Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Поиск вершин взаимодействий с помощью калориметрического триггера в эксперименте RUNJOB 22
1.1 Эксперимент RUNJOB 22
1.2 Структура камеры , 23
1.3. Обработка проэкспонированныхпленок 24
1.4 Определение единой системы координат с использованием опорных треков 27
1.5. Автоматизация 28
1.6. Точность предсказания вершины 34
1.7 Результаты 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 анализа изображений в рентгеновских пленках экранного типа 51
3.1. Предмет анализа 51
3.2. Сканирование SXF пленок 52
3.3. Измерение полл зрения 54
3.4. Система координат 57
3,5. Сшивка системы 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 регистрации тяжелых 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. Схема расчета 97
4.8. Результаты расчета 99
4.9. Моделирование событий от ядер железа для отбора вершин взаимодействий в полуавтоматическом режиме в ядерной эмульсии . 104
4.10. Выводы 106
Глава 5. Алгоритм поиска треков и вершин взаимодействия тяжелых ядер и сравнение с результатами моделирования 108
5.1. Опорные треки 109
5.2. Плотность пятен
5.3. Отбор двойных пятен 112
5.4. Предсказание в следующий слой 114
5.5, Выбор кандидата двойного пятна , 120
5.6. Программная реализация 126
5.7. Развитие программы тренинг 128
5.8. Тестирование программы тренинг 133
5.9. Прослеживание искусственных событий 135
5.10. Выбор оптимальных 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. Заряд зарегистрированных ядер 156
6.5 Выводы 157
Приложение 1 158
Приложение 2 159
Заключение 164
Литература 165
- Обработка проэкспонированныхпленок
- Механическая система
- Сканирование SXF пленок
- Интенсивность тяжелых ядер
Введение к работе
Первичное космические излучение (ПКИ) представляет собой поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из Галактики, в котором наряду с ядрами (1
Исследование поэлементных спектров частиц в разных энергетических диапазонах, то есть зависимости химсостава от энергии КЛ, дают нам ключ к пониманию астрофизических явлений, в особенности жизненного цикла космических лучей (происхождения, ускорения, распространения), непосредственно связанных с устройством и эволюцией нашей Галактики
Особый интерес представляют спектры тяжелых ядер с Z>24 и Z=17-i-24, Знание энергетических зависимостей и соотношения интенсив-ностей этих компонент несет информацию, как об источниках, так и о характеристиках межзвездной среды [6, 7, 8], а изменение этих характеристик диффузией в галактической среде незначительно [9, 10, 11]. Ядра железа и тяжелее железа не могут образовываться в процессах фрагментации при прохождении межзвездной среды, они являются истинно первичными и несут информацию о сильно проэволюционировавших звездах [12]. А ядра с зарядом Z=17-r25 возникают за счёт расщепления тяжелых ядер (фрагментации) при их взаимодействии с межзвёздным веществом. f-гттппг
I I II і 111 III] і I I lllll| і і і піц
ООП JACEE «av SOKOL
IBB CRN * RUNJOB
kiaetic energy E0 (GeV/n)
Рис. 1. Энергетический спектр космических лучей по экспериментам JACEE, Сокол, Spacelab-2, RUNJOB.
Измерение энергетических зависимостей отношения интенсивностей этих групп ядер позволит прояснить характеристики межзвездной среды [13].
На протяжении более полувека ведется исследование КЛ с помощью различных типов экспериментов. Для прямых измерений, в которых непосредственно измеряется энергия (импульс), заряд и масса частиц используются как пассивные, так и активные инструменты исследования. Эти эксперименты используют различную технику - орбитальные спутники, аэростатные баллоны на большой высоте.
К настоящему времени основная масса прямых экспериментальных данных по спектру и составу ПКИ накоплена в области энергий до 1 ТэВ/частицу [14]. В области ТэВ, несмотря на развитие баллонной и спутниковой техники, статистика прямых наблюдений в данном диапазоне энергий все еще слишком мала, а результаты во многом противоречивы [15], см. рис. 1.
В таблице 1 приведены эксперименты, в которых прямыми методами измерены спектры тяжелых ядер в области энергий >10 ГэВ/н. Эксперименты расположены по мере увеличения исследуемого энергетического интервала. В скобках указан год публикации последних данных.
Таблица 1. Исследование тяжелой компоненты КЛ в области Е>10 ГэВ/н.
Анализируя указанные эксперименты, можно заметить, что после энергии 1 ТэВ/н можно говорить только о соотношении спектров групп ядер, но не о поэлементных измерениях. Изотопный состав исследуется лишь при энергии меньше или порядка 1 ГэВ/н. Статистика по железу в области > 1 ТэВ/н складывается из единичных событий в отдельных экспериментах. Лишь в эксперименте SANRIKU и АТТС измерения проведены в широком энергетическом диапазоне.
Особую роль в этих исследованиях занимают эксперименты, использующие эмульсионную плёнку. Это эксперименты накопительного типа, относительно недорогие, не требующие сложной электроники и сравнительно легко выполнимые. Среди перечисленных экспериментов в таблице 1.1 в области энергий >1 ТэВ/н 4 из 7 именно эмульсионные, -SANRIKU, MUBEE, RUNJOB, JACEE.
