Collimateur - Collimator

Exemple de collimateur de particules

Un collimateur est un appareil qui rétrécit un faisceau de particules ou d'ondes. Se rétrécir peut signifier soit amener les directions de mouvement à s'aligner davantage dans une direction spécifique (c'est-à-dire produire de la lumière collimatée ou des rayons parallèles ), soit réduire la section transversale spatiale du faisceau ( dispositif de limitation de faisceau ).

Histoire

Un physicien anglais Henry Kater était l'inventeur du collimateur flottant , qui a rendu un grand service à l'astronomie pratique. Il a rendu compte de son invention en janvier 1825. Dans son rapport, Kater a mentionné les travaux antérieurs dans ce domaine par Carl Friedrich Gauss et Friedrich Bessel .

Collimateurs optiques

Un exemple de collimateur optique avec une ampoule, une ouverture (A) et une lentille plan-convexe (L)

En optique , un collimateur peut consister en un miroir ou une lentille incurvée avec un certain type de source lumineuse et/ou une image à son foyer . Cela peut être utilisé pour reproduire une cible focalisée à l' infini avec peu ou pas de parallaxe .

Dans l' éclairage , les collimateurs sont généralement conçus en utilisant les principes de l' optique sans imagerie .

Les collimateurs optiques peuvent être utilisés pour calibrer d'autres appareils optiques, pour vérifier si tous les éléments sont alignés sur l' axe optique , pour régler les éléments à la bonne mise au point ou pour aligner deux ou plusieurs appareils tels que des jumelles ou des canons d'armes à feu et des viseurs . Une caméra topographique peut être collimatée en plaçant ses repères fiduciaires de manière à ce qu'ils définissent le point principal, comme en photogrammétrie .

Les collimateurs optiques sont également utilisés comme viseurs dans le viseur du collimateur , qui est un simple collimateur optique avec un réticule ou un autre réticule à son foyer. Le spectateur ne voit qu'une image du réticule. Ils doivent l'utiliser soit avec les deux yeux ouverts et un œil regardant dans le viseur du collimateur, avec un œil ouvert et en déplaçant la tête pour voir alternativement le viseur et la cible, ou avec un œil pour voir partiellement le viseur et la cible en même temps. temps. L'ajout d'un séparateur de faisceau permet au spectateur de voir le réticule et le champ de vision , faisant un viseur réflecteur .

Les collimateurs peuvent être utilisés avec des diodes laser et des lasers de découpe au CO 2 . La collimation correcte d'une source laser avec une longueur de cohérence suffisamment longue peut être vérifiée avec un interféromètre à cisaillement .

Collimateurs à rayons X, gamma et neutrons

Collimateurs utilisés pour enregistrer les rayons gamma et les neutrons d'un essai nucléaire.

Dans l' optique de rayons X , de rayons gamma optique et neutrons optique, un collimateur est un dispositif qui filtre un flux de rayons de telle sorte que seules les personnes voyageant en parallèle à une direction spécifiée sont autorisés à travers. Les collimateurs sont utilisés pour l'imagerie aux rayons X, aux rayons gamma et aux neutrons, car il est difficile de focaliser ces types de rayonnement dans une image à l'aide de lentilles, comme c'est le cas avec le rayonnement électromagnétique aux longueurs d'onde optiques ou quasi-optiques. Les collimateurs sont également utilisés dans les détecteurs de rayonnement des centrales nucléaires pour les rendre sensibles à la direction.

Applications

Comment un collimateur Söller filtre un flux de rayons. En haut : sans collimateur. En bas : avec un collimateur.

La figure de droite illustre l'utilisation d'un collimateur Söller dans les machines à neutrons et à rayons X. Le panneau supérieur montre une situation où un collimateur n'est pas utilisé, tandis que le panneau inférieur présente un collimateur. Dans les deux panneaux, la source de rayonnement est à droite et l'image est enregistrée sur la plaque grise à gauche des panneaux.

Sans collimateur, les rayons de toutes les directions seront enregistrés ; par exemple, un rayon qui a traversé le haut de l'échantillon (à droite du diagramme) mais se déplace vers le bas peut être enregistré au bas de la plaque. L'image résultante sera si floue et indistincte qu'elle sera inutile.

