Отзыв ведущей организации ЛВЭ ОИЯИ (Дубна) - Диссертация

Утверждаю
Директор Объединенного института ядерных исследований
Академик
________________________
В.Н. Кадышевский
«___» октября 2004 г.
М.П.

ОТЗЫВ
ведущей организации, Объединенного института ядерных исследований,
на диссертацию Публиченко Павла Андреевича
«Метод автоматизированного анализа эмульсионных данныхдля измерения спектра ПКИ»,
представленную на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
по специальности 01.04.23. – физика высоких энергий.

Исследование элементного состава первичного космического излучения в разных энергетических диапазонах позволяет изучать проблемы происхождения, ускорения и распространения космических лучей, что дает возможность понять устройство и эволюцию Галактики. Эти исследования проводятся уже несколько десятилетий с использованием различных типов детекторов на разных высотах наблюдения – на спутниках, высотных автоматических аэростатах, наземных высокогорных измерениях и др.

В области высоких энергий перед изломом спектра ПКИ прямые данные в основном получены с помощью пассивных детекторов – эмульсионных камер, экспонирующихся на высотных аэростатах (эксперименты RUNJOB, JACEE, MUBEE) – это недорогие детекторы, имеющие высокое пространственное разрешение и бόльший геометрический фактор, чем детекторы активного типа, что очень важно, поскольку вес аппаратуры, выносимый за пределы атмосферы, имеет принципиальное значение для продвижения в область высоких энергий. Но энергетический порог регистрации тяжелых ядер оказывается в этих экспериментах очень высоким – около 20-30 ТэВ, поэтому мировая статистика тяжелых ядер очень ограничена и данные противоречивы. Развитие новых методов, позволяющих расширить энергетический диапазон измерений тяжелых ядер в эмульсионных экспериментах, может значительно помочь в исследовании сложной проблемы состава и спектра ПКЛ прямыми методами, и актуальность этой задачи не вызывает сомнений, поскольку до сих пор полной картины формирования потоков КЛ в Галактике нет.

Диссертационная работа П.А.Публиченко посвящена методике обработки и анализа экспериментального материала, полученного в аэростатном российско-японском эксперименте RUNJOB. Это сотрудничество было организовано в 1995 году и посвящено поэлементному изучению энергетического спектра первичного космического излучения (ПКИ) прямыми методами в диапазоне энергий от 20÷500 ТэВ. За 5 лет было совершено 10 успешных аэростатных полетов, суммарная накопленная экспозиция - 575 м²ч. В первой главе диссертации П.А.Публиченко обсуждаются результаты обработки материала стратосферных камер, находящегося в распоряжении российских участников работы, и описывается один из основных этапов этой обработки - создание карт предсказаний вершин взаимодействий, разработанный П.А.Публиченко. С участием автора было обработано 40% экспериментального материала, по которому построены спектры ПКИ. Остальные главы диссертации посвящены разработке «вершинного триггера».

Основной метод обработки событий в эксперименте RUNJOB основан на калориметрическом триггере отбора частиц по энергии, выделенной в электромагнитную компоненту в калориметрическом блоке установки. Этот метод регистрации по каскадам в калориметре имеет высокий энергетический порог (~20 ТэВ), связанный с флуктуацией коэффициента неупругости и большой неопределенности его в определении энергии. Для снижения энергетического порога регистрации в камерах RUNJOB были поставлены специальные фоточувствительные материалы SXF – пленки, в которых след от тяжелой заряженной частицы виден невооруженным глазом, и трек от частицы можно проследить и найти вершину взаимодействия. Такой «вершинный триггер» позволяет снизить порог регистрации частиц до минимального порога геомагнитного обрезания и измерить в рамках одного эксперимента поэлементные энергетические спектры ядер с зарядом Z>17.