Со времен ранних этапов развития ядерной физики, регистрация субатомных частиц и изучение их траекторий часто базировались на технике ядерной эмульсии [27]. Типичный пример: заряженная частица, пересекая пленку, формирует скрытое изображение в фоточувствительных микрокристаллах соединения брома. После проявления, на оптическом микроскопе при большом увеличении виден след частицы в виде пятна потемнения [28].
Такая техника развивалась и совершенствовалась на протяжении десятилетий и широко используется сейчас в космических лучах и на ускорителях благодаря высокой информативности эмульсионных методов, возможности анализировать отдельные события с высокой множественностью вторичных частиц, измерять импульсы частиц и т.д. [29, 30].
Детекторы на базе эмульсионных пленок - это рентгено-эмульсионные камеры (РЭК), которые имеют высокое пространственное разрешение при регистрации частиц, недоступное в других типах детекторов [31]. РЭК имеет следующие преимущества при наблюдении ПКЛ высоких энергий: порог регистрации по энергии (электронно-фотонного) ливня выше нескольких ТэВ, слабо зависит от условий эксперимента. Это делает РЭК эффективными для отбора первичных космических частиц высоких энергий; как правило, РЭК имеют больший геометрический фактор 5П, чем у детекторов активного типа, (5 - площадь установки, П - телесный угол);
Энергия частиц определяется на основе теоретических расчётов характеристических электронно-фотонных ливней, развивающихся в РЭК [32]. Эти расчеты, проведенные аналитически или методом МК, хорошо согласуются друг с другом. Поэтому эмульсионная техника применяется на протяжении десятилетий и до сих пор не имеет аналогов.
К сожалению, эмульсия имеет и свои недостатки, - это трудоемкость обработки. Эмульсионные методы до самого последнего времени требовали применения тяжелого визуального труда при обработке первичного экспериментального материала. Рассмотрим, например, обработку ренте-ноэмульсионных камер.
Работа с РЭК требует детального просмотра пленок, измерения координат и потемнения пятен. В неавтоматическом способе измерений оператор управляет микроскопом вручную, визуально производя фокусировку объектов и совмещая измерительный крест с центром изображения пятна. При измерении на полуавтоматах значения координат пятен вводятся в компьютер по командам оператора. Однако, большая эффективность обработки достигается при проведении измерений на полностью автоматизированных установках, на которых весь процесс измерений, включая анализ оптического изображения измеряемых объектов, осуществляется в автоматическом режиме без участия оператора [33, 34, 35].
Благодаря высокому уровню современных прецизионных измерительных механических систем, средств вычислительной техники и опто-электронных приборов оказалось возможным осуществить такую автоматизацию. В самые последние годы подобного типа полные автоматы запущены или запускаются в Международном центре ядерных исследований -ЦЕРН, в научных центрах Японии [36, 37], Италии и в некоторых других странах. Бесспорными лидерами в автоматизации обработки ядерных эмульсий являются японские физики [38, 39], начавшие осуществлять полную автоматизацию в середине 1990-х гг. Это означало настоящую революцию в эмульсионной методике, которой без такой автоматической обработки материала было трудно конкурировать с бурно развивающимися электронными методами исследований.
Автоматизацией измерений в эмульсиях также активно занимаются в ЦЕРН и в других европейских научных центрах, где действует семь таких автоматов. Измерительные возможности таких центров позволяют успеш- но проводить обработку материала экспериментов с эмульсионными мишенями больших объемов, таких как эксперимент CHORUS (масса эмульсионной мишени равна - 770 кг [40, 41, 42], поиск нейтринных осцилляции), который использовал для обработки пленок автоматические сканирующие системы на базе MICOS.
В эксперименте SANRIKU [19] были впервые применены особые рентгеновские пленки с усиливающими сцинтилляционными экранами1 (Screen X-ray Film) [43]. Благодаря чрезвычайно высокой чувствительности, такую пленку можно использовать для определения вершины ядерного взаимодействия, вызванного тяжелым ядром КЛ, а также для определения заряда первичной частицы [44]. В отличие от рентгеновской пленки, которая имеет предел в регистрации наклонных треков релятивистских энергий [45], пленка с усиливающим экраном не имеет таких ограничений, поскольку сцинтилляционный свет, испущенный экранами, примерно пропорционален длине пути налетающей частицы. Подобная техника была позже применена в эксперименте RUNJOB [23, 24, 25].
Настоящая работа 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. Подробнее об эксперименте написано в главе 1. За 5 лет было совершено 10 успешных аэростатных полетов, суммарная накопленная экспозиция - 575 м2ч. В данной работе обсуждаются результаты обработки материала стратосферных камер по полетам 1996 года, см. таблицу 2. 1 Далее по тексту этот материал будет кратко называться: пленка SXF, экранная пленка. Эти названия являются синонимами.
Таблица 2. Данные по компании RUNJOB 1996 г.
