МОСКОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В.ЛОМОНОСОВА
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙИНСТИТУТ
ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА
На правах рукописи
УДК
Публиченко ПавелАндреевич
МЕТОДАВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА
ЭМУЛЬСИОННЫХДАННЫХ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАПКИ
01.04.23. – физика высокихэнергий
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученойстепени
кандидатафизико-математических наук
Научныйруководитель:
докторфизико-математических наук,
с. н. с. Роганова ТатьянаМихайловна;
докторфизико-математических наук,
Свешникова ЛюбовьГеоргиевна
Москва - 2004
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….. | 5 |
| Глава 1.Поиск вершин взаимодействий с помощьюкалориметрического триггера вэксперименте RUNJOB ………………………. | 22 |
| §1.1Эксперимент RUNJOB……………………………………………... | 22 |
| §1.2Структура камеры………………………………………………….. | 23 |
| §1.3.Обработка проэкспонированных пленок………………………… | 24 |
| §1.4Определение единой системы координат сиспользованием опорных треков………………………………………………………………… | 27 |
| §1.5.Автоматизация……………………………………………………… | 28 |
| §1.6.Точность предсказания вершины………………………………… | 34 |
| §1.7Результаты обработки……………………………………………… | 36 |
| §1.8. Выводы……………………………………………………………… | 37 |
| Глава 2.Измерительная система……………………………………... | 38 |
| §2.1.Комплекс ПАВИКОМ……………………………………………… | 38 |
| §2.2.Механическая система……………………………………………... | 40 |
| §2.3.Оптическая система………………………………………………... | 42 |
| §2.4.CCD-камера…………………………………………………………. | 43 |
| §2.5.Матобеспечение………………………………………………….... | 47 |
| §2.6. Выводы…………………………………………………………….. | 50 |
| Глава 3.Автоматизированный метод анализаизображений в рентгеновских пленкахэкранного типа …………………………… | 51 |
| §3.1.Предмет анализа………………………………………………….. | 51 |
| §3.2.Сканирование SXF пленок………………………………………. | 52 |
| §3.3.Измерение поля зрения…………………………………………….. | 54 |
| §3.4.Система координат……………………………………………….. | 57 |
| §3.5. Сшивкасистемы координат……………………………………….. | 58 |
| §3.6.Автоматическое сканирование…………………………………... | 58 |
| §3.7.Видеооборудование………………………………………………. | 61 |
| §3.8.Проблема распознавания образов…………………………………. | 63 |
| §3.9.Алгоритм выделения пятен……………………………………… | 66 |
| §3.10.Плавающий порог…………………………………………………. | 75 |
| §3.11.Тестирование алгоритма………………………………………….. | 78 |
| §3.12.Выводы…………………………………………………………….. | 86 |
| Глава 4.Моделирование процессов регистрациитяжелых ядер … | 88 |
| §4.1.Описание алгоритма расчета……………………………………….. | 88 |
| §4.2.Интенсивность тяжелых ядер…………………………………. | 89 |
| §4.3.Взаимодействие ядер в атмосфере………………………………. | 89 |
| §4.4.Взаимодействие ядер в установке……………………………….. | 90 |
| §4.5.Геомагнитное обрезание…………………………………………… | 90 |
| §4.6.Остановки ядер в атмосфере и камере………………………….. | 92 |
| §4.7. Схемарасчета…………………………………………………….. | 97 |
| §4.8.Результаты расчета……………………………………………….. | 99 |
| §4.9.Моделирование событий от ядер железа дляотбора вершин взаимодействий вполуавтоматическом режиме в ядернойэмульсии... | 104 |
| §4.10.Выводы…………………………………………………………….. | 106 |
| Глава 5.Алгоритм поиска треков и вершинвзаимодействия тяжелых ядер и сравнение срезультатами моделирования……….. | 108 |
| §5.1.Опорные треки…………………………………………………….. | 109 |
| §5.2.Плотность пятен…………………………………………………… | 110 |
| §5.3. Отбордвойных пятен…………………………………………….. | 112 |
| §5.4.Предсказание в следующий слой………………………………... | 114 |
| §5.5. Выборкандидата двойного пятна……………………………….. | 120 |
| §5.6.Программная реализация………………………………………… | 126 |
| §5.7.Развитие программы трекинг……………………………………… | 128 |
| §5.8.Тестирование программы трекинг………………………………. | 133 |
| §5.9.Прослеживание искусственных событий……………………….. | 135 |
| §5.10. Выбороптимальных параметров………………………………. | 138 |
| §5.11.Визуальная проверка……………………………………………. | 146 |
| §5.12.Выводы…………………………………………………………... | 147 |
| Глава 6.Поиск вершин взаимодействия…………………………… | 149 |
| §6.1.Опорные треки в эмульсии………………………………………. | 149 |
| §6.2.Целеуказания в эмульсию………………………………………….. | 152 |
| §6.3.Вершины взаимодействия………………………………………... | 152 |
| §6.4. Зарядзарегистрированныхядер…………………………………… | 156 |
| §6.5 Выводы……………………………………………………………… | 157 |
| Приложение 1…………………………………………………………….. | 158 |
| Приложение 2…………………………………………………………….. | 159 |
| Заключение………………………………………………………………. | 164 |
| Литература……………………………………………………………….. | 165 |
Введение
Первичное космические излучение(ПКИ) представляет собой поток частицвысокой энергии, преимущественно протонов,приходящих на Землю из Галактики, в которомнаряду с ядрами (1<Z<80) встречаются элементарныечастицы (-кванты, электроны, позитроны) [1,2].Это излучение составляет существеннуючасть энергетического баланса Галактики иимеет среднюю плотность энергии ~ 10-12 эрг/см3, сравнимую сплотностью всех других видов энергии:гравитации, магнитных полей, кинетическойэнергии движения межзвёздного газа,энергии света звезд. Заряженные частицы,составляющие космическое излучение,охватывают колоссальный диапазон энергийвплоть до >1020эВ, их энергии имеют степенноераспределение с изменением спектральногоиндекса от ~-2.7 до ~-3.1 при энергии около31015 эВ (область т.н.«излома» [3, 4]).
Исследование поэлементных спектровчастиц в разных энергетических диапазонах,то есть зависимости химсостава от энергииКЛ, дают нам ключ к пониманиюастрофизических явлений, в особенностижизненного цикла космических лучей(происхождения, ускорения,распространения), непосредственносвязанных с устройством и эволюцией нашейГалактики [5].
Особый интерес представляют спектрытяжелых ядер с Z>24 и Z=1724.Знание энергетических зависимостей исоотношения интенсивностей этих компонентнесет информацию, как об источниках, так и охарактеристиках межзвездной среды [6, 7, 8], аизменение этих характеристик диффузией вгалактической среде незначительно [9, 10, 11].Ядра железа и тяжелее железа не могутобразовываться в процессах фрагментациипри прохождении межзвездной среды, ониявляются истинно первичными и несутинформацию о сильно проэволюционировавшихзвездах [12]. А ядра с зарядом Z=1725 возникают за счётрасщепления тяжелых ядер (фрагментации)при их взаимодействии с межзвёзднымвеществом.
Рис. 1.Энергетический спектр космических лучейпо экспериментам JACEE, Сокол, Spacelab-2,RUNJOB.
Измерениеэнергетических зависимостей отношенияинтенсивностей этих групп ядер позволитпрояснить характеристики межзвезднойсреды [13].
На протяжении более полувекаведется исследование КЛ с помощьюразличных типов экспериментов. Для прямыхизмерений, в которых непосредственноизмеряется энергия (импульс), заряд и массачастиц используются как пассивные, так иактивные инструменты исследования. Этиэксперименты используют различную технику– орбитальныеспутники, аэростатные баллоны на большойвысоте.