В эксперименте RUNJOB, где рентген-эмульсионная камера экспонировалась на высоте около 33 км в течение недели, уровень фона и плотность пятен составляет около 200 см^-2. Таким образом, обработка экспериментального материала – измерение пятен потемнений, восстановление траекторий частиц в объеме камеры и поиск вершин взаимодействия ядер в мишени – представляет очень сложную задачу, выполнимую только с использованием автоматизированной системы просмотра и поиска пятен, что и было сделано в ходе выполнения диссертационной работы и описано в главах 2, 3, 5, б.

В настоящее время в мире функционируют более двух десятков полностью автоматизированных установок для обработки ядерных эмульсий. В России единственный комплекс из двух установок подобного типа был создан в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН – это высокоэффективный Полностью Автоматизированный Измерительный Комплекс (ПАВИКОМ) для обработки данных эмульсионных и твердотельных трековых детекторов, используемых в ядерной физике и физике высоких энергий. ПАВИКОМ позволил существенно ускорить и облегчить обработку экспериментального материала и предопределил разработку проектов новых экспериментов, для проведения которых появилась возможность использовать большие объемы мишеней и большие площади эмульсионных и твердотельных трековых детекторов. П.А. Публиченко, создавая комплекс программ для обработки материала эксперимента RUNJOB, занимался одновременно созданием пакета программ для управления движением стола одного из автоматических микроскопов комплекса ПАВИКОМ в режиме автоматического сканирования пленок и разработкой программного обеспечения обработки видеоизображений. Во многом благодаря высокоэффективному программному обеспечению, созданному П.А.Публиченко, возможности ПАВИКОМ удовлетворяют потребности не только исследований, проводимых в ФИАН, но используются также другими российскими лабораториями и институтами.

Практическая значимость работы определяется универсальностью программного обеспечения ПАВИКОМ и его быстродействием, что используется для высокотехнологичной обработки данных экспериментов в ядерной физике, физике космических лучей, физике высоких энергий, в том числе для обработки ядерных эмульсий b-спектрометра ОИЯИ (Дубна). На ПАВИКОМ процесс обработки материала трековых детекторов ускорен в ~1000 раз даже по сравнению с использованием полуавтоматической аппаратуры. Это дает возможность обрабатывать большие массивы экспериментальных данных и существенно увеличивать статистику событий в широкой области экспериментов. В России ПАВИКОМ - единственный комплекс подобного уровня, а П.А. Публиченнко – один из полноправных соавторов этого комплекса. Измерительный комплекс ПАВИКОМ и его основные технические характеристики и особенности созданного автором программного обеспечения описывается во второй главе диссертации.

В третьей главе описывается развитый автором подход в выделении пятен, оставляемых тяжелой частицей в SXF пленке в автоматическом режиме, это первый и очень важный этап в работе вершинного триггера. Здесь, казалась бы, простая задача встречает две трудности: первая – правильно сформулировать образ пятна и суметь выделить его над фоном, вторая – сократить время сканирования одной пленки до разумных значений. Поэтому использование стандартных программ распознавания образов для выделения пятен над фоном было ограничено, и автору пришлось создавать свою программу с довольно сложной системой плавающих порогов, которая позволяет выделять эффективно (как убедительно показано в диссертации) близкорасположенные пятна при минимальной сохраняемой информации. Скорость сканирования одного слоя пленки размером 40×80 см² была доведена до 2-ух часов в результате придуманных автором усовершенствований. Кроме ускорения измерений, новый метод позволяет обрабатывать большие массивы экспериментальных данных и существенно увеличивать статистику событий, что раньше было практически нереально.

