Радиационные методы
УДК 620.179.15
НОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОТОННО-РАДИОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
ОБЪЕКТОВ С КВАЗИОДНОРОДНОЙ МАССОВОЙ ТОЛЩИНОЙ
© 2023 г. Н.С. Шилкин1, *, В.Б. Минцев1, Д.С. Юрьев1, А.В. Канцырев2,
А.В. Богданов2, Д.С. Колесников2, А.А. Голубев2, 3
1ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН,
Россия 142432 Черноголовка, пр-т Академика Семенова, 1
2НИЦ « Курчатовский институт»,
Россия 123182 Москва, пл. Академика Курчатова, 1
3АО Наука и инновации, Россия 115035 Москва, Кадашевская набережная, 32/2, стр. 1
*E-mail: shilkin@ficp.ac.ru
Поступила в редакцию 24.11.2022; после доработки 14.12.2022
Принята к публикации 16.12.2022
Разработана методика расчета трансмиссии статических объектов с квазиоднородной массовой толщиной по еди-
ничному протонно-радиографическому изображению при условии гауссоподобного поперечного профиля пучка.
Расчетные изображения трансмиссии предназначены для восстановления плотности исследуемых объектов. Выполнено
протонно-радиографическое исследование статических мишеней на экспериментальной установке со специальной маг-
нитной оптикой ПУМА при энергии протонов 800 МэВ и интенсивности 1010 частиц на изображение. Показано, что
применение методики позволяет восстанавливать трансмиссию исследуемого объекта со средней относительной ошиб-
кой около 1—1,2 %.
Ключевые слова: протонная радиография, протонно-радиографическое изображение, нормализация изображения,
трансмиссия, обработка изображений, аппроксимация пространственного профиля пучка.
DOI: 10.31857/S0130308223010062, EDN: BVSXNT
ВВЕДЕНИЕ
Один из первых экспериментов по радиографированию статических объектов с помощью
протонов был выполнен [1] в 1968 году. В исследовании была применена методика предельно-
го поглощения протонов высокой энергии в исследуемом объекте с равномерной толщиной и
было показано, что отличие массовой толщины объекта в 0,2 % может быть зарегистрировано
с помощью радиочувствительный пленки. В работе [2] представлена иная методика, основан-
ная на многократном кулоновском рассеянии протонов в исследуемом объекте, и предложено
использовать ее для медицинской радиографии. Обе методики показали высокий контраст
протонно-радиографических изображений при низком пространственном разрешении, обу-
словленным размытием изображения из-за многократного кулоновского рассеяния протонов в
исследуемом объекте. В работе [3] был проведен анализ взаимодействия параллельного пучка
протонов при постоянной плотности частиц с краем пластины постоянной толщины и показа-
но, что размытие изображения объекта в области изменения плотности пропорционально про-
изведению среднего угла многократного кулоновского рассеяния протонов и расстояния от
объекта до детектора. Спустя 40 лет для компенсации эффектов кулоновского рассеяния была
разработана и использована специальная магнитная ионно-оптическая схема [4]. Ионная опти-
ка позволила минимизировать хроматические и геометрические аберрации протонных радио-
графических изображений, тем самым существенно улучшив их качество. Другой важной
функцией ионной оптики является возможность регулировки оптимальной контрастности
изображений исследуемых объектов, что достигается за счет установки коллиматора в пло-
скость Фурье ионной оптики установки. Коллиматор обеспечивает попадание на плоскость
регистрации протонов с заданным диапазоном углов кулоновского рассеяния в объекте.
Применение быстрых сцинтилляторов [5] и цифровых камер с электронно-оптическим затво-
ром обеспечило возможность регистрации нескольких протонно-радиографических изображе-
ний в разные моменты времени [6], что стало активно применяться в исследованиях быстро-
протекающих процессов. Протонно-радиографические установки с магнитной оптикой были
построены в США [7, 8], России [9, 10] и Германии [11]. Эти установки использовались для
исследования статических и динамических объектов с массовой толщиной от 25 мг/см2 [12] до
500 г/см2 [13] с помощью пучков протонов с энергией от 0,8 до 70 ГэВ.
54
Н.С. Шилкин, В.Б. Минцев, Д.С. Юрьев и др.
Для реконструкции плотности исследуемых объектов было разработано несколько подхо-
дов обработки протонно-радиографических изображений. Все они основаны на определении
ослабления протонного пучка, также называемого трансмиссией. Для описания взаимодей-
ствия протонного пучка с объектом обычно используется физическая модель, предполагающая
гауссово угловое распределение кулоновского рассеяния протонов [4] и экспоненциальное
затухание протонного пучка за счет ядерного рассеяния. Влияние хроматических аберраций на
протонно-радиографические изображения с большим диапазоном массовой толщины рассмо-
трены в работе [14]. Массовую толщину исследуемых объектов, т.е. интеграл плотности вдоль
направления движения протонов, восстанавливают из нормализованных протонно-радиогра-
фических изображений с использованием аналитических выражений трансмиссии пучка [7].
