Публиченко Павел Андреевич / Pavel A. Publichenko
Наука и знание - лучшее средство от бедности и недоедания
Публиченко Павел Андреевич

Яндекс цитирования

Доклад на защите диссертации

ДОКЛАД
Публиченко П.А. на защите диссертации
«Метод автоматизированного  анализа эмульсионных данных
для измерения спектра ПКИ»

Тема моей диссертации - Метод автоматизированного анализа эмульсионных данных для измерения спектра ПКИ.

Рентгеноэмульсионные материалы используются в широком классе экспериментов для регистрации частиц. Благодаря чрезвычайно высокому пространственному разрешению (1 мкм) эмульсия применяется для изучения траекторий частиц, измерения импульса, заряда в ядерной физике и физике космических лучей. К сожалению, эмульсия имеет свои недостатки — она не может использоваться в триггерном режиме, и её обработка очень трудоёмка. Современные эмульсионные эксперименты невозможно представить без применения полной автоматизации всех измерений. Таким образом, актуально развитие методов для быстрой и эффективной обработки рентгеноэмульсионных данных.

В моей работе задача обработки эмульсионных данных возникла в связи с анализом экспериментального материала полученного RUNJOB. RUNJOB это Российско-Японское сотрудничество, цель которого измерить поэлементный энергетический спектр ПКИ в области 30÷1000 ТэВ/частицу. В эксперименте я участвую с 1997 года. Вначале моя работа в эксперименте состояла в создании методики прослеживания каскадов, являющаяся необходимым звеном при построении спектров и потоков ядер высоких энергий в эксперименте RUNJOB. Этой работе посвящена первая глава диссертации. Но основная моя задача состояла в развитии нового метода регистрации частиц — «вершинного триггера».

Коротко об эксперименте: с 1996 по 1999 год было выполнено 10 успешных полетов баллонов на высоте 33 км, суммарная экспозиция составила 575 ч. Эксперимент RUNJOB нацелен на измерение химического состава ПКИ. В эксперименте использовались многослойные РЭК, состоящие из нескольких модулей: первичный блок, мишень, спейсер, калориметр. Основной метод регистрации частиц в эксперименте – калориметрический – по энергии Eγ, выделенной в электронно-магнитную компоненту в калориметре. После взаимодействия частицы в мишени развивается электромагнитный каскад, который оставляет видимые следы в рентгеновских пленках калориметра. К сожалению, для тяжелых ядер доля энергии Kγ выделенная в γ-кванты очень мала, что приводит к очень высокому порогу регистрации около 20÷40 ТэВ/частицу.

Число ядер железа зарегистрированных в калориметре RUNJOB составляет меньше 10 шт. В области энергий 1 ТэВ также мала статистика во множестве других экспериментов, а результаты противоречивы.           

В то же время изучение групп ядер Fe и sub-Fe особенно интересно, так как они являются истинно первичными — ядра не могут образовываться в процессах фрагментации при прохождении через межзвездное вещество Знание соотношений ядер групп Z>24 и Z=17÷24 несет информацию, как об источниках, так и характеристиках межзвездной среды. Расширение статистики в указанном диапазоне является актуальной задачей нашего времени.

Понизить порог регистрации до энергии геомагнитного обрезания стало возможно с применением специальных фоточувствительных материалов — рентгеновских пленок со сцинтилляционными экранами.

Это так называемая экранная пленка или SXF представляет собой пакет — рентгеновскую пленку с двумя фоточувствительными слоями вложенную между двумя пластинами сцинтиллятора. При проходе частицы через такой пакет излучается сцинтилляционный свет и остается след, видимый невооруженным глазом. Рентгеновская пленка имеет 2 фоточувствительных слоя, потому след получается в виде двух пятен потемнения. Потемнение зависит от ионизации частицы и пропорционально Z2.