В эксперименте RUNJOB основной метод обработки событий основан на калориметрическом триггере отбора частиц по энергии, выделенной в электромагнитную компоненту в калориметрическом блоке установки [46]. 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. Наряду с этим методом, существует возможность регистрировать частицы непосредственно в мишенном блоке с помощью специальных фоточувствительных материалов SXF [47], упомянутых выше. 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 детекторах вершинного триггера используют особые наборы из двухслойных рентгеновских пленок, окруженных с обеих сторон сцинтилляционными экранами (пленки экранного типа или SXF). Структура пленки показана на рис. 2. Заряженное ядро с Z>17, проходя через такой детектор, вызывает сцинтилляцию экранов, засвечивающих пленку с двух сторон. В результате, след ядра наблюдается невооруженным глазом на рентгеновской пленке, как пара пятен потемнения с диаметром -100 мкм. Поскольку в области высоких энергий потери на ионизацию не зависят от энергии, а только от Z2 частицы, величину почернения можно использовать для определения заряда частиц [48].
Рис. 2. Структура пленки SXF, испускание сцинтилляционного света при прохождении заряженной частицы через пакет. Высокочувствительная рентгеновская пленка (марки Fuji RXO-H или Fuiji HR-H, Japan) вложена между двумя сцинтилляционными экранами, каждый из которых состоит из состава Ga^C^S с примесью ~ 1 % ТЪ.
Треки частиц, пересекающих установку, имеют близкие по форме и потемнению пятна во всех рядах мишени. Это позволяет выделить траектории частиц, определить их заряд, а по резкому скачку потемнения находить точки взаимодействия первичных ядер с ядрами атомов мишенных слоев.
Структура камеры и мишенного блока установки RUNJOB 1996 показана на рис. 2а, 26. Первичный (Primary) и мишенный (Target) блоки содержат 13 рядов SXF. В промежутках между экранными пленками находятся 1-мм листы железа (которые не показаны на рис. 2а), эмульсионные пленки (Em) и углерод (оргстекло). Высота мишенного блока 510 мм, раз-мер одной пленки 400x500 мм . Более подробно о камере RUNJOB см. главу 1.
Рис. 26. Структура камеры и вершинный триггер.
Экранные пленки фиксируют частицы, прошедшие через детектор без взаимодействия, провзаимодействовавшие и остановившиеся в мишенном блоке. Анализ распределения пятен потемнения в рентгеновских пленках мишенного блока позволяют разделить эти разного рода события и определить точки взаимодействия ядер космических лучей.
Пленки SXF впервые были широко использованы в эксперименте SANRIKU [18, 19]. Длительность экспозиции в этом эксперименте соста-вила 22.2 часа, площадь камеры 5=1.53 м . Были найдены треки от различных групп элементов. Общее число зарегистрированных треков 105536, от группы железа (Z>25) - 3177, из них обработано 529 (17%). В таблице 3 приведены в сравнении данные по экспозиции SXF плёнок в эксперименте RUNJOB и SANRIKU.
Таблица 3. Данные по экспозиции пленок SXF в экспериментах SANRIKU и RUN JOB.
Как видно из таблицы 3 время полета камеры в RUNJOB примерно в 7 раз дольше, чем в SANRIKU, соответственно и значительно вырос уро-вень фона и плотность пятен, которая в RUNJOB составляет -200 см". 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 полностью автоматизированной системы. Подобная система была создана в ФИАН им. П.Н. Лебедева и получила название НАВИКОМ (Полностью Автоматизированный Измерительный Комплекс) [49, 50, 51].
Актуальность темы
Исследование состава и энергетического спектра ПКИ дают нам ключ к пониманию фундаментальных астрофизических проблем: происхождения космических лучей, их ускорения и распространения в Галактике. Особенный интерес представляет энергетический спектр по тяжелым ядрам в области энергий 1 ТэВ/частицу и выше. Несмотря на развитие баллонной и спутниковой техники, статистика в данной области по тяжелым ядрам очень мала, а результаты во многом противоречивы (см. рис.1). Таким образом, измерение спектра тяжелых ядер при Е>\ ТэВ/н является исключительно актуальной темой в физике КЛ. 2 К сожалению, в публикации авторов не было приведено полное число пятен на пленке.
С другой стороны, актуальность работы связана с необходимостью автоматизации обработки эмульсионных экспериментов. В настоящее время эмульсионная техника используется как в исследованиях КЛ, так и во множестве других экспериментах благодаря чрезвычайно высокому пространственному разрешению при регистрации ядер и элементарных частиц. В то же время эмульсия требует трудоемкой длительной обработки, потому так важно и актуально создание автоматических методов исследования.
И наконец, актуальна разработка метода автоматизированного анализа эксперимента RUNJOB, нацеленного на измерение химсостава ПКИ и использующего SXF плёнки. Результаты экспозиции этого эксперимента не могут быть проанализированы без автоматизации обработки из-за высокой плотности пятен на плёнке.
Цель работы
Основными целями работы является: создать автоматизированный метод анализа эмульсионных данных различных экспериментов на базе уникальной системы ПАВИКОМ; с помощью разработанной методики обработать в автоматическом режиме данные эксперимента RUNJOB, выделить тяжелые ядра; провести численное моделирование процессов регистрации ядер, оценить эффективность работы метода.
Научная новизна и практическая ценность
С активным участием автора введен в строй уникальный в России измерительный комплекс ПАВИКОМ . для обработки микроизображений фотоматериалов различных научных экспериментов, который позволяет обрабатывать большие площади (0.5 м ) фоточувствительных материалов с 3 ПАВИКОМ - Полностью Автоматизированный Измерительный КОМплекс. высоким пространственным разрешением (выше 7 мкм/пиксель) на боль-шой скорости (16 см /мин). Автором написано программное обеспечение для комплекса, которое покрывает все возможности его использования.