Обратное преобразование Абеля применяется для восстановления объемной плотности объ-
ектов с осевой симметрией по одному радиографическому изображению [15]. В другой группе
подходов используются различные аппроксимации распределения плотности в объекте с
помощью параметрических моделей [14, 16]. Оптимальные параметры модели определяются
из условия, например, минимума суммы отклонений интенсивности экспериментального изо-
бражения и его модели. В работе [17] представлена прямая детерминистская модель совмест-
ного учета ядерного и кулоновского рассеяния при протонной радиографии толстых объектов,
которая итеративно применялась для расчета объемной плотности по измеренным протонно-
радиографическим изображениям исследуемого объекта. Метод Монте-Карло также использу-
ется для численного моделирования протонно-радиографических исследований со статиче-
скими и динамическими объектами [18, 19].
Протонно-радиографические изображения нормализуются при попиксельном делении изо-
бражения исследуемого объекта на изображение протонного пучка, получаемое в отсутствии
объекта. В случае нестабильности позиции и поперечного профиля пучка изображение пучка
обычно определяется расчетным образом, используя области экспериментального изображения
с известной массовой толщиной при известном химическом составе объекта. Части протонно-
радиографического изображения без объекта имеют трансмиссию равную 100 %, что дает
надежную информацию для восстановления изображения пучка.
Иногда исследуемый объект с неизвестной массовой толщиной полностью занимает поле
зрения установки. В этом случае нормализация изображения объекта также возможна, но при
некоторой дополнительной информации. Одним из таких комплексов условий может быть ква-
зиоднородность исследуемого объекта при известном типе функциональной зависимости попе-
речного профиля пучка от координат. Цель работы состоит в разработке методики расчета изо-
бражения трансмиссии исследуемого объекта с почти однородной массовой толщиной по его
протонно-радиографическому изображению, предполагая, что пространственный профиль
пучка описывается гауссоподобной функцией.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Экспериментальные данные в работе были получены на протонном микроскопе с исполь-
зованием магнитной оптики ПУМА [20]. Протонный микроскоп был разработан для исследо-
вания статических и динамических объектов с массовой толщиной до 20 г/см2 при поле обзора
установки ~18 мм с помощью пучка протонов с энергией 800 МэВ. В проведенных экспери-
ментах временная структура импульса протонного пучка состояла из четырех последователь-
ных банчей (сгустков протонов) с интенсивностью около 1010 протонов на банч, следующих
— с интервалом 250 нс. Ширина временного профиля одного банча протонного импульса на
полувысоте составляла около 70 нс. Биметаллическая составная пластина из стали и алюми-
ния толщиной 7 мм на входе протонно-радиографической установки обеспечивала формиро-
вание пучка с требуемыми размерами и гауссоподобным пространственным распределением
интенсивности в плоскости установки исследуемых объектов. Секция согласования ионно-
оптической схемы включала три электромагнитные квадрупольные линзы. Секция формирова-
ния изображения ионной оптики установки состояла из четырех квадрупольных линз, изготов-
ленных из Nd—Fe—B-постоянных магнитов [21]. Латунный коллиматор с внутренним диа-
метром 7 мм и длиной 35 мм устанавливали в плоскости установки Фурье. Сцинтиллятор из
силиката лютеция толщиной 4 мм использовали для конверсии потока протонов в оптическое
изображение, направляемое зеркалом на несколько 14-битных ПЗС камер S2C-017 фирмы
Силар, оснащенных электронно-оптическими затворами на базе микроканальных пластин.
Дефектоскопия
№ 1
2023
Нормализация протонно-радиографических изображений объектов с квазиоднородной...
55
Каждая из камер регистрировала изображение объекта при прохождении отдельного банча
протонов. Изображения пучка размером 1024 на 1024 пикселей записывали в формате TIFF с
глубиной цвета 16 бит. Временной профиль протонного пучка регистрировался быстрым
поясом Роговского Bergoz FCT-082 05:1. Исследуемые объекты [22] располагались в мишен-
ной камере при давлении ~10-3 торр. На установке были выполнены исследования свойств
конденсированных взрывчатых материалов, ударно-сжатой плазмы газов, ударного нагруже-
ния металлических пластин [23].
ОБРАБОТКА ПРОТОННО-РАДИОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Анализ и обработка экспериментальных протонно-радиографических изображений мишеней
осуществляли в свободно распространяемой программе ImageJ [24]. Вначале проводили коррек-
цию пространственной неоднородности светового выхода сцинтиллятора и дефектов матрицы
электронной камеры [25]. Корректирующую маску вычисляли с помощью нескольких протонно-
радиографических изображений пучка без исследуемого объекта, предполагая гауссоподобный
поперечный профиль пучка. Экспериментальные протонно-радиографические изображения
исследуемого объекта попиксельно делились на изображение корректирующей маски. Небольшое
количество случайных пикселей изображения из-за взаимодействия фонового радиационного
излучения с матрицей камеры имело интенсивность много большую, чем интенсивность свече-
ния окружающих их пикселей. Значения интенсивности таких пикселей заменялись значениями,
полученными при квадратичной аппроксимации в окрестности радиусом 32 пикселя. Затем
скорректированные протонно-радиографические изображения нормализовались, т.е. делились
на изображение пучка без исследуемого объекта.