Следующий важный этап – восстановление пространственных траекторий частиц в камере описан в пятой главе. Этот этап – наиболее трудоемкий даже с применением компьютера, поскольку приходится одновременно хранить в памяти и анализировать информацию о всех 13 слоях и 4 млн пятен. Этот этап уже требует знания и понимания деталей физических процессов прохождения частиц через вещество мишени, которые подробно рассмотрены автором в четвертой главе, где приведены результаты Монте-Карло моделирования эксперимента. Подробно исследована проблема энергетических порогов эксперимента: порога, вызванного потерями на ионизацию струи, геомагнитного обрезания, порогами, возникающими из-за искривления треков в результате многократного рассеяния и порогом визуального отбора струи частиц в эмульсии. Для увеличения достоверности результатов, автором проведена огромная работа по всесторонней, довольно мудреной верификации получаемых треков, с применением различных программистских ухищрений и при постоянном сравнении с расчетом. Автором убедительно показано, что существуют жесткие ограничения на применимость метода в условиях конкретного эксперимента. RUNJOB. Метод может быть применен только для ядер с зарядом Z³15-17, в интервале углов 30-70^oи для частиц, провзаимодействовавших на глубине 6-13 рядов. Результирующий порог событий оказывается около 0.5 ТэВ на частицу, что с одной стороны почти на два порядка ниже, чем в эмульсионных экспериментах, с другой стороны эта область очень чувствительна к модели распространения КЛ в Галактике.

В шестой главе описан последний и решающий этап обработки – проверка эффективности метода чисто экспериментальным путем – по поиску вершин в эмульсии. Оказалось, что сделанные ранее оценки ожидаемого количества треков разных типов достаточно хорошо подтвердились – треки тяжелых частиц отбираются в области применимости метода с эффективностью около 90 %. Количество же вершин в эмульсии из-за высокого порога регистрации оказалось очень маленьким, что и предсказывалось в расчетах и соответствует расчетному порогу поиска струи частиц. Хотя автор не приводит измеренных этим методом спектров, работа по созданию метода «вершинного триггера производит впечатление законченной экспериментальной работы, а метод может быть применен для измерения спектров ядер тяжелых элементов, используя уникальные данные 10 полетов эксперимента RUNJOB. Хорошее согласие расчетных и экспериментальных распределений, полученных автором, не оставляет сомнений в работоспособности этого метода.

Научная новизна результатов связана, во-первых, с разработкой «вершинного триггера» на базе SXF пленок, который позволит значительно расширить диапазон спектров тяжелых ядер по данным эксперимента RUNJOB, и даст возможность создавать очень легкие установки для изучения ПКЛ в будущем. Во-вторых, впервые в России создан с активным участием автора комплекса ПАВИКОМ, который позволяет обрабатывать большие площади фоточувствительных материалов с высоким пространственным разрешением на большой скорости.

В целом работа выполнена на хорошем уровне, хорошо проиллюстрирована большим количеством графиков и таблиц. Результаты диссертации, представляющей несомненный интерес для специалистов, занимающихся изучением химического состава и спектра первичных космических лучей, методикой эксперимента, могут быть с успехом использованы в исследованиях, проводимых в данной области в научных учреждениях России и других государств.

Вместе с тем, диссертация имеет и некоторые недостатки:

Излишне подробно описаны детали алгоритмов программ, что мешает пониманию сути проблемы и сделанных выводов.
Мала статистика событий, прослеженных в эмульсию.
Недостаточно подробно отражено состояние проблемы автоматизации измерений в других группах, занимающихся обработкой ядерных эмульсий.

Вышеизложенные замечания нисколько не умаляют ценности проделанной П.А. Публиченко работы. Разработанное программное обеспечение успешно используется на комплексе ПАВИКОМ. Диссертация представляет собою законченный труд, отражающий высокую квалификацию соискателя, как сложившегося физика-экспериментатора, специалиста в области физики элементарных частиц. Результаты диссертации опубликованы в престижных журналах, широко используются научными коллективами, занимающимися физикой высоких энергий, физикой космических лучей и элементарных частиц. Новизна и значимость полученных и изложенных в диссертации результатов удовлетворяет требованиям, предъявляемым к диссертациям на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, а П.А. Публиченко несомненно достоин присуждения искомой степени.

Автореферат соответствует содержанию диссертации.