Содержание к диссертации
Введение
I. Основные принципы построения лазерных калибровочных систем детекторов заряженных частиц 11
1.1. Физические основы. Двухфотонная ионизация 11
1.2. Технические основы. Импульсные ультрафиолетовые лазеры для лазерных калибровочных систем 16
1.3. Методы формирования тонких лазерных треков 23
1.4. Геометрический профиль тонкого лазерного луча 26
1.5. Внешний фотоэффект как способ калибровки газовых детекторов заряженных частиц 29
1.6. Выводы 30
II. Лазерная калибровочная система время-проекционной камеры спектрометра STAR 31
2.1. Общая схема и основные элементы лазерной калибровочной системы спектрометра STAR 31
2.2. Оптика лазерной калибровочной системы время-проекционной камеры 39
2.3. Детектор FTPC 50
2.4. Выводы 53
III. Разработка метода контроля управления положением лазерных лучей в объеме детектора 54
3.1. Постановка задачи автоматизированного контроля и управления 54
3.2. Анализ методов распознавания изображений 56
3.3. Метод контроля положения лазерных лучей в объеме детектора на основе корреляционно-экстремальной системы 59
3.3.1. Система формирования изображения лазерного луча 61
3.3.2. Обоснование выбора метода корреляционной обработки изображения 71
3.3.3. Алгоритм работы системы оцифровки изображения 77
3.3.4. Выбор порога определения информативных кадров 78
3.3.5. Методика корреляционной обработки изображений с увеличенной производительностью вычислений 79
3.3.6. Система синхронизации лазерной калибровочной системы 82
3.3.7. Система управления лазерной калибровочной системы 84
3.4. Экспериментальные результаты работы лазерной калибровочной
системы спектрометра STAR 88
3.5. Выводы 91
IV. Применение ультрафиолетовых лазеров для прикладных и методических исследований 92
4.1. Импульсное ультрафиолетовое излучение как источник свободных электронов 93
4.2. Экспериментальная установка на базе импульсной ионизационной камеры и ультрафиолетового лазера для исследования корреляций физических и канцерогенных характеристик химических соединений 96
4.2.1. Ионизационная камера 98
4.2.2. Газовая система установки 99
4.2.3. Система сбора и обработки данных 101
4.3. Тестирование и оптимизация установки 108
4.4. Выводы 113
Заключение 114
Список использованной литературы 116
- Технические основы. Импульсные ультрафиолетовые лазеры для лазерных калибровочных систем
- Общая схема и основные элементы лазерной калибровочной системы спектрометра STAR
- Методика корреляционной обработки изображений с увеличенной производительностью вычислений
- Экспериментальная установка на базе импульсной ионизационной камеры и ультрафиолетового лазера для исследования корреляций физических и канцерогенных характеристик химических соединений
Введение к работе
Современная экспериментальная физика элементарных частиц базируется на крупных установках, состоящих из большого числа трековых, координатно-чувствительных и спектрометрических детекторов различного типа, содержащих десятки и сотни тысяч каналов съема, обработки и анализа информации. В создании и эксплуатации подобных установок исключительно важную роль играют вопросы надежности, калибровки и периодического контроля функционирования как отдельных детекторов, так и всей установки в целом. При этом возникает ряд специфических задач, для решения которых затруднительно или вообще невозможно использовать радиоактивные источники, частицы космического фона или собственно пучок ускорителя. Так, в широко применяемых в настоящее время больших дрейфовых и время -проекционных камерах с объемом ~ 10 м практически невозможно обеспечить идеальную однородность электрического и магнитного поля по всему чувствительному объему детектора. Это приводит к различной скорости дрейфа электронов в различных частях детектора и, соответственно, к искажению реальной картины взаимодействия. В действующих и планируемых в настоящее время экспериментах с большой множественностью вторичных частиц возникают также проблемы с двухчастичным разрешением и с искажениями электрического поля внутри детектора вследствии накопления объемного ионного заряда в чувствительной области [1, 2]. Это становится особенно важным на ускорителях релятивистских тяжелых ионов, где множественность может достигать ~2000 для Au-Au столкновений при энергиях до 200 ГэВ.