Впервые применятся автоматизация обработки для вершинного триггера эксперимента RUNJOB. В отличие от стандартного метода регистрации частиц по электромагнитным ливням, развитым в глубине камеры, в этом методе частицы регистрируются в экранных пленках SXF в верхней части камеры, еще до акта ядерного взаимодействия.
Впервые разработан и использован метод автоматизации измерений для плёнок экранного типа, в условиях высокого фона решена проблема выделения пятен.
Впервые разработан метод трекинга (восстановление траектории частиц в камере) для камеры RUNJOB и восстановлены вершины взаимодействия в эмульсии. Впервые для регистрации частиц применяется вершинный триггер.
Разработанные в диссертации алгоритмы успешно применяются для обработки данных в экспериментах RUNJOB, EMU 15 (ФИАН им. П.Н. Лебедева, изучение ядерной материи при сверхвысоких температурах и сверхплотных состояниях [52, 53]), «Платан» (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, исследование ПКЛ солнечного и галактического происхождения методом многослойных твердотельных трековых детекторов [54, 55]), семейства «Страна» («СТРАтосферное событие имени Николая Алексеевича Добро-тина», зарегистрированное в 7-суточном полете 1975 г. на высоте около 30 км [56, 57,58]), «Спектр» (ИТЭФ-ОИЯИ, экспериментальное исследование спектров электронов внутренней конверсии; метод ядерной спектроскопии, позволяющий получать многообразные сведения о структуре возбужденных состояниях ядер [59]).
Содержание диссертации
Диссертация состоит из шести глав, введения, заключения, приложения и списка литературы.
В первой главе описывается эксперимент RUNJOB, структура камеры, даны основные характеристики полетов. Основной способ регистрации частиц в эксперименте - по энергии, выделенной в электромагнитную компоненту в калориметре, и в 1-ой главе описана процедура обработки данных по этому методу. Автором была разработана программа построения карт событий, с помощью которых один из трудоемких этапов поиска вершин взаимодействия в ядерной эмульсии был значительно облегчен. Специально созданное мат. обеспечение включает программы работы с плоттером и дигитайзером, расчет общей системы координат и предсказаний координат вершин в эмульсии. С участием автора было обработано 40% экспериментального материала российской части RUNJOB, по которому построены спектры ГЖИ.
Во второй главе приведено описание измерительного комплекса НАВИКОМ, его основные технические характеристики. Это описание прецизионного механического стола MICOS, оптической системы и CCD-камеры4. Обсуждаются в сравнении технические особенности различных типов CCD-камер, которые использовались для MICOS. В конце второй главы ставится задача написания программного обеспечения для оперирования системой.
В третьей главе описывается метод автоматического анализа фоточувствительных материалов, реализованный на базе комплекса ПАВИ-КОМ. Автоматическая обработка разбивается на 2 этапа: 1) сканирование пленки и получение цифрового изображения, 2) анализ изображения - выделение пятен и определение их характеристик. Рассматривается общая 4 CCD — charge coupled device (англ.), другими словами - камера на основе ПЗС (прибор с зарядовой свя^ зью) матрицы. проблема распознавания изображений, ставится задача выделения пятен в рентгеноэмульсионных пленках.
Вначале главы подробно рассмотрен алгоритм пошагового сканирования пленки и его конкретная программная реализация для НАВИКОМ. Приведено решение задачи автоматического выделения пятен на пленках SXF, исследованы зависимости работы алгоритма от различных параметров. Проведено сравнение созданного алгоритма со стандартными методами. Показано, что метод устойчиво работает при незначительных вариациях условий работы. Приведены результаты сканирования 12 SXF пленок камеры RUNJOB IV-B 1996.
В четвертой главе получены результаты численного моделирования процессов регистрации тяжелых ядер камерой RUNJOB 1996. Задача моделирования — получить ожидаемые значения числа пятен, зарегистрированных на разных рядах SXF пленок в мишени, интенсивностей и угловых распределений треков на разных уровнях наблюдения в камере и сравнить их с соответствующими экспериментальными величинами. Получено принципиального ограничение метода для отбора вершин взаимодействия по энергетическому порогу 5-И О ГэВ/н из-за малой плотности пространственного распределения вторичных фрагментов на таких энергиях. Рассматривается задача интерпретации экспериментальных данных, проведено сравнение с расчетами.
В пятой главе описан алгоритм трекинга - восстановления траекторий частиц в камере и его программная реализация. Задача алгоритма -связать разрозненные пятна на разных рядах SXF в треки. В главе подробно описан алгоритм, проблемы с которыми автор столкнулся в работе и их решение. Приведены результаты обработки SXF пленок камеры RUNJOB IV-B 1996 г. Решается задача оптимального выбора параметров алгоритма трекинга, проводится верификация результатов.
В шестой главе приведен результат поиска вершин взаимодействия в эмульсии на основании целеуказаний по SXF пленкам. 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.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации, полученные в работе и выносимые на защиту. В результате работы создан и апробирован метод автоматической обработки экспериментального материала, с использованием вершинного триггера.
Апробация работы.
