratorach liniowych stosowanych w zabiegach radioterapii . Pomagają kształtować wiązkę promieniowania wychodzącą z maszyny i mogą ograniczać maksymalny rozmiar pola wiązki.

Głowica zabiegowa akceleratora liniowego składa się zarówno z kolimatora pierwotnego, jak i wtórnego. Główny kolimator jest ustawiany po osiągnięciu przez wiązkę elektronów orientacji pionowej. Używając fotonów, umieszcza się go po przejściu wiązki przez cel rentgenowski. Kolimator wtórny umieszcza się za filtrem spłaszczającym (do terapii fotonowej) lub folią rozpraszającą (do terapii elektronowej). Kolimator wtórny składa się z dwóch szczęk, które można przesuwać w celu powiększenia lub zminimalizowania pola zabiegowego.

Nowe systemy wykorzystujące kolimatory wielolistkowe (MLC) są wykorzystywane do dalszego kształtowania wiązki w celu lokalizacji pól leczenia w radioterapii. MLC składają się z około 50–120 liści ciężkich, metalowych płytek kolimatorowych, które wsuwają się na miejsce, tworząc pożądany kształt pola.

Obliczanie rozdzielczości przestrzennej

Aby znaleźć rozdzielczość przestrzenną równoległego kolimatora otworów z długością otworu , średnicą otworu i odległością od obrazowanego obiektu , można użyć następującego wzoru

gdzie efektywna długość jest zdefiniowana jako
Gdzie jest liniowy współczynnik tłumienia materiału, z którego wykonany jest kolimator.

Zobacz też

Bibliografia