В установках, использующих стримерные и пузырьковые камеры, также существует задача координатной привязки треков частиц к мишени, возникающая вследствие неконтролируемого смещения треков частиц из-за дрейфа электронов (всплывания пузырьков) за время между моментами прохождения частицы и визуализации трека.
Поэтому в детекторах больших размеров необходимы «реперные» треки,
лучшими из которых были бы треки частиц с бесконечно большим импульсом, имеющие заранее известное с высокой точностью положение.
В связи с этим с конца 70-х годов велись активные поиски способов имитации треков быстрых заряженных частиц с помощью направленного электромагнитного излучения. Подобный подход представлялся чрезвычайно привлекательным, особенно в газовых детекторах с размерами ~ (1-Ю) м3, помещенных в магнитное поле, поскольку узкий пучок электромагнитного излучения, ионизируя рабочее вещество детектора, имитирует заряженную частицу с бесконечно большим импульсом. Такая имитация позволяет исключить влияние рассеяния заряженной частицы в веществе детектора, не требует, за некоторыми исключениями, специальных входных окон, позволяет калибровать одновременно несколько детекторов, разнесенных на большие расстояния.
На сегодняшний день наибольшие успехи в решении задачи прецизионной калибровки больших детекторов заряженных частиц направленным электромагнитным излучением достигнуты при использовании ультрафиолетового (и, отчасти, рентгеновского) диапазонов электромагнитного излучения. Основа лазерных калибровочных систем была заложена в начале 80-х годов [3-7]. Такие системы с помощью двухфотонной ионизации компонент рабочего газа излучением импульсных ультрафиолетовых лазеров формируют в объеме детектора лазерные треки, аналогичные трекам заряженных частиц [8-10]. При этом, меняя мощность лазерного излучения, можно в широком диапазоне менять плотность электронов вдоль лазерного трека, то есть имитировать треки частиц с практически любой ионизирующей способностью. Положение лазерного луча в пространстве и во времени, а также его мощность существующими методами могут быть измерены с хорошей точностью, а сами лазерные треки не испытывают многократного рассеяния и нечувствительны к магнитным полям. Поэтому лазерные системы обеспечивают высокую точность пространственной, энергетической и временной калибровки детектора.
В качестве наиболее важных задач, решаемых с помощью таких систем,
можно указать следующие:
пространственная калибровка трековых детекторов с точностью —200 мкм;
измерение двухтрекового пространственного разрешения;
- энергетическая калибровка детекторов с шириной амплитудного
распределения менее 0,1 ширины распределения Ландау для ионизационных
потерь;
измерение скорости дрейфа и коэффициентов диффузии электронов и ионов;
измерение угла Лоренца;
-исследование влияния конструкции и геометрии многопроволочных детекторов больших размеров на их пространственные и энергетические характеристики.
Помимо этого лазерные системы являются прекрасным инструментом для наладки сложных детекторов в отсутствии пучка ускорителя.
Импульсные ультрафиолетовые лазеры могут быть с успехом использованы для создания электронов, вылетающих с поверхности различных материалов в результате поверхностного фотоэффекта. Этот метод был применен в спектрометре STAR, а также в методических исследованиях большой дрейфовой камеры спектрометра KLOE [11], при разработке RICH-детектора для эксперимента ГИНЕС (ИФВЭ, Протвино), в исследовании газовых процессов, происходящих в узкозазорных резистивных плоскопараллельных камерах [12], и в установке, предназначенной для исследования физико-биологических корреляций, разработанной при участии автора в рамках проекта МНТП, №832 «Определение мутагенной и канцерогенной опасности физико-химическим методом» и грантов Минобразования РФ по программам «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала» (2001 г.) и «Федерально-региональная политика в науке и образовании» (2003 г.).
Целью диссертационной работы является исследование основных принципов применения ультрафиолетовых лазеров, как в физике частиц высоких энергий, так и в детекторах ионизирующих излучений, используемых в лабораторных, в частности, физико-биологических исследованиях.