К настоящему времени основная массапрямых экспериментальных данных поспектру и составу ПКИ накоплена в областиэнергий до 1 ТэВ/частицу [14]. В области ТэВ,несмотря на развитие баллонной испутниковой техники, статистика прямыхнаблюдений в данном диапазоне энергий всееще слишком мала, а результаты во многомпротиворечивы [15], см. рис. 1.
В таблице 1 приведены эксперименты, вкоторых прямыми методами измерены спектрытяжелых ядер в области энергий 10 ГэВ/н. Экспериментырасположены по мере увеличенияисследуемого энергетического интервала. Вскобках указан год публикации последнихданных.
Таблица 1.Исследование тяжелой компоненты КЛ вобласти E10ГэВ/н.
| Эксперимент | ЭнергияE | Описание |
| HEAO-3, 1990 г. | 0.635 ГэВ/н | Экспериментна спутнике с одноименным названием,Измерен химический состав в интервалеэнергий 0.635 ГэВ/нуклон для ядер с зарядом Z=430. Использовалисьчеренковские детекторы и искровые камеры,позволившие разделять даже ядра железа (Z=26)и кобальта (Z=27). Статистика около 7106 событий. Потоки ядеризмерены с точностью нескольких процентов.[16] |
| Spacelab-2, 1991 г. | ~ 0.071 ТэВ/н | Space-ShuttleChallenger. Измерен химический состав в областиболее высоких энергий ~70ГэВ/нуклон 1 ТэВ/нуклон.Статистика на несколько порядков ниже, чему НЕАО-3, зарядовое разрешение также хуже.Использовались детекторы переходногоизлучения, черенковские детекторы исцинтилляционные счетчики для определенияэнергии и заряда частицы. [17] |
| SANRIKU, 1997 г. | 0.0051 ТэВ/н | Баллонныйэксперимент в атмосфере на глубине 11г/см2 сэмульсионными камерами на борту.Энергетический диапазон 5ГэВ/нуклон 1ТэВ/нуклон, Z=826. 3177 событий ядергруппы железа (529 от 4 до 1000 ГэВ/нуклон).Измерены поэлементные спектры тяжелыхядер. Детекторы - ядерные эмульсии иэкранные пленки SXF. [18, 19] |
| Sokol, 1993 г. | 0.043 ТэВ/н | Спутниковыйэксперимент, энергетический диапазон дляядер железа 40 ГэВ/нуклон 3ТэВ/нуклон. Z=126. Спектры измереныдля групп ядер. Детекторы – черенковскиесчетчики для измерения заряда иионизационный калориметр для измеренияэнергии. Полная статистика ядер железаоколо 150 событий. [20] |
| JACEE, 1996 г. | 0.510 ТэВ/н | The Japanese AmericanCooperative Emulsion Experiment. Последние результатыопубликованы в 1996 г. Баллонный экспериментна глубине 5 г/см2 с эмульсионными камерами на борту.Энергетический диапазон зависит от ядра,для ядер с Z>17 в интервале 0.510ТэВ/нуклон статистикасоставила ~30 штук. Детекторы – ядерные эмульсии ирентгеновские пленки. [21] |
| MUBEE, 1993 г. | 14 ТэВ/н | Moscow UniversityBalloon Emulsion Experiment. Баллонный эксперимент навысоте 10 г/см2 сэмульсионными камерами на борту.Энергетический диапазон зависит от ядра,для ядер с Z>17 в интервале 1ТэВ/нуклон 4ТэВ/нуклон статистикасоставила ~7 штук. Детекторы – ядерные эмульсии ирентгеновские пленки. [22] |
| RUNJOB, 1995 г. | 0.44 ТэВ/н | Russian-Nippon JointBalloon observation. Опубликованы в 2003 г. толькорезультаты по 70% статистики. Баллонныйэксперимент на глубине 10 г/см2 с эмульсионнымикамерами на борту. Энергетический диапазонзависит от ядра, для ядер с Z>17 в интервале0.4 4 ТэВ/нуклонстатистика составила ~6 штук. Детекторы– ядерныеэмульсии, рентгеновские пленки, SXF пленки.[23, 24, 25] |
| ATIC, 2003 г. | 0.03100 ТэВ/н | Advanced ThinIonization Calorimeter. Выполнено 2 запуска баллонанад Антарктикой, измеряемые энергии от20 ГэВ до 100 ТэВдля ядер 1Z26.Стриповый детектор и активный BGOкалориметр. [26] |
Анализируя указанные эксперименты,можно заметить, что после энергии 1 ТэВ/нможно говорить только о соотношенииспектров групп ядер, но не о поэлементныхизмерениях. Изотопный состав исследуетсялишь при энергии меньше или порядка 1 ГэВ/н.Статистика по железу в области > 1 ТэВ/нскладывается из единичных событий вотдельных экспериментах. Лишь вэксперименте SANRIKU и ATIC измерения проведеныв широком энергетическом диапазоне.
Особую роль в этих исследованияхзанимают эксперименты, использующиеэмульсионную плёнку. Это экспериментынакопительного типа, относительнонедорогие, не требующие сложнойэлектроники и сравнительно легковыполнимые. Среди перечисленныхэкспериментов в таблице 1.1 в областиэнергий >1 ТэВ/н 4 из 7 именно эмульсионные,- SANRIKU, MUBEE, RUNJOB, JACEE.
Со времен ранних этапов развитияядерной физики, регистрация субатомныхчастиц и изучение их траекторий частобазировались на технике ядерной эмульсии[27]. Типичный пример: заряженная частица,пересекая пленку, формирует скрытоеизображение в фоточувствительныхмикрокристаллах соединения брома. Послепроявления, на оптическом микроскопе прибольшом увеличении виден след частицы ввиде пятна потемнения [28].
Такая техника развивалась исовершенствовалась на протяжениидесятилетий и широко используется сейчас вкосмических лучах и на ускорителяхблагодаря высокой информативностиэмульсионных методов, возможностианализировать отдельные события с высокоймножественностью вторичных частиц,измерять импульсы частиц и т.д. [29, 30].
Детекторы на базе эмульсионныхпленок – эторентгено-эмульсионные камеры (РЭК), которыеимеют высокое пространственное разрешениепри регистрации частиц, недоступное вдругих типах детекторов [31]. РЭК имеетследующие преимущества при наблюдении ПКЛвысоких энергий:
- порог регистрации по энергии(электронно-фотонного) ливня вышенескольких ТэВ, слабо зависит от условийэксперимента. Это делает РЭК эффективнымидля отбора первичных космических частицвысоких энергий;
- как правило, РЭК имеют большийгеометрический фактор S, чем удетекторов активного типа, (S – площадь установки, - телесныйугол);
- Энергия частиц определяется наоснове теоретических расчётовхарактеристических электронно-фотонныхливней, развивающихся в РЭК [32]. Эти расчеты,проведенные аналитически или методом МК,хорошо согласуются друг с другом. Поэтомуэмульсионная техника применяется напротяжении десятилетий и до сих пор неимеет аналогов.
К сожалению, эмульсия имеет и своинедостатки, - это трудоемкость обработки.Эмульсионные методы до самого последнеговремени требовали применения тяжелоговизуального труда при обработкепервичного экспериментального материала.Рассмотрим, например, обработкурентеноэмульсионных камер.
Работа с РЭК требует детальногопросмотра пленок, измерения координат ипотемнения пятен. В неавтоматическомспособе измерений оператор управляетмикроскопом вручную, визуально производяфокусировку объектов и совмещаяизмерительный крест с центром изображенияпятна. При измерении на полуавтоматахзначения координат пятен вводятся вкомпьютер по командам оператора. Однако,большая эффективность обработкидостигается при проведении измерений наполностью автоматизированных установках,на которых весь процесс измерений, включаяанализ оптического изображения измеряемыхобъектов, осуществляется в автоматическомрежиме без участия оператора [33, 34, 35].