Из-за нестабильности работы ускорителя положение центра, форма и размеры пучка изменя-
лись от сброса к сбросу пучка, поэтому требовалось определять поперечный пространственный
профиль пучка для каждого его банча. Профиль пучка восстанавливался, используя области экс-
периментального протонно-радиографического изображения с известной трансмиссией или
области изображения, соответствующие объекту с известной геометрией, распределением плот-
ности и элементным составом.
Пространственный профиль пучка наиболее легко восстанавливается из протонно-радио-
графических изображений с большими областями, соответствующими одинаковой массовой
толщине однородного исследуемого объекта. Процедура нормализации изображения объек-
тов с почти однородной плотностью состояла из трех этапов. На первом шаге обработки
находились области изображения объекта с одинаковой трансмиссией пучка. Для этого про-
странственный профиль изображения объекта аппроксимировался двумерной гауссоподоб-
ной функцией. Экспериментальное протонно-радиографическое изображение объекта дели-
лось на найденную расчетную аппроксимирующую функцию профиля пучка. Координаты
пикселей с одинаковыми значениями трансмиссии находились на полученном предваритель-
но нормализованном изображении объекта. Определялся массив пикселей с наиболее распро-
страненными значениями. На втором шаге обработки пиксели изображения объекта, найден-
ные на первом шаге, использовалась для конечной аппроксимации профиля пучка с помощью
двумерной гауссоподобной функции. Следующее приближение нормализованного изображе-
ния объекта вычислялось как отношение экспериментального протонно-радиографического
изображения и вычисленного изображения пучка. Это нормализованное изображение строи-
лось в единицах трансмиссии выбранной группы пикселей. На третьем шаге расчетное изо-
бражение объекта нормировалось в абсолютных единицах трансмиссии с использованием
областей изображения, отвечающих нулевой массовой толщине, где трансмиссия равна
100 %. Области изображения с известной трансмиссией пучка также можно использовать для
перенормировки.
Данная процедура нормализации изображения основана на том, что изображение протонного
пучка, прошедшего через сплошной объект равномерной толщины, сохраняет форму простран-
ственного распределения частиц, но ценой изменения начального углового распределения
частиц. Изображение прошедшего через объект пучка протонов описывается гауссоподобной
функцией, аналогичной функции, описывающей изображение пучка без исследуемого объекта.
Параметры этой функции зависят от настройки протонного микроскопа и массовой толщины
исследуемого объекта.
Дефектоскопия
№ 1
2023
56
Н.С. Шилкин, В.Б. Минцев, Д.С. Юрьев и др.
ПРОТОННАЯ РАДИОГРАФИЯ ОБЪЕКТОВ С ПОЧТИ ОДНОРОДНОЙ МАССОВОЙ
ТОЛЩИНОЙ
Статические мишени с квазипостоянной массовой толщиной изучали на протонном микроско-
пе ПУМА. Одним из исследуемых объектов служила пластина из органического стекла с выграви-
рованными на поверхности латинскими буквами I, T, E и P. Фотография мишени показана на
рис. 1а. Толщина пластины составляла 8 мм, глубина гравировки букв — 0,5 мм. Пластина была
ориентирована таким образом, чтобы протонный пучок вначале проходил через грань с гравиров-
кой, а затем выходил через противоположную грань с гладкой поверхностью. Нормализованное
изображение пластины представлено на рис. 1б. Оно было восстановлено по одному протонно-
радиографическому изображению с использованием вышеописанного алгоритма. Черные области
в углах изображения лежат вне поля зрения протонного микроскопа. Вертикальные линии на
рис. 1б показывают координаты одномерных массивов пикселей, которые применяли для постро-
ения профилей на рис. 2.
а
б
Рис. 1. Пластина из оргстекла с выгравированными буквами I, T, E и P:
а — фотография; б — нормализованное протонно-графическое изображение.
При вычислении пространственного профиля пучка использовали данные по интенсивности
пикселей изображения пластины за исключением областей около ее края и выгравированных букв,
что необходимо для устранения из рассмотрения эффектов, описываемых интегральными выраже-
ниями. Протонно-радиографическое изображение поля обзора установки FOV разбивалось на три
группы пикселей, которые принадлежали изображению пучка FOVBEAM, изображению пластины
FOVOBJ без букв и областей с буквами и около среза пластины FOVLET. Пиксели изображения пла-
стины оставались без изменений. Пиксели из множества FOVLET исключались из рассмотрения.