В соответствии с поставленной целью определены задачи исследования:
Исследование и развитие основных принципов построения лазерных калибровочных систем больших газовых координатно-чувствительных детекторов элементарных частиц.
Разработка основных принципов контроля и управления лазерных калибровочных систем газовых координатно-чувствительных детекторов объемом -10 м3 с высокой точностью (погрешность позиционирования —200 мкм).
3. Разработка системы регистрации и обработки информации с
установки, предназначенной для исследования корреляций физических и
биологических (канцерогенных) характеристик химических соединений.
4. Проведение экспериментальных исследований фотоэмиссии
электронов под действием излучения лазеров на молекулярном азоте (Иг-лазер).
Научная новизна.
Впервые разработана и смонтирована многолучевая лазерная система калибровки основной (Time Projection Chamber (ТРС)) и дополнительных (Forward Time Projection Chamber (FTPC)) время-проекционных камер спектрометра STAR на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)). Показано, что ее использование позволяет с высокой точностью измерять скорость дрейфа электронов в газовой смеси детектора, проводить коррекцию искажений регистрируемых треков элементарных частиц, связанных с искажениями электрического и магнитного полей в объеме детектора.
Впервые разработано уникальное оборудование для программно-аппаратного комплекса лазерной системы калибровки детектора объемом -10 м3 и теоретически обоснованы принципы его работы и управления.
Разработан программно-аппаратный комплекс для оригинальной установки на базе ионизационной камеры (ИК) с лазерной фотоионизацией катода, предназначенной для исследования корреляций между физическими и медико-биологическими характеристиками веществ, который способен значительно ускорить и удешевить детектирование потенциальной канцерогенности.
Практическая значимость.
Разработанные методики, алгоритмы и программное обеспечение лазерной калибровочной системы в настоящее время успешно функционируют в составе эксперимента STAR во время сеансов 2000-2006 гг. Они позволяют повысить достоверность восстановления треков элементарных частиц и таким образом оградить от возможных ошибок при исследованиях фундаментальных свойств материи.
Работы в области разработки физического метода детектирования канцерогенности химических веществ позволят в перспективе создать службу канцерогенной безопасности, аналогичной службам радиационной безопасности, существующей в развитых странах.
На защиту выносятся:
1. Развитие принципов построения высокоточных ультрафиолетовых
лазерных калибровочных систем детекторов в физике частиц высоких энергий.
2. Принципы и методики контроля и управления лазерных
калибровочных систем больших газовых координатно-чувствительных
детекторов объемом ~ 10 м3 с высокой точностью (~200 мкм).
3. Методика и алгоритмы определения координат положения лазерного
луча в объеме детектора с использованием корреляционно-экстремальных
методов.
4. Методы регистрации и обработки информации в ионизационной
камере с ультрафиолетовой фотоионизацией катода для детектирования
канцерогенной опасности химических соединений.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: IX Международная конференция по проволочным камерам (Вена, Австрия, 2001); II Всероссийская конференция «Университеты России - фундаментальные исследования. Физика элементарных частиц и атомного ядра», Москва (2001 г.); III Всероссийская конференция «Университеты России - фундаментальные исследования. Физика элементарных частиц и атомного ядра», Москва (2002 г.); Научная Сессия МИФИ-2003.
Личный вклад автора.
Цель и задачи исследования реализованы автором самостоятельно. Экспериментальные исследования проведены в соавторстве. Автор принимал непосредственное участие при монтаже и настройке лазерной калибровочной системы STAR, при проведении физических экспериментов на спектрометре STAR, при разработке экспериментальной установки для исследования корреляций физиких и биологических характеристик химических соединений.
Результаты проведенных исследований изложены в 9 публикациях.
В I главе рассматриваются основные принципы построения лазерных калибровочных систем детекторов заряженных частиц на базе импульсных ультрафиолетовых лазеров.
Во II главе описана лазерная калибровочная система время-проекционной камеры спектрометра STAR. Высокоточная лазерная калибровочная система предназначена для измерения скорости дрейфа электронов в объеме детектора и определения искажений треков в детекторе, вызванных несоосностью магнитов детектора, накоплением пространственного заряда из-за высокой множественности в Au-Au столкновениях и существованием ЕхВ эффекта.