Благодаря высокому уровнюсовременных прецизионных измерительныхмеханических систем, средстввычислительной техники и оптоэлектронныхприборов оказалось возможным осуществитьтакую автоматизацию. В самые последниегоды подобного типа полные автоматызапущены или запускаются в Международномцентре ядерных исследований - ЦЕРН, внаучных центрах Японии [36, 37], Италии и внекоторых других странах. Бесспорнымилидерами в автоматизации обработкиядерных эмульсий являются японские физики[38, 39], начавшие осуществлять полнуюавтоматизацию в середине 1990-х гг. Этоозначало настоящую революцию вэмульсионной методике, которой без такойавтоматической обработки материала былотрудно конкурировать с бурноразвивающимися электронными методамиисследований.
Автоматизацией измерений вэмульсиях также активно занимаются в ЦЕРНи в других европейских научных центрах, гдедействует семь таких автоматов.Измерительные возможности таких центровпозволяют успешно проводить обработкуматериала экспериментов с эмульсионнымимишенями больших объемов, таких какэксперимент CHORUS (масса эмульсионной мишениравна ~ 770 кг [40, 41, 42], поиск нейтринныхосцилляций), который использовал дляобработки пленок автоматическиесканирующие системы на базе MICOS.
В эксперименте SANRIKU [19] были впервыеприменены особые рентгеновские пленки сусиливающими сцинтилляционнымиэкранами[1] (Screen X-ray Film) [43].Благодаря чрезвычайно высокойчувствительности, такую пленку можноиспользовать для определения вершиныядерного взаимодействия, вызванноготяжелым ядром КЛ, а также для определениязаряда первичной частицы [44]. В отличие отрентгеновской пленки, которая имеет пределв регистрации наклонных трековрелятивистских энергий [45], пленка сусиливающим экраном не имеет такихограничений, поскольку сцинтилляционныйсвет, испущенный экранами, примернопропорционален длине пути налетающейчастицы. Подобная техника была позжеприменена в эксперименте RUNJOB [23, 24, 25].
Настоящая работа посвящена методикеобработки и анализа экспериментальногоматериала, полученного в аэростатномРоссийско-Японском эксперименте RUNJOB. Этосотрудничество было организовано в 1995 годуи посвящено поэлементному изучениюэнергетического спектра первичногокосмического излучения (ПКИ) прямымиметодами в диапазоне энергий от 20500 ТэВ. Подробнее обэксперименте написано в главе 1. За 5 летбыло совершено 10 успешных аэростатныхполетов, суммарная накопленная экспозиция- 575 м2ч. В даннойработе обсуждаются результаты обработкиматериала стратосферных камер по полетам1996 года, см. таблицу 2.
Таблица 2. Данные покомпании RUNJOB 1996 г.
| RUNJOB IV | |
| Продолжительность полета, ч | 147.5 |
| Площадькамеры, м2 | 0.4 |
| Экспозиция,ч•м2 | 59.0 |
В эксперименте RUNJOB основной методобработки событий основан накалориметрическом триггере отбора частицпо энергии, выделенной в электромагнитнуюкомпоненту в калориметрическом блокеустановки [46]. Этот метод регистрации покаскадам в калориметре имеет высокийэнергетический порог (~20 ТэВ), связанный сфлуктуацией коэффициента неупругости ибольшой неопределенности его вопределении энергии. Наряду с этим методом,существует возможность регистрироватьчастицы непосредственно в мишенном блоке спомощью специальных фоточувствительныхматериалов SXF [47], упомянутых выше. Такой«вершинный триггер» позволяет снизитьпорог регистрации частиц до минимальногопорога геомагнитного обрезания и измеритьв рамках одного эксперимента поэлементныеэнергетические спектры ядер с зарядомZ>17. Вдетекторах вершинного триггера используютособые наборы из двухслойныхрентгеновских пленок, окруженных с обеихсторон сцинтилляционными экранами (пленкиэкранного типа или SXF). Структура пленкипоказана на рис. 2.
Заряженное ядро с Z>17, проходя черезтакой детектор, вызывает сцинтилляциюэкранов, засвечивающих пленку с двухсторон. В результате, след ядра наблюдаетсяневооруженным глазом на рентгеновскойпленке, как пара пятен потемнения сдиаметром ~100 мкм. Поскольку в областивысоких энергий потери на ионизацию независят от энергии, а только от Z2 частицы, величинупочернения можно использовать дляопределения заряда частиц [48].
Рис. 2.Структура пленки SXF, испусканиесцинтилляционного света при прохождениизаряженной частицы через пакет.Высокочувствительная рентгеновскаяпленка (марки Fuji RXO-H или Fuiji HR-H, Japan) вложенамежду двумя сцинтилляционными экранами,каждый из которых состоит из составаGd2O2S с примесью ~ 1%Tb.
Треки частиц, пересекающихустановку, имеют близкие по форме ипотемнению пятна во всех рядах мишени. Этопозволяет выделить траектории частиц,определить их заряд, а по резкому скачкупотемнения находить точки взаимодействияпервичных ядер с ядрами атомов мишенныхслоев.
Структура камеры и мишенного блокаустановки RUNJOB 1996 показана на рис. 2а, 2б.Первичный (Primary) и мишенный (Target) блокисодержат 13 рядов SXF. В промежутках междуэкранными пленками находятся 1-мм листыжелеза (которые не показаны на рис. 2а),эмульсионные пленки (Em) и углерод(оргстекло). Высота мишенного блока 510 мм,размер одной пленки 400500 мм2. Более подробно окамере RUNJOB см. главу 1.
Рис. 2а.Расположение экранных пленок (SXF) и ядерныхпленок (Em) в первичном и мишенном блокахустановки.
Рис. 2б.Структура камеры и вершинныйтриггер.
Экранные пленки фиксируют частицы,прошедшие через детектор безвзаимодействия, провзаимодействовавшие иостановившиеся в мишенном блоке. Анализраспределения пятен потемнения врентгеновских пленках мишенного блокапозволяют разделить эти разного родасобытия и определить точки взаимодействияядер космических лучей.
Пленки SXF впервые были широкоиспользованы в эксперименте SANRIKU [18, 19].Длительность экспозиции в этомэксперименте составила 22.2 часа, площадькамеры S=1.53м2. Были найденытреки от различных групп элементов. Общеечисло зарегистрированных треков 105536, отгруппы железа (Z>25) – 3177,из них обработано 529 (17%). В таблице 3приведены в сравнении данные по экспозицииSXF плёнок в эксперименте RUNJOB и SANRIKU.
Таблица 3.Данные по экспозиции пленок SXF вэкспериментах SANRIKU и RUNJOB.
| SANRIKU | RUNJOB 1996, IV-B,секция “B” | |
| Времяэкспозиции t, ч | 22.2 | 147.5 |
| Площадь S,м2 | 1.53 | 0.2 |
| ФакторSt, чм2 | 33.966 | 29.5 |
| Зарегистрированных треков | 105 536 | ~ 46 000 в 5ряду |
| Плотностьпятен, см-2 | > 14 ([2] ) | 200 |
| Геомагнитный порог обрезания | ~ 4ГэВ/н | ~ 0.7Гэв/н |
Как видно из таблицы 3 время полетакамеры в RUNJOB примерно в 7 раз дольше, чем вSANRIKU, соответственно и значительно выросуровень фона и плотность пятен, которая вRUNJOB составляет ~200 см-2. Таким образом, обработкаэкспериментального материала – измерение пятенпотемнений, восстановление траекторийчастиц в объеме камеры и поиск вершинвзаимодействия ядер в мишени – представляет оченьсложную задачу, выполнимую только сиспользованием полностьюавтоматизированной системы. Подобнаясистема была создана в ФИАН им. П.Н.Лебедева и получила название ПАВИКОМ(Полностью АВтоматизированныйИзмерительный Комплекс) [49, 50, 51].