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и научных семинарах: сессии отделения ядерной физики РАН «Физика фундаментальных взаимодействий» (Москва, ИТЭФ, 2000, 2002). Ломоносовских чтениях (Москва, МГУ, 2001), III всероссийской конференции «Университеты России - фундаментальные исследования. Физика элементарных частиц и атомного ядра» (Москва, МИФИ, 2002), 18-ом Европейском симпозиуме по физике космический лучей (Москва, 2002), 27 и 28 Международных конференциях по космическим лучам (Германия, Гамбург, 2002; Япония, Цакубо, 2003), научных семинарах НИИЯФ МГУ и ФИАН им. П.Н.Лебедева, рабочем совещании коллаборации Беккерель «Исследование кластеризации в муль-тифрагментации релятивистских ядер» (Дубна, ЛВЭ ОИЯИ. 2004). Эти результаты хорошо известны российской и международной научной общественности.
Обработка проэкспонированныхпленок
Обработка фоточувствительных слоев проводилась четырьмя группами в России и Японии. Методика обработки ядерно-эмульсионных пленок чрезвычайно трудоемкая, включающая использование автоматизированных микроскопных комплексов.
Обработка камеры начинается с поиска потемнений от электромагнитных каскадов невооруженным глазом на рентгеновской пленке нижних слоев камеры, где каскады наиболее развиты. Яркость пятна в рентгеновской пленке определяется энергией ливня, которая пропорциональна энергии первичной частицы. Чувствительность пленки определяет нижний по рог по энергии рассматриваемых в дальнейшем событий. Вся обработка разбивается на следующие шаги. 1. Предварительная обработка по рентгеновской пленке. На про смотровом столе рентгеновская пленка изучается под лупой, видимые пят на обводятся карандашом; координаты пятен переносятся на миллиметро вую пленку, и составляется предварительная карта событий. Далее собы тия сопоставляются из слоя в слой с присвоением им номеров. На картах можно продлить отрезок измеренного трека вдоль камеры и получить предсказание координат в верхних слоях. 2. Перенос на ядерную эмульсию. Карта событий (см. рис. 1.6) составленная по рентгеновской пленке, накладывается на соответствующую пленку ядерной эмульсии и на эмульсии положения пятен помечаются карандашом. Далее эти места (пока еще грубо отмеченные) проверяются под микроскопом и в случае успеха отмечаются штампом диаметром 1мм. По проставленным штампам составляются новые карты событий, уже более точные. Данный этап не сложен, так как в нижних слоях камеры ливни достаточно яркие, чтобы найти их под микросЗссИршбнзюсвбндопробБЕгай вверх и поиск вершины взаимодей ствия. События найденные в нескольких нижних слоях эмульсии, необходимо продлить вверх до точки взаимодействия. Прослеживание ведется из слоя в слой с помощью карт предсказаний, которые вычисляются на основе уже померенных слоев. На каждом новом уровне карты пересчитываются и уточняются. При движении вверх ливни становятся слабее, сливаются с фоном и процесс их поиска становится все более трудоемким, а следовательно требуются все более точные предсказания. Особую сложность представляет спейсер, где ливень еще не развился, а струя5 заряженных частиц разошлась настолько, что выделить ее из фона практически невозможно. Большая часть взаимодействий происходит в мишени или калориметре, кроме того, часть взаимодействий происходит в спейсере, над камерой или сбоку камеры. Для слабых ливней, вершину которых невозможно определить, используется методика так называемой триангуляции [60], в которой измеряются относительные координаты отдельных структур ливня (так называемых стволов) в нескольких слоях эмульсии, и ищется высота точки, из которой все эти стволы выходят. Высокоточные координатные измерения по слоям проводятся с помощью специальной компьютерной программы, использующей CCD-камеру, установленную на микроскопе и передающую изображение на монитор компьютера.. Триангуляционные расчеты проводятся с помощью другой программы.
Для точного вычисления координат предсказаний в последующие ряды камеры следуют учитывать сдвиги отдельных слоев относительно друг друга. Для учета сдвигов и поворотов слоев в камере производится т.н. «сшивка» всех слоев камеры в единую систему координат по опорным трекам. 4. Поиск первичной частицы - последний этап, следующий после нахождения вершины взаимодействия. Заряд определяется с помощью специально разработанного метода фотометрирования рентгеновской пленки на микроскопе, оборудованном CCD-камерой. Потемнение трека первичной частицы измеряют в узкой щели, оптимизированной для типа первичной частицы. Заряд частицы связан со значением потемнения, померенным при определенных условиях, при данной ширине щели. Подробно о методе в [48]. Особую сложность представляет идентифицикация первичного протона в экспозициях такой длительности. Для этого требуется очень высокая точность предсказания области поиска треков в эмульсии - меньше 30 мкм. Как было сказано выше, сборка камеры допускает небольшие сдвиги слоев пленки, порядка 100 мкм. Чтобы восстановить геометрию камеры, используется опорные треки — следы тяжелых ядер, прошедших через всю камеру без взаимодействия. Полагая, что траектории опорных частиц строго прямолинейны, мы можем по ним выровнять все слои и найти сдвиги и повороты. Для опорных треков отбирается около 10 достаточно заметных треков, имеющих неизменную толщину следа по рядам и проходящих всю камеру насквозь. Низкоэнергичные частицы, имитирующие при остановке тяжелые ядра, «утончаются» кверху камеры, кроме того для них возрастает эффект множественного рассеяния и траектории искривляются. Так же для опорной не подойдет частица, являющаяся фрагментом от взаимодействия другой, более тяжелой частицы.