В III главе рассматриваются разработанные методы контроля и
управления положением лазерных лучей в объеме детектора. Формулируются
принципы контроля и управления лазерными калибровочными системами на
основе корреляционно-экстремальной системы. Приводятся
экспериментальные результаты, полученные на спектрометре STAR с помощью лазерной калибровочной системы.
В IV главе рассматривается применение ультрафиолетовых лазеров для исследования корреляций канцерогенной опасности веществ, определенной в медико-биологических экспериментах, с константой захвата свободных электронов. Описана разработанная система регистрации и обработки информации в установке на базе плоскопараллельной ионизационной камеры с лазерной ионизацией катода.
В заключении представлены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Технические основы. Импульсные ультрафиолетовые лазеры для лазерных калибровочных систем
Несомненно, интересно использовать внешний фотоэффект для пространственной и энергетической калибровки координатно-чувствительных детекторов - многопроволочных пропорциональных, дрейфовых и время-проекционных камер. Так, например, можно сканировать чувствительный объем многопроволочного детектора тонким лазерным лучом (или с помощью набора сферических и цилиндрических линз трансформировать лазерный луч в лазерную «плоскость»). Такой луч (или «плоскость») будут выбивать с поверхности катодных проволочек группы (кластеры) электронов, размер которых определяется диаметром проволочки и диаметром лазерного луча (толщиной плоскости), то есть составит 0,1-1 мм. Поскольку все кластеры находятся в одной плоскости, они могут быть использованы как для пространственной калибровки детектора, так и для калибровки при измерениях плотности ионизации методом счета кластеров, образованных на треке частицы первичными электронами ионизации.
С целью разработки этого метода исследовано выбивание электронов излучением импульсного лазера с поверхности различных металлов, наиболее часто используемых для изготовления катодных, потенциальных и анодных проволочек пропорциональных и дрейфовых камер - Fe, Al, Au, сплав CuBe [31]. Для этого проволочки диаметром 50-80 мкм через входное окно вставлялись внутрь пропорциональной камеры и облучались несфокусированным лучом лазера. Несмотря на то, что энергия кванта излучения лазера меньше работы выхода любого из исследованных металлов, регистрировались кластеры электронов, вылетавшие с поверхности проволочек, причем число электронов в кластерах ( 100 электронов/см при плотности мощности лазерного излучения 500 Вт/см ) слабо зависело от материала проволочки.
Использование внешнего фотоэффекта будет рассмотрено при описании лазерной калибровочной системы время-проекционной камеры спектрометра STAR (глава II) и установки для исследования физико-биологических корреляций (глава IY). 1. Рассмотрены физические основы двухфотонной ионизации паров органических соединений в газовой смеси детекторов. 2. Проанализированы основные характеристики лазеров, применяемых в лазерных калибровочных системах. 3. Показано, что с помощью ультрафиолетовых лазеров с длиной волны Х=266 нм возможно формирование тонких лазерных треков, имитирующих в детекторе треки элементарных частиц с бесконечно большим импульсом. При этом линейная плотность электронов вдоль лазерного трека составит не менее 100 см"1. П. Лазерная калибровочная система время-проекционной камеры спектрометра STAR. 2.1. Общая схема и основные элементы лазерной калибровочной системы спектрометра STAR. На сегодняшний день огромная часть работ ученых в области физики фундаментальных взаимодействий связана с экспериментальным подтверждением явлений, возникающих в условиях экстремально высоких температур и ядерных плотностей, которые описываются и предсказываются теорией сильных взаимодействий квантовой хромодинамики (КХД). Одно из главных явлений - существование вещества в состоянии кварк-глюонной плазмы (КГЦ). В 1913 году Нильс Бор предложил модель атома на основе анализа экспериментов по рассеянию частиц, подобных тем, что были выполнены Ленардом с электронами и Гейгером, Марсденом, Резерфордом с а -частицами. Как было обнаружено позже, ядро состоит из нейтронов и протонов, называемых нуклонами. Результатом экспериментов с использованием космических лучей и ускорителей стало открытие большого числа новых частиц, что привело в 50-х годах XX века к заключению, что протоны и нейтроны состоят из более «мелких» частиц. (Гелл-Манн и Цвейг). В настоящее время эти частицы известны как кварки шести различных типов (ароматов): up-кварк (и), down-кварк (d), strange-кварк (s), charm-кварк (с), bottom-кварк (b) и top-кварк (t); каждый аромат имеет три цвета (красный, синий и зеленый) [33]. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях посредствам обмена глюонами, которые представляют собой нейтральные частицы со спином 1 и нулевой массой, обладают специфическим цветом и, являясь переносчиком сильного взаимодействия, «склеивают» глюоны в адроны. Квантовая теория сильного взаимодействия цветных глюонных и кварковых полей является фундаментальной теорией, лежащей в основе взаимодействий между кварками и глюонами. В настоящее время разработано много моделей, предполагающих составную природу кварков, адронов и лептонов. В рамках этих моделей в качестве истинно элементарных частиц рассматриваются так называемые преоны, которые гипотетически являются истинно элементарными частицами. Состояние вещества в виде КГП можно получить несколькими способами: 1. Повышением температуры ядерной материи; 2. Повышением барионной плотности; 3. Комбинацией предыдущих пунктов. Для того чтобы изучать ядерную материю в экстремальных условиях, необходимо создать разогретую и очень плотную материю, для чего используют тяжелые ядра (Au, РЬ), как это предполагается в экспериментах STAR и ALICE, а также электрон-позитронные коллайдеры нового поколения. Основные достижения физической программы коллаборации STAR на коллайдере релятивистких тяжелых ионов RHIC представлены в [34-93]. Основным трековым детектором в спектрометре STAR [16, 94-109] (рис. 7), нацеленном на исследование образования кварк-глюонной плазмы на ускорителе тяжелых ионов (BNL, USA) является детектор ТРС [16], предназначенный для регистрации треков частиц после взаимодействия, пространственной реконструкции треков, идентификации частиц и измерения их импульсов.
Детектор ТРС представляет собой цилиндр диаметром 4000 мм и длиной 4200 мм, размещенный в аксиальном магнитном поле. Чувствительный объем детектора ограничен коаксиальными внешними и внутренними оболочками, Рис. 7. Общий вид спектрометра STAR. подсоединенными к несущим колесам, расположенным на концах ТРС. На колесах установлены 48 многопроволочных пропорциональных камер с катодным считыванием информации (МПК). ТРС делится посередине центральной мембраной из 70 микронной полиамидной каптоновой пленки на которую подается потенциал - 28 кВ. Таким образом, вдоль оси Z камеры создается однородное электрическое поле 135 В/см, в котором происходит дрейф электронов к МПК. Измеренное время дрейфа при известной скорости дрейфа электронов дает координату Z, а электрический сигнал, индуцированный на стрипах МПК, - координаты в плоскости, перпендикулярной оси Z. При этом предполагается, что координаты стрипов известны с высокой точностью.
Общая схема и основные элементы лазерной калибровочной системы спектрометра STAR
Лазерный луч от NdiYAG-лазера [118] с А,=266 нм (для каждой половины камеры используется отдельный лазер) расширяется оптическим телескопом до диаметра около 30 мм, с помощью двух зеркал направляется к концевому колесу через отверстие в магните и попадает на зеркало с коэффициентом отражения 100%, поворачивающее луч таким образом, чтобы он проходил параллельно плоскости колеса по большему диаметру. Далее луч делится на две части с помощью полупрозрачного зеркала с коэффициентом отражения 50%. Один из этих лучей двигается по часовой стрелке, второй -против часовой стрелки. Поворот лучей в плоскости колеса осуществляется призмами с углами поворота где п - коэффициент преломления материала призмы (n = 1,4495 для плавленого кварца высокой чистоты), А - угол при вершине призмы. Необходимость точного расчета углов поворота диктуется наличием на поверхности колеса других элементов - кабелей, электроники, газовой арматуры и т.п. Чтобы сохранить параллельность повернутых лучей относительно плоскости несущего колеса ТРС с точностью ±0,2 мм на расстоянии около 1 м (среднее расстояние между призмами) необходимо обеспечить точность изготовления угла при вершине призмы ДА (п- 1)Да 0,01. Характеристики поворотных призм представлены в Таблице 6.