Значения интенсивности пикселей изображения пучка FOVBEAM делились на постоянный множи-
тель M, который компенсировал отсутствие ослабления пучка в области, не занимаемой пласти-
ной. После этого поперечный профиль пучка аппроксимировался двумерной гауссоподобной
функцией. Множитель M определялся из условия минимума суммы квадратов отклонений интен-
сивности скорректированного экспериментального изображения и аппроксимирующей гауссопо-
2
2
добной функции
G(x, y) = exp(ax
+ by
+ cxy + dx + fy + g):
2
2
min
(
G x,
y)
−I x,
y)
M
)
+
(
G x,
y)
−I x,
y)
)
,
(1)
(∑
FOV
ex
∑
FOV
ex
)
BEAM
OBJ
где Iex(x, y) — интенсивность пикселя экспериментального изображения с координатами (x, y);
a, b, c, d, f, g — параметры гауссоподобной функции G(x, y).
Дефектоскопия
№ 1
2023
Нормализация протонно-радиографических изображений объектов с квазиоднородной...
57
120
100
1
110
Оптимальный
2
95
профиль
1
100
90
90
85
2
80
80
3
70
75
4
60
5
70
6
50
65
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-2
0
2
4
6
8
Расстояние, мм
Расстояние, мм
Рис. 2. Вертикальные профили нормализованного изображения:
а — при M=1,47 (1 — профиль, проходящий через горизонтальные элементы буквы E; 2 — профиль, проходящий через букву T);
б — расчетные профили, проходящие между буквами E и P при различных M (1 — M = 1; 2 — M = 1,2; 3 — M = 1,3; 4 — M = 1,47;
5 — M = 1,6; 6 — M = 1,8).
Средняя относительная ошибка определения интенсивности каждого пикселя нормализован-
ного изображения пластины изменялась от 1,0 до 1,2 %. Она оценивалась для пикселей изображе-
ния, относящихся к одинаковой массовой толщины пластины. Два вертикальных профиля интен-
сивности единичного изображения показаны на рис. 2 для иллюстрации качества нормализации.
Один профиль построен через букву T. Второй профиль проведен параллельно и проходит в том
числе через горизонтальные элементы буквы E. По оси абсцисс показано расстояние от границы
пластины с вакуумом, положительные значения координат соответствуют пластине. Средняя вели-
чина трансмиссии протонного пучка через пластину составила 68 %, которая соответствует пара-
метру M = 1,47 (1/M ≈ 0,68). Трансмиссия в области, не занимаемой объектом, принималось равной
100 %. Профили нормализованной интенсивности, построенные в областях с однородной массо-
вой толщиной, практически совпадают.
Значения трансмиссии для параллельного протонного пучка в вакууме и для пластины посто-
янной толщины должны быть близки к соответствующим уровням. Исключение составляет пере-
ходная область на границе пластина—вакуум, где пространственный профиль трансмиссии пучка
описывается с помощью функции ошибок. Отсюда следует, что чем дальше луч протонов от гра-
ницы раздела двух соседствующих фрагментов с постоянными толщинами, тем лучше качество
нормализации.
На рис. 2б приведена иллюстрация влияния значения параметра M на качество нормализа-
ции. Для этого с использованием условия (1) были рассчитаны параметры a, b, c, d, f и g функции
G(x, y), аппроксимирующей пространственный профиль пучка при фиксированном M для изо-
бражения на рис. 1а. Расчетные вертикальные кривые интенсивности, построенные при разных
значениях M для фиксированного пространственного профиля, находящегося на изображении
между буквами E и P, показаны на рис. 2б. Оптимальная нормализация достигается для значе-
ния M = 1,47, при котором реализуется минимум выражения (1), а соответствующий профиль 4
на рис. 2б наилучшим образом приближен к ступенчатой функции.
Пространственное разрешение установки σ определялось с помощью аппроксимации профи-
лей трансмиссии T(x) в окрестности ступенчатых перепадов массовой толщины с помощью функ-
ции ошибок:
x- x
0
T x)
=T
+T
erf
−
,
(2)
1
2
σ
2
где T1 и T2 — свободные параметры; x0 — координата границы ступенчатого изменения массовой
толщины пластины.
Пространственное разрешение протонного микроскопа по вертикальной оси σy составило
величину около 250 мкм. Оно определялось по вертикальным профилям интенсивности изображе-
Дефектоскопия
№ 1
2023
58
Н.С. Шилкин, В.Б. Минцев, Д.С. Юрьев и др.
ния, построенным на границе пластина—вакуум. Пространственное разрешение по горизонталь-
ной оси σx оценивалось на уровне 150 мкм по горизонтальным профилям интенсивности изобра-
жения, проходящим через скачки плотности на границах пластины и выгравированных букв.
