Метод автоматизированного анализа эмульсионных данных для измерения спектра ПКИ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Публиченко Павел Андреевич

МЕТОД АВТОМАТИЗИРОВАННОГО АНАЛИЗА ЭМУЛЬСИОННЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА ПКИ

(специальность 01.04.23 - физика высоких энергий)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических

наук, с.н.с. Роганова Т.М.; доктор физико-математических наук Свешникова Л.Г.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Славатинский С.А.; кандидат физико-математических наук, Сулаков В.П.

Ведущая организация: Объединенный Институт Ядерных Исследований (научный центр, г. Дубна)

Защита состоится «Д_» СЫ^ 2004 года в Д^часов на заседании диссертационного совета К 501.001.03 в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан » CS>U/V| ^ 2004 года

Ученый секретарь диссертационного совета К 501.001.03

кандидат физико-математических наук дл^а^-л»^ Манагадзе А.К.

Ь'7

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Фотоэмульсионные материалы используются в широком классе экспериментов, где требуется на микроскопическом уровне изучать процессы ядерных реакций. Благодаря высокому пространственному разрешению, ядерная эмульсия позволяет изучать процессы ядерных реакций, измерять энергию и заряды частиц. Более полувека эмульсионная техника совершенствуется и используется в ядерной физике, физике космических лучей (КЛ). В таких экспериментах эмульсия может составлять большие объемы, и обработка таких данных представляет собой отдельную задачу.

В экспериментах по исследованию космического излучения часто используются пассивные детекторы накопительного типа, это — рентгено-эмульсионные камеры [1] (РЭК), которые регистрируют частицы и электронно-фотонные ливни. Данная работа посвящена обработке эмульсионных данных аэростатного эксперимента 1ШНЮВ [2], нацеленного на изучение энергетического спектра первичного космического излучения.

Изучение первичного космического излучения (ПКИ) дает ключ к пониманию фундаментальных астрофизических проблем: происхождения космических лучей, их ускорения и прохождения в Галактике [3]. Особый интерес в КЛ представляют тяжелые ядра. Ядра железа и тяжелее железа не могут образовываться в процессах фрагментации и несут информацию о звездах; зная энергетические зависимости соотношений групп 2= 17-24 и 2=24^-26 можно вычислить важные астрофизические параметры. В экспериментах с прямыми методами исследования ПКИ (спутники и баллонная техника) проводится экспонирование установок на большой высоте для исключения влияния атмосферы. Статистика частиц в таких экспериментах достигает сотен тысяч частиц, и их обработка становится чрезвычайно трудоемкой, что требует введения автоматизации. Для РЭК эксперимента РОС. НМИОЧАЛЬНАЯ

БИ-, ■■ ГЧ РКА СХетербург

гообрк __

RUNJOB автором была внедрена автоматизация поиска вершин взаимодействия и работы с данными.

Несмотря на множество экспериментов, статистика по тяжелым ядрам в области 1 ТэВ/нуклон очень мала, а результаты противоречивы [4]. В эксперименте RUNJOB стало возможным значительно увеличить статистику по тяжелым ядрам и измерить спектр в широком энергетическом диапазоне. Стандартный отбор регистрации частиц по энергии, выделенной в электронно-фотонную компоненту (калориметрический триггер), имеет высокий порог по энергии 30 ТэВ.

Понизить порог регистрации частиц и продвинуться в область низких энергий возможно, используя «вершинный» триггер на базе высокочувствительных рентгеновских пленок, окруженных сцинтилляционными экранами (SXF пленки). В отличие от калориметрического метода регистрации в методе вершинного триггера частицы с Z> 17 регистрируются в верхней части камеры (еще до акта ядерного взаимодействия) в SXF пленках в виде пятен потемнения, видимых невооруженным глазом.

Впервые экранные пленки использовались в эксперименте SANRIKU [5]. По сравнению с этим экспериментом время экспозиции в RUNJOB почти на порядок выше и фон пятен на пленках очень высок. Обработать данные возможно только с помощью полной автоматизации выделения пятен на пленке и прослеживания треков.

