Коллиматор — это устройство, сужающее пучок частиц или волн. Сужать может означать либо заставить направления движения стать более выровненными в определенном направлении (т. е. сделать свет или параллельные лучи коллимированными), либо заставить пространственное поперечное сечение пучка стать меньше ( устройство ограничения пучка ).
Английский физик Генри Катер был изобретателем плавающего коллиматора , который оказал большую услугу практической астрономии. Он сообщил о своем изобретении в январе 1825 года. [1] В своем отчете Катер упомянул предыдущие работы в этой области Карла Фридриха Гаусса и Фридриха Бесселя .
В оптике коллиматор может состоять из изогнутого зеркала или линзы с некоторым типом источника света и/или изображением в фокусе . Это может быть использовано для копирования цели, сфокусированной на бесконечности с небольшим или нулевым параллаксом .
В освещении коллиматоры обычно проектируются с использованием принципов невизуальной оптики . [2]
Оптические коллиматоры могут использоваться для калибровки других оптических устройств, [3] для проверки того, все ли элементы выровнены на оптической оси , для установки элементов в правильном фокусе или для выравнивания двух или более устройств, таких как бинокли или стволы орудий и прицелы . [4] Геодезическая камера может быть коллимирована путем установки ее опорных маркеров таким образом, 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. Они должны использовать его либо с обоими открытыми глазами и одним глазом, смотрящим в коллиматорный прицел, с одним открытым глазом и двигающим головой, чтобы попеременно видеть прицел и цель, или с одним глазом, чтобы частично видеть прицел и цель одновременно. [5] [ необходимо разъяснение ] Добавление расщепителя луча позволяет зрителю видеть сетку и поле зрения , создавая рефлекторный прицел .
Коллиматоры могут использоваться с лазерными диодами и режущими лазерами CO 2 . Правильная коллимация лазерного источника с достаточно большой длиной когерентности может быть проверена с помощью сдвигового интерферометра .
В рентгеновской оптике , гамма- оптике и нейтронной оптике коллиматор — это устройство, которое фильтрует поток лучей так, что пропускаются только те, которые движутся параллельно указанному направлению. Коллиматоры используются для рентгеновской, гамма- и нейтронной визуализации, поскольку эти типы излучения трудно сфокусировать в изображение с помощью линз, как это обычно происходит с электромагнитным излучением на оптических или околооптических длинах волн. Коллиматоры также используются в детекторах излучения на атомных электростанциях, чтобы сделать их направленно-чувствительными.
Рисунок справа иллюстрирует, как коллиматор Зёллера используется в нейтронных и рентгеновских аппаратах. Верхняя панель показывает ситуацию, когда коллиматор не используется, тогда как нижняя панель вводит коллиматор. На обеих панелях источник излучения находится справа, а изображение регистрируется на серой пластине слева от панелей.
Без коллиматора будут регистрироваться лучи со всех направлений; например, луч, который прошел через верхнюю часть образца (справа от диаграммы), но случайно движется вниз, может быть зарегистрирован в нижней части пластины. Полученное изображение будет настолько размытым и нечетким, что будет бесполезным.
На нижней панели рисунка добавлен коллиматор (синие полосы). Это может быть лист свинца или другого материала, непрозрачного для входящего излучения, со множеством крошечных отверстий, просверленных в нем, или в случае нейтронов это может быть сэндвич-композиция (которая может быть длиной до нескольких футов; см. ENGIN-X ) со многими слоями, чередующимися между поглощающим нейтроны материалом (например, гадолинием ) и передающим нейтроны материалом. Это может быть что-то простое, например, воздух; в качестве альтернативы, если требуется механическая прочность, можно использовать такой материал, как алюминий. Если это является частью вращающейся сборки, сэндвич может быть изогнутым. Это позволяет выбирать энергию в дополнение к коллимации; кривизна коллиматора и его вращение будут представлять прямой путь только для одной энергии нейтронов. Только лучи, движущиеся почти параллельно отверстиям, пройдут через них — любые другие будут поглощаться, ударяясь о поверхность пластины или сторону отверстия. Это гарантирует, что лучи будут зарегистрированы в надлежащем месте на пластине, создавая четкое изображение.
Для промышленной радиографии с использованием источников гамма-излучения, таких как иридий-192 или кобальт-60 , коллиматор (устройство ограничения пучка) позволяет рентгенологу контролировать экспозицию излучения для экспонирования пленки и создания рентгенограммы, для проверки материалов на наличие дефектов. Коллиматор в этом случае чаще всего изготавливается из вольфрама и оценивается в соответствии с тем, сколько слоев половинной величины он содержит, т. е. во сколько раз он уменьшает нежелательное излучение вдвое. 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 по направлению к образцу и рентгеновской пленке, при этом блокируя большую часть излучения, которое испускается в нежелательных направлениях, например, по направлению к рабочим.
Хотя коллиматоры улучшают разрешение , они также снижают интенсивность , блокируя входящее излучение, что нежелательно для приборов дистанционного зондирования, требующих высокой чувствительности. По этой причине гамма-спектрометр на Mars Odyssey является неколлимированным прибором. Большинство свинцовых коллиматоров пропускают менее 1% падающих фотонов. Были предприняты попытки заменить коллиматоры электронным анализом. [ необходима цитата ]
Коллиматоры (устройства ограничения пучка) используются в линейных ускорителях, используемых для лучевой терапии. Они помогают формировать пучок радиации, выходящий из машины, и могут ограничивать максимальный размер поля пучка.
Головка линейного ускорителя состоит из первичного и вторичного коллиматора. Первичный коллиматор устанавливается после того, как электронный пучок достигнет вертикальной ориентации. При использовании фотонов он устанавливается после того, как пучок пройдет через рентгеновскую мишень. Вторичный коллиматор устанавливается либо после выравнивающего 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 поля лечения.
Новые системы, включающие многолепестковые коллиматоры (MLC), используются для дальнейшего формирования пучка с целью локализации полей лечения в радиотерапии. MLC состоят из приблизительно 50–120 лепестков тяжелых металлических коллиматорных пластин, которые скользят на место, формируя желаемую форму поля.
Чтобы найти пространственное разрешение коллиматора с параллельными отверстиями при длине отверстия , диаметре отверстия и расстоянии до отображаемого объекта , можно использовать следующую формулу , в которой эффективная длина определяется как Где — линейный коэффициент затухания материала, из которого изготовлен коллиматор.