Значение угла аксептанса коллиматора θc было уточнено в результате использования теорети-
ческих выражений, описывающие трансмиссию, и измеренного значения ослабления протонного
пучка в пластине. Суммарная трансмиссия в сплошном однородном объекте T находится как про-
изведение трансмиссии Tnucl из-за ослабления пучка в ядерных взаимодействиях и трансмиссии
TMCS(θc), определяемой кулоновским рассеянием в мишени и ослаблением пучка в коллиматоре:
T =T
TMCS nucl
100 %.
(3)
Изменение трансмиссии пучка вследствие взаимодействия протонов с ядрами материала
мишени описывается следующим выражением:
l
T
=
exp
−
,
(4)
nucl
λ
T
где l — массовая толщина исследуемой мишени; λT — длина ядерного взаимодействия материала
мишени.
Член TMCS рассчитывали с помощью выражения (3), используя измеренную суммарную транс-
миссию T и вычисленную с помощью выражения (4) трансмиссию Tnucl. Массовую толщину пла-
стины находили как произведение плотности органического стекла ρ на измеренное значение
толщины пластины h.
Трансмиссия TMCS из-за кулоновского рассеяния в мишени и ослабления пучка в коллиматоре
определяется следующими выражениями [8]:
2
k
pβcθ
X
C
0
(5)
T
≈1−exp
−
,
k
=
,
MCS
l
14,1МэВ
2
где p — момент импульса протонов; c — скорость света; β — скорость протонов в единицах ско-
рости света; l — массовая толщина; X0 — радиационная длина рассеивающей среды; θc — угол
аксептанса коллиматора.
Значения параметров X0 и λT органического стекла (полиметилметакрилат) взяты из работы
[26]. Выражения (4) и (5) были использованы для вычисления параметра θc, значение которого
составило 2,7 мрад.
Для восстановления плотности исследуемых объектов с меньшей погрешностью требуется
снизить неопределенность в нормализованном изображении. Значение интенсивности сигнала в
каждом пикселе протонно-радиографического изображения объекта изменяется случайным обра-
зом от сброса к сбросу пучка. Эту флуктуацию сигнала можно рассматривать как шум и устранять
методами математической обработки. Уменьшение радиографического шума на изображении объ-
екта было достигнуто усреднением по нескольким нормализованным изображениям. Применялось
медианное усреднение, при котором результирующее изображение состояло из пикселей с интен-
сивностью, равной медианному значению интенсивности пикселей с теми же координатами и
взятыми с разных изображений. Фрагмент протонно-радиографического изображения пластины с
буквами показан на рис. 3 при медианном усреднении по 3, 7 и 49 изображениям соответственно.
а
б
в
Рис. 3. Медианно-усредненное нормализованное изображение пластины:
а — использовано 3 изображения; б — использовано 7 изображений; в — использовано 49 изображений.
Дефектоскопия
№ 1
2023
Нормализация протонно-радиографических изображений объектов с квазиоднородной...
59
Данный подход может применяться для нормализации протонно-радиографических изображе-
ний мишеней с квазиоднородной массовой толщиной и неизвестным распределением плотности.
Дополнительным условием нормализации очевидно является сохранение соотношения элементно-
го состава радиографируемого объекта во всем объеме. Возможно локальное отступление от соот-
ношения элементов в объеме мишени, если соответствующие области занимают малую часть
протонно-радиографического изображения. Нормализация в абсолютных величинах возможна при
наличии области изображения с известной трансмиссией, которая может определяться как экспе-
риментально, так и расчетным образом. Биологические объекты отвечают вышеописанным требо-
ваниям, кроме того, они обладают сложной структурой и состоят из элементов с различной плот-
ностью и различным элементным составом. Реконструированное нормализованное изображение
аквариумной рыбки Данио-рерио, внедренной в парафиновый блок толщиной 8 мм, показано на
рис. 4б, ее фотография представлена на рис. 4а. Парафиновую заливку использовали для сохране-
ния внутренней структуры рыбки, когда ее помещали в вакуум в мишенной камере установки
ПУМА. Процедура предварительной обработки исследуемого биологического объекта описана в
[27]. Пространственный профиль пучка реконструировали по одному экспериментальному про-
тонно-радиографическому изображению и использовали для нормализации этого изображения в
произвольных единицах. Толщина парафина в различных частях объекта варьировалась и абсо-
лютные измерения трансмиссии в фиксированной области парафина не проводились. Средняя
трансмиссия в парафине без исследуемого объекта принималась равной 100 % для задания репер-
ного значения. Среднюю точность определения трансмиссии оценивали по областям изображения
парафинового блока без рыбки, она близка к 1 %.
а
б
Рис. 4. Рыбка Данио-рерио в парафине:
а — фотография, штриховой линией отмечена граница поля зрения микроскопа; б — нормализованное протонно-графическое
изображение.
Качество изображения может быть также улучшено при использовании медианного усредне-
ния по нескольким изображениям. Результаты применения усреднения по 15 и 49 нормализован-
ным изображениям показаны на рис. 5а и б. Относительное изменение трансмиссии в области
изображения аквариумной рыбки, внедренной в парафин, находится в пределах ±4 %. В расчетах,
проведенных ранее в [27], относительное изменение трансмиссии исследуемого объекта (рыбки)
получить не удалось, а было представлено только протонно-радиографическое изображение объ-
екта с относительной шкалой яркости.