Актуальность темы
Исследование состава иэнергетического спектра ПКИ дают нам ключк пониманию фундаментальныхастрофизических проблем: происхождениякосмических лучей, их ускорения ираспространения в Галактике. Особенныйинтерес представляет энергетическийспектр по тяжелым ядрам в области энергий 1ТэВ/частицу и выше. Несмотря на развитиебаллонной и спутниковой техники,статистика в данной области по тяжелымядрам очень мала, а результаты во многомпротиворечивы (см. рис.1). Таким образом,измерение спектра тяжелых ядер при E>1 ТэВ/н являетсяисключительно актуальной темой в физикеКЛ.
С другой стороны, актуальностьработы связана с необходимостьюавтоматизации обработки эмульсионныхэкспериментов. В настоящее времяэмульсионная техника используется как висследованиях КЛ, так и во множестве другихэкспериментах благодаря чрезвычайновысокому пространственному разрешению прирегистрации ядер и элементарных частиц. Вто же время эмульсия требует трудоемкойдлительной обработки, потому так важно иактуально создание автоматических методовисследования.
И наконец, актуальна разработкаметода автоматизированного анализаэксперимента RUNJOB, нацеленного на измерениехимсостава ПКИ и использующего SXF плёнки.Результаты экспозиции этого экспериментане могут быть проанализированы безавтоматизации обработки из-за высокойплотности пятен на плёнке.
Цель работы
Основными целями работыявляется:
- создать автоматизированный методанализа эмульсионных данных различныхэкспериментов на базе уникальной системыПАВИКОМ;
- с помощью разработанной методикиобработать в автоматическом режиме данныеэксперимента RUNJOB, выделить тяжелые ядра;
- провести численное моделированиепроцессов регистрации ядер, оценитьэффективность работы метода.
Научная новизна ипрактическая ценность
С активным участием автора введен встрой уникальный в России измерительныйкомплекс ПАВИКОМ[3]. для обработкимикроизображений фотоматериаловразличных научных экспериментов, которыйпозволяет обрабатывать большие площади (0.5м2)фоточувствительных материалов с высокимпространственным разрешением (выше 7мкм/пиксель) на большой скорости (16см2/мин).Автором написано программное обеспечениедля комплекса, которое покрывает всевозможности его использования.
Впервые применятся автоматизацияобработки для вершинного триггераэксперимента RUNJOB. В отличие отстандартного метода регистрации частиц поэлектромагнитным ливням, развитым вглубине камеры, в этом методе частицырегистрируются в экранных пленках SXF вверхней части камеры, еще до акта ядерноговзаимодействия.
Впервые разработан и использованметод автоматизации измерений для плёнокэкранного типа, в условиях высокого фонарешена проблема выделения пятен.
Впервые разработан метод трекинга(восстановление траектории частиц вкамере) для камеры RUNJOB и восстановленывершины взаимодействия в эмульсии. Впервыедля регистрации частиц применяетсявершинный триггер.
Разработанные в диссертацииалгоритмы успешно применяются дляобработки данных в экспериментах RUNJOB, EMU15(ФИАН им. П.Н. Лебедева, изучение ядернойматерии при сверхвысоких температурах исверхплотных состояниях [52, 53]), «Платан»(ФТИ им. А.Ф. Иоффе, исследование ПКЛсолнечного и галактического происхожденияметодом многослойных твердотельныхтрековых детекторов [54, 55]), семейства«Страна» («СТРАтосферное событие имениНиколая Алексеевича Добротина»,зарегистрированное в 7-суточном полете 1975г. на высоте около 30 км [56, 57, 58]), «Спектр»(ИТЭФ-ОИЯИ, экспериментальное исследованиеспектров электронов внутренней конверсии;метод ядерной спектроскопии, позволяющийполучать многообразные сведения оструктуре возбужденных состояниях ядер[59]).
Содержаниедиссертации
Диссертация состоит из шести глав,введения, заключения, приложения и спискалитературы.
В первой главеописывается эксперимент RUNJOB, структуракамеры, даны основные характеристикиполетов. Основной способ регистрациичастиц в эксперименте – по энергии,выделенной в электромагнитную компонентув калориметре, и в 1-ой главе описанапроцедура обработки данных по этомуметоду. Автором была разработана программапостроения карт событий, с помощью которыходин из трудоемких этапов поиска вершинвзаимодействия в ядерной эмульсии былзначительно облегчен. Специальносозданное мат. обеспечение включаетпрограммы работы с плоттером идигитайзером, расчет общей системыкоординат и предсказаний координат вершинв эмульсии. С участием автора былообработано 40% экспериментальногоматериала российской части RUNJOB, покоторому построены спектры ПКИ.
Во второй главеприведено описание измерительногокомплекса ПАВИКОМ, его основныетехнические характеристики. Это описаниепрецизионного механического стола MICOS,оптической системы и CCD-камеры[4].Обсуждаются в сравнении техническиеособенности различных типов CCD-камер,которые использовались для MICOS. В концевторой главы ставится задача написанияпрограммного обеспечения для оперированиясистемой.
В третьей главеописывается метод автоматического анализафоточувствительных материалов,реализованный на базе комплекса ПАВИКОМ.Автоматическая обработка разбивается на 2этапа: 1) сканирование пленки и получениецифрового изображения, 2) анализизображения –выделение пятен и определение иххарактеристик. Рассматривается общаяпроблема распознавания изображений,ставится задача выделения пятен врентгеноэмульсионных пленках.
Вначале главы подробно рассмотреналгоритм пошагового сканирования пленки иего конкретная программная реализация дляПАВИКОМ. Приведено решение задачиавтоматического выделения пятен напленках SXF, исследованы зависимости работыалгоритма от различных параметров.Проведено сравнение созданного алгоритмасо стандартными методами. Показано, чтометод устойчиво работает принезначительных вариациях условий работы.Приведены результаты сканирования 12 SXFпленок камеры RUNJOB IV-B 1996.
В четвертой главеполучены результаты численногомоделирования процессов регистрациитяжелых ядер камерой RUNJOB 1996. Задачамоделирования – получить ожидаемые значения числапятен, зарегистрированных на разных рядахSXF пленок в мишени, интенсивностей иугловых распределений треков на разныхуровнях наблюдения в камере и сравнить их ссоответствующими экспериментальнымивеличинами. Получено принципиальногоограничение метода для отбора вершинвзаимодействия по энергетическому порогу510 ГэВ/н из-за малой плотностипространственного распределениявторичных фрагментов на таких энергиях.Рассматривается задача интерпретацииэкспериментальных данных, проведеносравнение с расчетами.
В пятой главе описаналгоритм трекинга – восстановления траекторий частиц вкамере и его программная реализация.Задача алгоритма – связать разрозненные пятна наразных рядах SXF в треки. В главе подробноописан алгоритм, проблемы с которыми авторстолкнулся в работе и их решение.Приведены результаты обработки SXF пленоккамеры RUNJOB IV-B 1996 г. Решается задачаоптимального выбора параметров алгоритматрекинга, проводится верификациярезультатов.
В шестой главеприведен результат поиска вершинвзаимодействия в эмульсии на основаниицелеуказаний по SXF пленкам. По ограниченнойстатистике были найдены вершинывзаимодействия, остановившиеся частицы,потерянные и ложные следы в эмульсии; впроцентном соотношении эти классы событийсоответствуют расчетным оценкам.
Проведена оценка зарядазарегистрированных событий с точностью дозарядовой группы. Показано, чторегистрируемые события имеют Z>17.