Начало работы по этой задаче совпало с приобретением в ФИАН им. П.Н. Лебедева уникальной установки - микроскопа с прецизионным движущимся столом MICOS, который позволяет анализировать большие площади фоточувствительных материалов (400x800 мм2) с большой точностью измерений (~1 мкм). Автоматизация конкретной задачи была расширена, и на базе MICOS был создан полностью автоматизированный измерительный комплекс (ПАВИКОМ). Рентгеноэмульсионные материалы применяются во множестве научных экспериментов, медицине, поэтому

создание комплекса ПАВИКОМ [6] крайне актуально для эффективного и качественного анализа этих материалов.

Целью работы является:

• Создание автоматизированного метода анализа эмульсионных данных различных экспериментов на базе уникальной системы ПАВИКОМ.

• Обработка с помощью разработанной методики данных баллонного эксперимента RUNJOB, нацеленного на измерение спектров 1ЖИ в области высоких энергий.

Научная новизна

Впервые в России с активным участием автора построен, налажен и оттестирован полностью автоматизированный измерительный комплекс для обработки микроизображений фотоматериалов различных научных экспериментов, который позволяет обрабатывать большие площади (0.5 м2) фоточувствительных материалов с высоким пространственным разрешением (>7 мкм/пиксель) на большой скорости (16 см2/мин).

Впервые на базе ИАВИКОМ разработан и оттестирован метод поиска треков и вершин взаимодействий тяжелых ядер, зарегистрированных в SXF пленках эксперимента RUNJOB, и показано, что метод может быть применен для получения спектров ядер с зарядом Z>17, £>10 ГэВ/н.

В диссертации защищаются:

1. Разработанный автором метод автоматического сканирования и анализа микроизображений на базе комплекса ПАВИКОМ.

2. Метод поиска треков и вершин взаимодействий тяжелых ядер, зарегистрированных в SXF пленках эксперимента RUNJOB.

3. Результаты обработки SXF пленок одной камеры эксперимента RUNJOB, оценки эффективности и применимости метода.

Практическая значимость. Создание комплекса ПАВИКОМ и соответствующего программного обеспечения для него позволит повысить эффективность экспериментальных исследований, проводимых при помощи метода ядерных эмульсий рядом институтов страны в ядерной физике, физике космических лучей, а также в некоторых работах по поиску осцилляций нейтрино [7]. На базе созданного комплекса в настоящее время уже проводится обработка данных экспериментов ШЛМГОВ, ЕМ1Л5, ПЛАТАН, семейства «Страна», обработка ядерных эмульсий р-спектрометра ОИЯИ (Дубна) и др.

Разработанный метод отбора тяжелых ядер по вершинному триггеру, позволит в рамках одного эксперимента расширить энергетический диапазон в область меньших энергий, измерить энергетические зависимости и отношения интенсивностей для ядер 2>24 и 2=~Л 7^24 в диапазоне £>10 ГэВ/нуклон.

Личный вклад автора. Автор учу*ствовал в работе экспериментальной коллаборации 1ШШОВ с 1997 г. и принимал активное участие в анализе экспериментальных данных. Автор активно учрбртвовал в создании комплекса ПАВИКОМ в ФИАН им. П.Н.Лебедева. Вклад автора в разработку метода вершинного триггера, осуществление расчетов и анализ результатов является определяющим.

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 Между-

народных конференциях по космическим лучам (Германия, Гамбург, 2002; Япония, Цукуба, 2003), научных семинарах НИИЯФ МГУ и ФИАН им. П.Н.Лебедева, рабочем совещании коллаборации Беккерель «Исследование кластеризации в мультифрагментации релятивистских ядер» (Дубна, ЛВЭ ОИЯИ, 2004). Эти результаты хорошо известны российской и международной научной общественности.

Публикации. Основные материалы диссертации содержаться в 8 печатных работах и в одном препринте ФИАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, двух приложений, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 172 страницы, 77 рисунка и 34 таблицы. Список цитируемой литературы включает 94 наименований.