Ранее для построения нормализованных протонно-радиографических изображений объектов,
занимающих все поле зрения микроскопа, использовали иной подход [27], основанный на усред-
нении изображений исследуемого объекта и протонного пучка и последующем делении их друг на
друга. Для усреднения отбирали изображения, полученные при примерно одинаковой интенсив-
ности и положении протонного пучка. Из-за нестабильности пространственных параметров пучка
требовалось около сотни радиографических изображений исследуемого объекта и столько же изо-
Дефектоскопия
№ 1
2023
60
Н.С. Шилкин, В.Б. Минцев, Д.С. Юрьев и др.
а
б
Рис. 5. Медианно-усредненное нормализованное изображение аквариумной рыбки в парафине:
а — использовано 15 изображений; б — использовано 49 изображений.
бражений без установленного объекта. При этом нормализация изображений была неполной в том
смысле, что позволяла проводить локальное сравнение изменения трансмиссии различных частей
исследуемого объекта в произвольных единицах. Предлагаемый подход предназначен для норма-
лизации протонно-радиографических изображений с исследуемым объектом, используя только
одно изображение при условии квазиоднородности мишени. Он также позволяет проводить абсо-
лютные измерения изменения трансмиссии по всему полю зрения микроскопа в абсолютных или
относительных величинах в зависимости от наличия или отсутствия областей изображения с
известной трансмиссией.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методика нормализации протонно-радиографических изображений исследуемых объектов с
почти однородной массовой толщиной разработана для обработки экспериментальных данных,
полученных на протонном микроскопе с магнитной оптикой. Методика позволяет рассчитывать
изображение в единицах трансмиссии по единичному протонно-радиографическому изображению
исследуемого объекта при условии аппроксимации поперечного профиля пучка двумерной гауссо-
подобной функцией. Процедура нормализации включает учет пространственной неоднородности
светового выхода сцинтиллятора, дефектов матрицы электронной камеры, вызванных радиацион-
ным повреждением отдельных пикселей в том числе. Численный алгоритм нормализации реали-
зован в программе анализа и обработки изображений ImageJ. Выполнены протонно-радиографи-
ческие исследования статических объектов на протонном микроскопе ПУМА. Медианное усред-
нение по нескольким нормализованным протонно-радиографическим изображениям применялось
для уменьшения радиографического шума и дополнительного улучшения качества изображений.
Показано, что применение методики позволяет описать трансмиссию каждого пикселя единичного
нормализованного изображения объекта со средней точностью 1—1,2 % по всему полю зрения
протонного микроскопа. Горизонтальное разрешение протонного микроскопа в проведенных экс-
периментах составило 150 мкм, а вертикальное — 250 мкм.
Работа выполнена в рамках Государственного задания по теме 0089-2019-0001, № государ-
ственной регистрации ААА-А19-119071190040-5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Koehler A.M. Proton radiography // Science. 1968. V. 160. No. 3825. P. 303—304. https://doi.
org/10.1126/science.160.3825.303
2. West D., Sherwood A.C. Radiography with 160 MeV protons // Nature. 1972. V. 239. P. 157—159.
3. West D., Sherwood A.C. Proton-scattering radiography // Non-destructive Testing. 1973. V.
6.
Дефектоскопия
№ 1
2023
Нормализация протонно-радиографических изображений объектов с квазиоднородной...
61
4. Mottershead C.T., Zumbro J.D. Magnetic optics for proton radiography // Proc. of the 1997 Particle
PAC.1997.750705
5. Merill F.E. Flash proton radiography // Reviews of Accelerator Science and Technology. 2015. V. 08.
6. Yates G., Albright K., Alrick K., Gallegos R., Galyardt J., Gray N., Hogan G., Holmes V., Jaramillo S.,
King N., McDonald T., Morley K., Morris C., Numkena D., Pazuchanics P., Riedel C., Sarracino J., Ziock H.J.,
Zumbro J. An intensified/shuttered cooled CCD camera for dynamic proton radiography // Proc. SPIE 3302,
Digital Solid State Cameras: Designs and Applications. 1998. V. 3302. Ed. Williams G.M. SPIE. P. 140—151.
7. King N.S.P., Ables E., Adams K., Alrick K.R., Amann J.F., Balzar S., Barnes Jr P.D., Crow M.L., Cus-
hing S.B., Eddleman J.C., Fife T.T., Flores P., Fujino D., Gallegos R.A., Gray N.T., Hartouni E.P., Hogan G.E.,
Holmes V.H., Jaramillo S.A., Knudsson J.N., London R.K., Lopez R.R., McDonald T.E., McClelland J.B.,
Merrill F.E., Morley K.B., Morris C.L., Naivar F.J., Parker E.L., Park H.S., Pazuchanics P.D., Pillai C., Rie-
del C.M., Sarracino J.S., Shelley Jr F.E., Stacy H.L., Takala B.E., Thompson R., Tucker H.E., Yates G.J.,
Ziock H.-J., Zumbro J.D. An 800-MeV proton radiography facility for dynamic experiments // Nucl. Instrum.