В заключениисформулированы основные результатыдиссертации, полученные в работе ивыносимые на защиту. В результате работысоздан и апробирован метод автоматическойобработки экспериментального материала, сиспользованием вершинного триггера.
Апробация работы.
Результаты, вошедшие в диссертацию,докладывались и обсуждались на российскихи международных конференциях и научныхсеминарах: сессии отделения ядерной физикиРАН «Физика фундаментальныхвзаимодействий» (Москва, ИТЭФ, 2000, 2002).Ломоносовских чтениях (Москва, МГУ, 2001), IIIвсероссийской конференции «УниверситетыРоссии –фундаментальные исследования. Физикаэлементарных частиц и атомного ядра»(Москва, МИФИ, 2002), 18-ом Европейскомсимпозиуме по физике космический лучей(Москва, 2002), 27 и 28 Международныхконференциях по космическим лучам(Германия, Гамбург, 2002; Япония, Цакубо, 2003),научных семинарах НИИЯФ МГУ и ФИАН им.П.Н.Лебедева, рабочем совещанииколлаборации Беккерель «Исследованиекластеризации в мультифрагментациирелятивистских ядер» (Дубна, ЛВЭ ОИЯИ. 2004).Эти результаты хорошо известны российскойи международной научнойобщественности.
Глава 1. Поиск вершинвзаимодействий с помощьюкалориметрического триггера вэксперименте RUNJOB
В эксперименте RUNJOB как основнойиспользуется триггер отбора частиц поэнергии, выделенной в калориметре. Этостандартный метод регистрации частиц длярентгеноэмульсионных камер [31, 32] (РЭК),который базируется на использованиикалориметра и рентгеновской пленки, какпервичного вспомогательного детектора,фиксирующего электромагнитные ливни(развитые в калориметре) с энергиями выше 2ТэВ. В этой главе будет дано описаниеэксперимента RUNJOB и приведен метод анализапроэкспонированного материала, которыйдал статистику для построенияпоэлементных спектров ядер ПКИ. На этапахработы применялась автоматизацияизмерений обработки, которая значительноувеличила общую эффективность работы [62, 63,64, 65].
§ 1.1 ЭкспериментRUNJOB
С 1995 г. по 1999 г. в рамкахроссийско-японского совместногобаллонного эксперимента RUNJOB [23, 24]проведено 10 успешных полетовбаллонов-аэростатов с эмульсионнымикамерами на борту общейпродолжительностью 1440 ч. Экспозиция камерпроводилась на баллонах, запускаемых помаршруту Камчатка – Поволжье на высоте около 32 км, чтосоответствует глубине атмосферы ~ 10г/см2.Длительность каждого из полетов составилаоколо 150 часов. Несмотря на большуюэкспозицию, высокий порог геомагнитногообрезания 3 ГВ помог отсечь фон частиц,основная масса которых приходит с энергиейменьше 1 ГэВ. Информация о площади каждойкамеры, длительности и высоте полетаприведена в таблице 1.1.
Таблица 1.1Экспозиция 10эмульсионных камер экспериментаRUNJOB.
| Год | 1995 | 1995 | 1996 | 1996 | 1997 | 1997 | 1999 | 1999 | 1999 | 1999 |
| Камера | I | II | III | IV | V | VI | VIII | IX | X | XI |
| Время,час | 130 | 167 | 134 | 147.5 | 139 | 139.5 | 141 | 145 | 148 | 146 |
| Площадь,м2 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| Высотаг/см2 | 10 | 9.6 | 9.8 | 10.2 | 10.5 | 10.7 | 9.5 | 9.2 | 9.2 | 9.0 |
§ 1.2 Структуракамеры
РЭК, экспонируемая в экспериментеRUNJOB, представляет собой сложную слоистуюструктуру с несколькими видамифоточувствительных материалов (ядернаяэмульсия, обычная рентгеновская пленка ирентгеновская пленка с усиливающимисцинтилляционными экранами), углерода илистали в мишени, прокладками из легкоговещества в спейсере (пенопласт), а также 2-хмм слоев свинца в тонком калориметре. Повысоте камера делится на блоки, какпоказано на рис. 1.1, сверху вниз: первичныйблок, мишень, спейсер, калориметр. Вприложении 1 приведена геометрия камеры созначениями пробегов взаимодействия дляпротона и железа, а также значениякаскадных t-единиц по рядам камеры RUNJOB-IV1996.
Рис. 1.1.Камера 1996 года.
Верхний, первичныйблок (9 мм, ядерная эмульсия,пленка SXF) предназначен для определениязаряда входящих в камеру частиц, до того,как они провзаимодействуют с веществоммишени.
Следующий блок – мишень. В мишени(глубина: 47 мм, сталь, ядерная эмульсия,пленка SXF) ожидается взаимодействиепервичной частицы. Толщина мишени впробегах взаимодействия составляет около0.18 для протонов и 0.86 для ядер железа.
Спейсер состоит изпенопластовых прокладок, чередующихся спластинками ядерной эмульсии, т.е. изминимального количества вещества. Егозадача –развести вторичные частицы послевзаимодействия в мишени на расстояния,которые можно измерить, в самом спейсереэлектромагнитный ливень неразвивается.
Нижний блок – калориметр, состоящий из 1-ого и 2-хмиллиметровых слоев свинца ичувствительных материалов – ядерной эмульсии,рентгеновской пленки и пленки SXF.Калориметр используется нетрадиционный,легкий, его глубина – порядка 4 каскадных единиц, что явнонедостаточно для определения энергии покривой развития ливня, кроме событий сбольшими зенитными углами. Калориметр вэксперименте RUNJOB служит триггером дляотбора высокоэнергичных событий.
Толщина всей камеры в пробегахвзаимодействия составляет около 0.35 дляпротонов и 1.52 для ядер железа.
§ 1.3. Обработкапроэкспонированных пленок
Обработка фоточувствительных слоевпроводилась четырьмя группами в России иЯпонии. Методика обработкиядерно-эмульсионных пленок чрезвычайнотрудоемкая, включающая использованиеавтоматизированных микроскопныхкомплексов.
Обработка камеры начинается споиска потемнений от электромагнитныхкаскадов невооруженным глазом нарентгеновской пленке нижних слоев камеры,где каскады наиболее развиты. Яркостьпятна в рентгеновской пленке определяетсяэнергией ливня, которая пропорциональнаэнергии первичной частицы.Чувствительность пленки определяет нижнийпорог по энергии рассматриваемых вдальнейшем событий. Вся обработкаразбивается на следующие шаги.
1. Предварительнаяобработка по рентгеновской пленке. На просмотровом столерентгеновская пленка изучается под лупой,видимые пятна обводятся карандашом;координаты пятен переносятся намиллиметровую пленку, и составляетсяпредварительная карта событий. Далеесобытия сопоставляются из слоя в слой сприсвоением им номеров. На картах можнопродлить отрезок измеренного трека вдолькамеры и получить предсказание координат вверхних слоях.
2. Перенос на ядернуюэмульсию. Карта событий (см.рис. 1.6) составленная по рентгеновскойпленке, накладывается на соответствующуюпленку ядерной эмульсии и на эмульсииположения пятен помечаются карандашом.Далее эти места (пока еще грубо отмеченные)проверяются под микроскопом и в случаеуспеха отмечаются штампом диаметром ~1мм.По проставленным штампам составляютсяновые карты событий, уже более точные.Данный этап не сложен, так как в нижнихслоях камеры ливни достаточно яркие, чтобынайти их под микроскопом без особыхпроблем.
