Kollimator - Collimator
Ein Kollimator ist ein Gerät, das einen Strahl von Teilchen oder Wellen verengt. Verengen kann entweder bedeuten, dass die Bewegungsrichtungen stärker in eine bestimmte Richtung ausgerichtet werden (dh kollimiertes Licht oder parallele Strahlen erzeugen ), oder dass der räumliche Querschnitt des Strahls kleiner wird ( Strahlbegrenzungsvorrichtung ).
Geschichte
Der englische Physiker Henry Kater war der Erfinder des schwimmenden Kollimators , der sich um die praktische Astronomie verdient gemacht hat. Im Januar 1825 berichtete er über seine Erfindung. In seinem Bericht erwähnte Kater frühere Arbeiten auf diesem Gebiet von Carl Friedrich Gauß und Friedrich Bessel .
Optische Kollimatoren
In der Optik kann ein Kollimator aus einem gekrümmten Spiegel oder einer Linse mit irgendeiner Art von Lichtquelle und/oder einem Bild im Fokus bestehen . Dies kann verwendet werden, um ein auf unendlich fokussiertes Ziel mit geringer oder keiner Parallaxe zu replizieren .
In der Beleuchtung werden Kollimatoren typischerweise nach den Prinzipien der nicht abbildenden Optik konstruiert .
Optische Kollimatoren können verwendet werden, um andere optische Geräte zu kalibrieren, um zu überprüfen, ob alle Elemente auf der optischen Achse ausgerichtet sind, um Elemente auf den richtigen Fokus einzustellen oder um zwei oder mehr Geräte wie Ferngläser oder Waffenrohre und Zielfernrohre auszurichten . Eine Vermessungskamera kann kollimiert werden, indem ihre Bezugsmarkierungen so eingestellt werden, dass sie den Hauptpunkt definieren, wie bei der Photogrammetrie .
Optische Kollimatoren werden auch als Zielfernrohre im Kollimatorvisier verwendet , bei dem es sich um einen einfachen optischen Kollimator mit einem Fadenkreuz oder einem anderen Absehen im Fokus handelt. Der Betrachter sieht nur ein Bild des Absehens. Sie müssen es entweder mit beiden geöffneten Augen und einem Auge, das in das Kollimatorvisier blickt, mit einem offenen Auge und einer Kopfbewegung verwenden, um abwechselnd das Visier und das Ziel zu sehen, oder mit einem Auge, um das Visier und das Ziel teilweise gleichzeitig zu sehen Zeit. Durch Hinzufügen eines Strahlteilers kann der Betrachter das Fadenkreuz und das Sichtfeld sehen , wodurch ein Reflektorvisier entsteht .
Kollimatoren kann verwendet werden , Laserdioden und CO 2 Schneidlaser . Die korrekte Kollimation einer Laserquelle mit ausreichend langer Kohärenzlänge kann mit einem Scherinterferometer überprüft werden .
Röntgen-, Gammastrahlen- und Neutronenkollimatoren
In der Röntgenoptik , Gammastrahlenoptik und Neutronenoptik ist ein Kollimator ein Gerät, das einen Strahlenstrom so filtert, dass nur diejenigen durchgelassen werden, die sich parallel zu einer bestimmten Richtung bewegen. Kollimatoren werden für die Röntgen-, Gamma- und Neutronenabbildung verwendet, da es schwierig ist, diese Strahlungsarten mit Linsen in ein Bild zu fokussieren, wie es bei elektromagnetischer Strahlung bei optischen oder nahe-optischen Wellenlängen üblich ist. Kollimatoren werden auch in Strahlungsdetektoren in Kernkraftwerken verwendet , um sie richtungsempfindlich zu machen.
Anwendungen
Die Abbildung rechts zeigt den Einsatz eines Söller-Kollimators in Neutronen- und Röntgengeräten. Das obere Feld zeigt eine Situation, in der kein Kollimator verwendet wird, während das untere Feld einen Kollimator einführt. In beiden Tafeln befindet sich die Strahlungsquelle rechts und das Bild wird auf der grauen Platte links neben den Tafeln aufgezeichnet.
Ohne Kollimator werden Strahlen aus allen Richtungen aufgezeichnet; zum Beispiel kann ein Strahl, der die Oberseite der Probe (rechts im Diagramm) durchquert hat, aber zufällig nach unten wandert, an der Unterseite der Platte aufgezeichnet werden. Das resultierende Bild wird so verschwommen und undeutlich, dass es nutzlos ist.