На пути лучей над специальными входными окнами, сдвинутыми друг относительно друга на угол 60, расположены полупрозрачные зеркала с коэффициентами отражения 33%, 50% и 100%, плоскости которых наклонены к плоскости колеса на угол 45. Эти зеркала делят лазерный луч на 6 лучей приблизительно равной интенсивности, поворачивают их на угол 90 и направляют внутрь ТРС вдоль ее внешней поверхности параллельно оси Z.
Все оптические элементы закреплены на специальных подставках, снабженных котировочными и фиксирующими микрометрическими винтами.
Маленькие зеркала лазерной системы ТРС представляют собой цилиндрические стеклянные стержни диаметром 1 мм, концы которых срезаны под углом 45, отполированы, и на срез нанесено диэлектрическое покрытие с коэффициентом отражения 100% (на А=266 нм). Стержни объединены в связки по 7 стержней в каждой и вклеены в специальный держатель, причем каждый стержень развернут на определенный угол (рис. 14, 15). Таким образом в объеме детектора формируется веер лазерных треков, исходящих из одной точки и формирующих приблизительно одинаковую линейную плотность электронов. По результатам расчетов используется два набора углов, позволяющих перекрыть весь чувствительный объем ТРС (рис. 12). После сборки углы определялись с погрешностью 0,025 мрад на измерительном стенде, собранном на базе прецизионного цифрового теодолита.
Держатели зеркал расположены на расстоянии друг от друга 300 мм и приклеены к рельсу длиной 1500 мм, представляющему из себя стеклянную трубу квадратного сечения размером 18x18 мм (рис. 16). На каждом рельсе установлено по 6 держателей, или 6x7 = 42 маленьких зеркала. Рельсы закрепляются вдоль внутренней поверхности внешней оболочки ТРС напротив входных окон на котировочных опорах. Таким образом, в каждой половине камеры формируются 6x6x7 = 252 тонких лазерных луча длиной от 1000 мм до -4000 мм.
Как видно из рис. 16, зеркала располагаются по периферии широкого лазерного луча в точках с приблизительно равной интенсивностью излучения, что позволяет получать соответственно приблизительно равную плотность электронов вдоль лазерных треков. Оставшаяся центральная часть широкого лазерного луча проходит вдоль рельса через высоковольтную мембрану в другую половину камеры, где попадает на сферическое рассеивающее зеркало с коэффициентом отражения 100% (рис.17). Рассеянное зеркалом излучение падает на центральную мембрану, на которой нанесена сетка из алюминиевых полосок шириной 3 мм. В результате фотоионизации поверхности полосок формируется дополнительная группа треков, аналогичных лазерным трекам и имеющих фиксированную начальную координату по оси Z (поверхность мембраны). По сигналам от этих треков определяют координату Z положения центральной мембраны при восстановлении треков реальных частиц в объеме детектора.
Методика корреляционной обработки изображений с увеличенной производительностью вычислений
При прямом применении метода вычисления частных коэффициентов корреляции для всей области изображения необходимо проведение большого количества вычислений. Так, для исходного изображения с разрешением 320x240 точек и эталонного, содержащего 50x50 точек, необходимо проведение 51300 вычислений частных коэффициентов корреляции. Даже в случае применения современного компьютера (на момент монтажа лазерной системы Pentium Ш-900/256 Mb/20 Gb/Video 32Mb, с операционной системой Windows NT), расчет коэффициента корреляции по одному изображению занимает около 1 минуты.
С учетом того, что для подстройки положения луча будет необходимо не менее 2-3 подстроек из-за люфта пикомоторов, полное время однократной подстройки положения лазерного луча для одной половины детектора составит не менее 10 минут, что недопустимо при большой стоимости единицы времени работы коллайдера. Поэтому автором было рассмотрено несколько вариантов оптимизации алгоритма работы системы управления для минимизации времени, необходимого для настройки лазерной системы калибровки.