Dans le panneau inférieur de la figure, un collimateur a été ajouté (barres bleues). Il peut s'agir d'une feuille de plomb ou d'un autre matériau opaque au rayonnement entrant avec de nombreux petits trous percés ou, dans le cas des neutrons, il peut s'agir d'un arrangement en sandwich (qui peut mesurer jusqu'à plusieurs pieds de long - voir ENGIN-X ) avec de nombreuses couches alternent entre un matériau absorbant les neutrons (par exemple le gadolinium ) et un matériau transmettant les neutrons. Cela peut être quelque chose de simple, par exemple de l'air. ou si une résistance mécanique est nécessaire, l'aluminium peut être utilisé. Si celui-ci fait partie d'un ensemble tournant, le sandwich peut être bombé. Cela permet une sélection d'énergie en plus de la collimation - la courbure du collimateur et sa rotation ne présenteront un chemin rectiligne qu'à une seule énergie de neutrons. Seuls les rayons qui se déplacent presque parallèlement aux trous les traverseront - tous les autres seront absorbés en frappant la surface de la plaque ou le côté d'un trou. Cela garantit que les rayons sont enregistrés à leur place sur la plaque, produisant une image claire.

Pour la radiographie industrielle utilisant des sources de rayonnement gamma telles que l' iridium-192 ou le cobalt-60 , un collimateur (dispositif de limitation de faisceau) permet au radiographe de contrôler l'exposition au rayonnement pour exposer un film et créer une radiographie, pour inspecter les matériaux à la recherche de défauts. Un collimateur dans ce cas est le plus souvent fait de tungstène et est évalué en fonction du nombre de couches de demi-valeur qu'il contient, c'est-à-dire combien de fois il réduit de moitié le rayonnement indésirable. Par exemple, les parois les plus minces sur les côtés d'un collimateur de tungstène 4 HVL de 13 mm (0,52 in) d'épaisseur réduiront l'intensité du rayonnement qui les traverse de 88,5%. La forme de ces collimateurs permet au rayonnement émis de se déplacer librement vers l'échantillon et le film radiographique, tout en bloquant la plupart des rayonnements émis dans des directions indésirables telles que vers les travailleurs.

Limites

Collimateur pour un flux de neutrons , cyclotron de l' Université de Washington

Bien que les collimateurs améliorent la résolution , ils réduisent également l' intensité en bloquant le rayonnement entrant, ce qui est indésirable pour les instruments de télédétection qui nécessitent une sensibilité élevée. Pour cette raison, le spectromètre gamma de Mars Odyssey est un instrument non collimaté. La plupart des collimateurs en plomb laissent passer moins de 1 % des photons incidents. Des tentatives ont été faites pour remplacer les collimateurs par une analyse électronique.

En radiothérapie

Les collimateurs (dispositifs limiteurs de faisceau) sont utilisés dans les accélérateurs linéaires utilisés pour les traitements de radiothérapie . Ils aident à façonner le faisceau de rayonnement sortant de la machine et peuvent limiter la taille de champ maximale d'un faisceau.

La tête de traitement d'un accélérateur linéaire se compose à la fois d'un collimateur primaire et d'un collimateur secondaire. Le collimateur primaire est positionné après que le faisceau d'électrons a atteint une orientation verticale. Lors de l'utilisation de photons, il est placé après que le faisceau a traversé la cible de rayons X. Le collimateur secondaire est positionné après un filtre aplatissant (pour la thérapie photonique) ou une feuille de diffusion (pour la thérapie électronique). Le collimateur secondaire se compose de deux mâchoires qui peuvent être déplacées pour agrandir ou minimiser la taille du champ de traitement.

De nouveaux systèmes impliquant des collimateurs multilames (MLC) sont utilisés pour façonner davantage un faisceau afin de localiser les champs de traitement en radiothérapie. Les MLC se composent d'environ 50 à 120 feuilles de plaques de collimation métalliques lourdes qui glissent en place pour former la forme de champ souhaitée.

Calcul de la résolution spatiale

Pour trouver la résolution spatiale d'un collimateur à trous parallèles avec une longueur de trou , un diamètre de trou et une distance par rapport à l'objet imagé , la formule suivante peut être utilisée

où la longueur efficace est définie comme
Où est le coefficient d'atténuation linéaire du matériau à partir duquel le collimateur est fabriqué.

Voir également

Les références