На использовании экранных пленок базируется новый метод отбора частиц в камере RUNJOB — вершинный триггер. В отличие от калориметрического метода регистрации в методе вершинного триггера частицы с Z>17 регистрируются в верхней части камеры ещё до акта ядерного взаимодействия в экранных пленках в виде пятен потемнения, видимых невооруженным взглядом. Впервые такие пленки были использованы в эксперименте SANRIKU в 1987 году.

Схема работы вершинного триггеры в следующем. В отличие от калориметрического триггера обрабатывается только верхняя часть камеры — 13 рядов экранных пленок. Сначала необходимо зарегистрировать и определить координаты пятен по данным (13) рядам, далее связать эти разрозненные пятна в треки и восстановить картину прохождения частиц в камере. После того как мы получим пространственнее расположение траекторий, по обрыву траекторий определим точки взаимодействия в мишени. Далее по экранным пленкам делаем предсказание вершины взаимодействия в эмульсионную пленку. Определение заряда и энергии события происходит по ядерной эмульсии методами RUNJOB, теми же, что применяются в основном методе отбора по калориметру.

Плотность пятен в верхних слоях камеры RUNJOB составляет около 350 тыс. штук на пленку. В эксперименте SANRIKU плотность пятен была на порядок меньше, так как длительность полета была 22 часа против 150 часов в RUNJOB, и был более высокий порог геомагнитного обрезания — 4 ГэВ/нуклон против 0.7 ГэВ/нуклон в RUNJOB. Обработать экранные пленки RUNJOB, возможно только используя полную автоматизацию измерений.

Вся дальнейшая работа была проведена с использованием автоматизации. К счастью, начало работы совпало с приобретением в ФИАН прецизионного стола немецкой фирмы MICOS. Большую помощь в приобретении этой техники оказал академик Евгений Львович Фейнберг.

Итак, обработка экспериментальных данных вершинного триггера состоит из 5 этапов: сканирования экранных пленок; выделения пятен по изображениям пленки; трекинга – связывания пятен в траектории частиц; предсказания вершин взаимодействий в ядерной эмульсии. Всё программное обеспечение создавалось как универсальный продукт, который можно использовать для разных экспериментов.

Для выполнения первого шага обработки — сканирования — была написана специальная программа, которая управляет прецизионным столом: микроскоп последовательно шаг за шагом проходит всю площадь пленки 50 см x 80 см и сохраняет изображения на диск компьютера.

Следующая задача — по сохраненным фотографиям выделить и определить характеристики пятен. В программе используется алгоритм распознавания пятен. Это сложный алгоритм, в котором используются различные стандартные методы обработки изображений, а также специфические приемы, используемые для рентгеновских пленок. Алгоритм настроен так, что выделяет все пятна, видимые на кадре человеком. На одной экранной пленке программа выделения пятен находит около 350 тыс. пятен.

Третий этап — трекинг, по почти 4 млн. пятен требуется восстановить траектории частиц в камере. В задаче трекинга мы сразу сталкиваемся с принципиальными ограничениями по регистрации частиц. Первое — частицы, близкие к вертикальным углам оставляют на пленке двойные пятна, которые сливаются. Второе ограничение связано с плотностью пятен на пленке. Плотность пятен порядка 200 см-2, что соответствует среднему расстоянию между пятнами 710 мкм при изотропном распределении. Отправной пункт в алгоритме трекинга — отбор двойных пятен, расстояние между ними должно быть меньше значения для случайного распределения. В итоге получаем рабочий угловой диапазон 25°÷70°. При достаточно высокой плотности пятен выделить двойные пятна было бы уже не возможно. В нашем случае, к счастью, среднее расстояние между реальными двойными пятнами меньше чем между случайными.

Прежде чем начать трекинг, восстанавливается общая система координат пленок в камере по опорным трекам. Для такой «сшивки» используется специальная программа Plotter.