8. Morris C.L., Ables E., Alrick K.R., Aufderheide M.B., Barnes P.D., Buescher K.L., Cagliostro D.J.,
Clark D.A., Clark D.J., Espinoza C.J., Ferm E.N., Gallegos R.A., Gardner S.D., Gomez J.J., Greene G.A.,
Hanson A., Hartouni E.P., Hogan G.E., King N.S.P., Kwiatkowski K., Liljestrand R.P., Mariam F.G., Mer-
rill F.E., Morgan D.V., Morley K.B., Mottershead C.T., Murray M.M., Pazuchanics P.D., Pearson J.E.,
Sarracino J.S., Saunders A., Scaduto J., Schach von Wittenau A.E., Soltz R.A., Sterbenz S., Thompson R.T.,
Vixie K., Wilke M.D., Wright D.M., Zumbro J.D. Flash radiography with 24 GeV/c protons // J. Appl. Phys.
9. Golubev A.A., Demidov V.S., Demidova E.V., Kats M.M., Kolerov S.B., Skachkov V.S., Smirnov G.N.,
Turtikov V.I., Fertman A.D., Sharkov B.Y. Application of TWAC beams for diagnostics of fast processes //
10. Antipov Yu.M., Afonin A.G., Vasilevskii A.V., Gusev I.A., Demyanchuk V.I., Zyat’kov O.V., Igna-
shin N.A., Karshev Yu.G., Larionov A.V., Maksimov A.V., Matyushin A.A., Minchenko A.V., Mikheev M.S.,
Mirgorodskii V.A., Peleshko V.N., Rud’ko V.D., Terekhov V.I., Tyurin N.E., Fedotov Yu.S., Trutnev Yu.A.,
Burtsev V.V., Volkov A.A., Ivanin I.A., Kartanov S.A., Kuropatkin Yu.P., Mikhailov A.L., Mikhailyukov K.L.,
Oreshkov O.V., Rudnev A.V., Spirov G.M., Syrunin M.A., Tatsenko M.V., Tkachenko I.A., Khramov I.V.
A radiographic facility for the 70-GeV proton accelerator of the Institute for high energy physics // Instrum.
11. Varentsov D., Antonov O., Bakhmutova A., Barnes C.W., Bogdanov A., Danly C.R., Efimov S., En-
dres M., Fertman A., Golubev A.A., Hoffmann D.H.H., Ionita B., Kantsyrev A., Krasik Ya.E., Lang P.M.,
Lomonosov I., Mariam F.G., Markov N., Merrill F.E., Mintsev V.B., Nikolaev D., Panyushkin V., Rodio-
nova M., Schanz M., Schoenberg K., Semennikov A., Shestov L., Skachkov V.S., Turtikov V., Udrea S., Vasy-
lyev O., Weyrich K., Wilde C., Zubareva A. Commissioning of the PRIOR proton microscope // Rev. Sci.
12. Freeman M.S., Allison J., Andrews M., Ferm E., Goett J.J., Kwiatkowski K., Lopez J., Mariam F.,
Marr-Lyon M., Martinez M., Medina J., Medina P., Merrill F.E., Morris C.L., Murray M.M., Nedrow P.,
Neukirch L.P., Prestridge K., Rigg P., Saunders A., Schurman T., Tainter A., Trouw F., Tupa D., Tybo J., Vogan-
McNeil W., Wilde C. Inverse-collimated proton radiography for imaging thin materials // Rev. Sci. Instrum.
13. Burtsev V.V., Lebedev A.I., Mikhailov A.L., Ogorodnikov V.A., Oreshkov O.V., Panov K.N., Rudnev A.V.,
Svirskii O.V., Syrunin M.A., Trutnev Yu.A., Khramov I.V. Use multiframe proton radiography to investigate fast
S0010508211060025
14. Sjue S.K.L., Fesseha G.M., Merill F.E., Morris C.L., Saunders A. High order magnetic optics for high
dynamic range proton radiography at kinetic energy 800 MeV // Rev. Sci.Instrum. 2016. V. 87. P. 015110.
15. Holtkamp D.B., Clark D.A., Ferm E.N., Gallegos R.A., Hammon D., Hemsing W.F., Hogan G.E.,
Holmes V.H., King N.S.P., Liljestrand R., Lopez R.P., Merrill F.E., Morris C.L., Morley K.B., Murray M.M.,
Pazuchanics P.D., Prestridge K.P., Quintana J.P., Saunders A., Schafer T., Shinas M.A., Stacy H.L. A survey
of high explosive-induced damage and spall in selected metals using proton radiography // AIP Conf. proc.