3. Прослеживаниесобытий вверх и поиск вершинывзаимодействия. Событиянайденные в нескольких нижних слояхэмульсии, необходимо продлить вверх доточки взаимодействия. Прослеживаниеведется из слоя в слой с помощью картпредсказаний, которые вычисляются наоснове уже померенных слоев. На каждомновом уровне карты пересчитываются иуточняются. При движении вверх ливнистановятся слабее, сливаются с фоном ипроцесс их поиска становится все болеетрудоемким, а следовательно требуются всеболее точные предсказания. Особуюсложность представляет спейсер, где ливеньеще не развился, а струя[5] заряженныхчастиц разошлась настолько, что выделитьее из фона практически невозможно.
Большая часть взаимодействийпроисходит в мишени или калориметре, крометого, часть взаимодействий происходит вспейсере, над камерой или сбоку камеры. Дляслабых ливней, вершину которых невозможноопределить, используется методика такназываемой триангуляции [60], в которойизмеряются относительные координатыотдельных структур ливня (так называемыхстволов) в нескольких слоях эмульсии, иищется высота точки, из которой все этистволы выходят. Высокоточные координатныеизмерения по слоям проводятся с помощьюспециальной компьютерной программы,использующей CCD-камеру, установленную намикроскопе и передающую изображение намонитор компьютера. Триангуляционныерасчеты проводятся с помощью другойпрограммы.
Для точного вычисления координатпредсказаний в последующие ряды камерыследуют учитывать сдвиги отдельных слоевотносительно друг друга. Для учета сдвигови поворотов слоев в камере производитсят.н. «сшивка» всех слоев камеры в единуюсистему координат по опорным трекам.
4. Поиск первичнойчастицы – последний этап,следующий после нахождения вершинывзаимодействия. Заряд определяется спомощью специально разработанного методафотометрирования рентгеновской пленки намикроскопе, оборудованном CCD-камерой.Потемнение трека первичной частицыизмеряют в узкой щели, оптимизированнойдля типа первичной частицы. Заряд частицысвязан со значением потемнения, помереннымпри определенных условиях, при даннойширине щели. Подробно о методе в [48].
Особую сложность представляетидентифицикация первичного протона вэкспозициях такой длительности. Для этоготребуется очень высокая точностьпредсказания области поиска треков вэмульсии –меньше 30 мкм.
§ 1.4 Определение единойсистемы координат с использованиемопорных треков
Как было сказано выше, сборка камерыдопускает небольшие сдвиги слоев пленки,порядка 100 мкм. Чтобы восстановитьгеометрию камеры, используется опорныетреки – следытяжелых ядер, прошедших через всю камерубез взаимодействия. Полагая, чтотраектории опорных частиц строгопрямолинейны, мы можем по ним выровнять всеслои и найти сдвиги и повороты. Для опорныхтреков отбирается около 10 достаточнозаметных треков, имеющих неизменнуютолщину следа по рядам и проходящих всюкамеру насквозь. Низкоэнергичные частицы,имитирующие при остановке тяжелые ядра,«утончаются» кверху камеры, кроме того дляних возрастает эффект множественногорассеяния и траектории искривляются. Также для опорной не подойдет частица,являющаяся фрагментом от взаимодействиядругой, более тяжелой частицы. В данномслучае направление частицы меняется, дажепри малых изменениях заряда (Z12), что заметить оченьсложно.
Рис. 1.2.Неоднозначность «сшивки» камеры.
Используя определенный наборопорных треков, нельзя однозначновосстановить изначальную конфигурациюслоев камеры. На рис. 1.2а изображена сшивкатрёх слоев (0, 1, 2) по двум опорным трекам (I иII). Здесь мы имеем бесконечное множествовариантов сшивки камеры для прослеживания.Но "кривые" варианты дают нам искаженныезначения только для углов частиц, но никакне влияют на точность предсказаниякоординат в верхние слои. Искаженныезначения углов могут сказаться наопределении энергии частиц и переходе кспектрам. Исследуя варианты «сшивки», мыдолжны учесть эту неопределенность ивыбрать вариант, наиболее близкий креальному.
Математический алгоритм нахождениягоризонтальных сдвигов 
и
, поворота пленок
и сдвигов 
-го слоя как целого по вертикальнойоси от заданного значения 
приводится в Приложении 2. Алгоритмпоследовательно использует методнаименьших квадратов, сначала применяя егодля нахождения смещений слоев вгоризонтальной плоскости, а потом ввертикальной [63]. Этот алгоритм былреализован в специальной компьютернойпрограмме Plotterс графическим интерфейсом, позволяющимпроводить вычисления в интерактивномрежиме, наблюдать за правильностьюизмерений, предсказаний.
Конечным результатом даннойпрограммы являются точные карты событий спредсказаниями, построенные на плоттере.Кроме того, программа позволяет изучитьточности сшивки камеры и предсказаниякоординат ливней в слоях в зависимости отразличных параметров. Интерфейс программыпоказан на рис. 1.3.
§ 1.5. Автоматизация
Каждый этап работы прослеживанияливней в камере сопряжен с рутиннойобработкой данных. Быстро и качественнопровести обработку материала можно толькос использованием специальной техники:дигитайзера для определения координат напленке и плоттера для построения картпредсказаний. Для функционирования даннойтехники необходимо специальноепрограммное обеспечение, которое былонаписано автором.
Рис. 1.3.Интерфейс программы Plotter. Показаны опорныетреки.
1. Для организации работыс дигитайзером было написана программаDigitizer. Даннаяпрограмма служит для съема координатштампов на эмульсионных пленках ипозволяет измерить один слой, не отрываясьот планшета дигитайзера. Рабочее окнопрограммы представлено на рис. 1.4.
Программа Plotter включаетв себя функции: а) сшивки камеры, б) расчетапредсказаний, в) формирования файла команддля плоттера. В качестве исходных данныхпрограмма получает координаты событий иопорных треков, а также данные овертикальном расположении слоев в камере.
Рис 1.4.Программа Digitizer.
В разделе “Math” (см. рис.7) реализована «сшивка» камеры, дляпостроения единой системы координат можновыбирать отдельные ряды и опорные треки,варьируя набор опорных треков можноследить за итоговой ошибкой сшивки камеры
.
Меняя набор включенныхслоев в расчет общей системы координат,можно выявить плохо померенные слои,которые сильно влияют на 
. Также на экране отображаются суммарные ошибкипо слоям 
и суммарные ошибкипо трекам 
(см. рис. 1.7).
Такая информация полезнадля анализа причин влияющих на точностьсшивки камеры.
После «сшивки» камеры следуетрасчет предсказаний в верхние слои. Вразделе “View” можно визуально проверитьправильность измерения координат трековна 2-мерной карте событий, здесь же выбратьнеобходимые слои для предсказаний испланировать карту событий для построенияна плоттере. На рис. 1.8 показаны толькоопорные треки, на рис. 1.9 показаны треки вслоях, где измерены координаты, на рис. 1.10показаны треки с предсказаниями в верхниеслои. Если событий много и карта получается«запутанной», то строится несколько карт, стреками по возможности непересекающимися(см. рис. 1.10). Для работы плоттера требуетсяеще одна программа Transfer, которая посылаетна плоттер специальный командный файл,созданный программой Plotter.
Рис 1.6. Видкарты предсказаний намиллиметровке.
Подводя итог обзору написанногопрограммного обеспечения, можно выделитьсписок функций реализованных в главнойпрограмме Plotter:
- Расчет единой системы координаткамеры (её "сшивка").
- Выдача информации о точности сшивкии анализ точности в интерактивном режимеот различных параметров.
- Вычисление предсказаний длянепомеренных слоёв.
- Визуализация полученныхрезультатов.
- Расчет азимутальных и зенитныхуглов входящих в камеру частиц.
- Формирование пакета команд дляплоттера для построения карты.
Рис. 1.7.Раздел "Math" программы Plotter. Ошибки по слоям,сдвиги и повороты слоев.