Содержание диссертации

Во введении к диссертации обосновывается актуальность и научная новизна работы, указываются её цели, рассматриваются научная и практическая значимость, личный вклад автора и формулируются основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе описывается эксперимент ШЖЮВ, 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 предсказа-

ний вершин в эмульсии. Точность связки слоев камеры в единую систему координат составила 200 мкм, точность предсказания вершины ~ 2 мм. С участием автора было обработано 40% экспериментального материала российской части RUNJOB, по которому построены спектры ПКИ.

Во второй главе приведено описание измерительного комплекса ПАВИКОМ, его основные технические характеристики. Это описание прецизионного механического стола MICOS, оптической системы и CCD-камеры1. Точность позиционирования стола в горизонтальной плоскости на базе 400 мм х 800 м составляет 0.5 мкм (!), регулировка высоты объектива производится с той же точностью. Обсуждаются в сравнении технические особенности различных типов CCD-камер, которые использовались для MICOS. Используемая в работе комплекса камера имеет ПЗС матрицу с разрешением 1360x1024 пикселя. Блок-схема установки приведена на рис. 1. В конце второй главы ставится задача написания программного обеспечения для оперирования системой.

Рис. 1. Блок схема измерительного комплекса ПАВИКОМ.

В третьей главе описывается метод автоматического анализа фоточувствительных материалов, реализованный на базе комплекса ПАВИКОМ. Автоматическая обработка разбивается на 2 этапа: 1) сканирование

' CCD - charge coupled device (англ ), другими словами - камера на основе ПЗС (прибор с зарядовой связью) матрицы.

пленки и получение цифрового изображения, 2) анализ изображения - выделение пятен и определение их характеристик. Рассматривается общая проблема распознавания изображений, ставится задача выделения гопен в рентгеноэмульсионных пленках.

Для работы с пленками на ПАВИКОМе автором была создана универсальная программа Scan, которая охватывает все возможности комплекса в работе с фотоматериалами: анализ изображения, измерение координат, сканирование. В главе подробно рассмотрена полная процедура сканирования одной пленки SXF: измерение поля зрения микроскопа в мм, привязка системы координат, автоматическое сканирование. Пленка 400x500 мм2 сканируется за 2548 кадров размером 10.130x7.620 мм2 в течение ~2 часов. Кадры изображения пленки сохраняются на жесткий диск компьютера в формате JPEG для дальнейшей обработки.

Далее ставится и решается задача автоматического выделения пятен потемнения. Разработанный алгоритм выделения пятен комбинирует стандартные методы обработки изображения, а также специфические приемы, используемые для анализа рентгеновских пленок. Обработка изображения состоит из нескольких этапов: определение фона, бинаризация, фильтрация, объединение точек в кластеры, вычисление центров пятен. Пример работы алгоритма выделения пятен приведен на рис. 2.

A. a-,*,

л I . -I. * h

• г». ' : V

'Ф

Л .а*'--

■ V о щ •«*• ; ,

Исходная фотография участка пленки 5.065 мм х 3.81 мм

• *

Я «

9 . '

* а

» ■*

Результат работы алгоритма программы Sp, - 42 пятна и их центры.

Рис. 2. Работа алгоритма выделения пятен.

На базе алгоритма была создана программа Spot, с помощью которой были проанализированы кадры изображений SXF пленки, на одной пленке в среднем зарегистрировано около 300 тысяч пятен, что соответствует плотности ~200 см2. Время обработки одного кадра составляет около 10 секунд на компьютере Pentium III-600. Продемонстрирована устойчивая работа алгоритма в условиях высокого фона, исследована зависимость работы алгоритма от различных параметров.

Четвертая глава посвящена моделированию процессов регистрации ядер ПКИ камерой RUNJOB IV 1996 г. Задачей моделирования являлось получение ожидаемых значений числа пятен, зарегистрированных на разных рядах SXF пленок в мишени; интенсивностей и угловых распределений треков по рядам и сравнение их с экспериментальными величинами.