Механическая система
Главная особенность микроскопа MICOS — большая рабочая площадь (800 мм х 400 мм), которая позволяет анализировать отдаленные зоны пленки без дополнительного выставления позиции стола. Перемещение по двум горизонтальным осям и фокусировка камеры производятся благодаря шаговым двигателям, которые управляются контроллером. Каждая из осей имеет линейные датчики координат, позволяющие определять позицию с разрешением 0.1 мкм. Таким образом, функции перемещения стола и измерения координат разнесены, это повышает надежность системы. В совокупности механическая система позволяет позиционировать стол с разрешением -0.5 мкм.
Над плоскостью предметного стола закреплена CCD камера с возможностью перемещения в вертикальной плоскости по Z координате в пределах 200 мм. Виброустойчивость стола достигается большой массой установки (-1 т) и применением пневматических амортизаторов. Для уменьшения теплового расширения кронштейн для крепления микроскопа выполнен из гранита. Управление столом осуществляется как с компьютера, так ив ручном режиме с помощью джойстика. Весь стол целиком помещен в специальный стеклянный бокс - «чистую комнату», который защищает технику от пыли и грязи. Для нивелирования внешних колебаний установка была специально размещена на первом этаже института на несущих бетонных перекрытиях. Для устранения электромагнитных шумов металлический корпус стола заземлен. Характеристики стола были изучены на специальных тестах. Важными характеристиками измерительной системы являются линейность координатной сетки и собственно точность позиционирования во всем диапазоне перемещения стола.
Стол MICOS подключен к персональному компьютеру (ПК) через микроконтроллер, и полностью управляется с компьютера специальными командами внутреннего языка Vegas. Эти команды позволяют задавать все параметры работы стола, например, такие как скорость, ускорение по трем осям, в частности, давать простые команды на относительное или абсолютное перемещение стола в 3 осях координат. По всем 3 осям работают одинаковые шаговые двигатели, максимальная линейная скорость которых 3000 мкм/с, ускорение 12800 мкм/с . Для предотвращения аварийных си- туаций (в случае задания неверных координат) на направляющих полозьях стола стоят концевые выключатели, их задача выключить двигатели, когда предметный стол выезжает за допустимые границы. Такие же ограничительные меры предусмотрены в самом ПО, обслуживающем установку.
В поставке стола MICOS отсутствовала оптическая система. К сожалению, вся оптика была исключена из комплекта поставки для удешевления и так очень дорогой установки (- $70 тыс.). Таким образом, встала задача создания с нуля оптической системы, удовлетворяющей задачам первого эксперимента, обрабатываемого на MICOS, каким стал RUNJOB. В дальнейшем оптическая система претерпела несколько модификаций.
Оптическая система стола состоит из микроскопа, с закрепленной над ним камерой, конденсором и фонарем с коллектором. ПАВИКОМ является установкой, ориентированной на разные эксперименты, и поэтому оптическая часть строилась в расчете на работу с разными увеличениями и фокусными расстояниями. Для работы с рентгеновскими пленками требуется увеличение - Iх, а для работы с эмульсионными пленками - вплоть до 60х, числовая апертура NA=1.3, числовая апертура конденсора Л=0.9.
Таким образом, оптическая система проектировалась как набор сменных компонентов, позволяющих варьировать увеличение и масштаб изображения в широких пределах. Модули жестко крепятся посадочными винтами. Соответственно используются два объектива: длиннофокусный для обработки SXF пленок с небольшим увеличением и короткофокусный при измерениях в ядерной эмульсии. Оба варианта были протестированы и была достигнута равномерность освещения по всей площади кадра. Внешний вид оптической системы показан на рис. 2.3. Так как обработка пленок ведется в автоматическом режиме, неотъемлемой частью измерительного комплекса ПАВИКОМ является видео камера, которая в данном случае заменяет глаз человека и передает изображение пленки с предметного стола в компьютер для обработки. Камера - одно из ключевых звеньев в цепи обработки видеоинформации, первичная информация зависит именно от качества камеры и от объектива.
В работе ПАВИКОМа были использованы 2 CCD-камеры. CCD-камера, это фотоприбор с зарядовой связью (ПЗС), чувствительным элементом которого служит твердотельный матричный преобразователь свет-сигнал (ПЗС матрица). Свет, падающий на матрицу, вызывает накопление в каждой ячейке матрицы электрического заряда, пропорционального освещенности этой ячейки, этот электрический заряд периодически считыва ется последовательно со всех ячеек матрицы и преобразуется в видеосигнал (который и выводится на монитор или передается для дальнейшей обработки в компьютер). Поверхность ПЗС - матрицы состоит из множества светочувствительных ячеек - пикселей (их обычно от 270 тысяч до нескольких миллионов). Чем больше число пикселей, тем качественнее и четче изображение. Второй по важности параметр камеры - разрядность оцифровки выдаваемого изображения, чем выше разрядность, тем шире динамический диапазон передаваемого изображения. Производятся камеры с разрядностью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8, 10 и 12 бит. Специальные изделия могут иметь разрядность и выше. Следующими важными параметрами камеры являются: чувствительность, которая определяет качество работы камеры при низкой освещенности; размер матрицы, обеспечивающий необходимый угол обзора камеры и отношение сигнал/шум.