16. Ferm E.N., Morris C.L., Quintana J.P., Pazuchanic P., Stacy H., Zumbro J.D., Hogan G., King N.
Proton radiography examination of unburned regions in PBX 9502 corner turning experiment // AIP Conf.
17. Neri F., Walstrom P.L. A simple empirical forward model for combined nuclear and multiple Coulomb
scattering in proton radiography of thick objects // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2005. V. 229.
Дефектоскопия
№ 1
2023
62
Н.С. Шилкин, В.Б. Минцев, Д.С. Юрьев и др.
18. Freeman M., Allison J., Espinoza C., Goett J.J., Hogan G., Hollander B., Kwiatkowski K., Lopez J.,
Mariam F., Martinez M., Medina J., Medina P., Merrill F., Morley D., Morris C., Murray M., Nedrow P.,
Saunders A., Schurman T., Sisneros T., Tainter A., Trouw F., Tupa D., Tybo J., Wilde C. 800-mev magnetic-
focused ash proton radiography for high-contrast imaging of low-density biologically-relevant targets using an
inverse-scatter collimator // Proc. SPIE. 2016. V. 9783. Medical Imaging 2016: Physics of Medical Imaging.
19. Kantsyrev A.V., Scoblyakov A.V., Bogdanov A.V., Golubev A.A., Shilkin N.S., Yuriev D.S., Mintsev V.B.
Monte-Carlo Geant4 numerical simulation of experiments at 247-MeV proton microscope // J. Phys.: Conf.
20. Kantsyrev A.V., Golubev A.A., Bogdanov A.V., Demidov V.S., Demidova E.V., Ladygina E.M., Mar-
kov N.V., Skachkov V.S., Smirnov G.N., Rudskoy I.V., Kuznetsov A.P., Khudomyasov A.V., Sharkov B.Yu., Du-
din S.V., Kolesnikov S.A., Mintsev V.B., Nikolaev D.N., Ternovoi V.Ya., Utkin A.V., Yuriev D.S., Shilkin N.S.,
Fortov V.E., Turtikov V.I., Burtsev V.V., Zhernokletov M.V., Zavialov N.V., Kartanov S.A., Mikhailov A.L.,
Rudnev A.V., Tatsenko M.V., Varentsov D.V., Shestov L.M. TWAC-ITEP proton microscope facility // Instrum.
21. Kantsyrev A.V., Golubev A.A., Turtikov V.I., Bogdanov A.V., Sharkov B.Y., Demidov V.S., Skach-
kov Vl.S., Markov N.V., Mintsev V.B., Fortov V.E., Kolesnikov S.A., Nikolaev D.N., Shilkin N.S., Ternovoy V.Y.,
Utkin A.V., Yuriev D.S., Burtsev V.V., Zavialov N.V., Mikhailov A.L., Rudnev A.V., Tatsenko M.V., Zhernokle-
tov M.V., Kartanov S.A. ITEP proton microscopy facility // 19th IEEE Pulsed Power Conf. (PPC) 2013. IEEE.
22. Mintsev V.B., Shilkin N.S., Ternovoi V.Ya., Nikolaev D.N., Yuriev D.S., Golubev A.A., Kantsyrev A.V.,
Skobliakov A.V., Bogdanov A.V., Varentsov D.V., Hoffmann D.H.H. High-explosive generators of dense low-
temperature plasma for proton radiography // Contrib. Plasma Phys. 2018. V. 58. P. 93—98. https://doi.
org/10.1002/ctpp.201700141
23. Kolesnikov S., Dudin S., Lavrov V., Nikolaev D., Mintsev V., Shilkin N., Ternovoi V., Utkin A., Yaku-
shev V., Yuriev D., Fortov V., Golubev A., Kantsyrev A., Shestov L., Smirnov G., Turtikov V., Sharkov B.,
Burtsev V., Zavialov N., Kartanov S., Mikhailov A., Rudnev A., Tatsenko M., Zhernokletov M. Shockwave and
detonation studies at ITEP-TWAC proton radiography facility // AIP Conf. Proc. 1426. 2012. V. 390. P. 390—
24. Schneider C., Rasband W.S., Eliceiri K.W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis // Nat.
25. Shilkin N.S., Mintsev V.B., Yuriev D.S., Kantsyrev A.V., Kolesnikov D.S., Bogdanov A.V., Panyush-
kin V.A., Scobliakov A.V., Gavrilin R.O., Golubev A.A. Spatial calibration of light yield of a proton radiography
26. Particle Data Group, Zyla P. et al. Review of particle physics // Prog. Theor. Exp. Phys. 2020. V. 2020.
27. Varentsov D., Bogdanov A., Demidov V.S., Golubev A.A., Kantsyrev A., Lang P.M., Nikolaev D.N.,
Markov N., Natale F., Shestov L., Simoniello P., Smirnov G.N., Durante M. First biological images with high-
Дефектоскопия
№ 1
2023