Расчет проводился методом Монте-Карло. Разьирывалась кинетическая энергия частицы и угол падения на уровне камеры с учетом поглощения ядер в слое атмосферы (-10 г/см2 над установкой) и с учетом порога геомагнитного обрезания (3 ГВ). Далее разыгрывался пробег остановки и точка взаимодействия ядер в мишени, предполагалось, что более легкие, чем железо частицы, могут имитировать тяжелое ядро только в одном ряду перед остановкой. При взаимодействии ядер в камере учитывался эффект фрагментации, а также эффект множественного рассеяния в веществе.

Сравнивая ожидаемое количество пятен в верхних рядах SXF от ядер с зарядом выше заданного Z с реальной интенсивностью пятен, получаем пороговое значение Z=15, которое хорошо совпадает с оценкой чувствительности SXF по работе [8]. Поток от ядер железа, падающий на камеру, составляет —90 тыс. частиц. Согласно расчету, есть небольшая вероятность, что легкие ядра (Z-7) при остановке непосредственно в слое сцин-тилляционной пленки (х=0.24 г/см2) могут имитировать железо или близкую группу с Z=21+25 .

Эффект множественного рассеяния влияет на прослеживание треков в камере. Чем выше импульс частиц, тем меньше отклонение при рагсея-

нии; для ядра железа с энергией £=2 ГэВ/нуклон отклонение с1х в 10 ряду мишени составит ~0.5 мм для угла падения 0.5. В 5 главе будет показано, что прослеживаются только «прямые» треки, точки которых ложатся на прямую с ошибкой ^<100 мкм, а поиск предсказания в следующем ряду ведется в радиусе 150-300 мкм.

На основе сделанных расчетов получено соотношение трех величин: число провзаимодействовавших ядер в слое N вещества над 8ХР пленкой, остановившихся частиц в этом же слое и число частиц, дошедших до слоя Л'без взаимодействия. Эти соотношения зависят от угла падения частицы в и от номера ряда N. Экспериментальная кривая интенсивности треков но рядам хорошо согласуется с расчетными значениями, поправленными на эффективность прослеживания, см. рис. 3.

Однако, если тяжелые ядра с 2>2тр однозначно оставляют след в 8ХИ пленке и эмульсии, то остается вопрос, сможем ли мы находить и отбирать события, провзаимодействовашие в слое вещества над ядерной эмульсией. Отбор вершин будет производиться на глаз по изображению в эмульсии, поэтому был произведен дополнительный расчет пространственного распределения вторичных однозарядных частиц и фрагментов в ядерной эмульсии, образовавшихся в середине слоя стали над слоем ядерной эмульсии, для железа энергии 1-100 ГэВ/нуклон. Получено принципиальное ограничение метода для отбора вершин взаимодействия в эмульсии, возникающее из-за малой плотности вторичных фрагментов и однозарядных частиц при низких энергиях: мы сможем отбирать лишь взаимодействия с энергией более 5—10 ГэВ/нуклон, и эта граница расплывчата и зависит от ряда факторов.

В пятой главе описан алгоритм трекинга - восстановления траекторий частиц в камере и его программная реализация. Задача алгоритма -связать разрозненные пятна на разных рядах БХР в треки.

Пленка БХР это двухслойная рентгеновская пленка, окруженная с обеих сторон сцинтилляционными экранами, поэтому заряженное ядро,

проходя через такой детектор, засвечивает пленку с двух сторон и оставляет двойное пятно потемнения.

Процедура трекинга начинается с объединения пятен в пары, находящихся друг от друга не далее характерного расстояния которое должно быть меньше расстояния между случайными пятнами Ясдуч. Для данной плотности 200 пятен/см2 изотропное распределение пятен соответствует /?ыуч=710 мкм; к счастью, реальное распределение расстояний между пятнами имеет максимум при /?=250 мкм, что говорит о неравномерном расположении пятен - пятна действительно группируются в группы. Ясдуч накладывает ограничение на максимальный азимутальный угол прослеживаемых треков, мы не можем отбирать двойные пятна с Я-Яи,уч. Также есть ограничение на минимальный угол, двойные пятна от вертикальных частиц будут сливаться в одно при tgв<RnяmнJh пленит ГДе К-мтиа Ю0 МКМ средний размер пятна, Итепки=П0 мкм - эффективное расстояние между сцинтилляторами. Получаем принципиальное ограничение на диапазон углов 03S<tgЭ<0.9.