Im unteren Bereich der Abbildung wurde ein Kollimator hinzugefügt (blaue Balken). Dies kann eine Bleiplatte oder ein anderes Material sein, das für die einfallende Strahlung undurchlässig ist und viele winzige Löcher durchbohrt, oder im Fall von Neutronen kann es eine Sandwich-Anordnung sein (die bis zu mehrere Meter lang sein kann - siehe ENGIN-X ) mit viele Schichten wechseln zwischen neutronenabsorbierendem Material (zB Gadolinium ) und neutronendurchlässigem Material. Dies kann etwas Einfaches sein, zB Luft. oder wenn mechanische Festigkeit erforderlich ist, kann Aluminium verwendet werden. Wenn dies Teil einer rotierenden Baugruppe ist, kann das Sandwich gekrümmt sein. Dies ermöglicht zusätzlich zur Kollimation eine Energieselektion - die Krümmung des Kollimators und seine Drehung bieten nur einer Neutronenenergie einen geraden Weg. Nur Strahlen, die sich fast parallel zu den Löchern ausbreiten, werden sie durchdringen – alle anderen werden absorbiert, wenn sie auf die Plattenoberfläche oder die Seite eines Lochs treffen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Strahlen an ihrem richtigen Platz auf der Platte aufgezeichnet werden, wodurch ein klares Bild erzeugt wird.
Für die industrielle Radiographie unter Verwendung von Gammastrahlungsquellen wie Iridium-192 oder Kobalt-60 ermöglicht ein Kollimator (Strahlbegrenzungsvorrichtung) dem Radiographen, die Strahlenexposition zu kontrollieren, um einen Film zu belichten und eine Röntgenaufnahme zu erstellen, um Materialien auf Defekte zu untersuchen. Ein Kollimator besteht in diesem Fall am häufigsten aus Wolfram und wird danach bewertet, wie viele Halbwertsschichten er enthält, dh wie oft er unerwünschte Strahlung um die Hälfte reduziert. Beispielsweise reduzieren die dünnsten Wände an den Seiten eines 4 HVL Wolfram-Kollimators mit einer Dicke von 13 mm (0,52 Zoll) die Intensität der durch sie hindurchtretenden Strahlung um 88,5%. Die Form dieser Kollimatoren ermöglicht, dass sich die emittierte Strahlung ungehindert in Richtung der Probe und des Röntgenfilms bewegt, während der Großteil der Strahlung blockiert wird, die in unerwünschte Richtungen, wie zum Beispiel zu den Arbeitern, emittiert wird.
Einschränkungen
Obwohl Kollimatoren die Auflösung verbessern , reduzieren sie auch die Intensität, indem sie einfallende Strahlung blockieren, was für Fernerkundungsinstrumente, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern, unerwünscht ist. Aus diesem Grund ist das Gammastrahlenspektrometer auf der Mars Odyssey ein nicht kollimiertes Instrument. Die meisten Bleikollimatoren lassen weniger als 1 % der einfallenden Photonen durch. Es wurden Versuche unternommen, Kollimatoren durch elektronische Analyse zu ersetzen.
In der Strahlentherapie
Kollimatoren (Strahlbegrenzungsvorrichtungen) werden in Linearbeschleunigern verwendet, die für Strahlentherapiebehandlungen verwendet werden. Sie helfen, den aus der Maschine austretenden Strahlungsstrahl zu formen und können die maximale Feldgröße eines Strahls begrenzen.
Der Behandlungskopf eines Linearbeschleunigers besteht sowohl aus einem Primär- als auch aus einem Sekundärkollimator. Der Primärkollimator wird positioniert, nachdem der Elektronenstrahl eine vertikale Ausrichtung erreicht hat. Bei der Verwendung von Photonen wird es platziert, nachdem der Strahl das Röntgentarget passiert hat. Der Sekundärkollimator wird entweder nach einem Abflachungsfilter (für die Photonentherapie) oder einer Streufolie (für die Elektronentherapie) positioniert. Der Sekundärkollimator besteht aus zwei Backen, die bewegt werden können, um das Behandlungsfeld entweder zu vergrößern oder zu minimieren.
Neue Systeme mit Multileaf-Kollimatoren (MLCs) werden verwendet, um einen Strahl weiter zu formen, um Behandlungsfelder in der Strahlentherapie zu lokalisieren. MLCs bestehen aus etwa 50–120 Blättern schwerer Kollimatorplatten aus Metall, die sich an ihren Platz schieben, um die gewünschte Feldform zu bilden.
Berechnen der räumlichen Auflösung
Um die räumliche Auflösung eines Parallellochkollimators mit einer Lochlänge, , einem Lochdurchmesser und einem Abstand zum abgebildeten Objekt zu ermitteln , kann die folgende Formel verwendet werden
Siehe auch
- Autokollimation
- Autokollimator
- Kollimiertes Licht
- Nicht abbildende Optik
- Snoot in Beleuchtung