Программа трекинг — сложная и зависит от множества параметров, её работа неоднократно тестировалась, в том числе на банке искусственных событий. Программа успешно связывает пятна в треки и находит около 30 тыс. реальных треков в середине камеры. Количество треков убывает по глубине камеры из-за взаимодействия, потерь на ионизацию. Все найденные треки легко находятся в ядерной эмульсии, точность предсказания — 100 мкм. Построены графики интенсивности треков по рядам камеры и угловые распределения. К сожалению, информацию о потемнении пятен использовать не удалось, из-за большой вариации значения.

Для проверки работы алгоритма и для оценки рабочих параметров было проведено моделирование прохождения частиц через камеру, учитывая все физические процессы. Были получены ожидаемые интенсивности пятен на пленке, оценка заряда регистрируемых частиц. Графики интенсивности треков по рядам и угловые зависимости удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. На основе сделанных расчетов было получено соотношение для числа провзаимодействовавших частиц, остановившихся и дошедших до слоя без взаимодействия. Оказалось, что число остановившихся частиц пренебрежимо мало, так же мала вероятность имитации лёгкими элементами тяжелых.

На заключительном этапе обработки вершинного триггера происходит отбор вершин взаимодействия на глаз по изображению в ядерной эмульсии. Был произведен дополнительный расчёт пространственного распределения вторичных однозарядных частиц и фрагментов в ядерной эмульсии, оказалось, что только для энергий более 5÷10 ГэВ/нуклон мы увидим струю на расстоянии 100 мкм. Эта граница расплывчата и зависит от множества параметров.

Был произведен поиск вершин взаимодействий в эмульсии на основании целеуказаний из экранных пленок. Поиск вершин происходит в полуавтоматическом режиме: следуя карте предсказаний, микроскоп выезжает в нужное место на ядерной пленке, а по изображению на мониторе компьютера ищем точку взаимодействия — струю заряженных частиц. Время анализа одного целеуказания примерно 30 сек, это время в основном уходит на анализ изображения на мониторе, точность выезда в вершину порядка 100 мкм. По ограниченной статистике были найдены вершины взаимодействия, остановившиеся частицы, потерянные и ложные следы в эмульсии; в процентном соотношении эти классы событий соответствуют расчетным оценкам.

Проведена оценка заряда зарегистрированных событий с точностью до зарядовой группы. Показано, что регистрируемые события имеют Z>17.

Основные выводы по диссертации:

1. С участием автора обработано 40% статистики эксперимента RUNJOB и построены спектры ПКИ в интервале энергий 30÷1000 ТэВ/частицу.

2. С активным участием автора построен, налажен и оттестирован Полностью Автоматизированный Измерительный Комплекс (ПАВИКОМ) для обработки микроизображений фотоматериалов, который в настоящее время используется для обработки данных экспериментов RUNJOB, EMU15, ПЛАТАН, семейства «Страна», обработки ядерных эмульсий β-спектрометра ОИЯИ (Дубна) и др.

3. Создано программное обеспечение для автоматического сканирования и анализа микроизображений, которое позволяет обрабатывать большие площади (0.5 м2) фоточувствительных материалов с высоким пространственным разрешением (7 мкм/пиксель и выше) на большой скорости (16 см2/мин).

4. Впервые на базе ПАВИКОМ разработан и оттестирован метод поиска треков и вершин взаимодействий тяжелых ядер, зарегистрированных в SXF пленках эксперимента RUNJOB.

5. Проведена обработка SXF пленок одной камеры 96 г. и по ней получены эффективность и ограничения применимости метода в условиях высокого фона ~200 пятен/см2. Показано, что метод может быть применен для получения спектров ядер с зарядом Z>17, E>10 ГэВ/н.

6. Проведено сравнение экспериментальных результатов с численным моделированием прохождения ядер через атмосферу и условий регистрации в камере и показано, что наблюдается удовлетворительное согласие распределений, полученных экспериментально и на основе расчётов.

Публиченко П.А.

В начало

© 2008—2012 «Публиченко Павел Андреевич» E-mail: О сайте