Collimateur

Un collimateur est un dispositif qui rétrécit un faisceau de particules ou d'ondes. Rétrécir peut signifier soit faire en sorte que les directions de mouvement deviennent plus alignées dans une direction spécifique (c'est-à-dire produire une lumière collimatée ou des rayons parallèles ), soit faire en sorte que la section transversale spatiale du faisceau devienne plus petite ( dispositif de limitation de faisceau ).

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

En optique , un collimateur peut être constitué d'un miroir ou d'une lentille courbée avec une certaine source de lumière et/ou une image au foyer . Cela peut être utilisé pour reproduire une cible focalisée à l'infini avec peu ou pas de parallaxe .

En éclairage , les collimateurs sont généralement conçus selon les principes de l'optique non imageante .

Les collimateurs optiques peuvent être utilisés pour calibrer d'autres dispositifs 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 dispositifs tels que des jumelles ou des canons et des viseurs de fusil . Une caméra d'arpentage peut être collimatée en définissant ses marqueurs fiduciaires de manière à ce qu'ils définissent le point principal, comme en photogrammétrie .

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

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

En optique à rayons X , en optique à rayons gamma et en optique à neutrons , un collimateur est un dispositif qui filtre un flux de rayons de sorte que seuls ceux qui se déplacent parallèlement à une direction spécifiée soient autorisés à passer. Les collimateurs sont utilisés pour l'imagerie à rayons X, gamma et neutroniques 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 à des 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.

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 dans laquelle aucun collimateur n'est utilisé, tandis que le panneau inférieur présente un collimateur. Dans les deux panneaux, la source de rayonnement se trouve à droite et l'image est enregistrée sur la plaque grise à gauche des panneaux.

Sans collimateur, les rayons provenant de toutes les directions seront enregistrés. Par exemple, un rayon qui a traversé le haut de l'échantillon (à droite du schéma) mais qui 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 incident, traversée de nombreux petits trous, ou, dans le cas des neutrons, d'un agencement en sandwich (qui peut atteindre plusieurs pieds de long ; voir ENGIN-X ) avec de nombreuses couches alternant entre un matériau absorbant les neutrons (par exemple, le gadolinium ) et un matériau transmettant les neutrons. Il peut s'agir d'un matériau simple, comme de l'air ; si une résistance mécanique est nécessaire, un matériau tel que l'aluminium peut être utilisé. Si celui-ci fait partie d'un ensemble rotatif, le sandwich peut être courbé. Cela permet la sélection de l'énergie en plus de la collimation ; la courbure du collimateur et sa rotation ne présenteront un chemin rectiligne que pour 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 du faisceau) permet au radiologue de contrôler l'exposition au rayonnement pour exposer un film et créer une radiographie, afin d'inspecter les matériaux à la recherche de défauts. Un collimateur dans ce cas est le plus souvent fabriqué en tungstène et est classé en fonction du nombre de couches de demi-valeur qu'il contient, c'est-à-dire du nombre de fois qu'il réduit de moitié le rayonnement indésirable. Par exemple, les parois les plus fines sur les côtés d'un collimateur en tungstène 4 HVL de 13 mm (0,52 po) 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 majeure partie du rayonnement émis dans des directions indésirables telles que vers les travailleurs.

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 à rayons gamma de la sonde 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.

Les collimateurs (dispositifs de limitation 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 maximale du champ d'un faisceau.

La tête de traitement d'un accélérateur linéaire se compose d'un collimateur primaire et d'un collimateur secondaire. Le collimateur primaire est placé 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 à rayons X. Le collimateur secondaire est placé après un filtre aplatissant (pour la photothérapie) ou une feuille de diffusion (pour la thérapie électronique). Le collimateur secondaire se compose de deux mâchoires qui peuvent être déplacées pour agrandir ou réduire la taille du champ de traitement.

De nouveaux systèmes utilisant des collimateurs multilames (MLC) sont utilisés pour façonner un faisceau afin de localiser les champs de traitement en radiothérapie. Les MLC sont constitués d'environ 50 à 120 plaques de collimateur en métal lourd qui glissent en place pour former la forme de champ souhaitée.

Pour trouver la résolution spatiale d'un collimateur à trous parallèles avec une longueur de trou, un diamètre de trou et une distance à l'objet imagé , la formule suivante peut être utilisée où la longueur effective est définie comme Où est le coefficient d'atténuation linéaire du matériau à partir duquel le collimateur est fabriqué.