После объединение пятен в пары в первом ряду, зная эффективную толщину подложки Нттт и расстояние между пятнами Я, вычисляем первоначальное направление трека. Далее продлеваем трек от ряда к ряду, на каждом уровне выбирая наиболее подходящее двойное пятно. Поиск обрывается, когда невозможно найти кандидата в очередном ряду. Алгоритм трекинга реализован в сложной программе 8ХР1хасе, написание которой столкнулось с многими проблемами: большой объём данных, оптимизация по скорости, слипание и попадание грязи на пятна в отдельных слоях, отсев ложных треков, ошибочный выбор следующего кандидата, вопрос оптимальных параметров и др. Разработка алгоритма проходила многие стадии тестирования и доработок. Для минимизации потерь треков при прослеживании в алгоритм были внесены следующие усовершенствования: при продлении допускается пропуск в отдельных слоях, прослеживание

начинается с разных рядов, прослеживание ведется как вниз, так и вверх по камере. Эти дополнения позволили найти дополнительно 30% треков.

Отдельной задачей была верификация найденных треков: связанные треки были визуально проверены по фотографиям ЗХБ, проверены по ядерной эмульсии. 99% треков в проанализированной выборке были найдены в ядерной эмульсии.

юЧ

104

10

•В расчет ■ О эксперимент

~Г" 2

-1— 10

6 8 номер ряда

12

Рис. 3. Экспериментальные данные и расчетная кривая для интенсивности треков по рядам. Расчеты для О.35<соу0<О.85 с учетом фрагментации и множественного рассеяния.

Приведены результаты обработки БХБ пленок камеры ШЛАГОВ 1996. Количество треков найденных в 5 ряду камеры составляет около 30 тысяч. На рис. 3 показано число треков прослеженных до определенного ряда. Как показал анализ найденных треков, до 5 ряда существенную часть

11

от друга, а, следовательно, вероятность случайного выстраивания пятен на прямую очень велика.

Начиная с пятого ряда, интенсивность треков по ядрам хорошо согласуется с расчетной кривой, см. рис. 3. Расчет соответствует интенсивности треков в рабочем диапазоне углов прослеживания треков 0.35<со£#<0.85, с учетом фрагментации, множественного рассеяния, слипания близких пятен.

Так как, согласно расчетам доля остановившихся ядер в рядах мишени очень мала, оборвавшиеся треки служат для целеуказаний поиска вершин взаимодействия в эмульсии. Расчет целеуказания точки взаимодействия производится в слой эмульсии лежащий сразу над пленкой БХР, в которой трек оборвался. Для 5-10 рядов это порядка 2-5 тысяч целуказаний в ядерную эмульсию.

В шестой главе приведен результат поиска вершин взаимодействия в эмульсии на основании целеуказаний по БХБ пленкам. Поиск вершин происходит в полуавтоматическом режиме: следуя карте предсказаний, микроскоп выезжает в нужное место на ядерной пленке, а но изображению на мониторе компьютера ищем точку взаимодействия - струю заряженных

t

частиц. Время анализа одного целеуказания ~30 сек, это время в основном уходит на анализ изображения на мониторе, точность выезда в вершину ~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.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации, полученные в работе и выносимые на защиту.

1. С участием автора обработано 40% статистики эксперимента RUNJOB и построены спектры ГЖИ 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 Р~ 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>\1,E>\0 ГэВ/я.

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.