Рис. 1.8.Раздел "View" программы Plotter, опорныетреки.
Рис. 1.9. Раздел "View": переход к единойсистеме координат.
Рис. 1.10.Раздел "View", предсказание в верхниеслои.
§ 1.6. Точностьпредсказания вершины
Рис. 1.11.Точность прослеживания.
Рис. 1.11 иллюстрирует факторы, откоторых зависит точность предсказаниявершины. Пусть 
- ошибкаизмерения координаты прохождения ливня в
- слое, 
- ошибка определения вершины, 
) и последним верхним(
) померенным слоем вкалориметре для 
-готрека, 
- высота до вершиныот последнего верхнего померенного слоя
. Из подобиятреугольников 
и 
находим:
, (1.4)
Таким образом, ошибка предсказанияпрямо пропорциональна ошибке измерениякоординат и высоте до вершины (
75-150 мм для RUNJOB 1996), обратно зависит отбазы 
, на толщине (ширине)которой измерены нижние слои калориметра.Для 10 слоев калориметра эта величинасоставляет 
80 мм. На рис. 1.12представлен теоретический график,построенный по уравнению (1.1) (
=200 мкм, 
=76 мкм) и полеточек ошибок, рассчитанных поэкспериментальным данным.
Рис. 1.12.Зависимость ошибки предсказания вершиныот высоты до неё. (b - высота, dr - ошибка предсказания)
Из рис. 1.12 видно, чтолинейная аппроксимация точек предсказанийблизка к расчетной прямой, хотя большойразброс точек вокруг экспериментальнойпрямой не даёт возможности уверенно судитьо характере зависимости. Из графикаследует средняя ошибка ~1 мм, котораягарантирует надежное нахождение ливня, т.к.область радиусом 1 мм целиком попадает вобласть микроскопа с наименьшимувеличением. Для треков с азимутальнымуглом 
0 расстояние довершины увеличится: 
. Былопроведено исследование точностипредсказаний вершины по 52 событиям с уженайденными вершинами первичноговзаимодействия (RUNJOB 1996). Анализироваласьточность предсказания в зависимости отколичества базовых слоев (расстояниеa) и расстояниядо вершины b.Для 10 базовых слоев получили r=0.5
2.0 мм, ~3 мм для 5 слоеви r=2
16 мм для 3 слоев.Результаты показывают, чтоудовлетворительная точность предсказания<4 мм получается при 10 и более измеренныхслоях.
Для проверки эффективностипрослеживания была сделана ограниченнаявыборка по 128 событиям, для них былипосчитаны предсказания, в 112 случаяхвершины взаимодействия были найдены.Итоговая эффективность прослеживаниясоставила 
%.
§ 1.7 Результатыобработки
На рис. 1.13 представлены спектры ядергрупп С-N-O, Ne –Mg–Si, полученныев RUNJOB, в сравнении с другимиэкспериментами. Можно видеть, чтоинтенсивность ядер всех трех группнесколько ниже интенсивности ядер вэксперименте JACEE. Статистика ядер малаиз-за высокого порога регистрации, какможно видеть на рис. 1.13.
Рис. 1.13.Спектры ядер групп С-N-O; Ne –Mg –Si; Fe, полученные вразных экспериментах. В JACEE и СОКОЛ группажелеза подразумевает частицы
с Z>17, а в RUNJOB – Z>21.
Спектры ядер групп С-N-O, Ne-Mg-Si, Feоказались несколько ниже соответствующихспектров, полученных в экспериментах JACEE[21], СОКОЛ [20], ПРОТОН [66]. Спектр всех частицсогласуется с данными ШАЛ, представляющимиминимальную интенсивность.
§ 1.8. Выводы
Калориметрический метод анализаэкспериментальных данных в камерах RUNJOBраспадается на несколько этапов, каждый изкоторых требует автоматизации. Дляэффективной и быстрой работы было написаноспециальное программное обеспечение, спомощью которого прослеживались ливни вэмульсии и находились вершины. Точностьсшивки камеры по опорным трекам составила200 мкм, точность предсказания вершины– не хуже 2 мм по10 базовым слоям. Эффективностьпрослеживания событий – 90%. Используяописанную в главе процедуру обработки инаписанное автором мат. обеспечение,российской стороной было обработано 40%статистики эксперимента и построеныспектры ПКИ в интервале энергий 30-1000ТэВ/частицу.
Глава 2. Измерительнаясистема
Используемый в настоящей работеизмерительный комплекс ПАВИКОМ (ПолностьюАВтоматизированный ИзмерительныйКОМплекс) создавался для повышенияэффективности экспериментальныхисследований процессов в физике частицвысоких энергий, проводимых при помощиэмульсионных трекеров, в том числе дляускорительных экспериментов. Системапредставляет собой сложную установку,построенную на основе самой современнойтехники.
§ 2.1. КомплексПАВИКОМ
По сравнению с полуавтоматическимимикроскопами, использовавшимисяповсеместно до сих пор, главнымпреимуществом ПАВИКОМ [49, 50, 51] являетсявозможность проводить измерения следовзаряженных частиц в ядерных фотоэмульсиях,следов ядер атомов высоких энергий врентгеновских пленках и в твердотельныхдетекторах при полной автоматизациипроцесса измерений без применения крайнетрудоемкого визуального трудамикроскопистов.
Рис. 2.1. Блоксхема измерительного комплексаПАВИКОМ.
В России ПАВИКОМ - единственныйкомплекс подобного типа, а количествостран, обладающих подобными комплексами,насчитывается в мире не более десятка.Автор данной работы принималнепосредственное участие в построенииизмерительного комплекса, а так жевсё мат.обеспечения для управления установкойбыло создано автором.
Построенная автоматическая системапозволяет значительно увеличитьпроизводительность труда по обработкерентгеноэмульсионных материалов, заменитьрутинный труд людей просмотрщиков,выполнить задачи, которые не выполнимыиным неавтоматизированным методом.
Система состоит из массивногоподвижного механического стола,микроскопа, оснащенного CCD-камерой(ПЗС[6] камера) и персонального компьютера.Блок-схема установки изображена на рис. 2.1.Основные технические параметры комплексапредставлены в таблице 2.1. Основнойкомпонент системы – прецизионный механический столфирмы MICOS (далее просто стол илиавтоматический стол), обладающийчрезвычайно высокой точностью измерений:стол MICOS имеет диапазон перемещений 400 мм 800 мм с точностью отсчета 0.5 мкм по всемтрем осям координат. Оптическоеизображение фотоматериалов на установкеснимается при помощи CCD-камеры,оцифровывается и вводится вкомпьютер.
Таблица 2.1.Основные технические параметры комплекса:
| прецизионнаямеханическая система немецкой фирмы MICOS(выпуска 1999 года) |
| вычислительнаятехника на базе ПК Pentium II-400 МГц / 256 Мб |
| программноеобеспечение |
| CCD-камера установкис соответствующим программным иаппаратным обеспечением, котороепозволяет получать оцифрованноеизображение кадра в компьютере |
Далее будет дано детальноеописание каждого из элементовизмерительной системы.
§ 2.2. Механическая система
На рис. 2.2 показан внешний вид столаMICOS, который состоит из массивной платформыи подвижного предметного стола. Главнаяособенность микроскопа MICOS – большая рабочаяплощадь (800 мм 400 мм), которая позволяетанализировать отдаленные зоны пленки бездополнительного выставления позициистола. Перемещение по двум горизонтальнымосям и фокусировка камеры производятсяблагодаря шаговым двигателям, которыеуправляются контроллером. Каждая из осейимеет линейные датчики координат,позволяющие определять позицию сразрешением 0.1 мкм. Таким образом, функцииперемещения стола и измерения координатразнесены, это повышает надежностьсистемы. В совокупности механическаясистема позволяет позиционировать стол сразрешением ~0.5 мкм.