Первый вариант предполагает наличие априорной информации о первоначальном положении эталонного изображения, который получается в режиме градуировки. Поиск экстремума можно вести, начиная с этого положения, с постепенным расширением поля поиска. При отсутствии смещения или при незначительном смещении положения лазерного луча время поиска будет незначительным («1 с). Однако будет необходима более сложная процедура обработки экстремума и принятия решения о найденном положении т.к. у нас нет информации со всего изображения. При большом отклонении лазерного луча от своего исходного положения, время поиска координат будет значительным. Большие величины отклонений положения лазерного луча возникают в случае переключения режима работы лазерной системы калибровки детектора ТРС или FTPC. Переключение режима работы осуществляется с помощью изменения направления первичного лазерного луча с помощью перемещающегося зеркала, и при этом возможно смещение положения лазерного луча до 10 мм, что составляет 1/3 размера изображения. При таких больших перемещениях есть вероятность выхода части изображения за пределы экрана и принятия ложного решения о координатах и, соответственно, проведение неверной подстройки положения зеркал. Таким образом, при данной методике время цикла работы системы управления будет переменной величиной и при значительных отклонениях лазерного луча от требуемого положения может достигать 1 минуты.
Второй вариант - снижение разрешения исходного и эталонного изображения в а -раз и уменьшение необходимых вычислений при сохранении метода вычисления частных коэффициентов корреляции для всей области изображения. При этом возникает необходимость проведения повторного поиска на исходном изображении в пределах ±а точек от найденной координаты экстремума по каждой оси изображения, т.к. при снижении размерности изображений теряется точность определения координат.
В лазерной калибровочной системе спектрометра STAR автором был использован второй алгоритм. Экспериментально установлено, что для используемых разрешений, достаточно проведение процедуры укрупнения исходных точек изображения до размера 3x3 точки с их усреднением по интенсивности. Таким образом, при поиске оценочной области экстремума корреляционной функции необходимо будет проведение 5700 вычислений частных коэффициентов корреляции. При этом одновременно уменьшится и время, необходимое для их расчета по формуле (29).
После того, как будет найдена область экстремума корреляционной функции на укрупненном изображении, проводятся дополнительные вычисления вокруг этой точки в пределах 9x9 точек для точной локализации совпадения изображений с погрешностью в 1 точку.
Таким образом, время, необходимое для проведения расчетов текущих координат положения лазерного луча для изображения с каждой видеокамеры занимает не более 1 секунды. Что позволяет системе провести коррекцию положения всех зеркал системы за время не более 1 минуты. В программном обеспечении учтена возможность выхода изображения центра лазерного луча на край экрана, и, в связи с этим, необходимость дополнительных расчетов для учета неполного перекрытия эталонного изображения с изображением с видеокамеры.
Для функционирования лазерной системы в составе оборудования STAR необходимо, чтобы она работала синхронно со считывающей электроникой, которая используется для оцифровки сигналов с детектора. Основным сигналом синхронизации является RHIC Strobe (синхроимпульс считывающей аппаратуры детектора STAR [130]). Момент появления лазерного импульса должен быть жестко привязан к сигналу RHIC Strobe для того, чтобы обеспечить хорошую точность и повторяемость восстановления лазерных треков по координате Z. Стабильность временных задержек должна быть не хуже 3 не для обеспечения требуемого пространственного разрешения детектора.
Для системы синхронизации был разработан контроллер синхронизации (рис. 35) на элементах программируемой логики. Контроллер может работать в двух режимах - с внешней синхронизацией (RHIC Strobe) и с внутренней синхронизацией (тестовый режим при отсутствии сигнала RHIC Strobe). Контроллер имеет внутренние регистры для задания режимов работы.
Для управления переключением видеокамер к одному источнику использована пара микросхем ADG406, представляющих собой шестнадцати канальные переключатели.