Сканирование SXF пленок
Для обработки вершинного триггера необходимо измерить координаты пятен по всем слоям экранной пленки. Используя полученный таким образом банк данных, далее специальная программа трекинга позволяет восстановить траектории ядер, пересекающих камеру.
При ручном способе измерений координат оператор визуально проводит фокусировку объектов и записывает координаты. На полностью автоматизированных установках, весь процесс измерений, включая анализ оптического изображения пятен, осуществляется в автоматическом режиме, т.е. без участия оператора. Такое автоматическое сканирование стало возможным на измерительном комплексе ПАВИКОМ, под управлением специальной программой Scan.
Программа Scan выполняет две основные функции - запись изображения пленки, получаемого с микроскопа и управление механическим столом MICOS. Помимо работы в среде ПАВИКОМ программа имеет самостоятельное значение, основные возможности программы представлены в таблице 3.1. Внешний вид интерфейса программы показан на рис. 3.2. Программа Scan является узко специальной и ориентирована: для работы только с определенным типом аппаратного обеспечения, а именно - механическим столом MICOS и системой ввода изображения VideoScan на базе CCD-камеры Sony ICX205IL или Soling WAT-902A.
MICOS подача команд на перемещение стола в заданную точку по 3 осям координат (X,Y,Z), в относительных или абсолютных координатах стола, дискрет ность перемещения 0.001 мм калибровка стола (выполняется один раз после включения MICOS) вывод изображения с микроскопа на экран в различных масштабах, - 25%,
50%, 100%, запись изображения в файл в форматах BMP и JPG управление режимами работы CCD-камеры, установка экспозиции, коэффициента усиления (Sony ICX205IL); насыщенности, яркости, контрастно сти (Soling WAT-902A) автоматическое выделение пятен в поле кадра с помощью встроенного ал горитма анализа изображения Возможности программы охватывают широкий круг задач, связанных с автоматическим съемом изображения следов частиц в эмульсионных материалах. Конкретная работа задается множеством параметров, которые хранятся в конфигурационном файле. Параметры делятся на секции, описывающие режимы механической и оптической систем. Пример списка параметров представлен в таблице 3.2, описание отдельных пунктов будет приведено ниже. jylСканируем пленки SXF (STL version)
В начале работы с программой Scan требуется калибровка стола MICOS. При калибровке предметный столик выезжает в правый нижний угол стола и поднимается вверх до упора, тем самым система фиксирует свои крайние положения по трём осям координат, а также задаются параметры секции [Stage] из конфигурационного файла. Далее следует настройка режима работы видеокамеры, значения экспозиции и уровня усиления. Хорошее изображение должно отвечать двум требованиям: 1) отсутствие так называе о мого блуминга ; 2) высокая контрастность. 3.3. Измерение поля зрения
Настроив картинку, необходимо измерить реальный размер поля зрения, т.е. определить какова ширина и высота картинки в микронах. Известно, что полный размер кадра в пикселях 1360x1024 (для камеры Sony при масштабе 100 %). Независимо от масштаба картинки на мониторе компьютера остается неизменным размер поля зрения, который «захватывает» объектив микроскопа. от англ. blooming - «расплывания» изображения при засветке из-за рас-текания электрического заряда в близлежащих ячейках ПЗС-матрицы. Принцип измерения поля зрения следующий. Для двух положений выбранного объекта в поле кадра фиксируется его координаты в системе координат стола [мм] и системе координат кадра [пиксели] .
Пусть в первом случае объект (а точнее положение камеры) зафиксирован в положении (X] мм, Yj мм) в системе стола; (ai,b}) - координаты объекта (пятна) в пикселях на картинке. Предположим, мы переместили камеру и теперь у нее новое положение (Х2 мм, У2 мм), изображение соответственно сместилось и наш объект (пятно) переехал в положение (a2,b2).
Все измерения на MICOS проходят в координатной системе стола, эту координатную систему необходимо привязать к пленке. Систему координат пленки можно связать с положением углов, например, положить начало отсчета в правый нижний угол (см. рис. 3.4). На рис. 3.4 показаны две системы координат, система коорд. стола (0XY) и система координат плёнки (Оху), развёрнутая относительно 0XY. Так как все измерения координат на установке происходят в системе координат стола MICOS, чтобы перевести их в пользовательскую систему координат, произведём вычисления: m = bZA. (3.4) - угол поворота плёнки относительно системы координат стола, Г = 005 ( -2 ) +sin )(7-Г,) [y cospiY-Y -smfpCX-X,) где (х,у) - координаты объекта в системе координат плёнки; (Х,У) - координаты в системе стола MICOS; Edgei (XjXi) и Edge2 ( -координаты правого и левого краев пленки. Правый нижний угол Edge і задаёт точку начала координат на плёнке (см. рис. 3.4), угол Edge2 — вспомогательный, он служит для того, чтобы вычислить поворот плёнки относительно системы координат стола.