Втаблице 2.2 представлены основныехарактеристики механическойсистемы.
Таблица 2.2.Параметры прецизионной механическойсистемы:
| диапазонперемещений по осям X | 800 мм |
| диапазонперемещений по осям Y | 400 мм |
| диапазонперемещений по осям Z | 200 мм |
| точность измеренийпо всем трем осям | 0.5 мкм |
| перемещения повсем трем осям производятсясоответствующими командами компьютерачерез специальный контроллер | |
| габаритыустановки | 2.51.22.4м3 |
| весустановки | 1000 кг |
| Прецизионнаямеханическая система помещена в "чистуюкомнату", в которой предполагаетсяподдерживать стабильную температуру ивлажность. |
Над плоскостьюпредметного стола закреплена CCD камера свозможностью перемещения в вертикальнойплоскости по Zкоординате в пределах 200 мм.Виброустойчивость стола достигаетсябольшой массой установки (~1 т) иприменением пневматических амортизаторов.Для уменьшения теплового расширениякронштейн для крепления микроскопавыполнен из гранита. Управление столомосуществляется как с компьютера, так и вручном режиме с помощью джойстика. Весьстол целиком помещен в специальныйстеклянный бокс – «чистую комнату», который защищаеттехнику от пыли и грязи. Для нивелированиявнешних колебаний установка быласпециально размещена на первом этажеинститута на несущих бетонных перекрытиях.Для устранения электромагнитных шумовметаллический корпус стола заземлен.Характеристики стола были изучены наспециальных тестах. Важнымихарактеристиками измерительной системыявляются линейность координатной сетки исобственно точность позиционирования вовсем диапазоне перемещения стола.
Рис. 2.2. Внешнийвид установки ПАВИКОМ.
Стол MICOS подключен к персональномукомпьютеру (ПК) через микроконтроллер, иполностью управляется с компьютераспециальными командами внутреннего языкаVegas. Эти команды позволяют задавать всепараметры работы стола, например, такие какскорость, ускорение по трем осям, вчастности, давать простые команды наотносительное или абсолютное перемещениестола в 3 осях координат. По всем 3 осямработают одинаковые шаговые двигатели,максимальная линейная скорость которых 3000мкм/с, ускорение 12800 мкм/с2. Для предотвращенияаварийных ситуаций (в случае заданияневерных координат) на направляющихполозьях стола стоят концевые выключатели,их задача выключить двигатели, когдапредметный стол выезжает за допустимыеграницы. Такие же ограничительные мерыпредусмотрены в самом ПО, обслуживающемустановку.
§ 2.3. Оптическаясистема
В поставке стола MICOS отсутствовалаоптическая система. К сожалению, вся оптикабыла исключена из комплекта поставки дляудешевления и так очень дорогой установки(~ $70 тыс.). Таким образом, встала задачасоздания с нуля оптической системы,удовлетворяющей задачам первогоэксперимента, обрабатываемого на MICOS, какимстал RUNJOB. В дальнейшем оптическая системапретерпела несколько модификаций.
Оптическая система стола состоит измикроскопа, с закрепленной над ним камерой,конденсором и фонарем с коллектором.ПАВИКОМ является установкой,ориентированной на разные эксперименты, ипоэтому оптическая часть строилась врасчете на работу с разными увеличениями ифокусными расстояниями. Для работы срентгеновскими пленками требуетсяувеличение ~ 1x,а для работы с эмульсионными пленками– вплоть до60x, числоваяапертура NA=1.3,числовая апертура конденсора A=0.9.
Таким образом, оптическая системапроектировалась как набор сменныхкомпонентов, позволяющих варьироватьувеличение и масштаб изображения в широкихпределах. Модули жестко крепятсяпосадочными винтами. Соответственноиспользуются два объектива:длиннофокусный для обработки SXF пленок снебольшим увеличением и короткофокусныйпри измерениях в ядерной эмульсии. Обаварианта были протестированы и быладостигнута равномерность освещения повсей площади кадра. Внешний вид оптическойсистемы показан на рис. 2.3.
Рис. 2.3.Оптическая система.
Оптика микроскопапроецирует изображение объекта наCCD-матрицу системы VideoScan, обеспечивающуюввод оцифрованных высококачественныхизображений в компьютер.
§ 2.4. CCD-камера
Так как обработка пленок ведется вавтоматическом режиме, неотъемлемойчастью измерительного комплекса ПАВИКОМявляется видео камера, которая в данномслучае заменяет глаз человека и передаетизображение пленки с предметного стола вкомпьютер для обработки. Камера – одно из ключевыхзвеньев в цепи обработки видеоинформации,первичная информация зависит именно откачества камеры и от объектива.
В работе ПАВИКОМа были использованы2 CCD-камеры. CCD-камера, это фотоприбор сзарядовой связью (ПЗС), чувствительнымэлементом которого служит твердотельныйматричный преобразователь свет–сигнал (ПЗС матрица).Свет, падающий на матрицу, вызываетнакопление в каждой ячейке матрицыэлектрического заряда, пропорциональногоосвещенности этой ячейки, этотэлектрический заряд периодическисчитывается последовательно со всех ячеекматрицы и преобразуется в видеосигнал(который и выводится на монитор илипередается для дальнейшей обработки вкомпьютер). Поверхность ПЗС - матрицысостоит из множества светочувствительныхячеек –пикселей (их обычно от 270 тысяч донескольких миллионов). Чем больше числопикселей, тем качественнее и четчеизображение. Второй по важности параметркамеры –разрядность оцифровки выдаваемогоизображения, чем выше разрядность, тем ширединамический диапазон передаваемогоизображения. Производятся камеры сразрядностью аналого-цифровогопреобразователя (АЦП) 8, 10 и 12 бит.Специальные изделия могут иметьразрядность и выше. Следующими важнымипараметрами камеры являются:чувствительность, которая определяеткачество работы камеры при низкойосвещенности; размер матрицы,обеспечивающий необходимый угол обзоракамеры и отношение сигнал/шум.
Первая CCD-камера, которая былаиспользована в работе – это Soling WAT-902A(ориентировочная стоимость ~$100), устройствоиз серии бытовых видеокамер,ориентированных для использования всистемах видеонаблюдения. Характеристикикамеры представлены в таблице 2.3.
Таблица 2.3.Технические характеристики CCD-камеры SolingWAT-902A.
| Камера | Soling WAT-902A |
| Пространственное разрешениематрицы | 597x537пикселей |
| разрядность АЦП | 8 бит (256градаций серого) |
В камере Soling WAT-902A встроенАРУ (автоматический регулятор усиления),который сам выставляет экспозицию взависимости от освещения. Таким образом,одна и та же картинка при разных освещенияхбудет иметь одинаковую яркость на экранемонитора. Такая схема работы камеры неподходит для измерения абсолютныхзначений потемнений, а толькоотносительных внутри одного кадра. Тем неменее, с помощью камеры Soling WAT-902A былиполучены первые результаты сканированияSXF, кадр SXF полученный с применением камерыSoling WAT-902A можно увидеть на рис. 2.4.
Вторая камера на основе матрицы SonyICX205IL с профессиональной системой вводаизображения VS-CTT205 (российской сборки фирмыVideoScan, ~$2000). Характеристики камерыпредставлены в таблице 2.4.
Таблица 2.4. Технические характеристикиCCD-камеры Sony ICX205IL
| Камера | SonyICX205IL |
| Пространственное разрешениематрицы | 1360x1024 пикселя |
| разрядность АЦП | 10 бит (1024 градацийсерого) |
| кадровая частота | 7.5 Гц |
| время накопленияэкспозиции | 43 мс -114 сек |
| Размер пикселя | 4.65x4.65 мкм2 |