Экспериментальная установка на базе импульсной ионизационной камеры и ультрафиолетового лазера для исследования корреляций физических и канцерогенных характеристик химических соединений
Одним из направлений использования ультрафиолетовых лазеров является точное измерение с их помощью кинетических характеристик движения свободных электронов - скорости дрейфа и коэффициентов диффузии, а также параметров захвата (времени жизни, констант и сечения захвата). Это является важной задачей при исследованиях в области физики плазмы, физики атмосферы, физики детекторов ионизирующих излучений и т.п. Одним из перспективных направлений таких исследований является разработка физического экспресс-метода детектирования канцерогенности химических веществ, основанного на результатах работ [132-139].
В настоящее время не вызывает сомнения доминирующая роль факторов внешней среды в возникновении онкологических заболеваний. В мире используется более ста тысяч различных химических веществ. Кроме того, большое количество соединений, в том числе и потенциальных канцерогенов, появляется неконтролируемым образом как отходы жизнедеятельности и промышленного производства.
Классическими методами определения канцерогенности химических соединений являются эпидемиологический метод, который требует десятков лет наблюдений за людьми, опыты на животных, где невозможно выявить слабые канцерогены и тесты, в которых используются насекомые, бактерии или клетки ткани. Подобные исследования оцениваются в сумму от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов долларов.
Использование физико-химического подхода может существенно упростить и удешевить процедуру детектирования канцерогенности веществ.
Ранние исследования [132-139] показали, что физический тест на канцерогенность, может сводиться к измерению параметров захвата свободных электронов в нейтральной буферной среде, содержащей молекулы потенциальных канцерогенов. В этих исследованиях применялись плоскопараллельные ионизационные камеры, в которых в качестве буферной среды использовались неполярные жидкости - изооктан и циклогексан, а также газовая смесь Аг+Н2. Сравнение канцерогенной опасности органических соединений, определенной в опытах на грызунах, с константой захвата свободных электронов К = l/rxNx в водных растворах, органических растворителях и газах (Nx - концентрация молекул вещества,т х - время жизни свободных электронов в смеси (буферная среда + вещество) показало, что тип буферной среды не является определяющим параметром.
Существуют два метода измерения времени жизни свободных электронов и константы захвата [140]: «стационарный», когда анализируется изменение пространственной плотности заряженного электронного облака, и «динамический», основанный на анализе изменения величины заряда электронного облака Q, дрейфующего в объеме детектора. Последний метод является наиболее точным и информативным.
Классическим способом образования свободных электронов в объеме детектора является облучение детектора радиоактивным источником или рентгеновскими импульсами. В газовых ИК при нормальных условиях в этом случае образуется неравномерно распределенный по ее объему электрон-ионный заряд, и с процессом захвата свободных электронов конкурирует процесс электрон-ионной рекомбинации. Это усложняет анализ сигналов и, соответственно, влияет на точность результатов измерений.
Форма импульса тока в плоскопараллельной двухэлектродной РІК при учете дрейфа, захвата и рекомбинации электронов имеет вид I(t) = I0(l - Wt/d) [exp(/x)]/(l + krtQ/V), (35) где Io - начальное значение тока, определяющееся суммарной энергией, поглощенной в веществе детектора в импульсе, х - среднее время жизни электронов до захвата, V - объем чувствительной области детектора, kr -коэффициент рекомбинации, d - ширина межэлектродного зазора, W - скорость дрейфа электронов.
Здесь первый сомножитель в круглых скобках отвечает за убыль электронов за счет дрейфа, второй в квадратных скобках - в процессе захвата и знаменатель - в процессе рекомбинации.
Важным обстоятельством является то, что при создании электронов ионизирующим излучением с захватом электронов электроотрицательными молекулами конкурирует процесс рекомбинации, что снижает точность и достоверность измерений и повышает порог регистрации. Кроме того, в таких установках не могут исследоваться радиационно-нестабильные вещества.
Другой способ образования свободных электронов - фотоэмиссия электронов из катода под действием импульсного ультрафиолетового излучения. В этом случае рекомбинация в объеме отсутствует. Если длительность импульса излучения Ти много меньше времени дрейфа электронов Т, то все электроны проходят в межэлектродном зазоре ИК одинаковые пути и зависимость импульса тока от времени