Общая система координат для всех 13 пленок строится по специально отобранным опорным трекам непровзаимодействовавших частиц. Такие треки ищутся в полуавтоматическом режиме до этапа массовых измерений. По найденным опорным трекам производится процедура «сшивки» слоев камеры, которая вычисляет относительные сдвиги и повороты пленок камеры относительно друг друга, устанавливая их в единой системе координат. Сшивка камеры аналогична процедуре изложенной в Главе 1. для пленок ядерной эмульсии.
Интенсивность тяжелых ядер
При взаимодействии с воздухом часть нуклонов первичного ядра образуют вторичные пионы и каоны, оставшаяся часть ядра летит дальше в виде нуклонов спектаторов и более легких фрагментов. В этом случае изменение потока ядер после прохождения толщины атмосферы будет определяться пробегом взаимодействия их в атмосфере. Сечения взаимодействия ядер ХІП брались из работы [78]. Они приведены в таблице 4.1. Эффективная высота полета эмульсионной камеры RLJNJOB была рассчитана в работе [25] с учетом дневных и ночных колебаний высоты. Эта величина слабо зависит от атомного номера падающего ядра. Для ядер с Z 17 она оказалась равной 11 г/см .
Сечения взаимодействия ядер в установке с учетом ее неоднородности (сталь, ядерные эмульсии, рентгеновские и SXF пленки) были рассчитаны в работе [20] по двум моделям, заметно отличающимся только при высоких энергиях. При энергиях меньше 1 ТэВ результаты совпадают. Для разных групп ядер выбранные нами значения при проведении расчетов приведены в последней колонке таблицы 4.1.
Порог геомагнитного обрезания зависит от величины геомагнитного поля Земли вдоль траектории движения аэростатов.
Траектория полета начинается на Камчатке и закачивается в районе Поволжья. Порог геомагнитного обрезания очень сильно зависит от широты полета и слабо от долготы. Эта зависимость из [79] приведена на рис. 4.1. Во время старта порог геомагнитного обрезания составляет величину около 2.5 ГВ, а в момент приземления около 3.5 ГВ, поскольку широта полета несколько уменьшается при движении баллона на Запад. В расчетах использовалось усредненное значение 3 ГВ.
Используя формулу 4.2 для различных ядер были получены минимальные пороговые энергии Ekin, с которыми частицы попадают в атмосферу Земли в зависимости от импульса, который определяется порогом геомагнитного обрезания р=2хЗГэв. Полученные значения представлены в таблице 4.2. Минимальная энергия на нуклон, при которой частицы не будут отклоняться магнитным полем Земли, получилась порядка 0.7-г0.8 ГэВ. Таблица 4.2.
Зависимости пробегов остановки в воздухе от энергии частицы на нуклон приведены на рис. 4.2. На этом же рисунке вертикальной линией обозначен геомагнитный порог обрезания в единицах кинетической энергии на нуклон, соответствующий жесткости З ГВ. Горизонтальной линией обозначены толщина атмосферы над установкой для частиц идущих по вертикали tg6=Q и для частиц с tgd=5. Площадь, ограниченная этими тремя линиями справа от вертикальной линии - это область энергий и зарядов частиц, которые будут останавливаться в атмосфере. Поскольку, чем больше заряд частицы, тем меньше пробег, то более эффективно останавливаются частицы с большим зарядом и под большими углами. В камере пробег на 20-30 % больше, но качественно этот вывод сохраняется. Ионизационные потери в веществе пропорциональны заряду z частицы и обратно пропорциональны скорости частицы р в веществе, таким образом, легкие низкоэнергичные ядра могут создавать ионизацию сравнимую с тяжелыми ядрами. Могут ли легкие ядра при остановке эмитировать тяжелые в пленках SXF?
Имитировать тяжелое ядро могут частицы, останавливающиеся в мишени, их пробег должен быть больше толщины атмосферы (ЛО( =10 г/см2) и меньше толщины мишени (hmr+htargef=30 г/см2). Воспользовавшись кривыми зависимости пробега Щр), найдем начальные импульсы Р. На рис. 4.4 представлен график ионизационных потерь для легкого ядра Z=7, которое при остановке дает пик в толщине вещества 0.3 г/см . Следовательно, при остановке непосредственно в слое сцинтилляционнои пленки (х=0.24 г/см2) ядро может оставить пятно потемнения. Вероятность такого события мала, вещество пленок SXF составляет только 13x0,241=3.13 г/см во всей толщине мишени (21.8 г/см ). Так как количество остановившихся ядер крайне мало, то пятна от легких ядер, имитирующих тяжелую группу, будут составлять незначительную долю от всей статистики. 4.7. Схема расчета
Расчет проводился методом Монте-Карло. Разыгрывалась кинетическая энергия частицы на нуклон и угол падения на уровне камеры в атмо-сфере с учетом поглощения ядер в слое воздуха (-10 г/см ) над установкой и с учетом порога геомагнитного обрезания (З ГВ). Далее разыгрывался пробег остановки и точка взаимодействия в камере, если пробег остановки оказывался меньше пробега взаимодействия, то считалось, что частица остановилась в камере, при этом, как было показано в предыдущем пункте, предполагалось, что более легкие, чем железо, частицы могут имитировать тяжелое ядро только в одном ряду перед остановкой. Ели пробег остановки больше пробега взаимодействия, то считается, что частица провзаимодей-ствовала в камере.