Основные результаты опубликованы в следующих работах: 1. RUNJOB collaboration. Primary cosmic ray spectra observed by RUNJOB for heavy and all particles. Proc. 26th ICRC, Salt Lake City, 1999, v.3, p. 167-170

2. RUNJOB Collaboration, Heavy primary spectra observed by RUNJOB, Ргос.27л ICRC, 2001, v.5, p. 1630-1633

3. RUNJOB Collaboration. Composition and energy spectra of cosmic-ray primaries in the energy range 10л13-10л15 eV/particle observed by Japanese-Russian joint balloon experiment, Astroparticle Physics 16 (2001) 13-46.

4. Апанасенко A.B., Галкин В.И., Дербина B.A., Замчалова Е.А., Зацепин Г.Т., Заярная И.С., Копенкин В.В., Котунова Н.М., Манагадзе А.К., Му-хамедщин Р.А., Назаров С.Н., Никольский С. И., Оседло В.И., Ошуев Д.С., Подорожный Д.М., Публиченко П.А., Ракобольская И.В., Роганова Т.М,, Сажина Г.П., Свешникова Л.Г., Сухадольская В.А., Таран В.М., Яшин И.В. и др. Исследование первичных космических лучей высоких энергий в российско-японском баллонном эксперименте RUNJOB. Изв. АН сер. физ. 2001, т.63 (3), с.433-436

5. RUNJOB Collaboration. The development of measurement system for heavy primaries identificationnwith the use of screen type films in RUNJOB ex-periment.Proc.27th ICRC, 2001, v.6, p.2131-2134

6. Публиченко П.А., Галкин В.И., Дербина B.A. и др. «Исследования тяжелых ядер ПКИ», Известия РАН, сер.физ., 2002, т.66, №11, с1627-1630

7. Galkin V.I., Kopenkin V.V., Managadze А.К., Nazarov S.N., Oshuev D.S., Publichenko P.A., Rakobolskaya I.V., Roganova T.M., Sazhina G.P., Sveshnikova L.G., Yashin I.V., Zamchalova Е.Л., Zatsepin G.T. (RUNJOB Collaboration) "Automatic searching for Fe-nucleus vertex points in balloon

emulsion experiment RUNJOB", Proc. 28lh ICRC, 2003, v. 4, p. 2259-2262, Tsukuba, Japan,

8. Galkin V.l., Kopenkin V.V., Managadze A.K., Nazarov S.N., Oshuev D.S., Publichenko P.A., Rakobolskaya I.V., Roganova T.M., Sazhina G.P., Sveshnikova L.G., Yashin I.V., Zamchalova E.A., Zatsepin G.T. (RUNJOB Collaboration) "Heavy primary spectrum obtained by "Jet Trigger" method.", Proc. 28th ICRC, 2003, v. 4, p. 1865-1868, Tsukuba, Japan,

9. П.А. Публиченко, B.A. Дербина, Л.Г. Свешникова, Н.Г. Полухина, К.А. Котельников «Методика автоматического сканирования рентгеновских пленок», препринт №8 ФИАН, 2003

ЛИТЕРАТУРА

[1] Т.П. Аминева, В.А. Астафьев, А.Я. Варковицкая и др. Исследование Мюонов сверхвысоких энергий, 1975

[2] A.V. Apanasenko et. al., Astrop. Phys. 16 (2001), 13-46

[3] Мурзин B.C., Сарычева Л.И., Космические лучи и их взаимодействие.

[4] Энергетические спектры и состав первичных космических лучей в области энергий выше 10 ТэВ на частицу. ЯФ т.57 №4,1994

[5] M.Ichimura et al, Phys. Rev. D, 1993, v.48, N5, p.1949

[6] Котельников К.А. и др. "Полностью Автоматизированный Измерительный Комплекс ПАВИКОМ", Наука Производству №12 (2000)

[7] The CHORUS collaboration, The CHORUS experiment to search for vM-^ oscillation, Nucl. Instr. and Meth. A 401 (1997) 7-44

[8] M.Ichimura et al. "Possibility of screen-type X-ray film for observation of heavy cosmic ray primaries" Nucl. Instr. And Meth. A 300 (1991) 374-394

Тираж 100 Зак 114 ООП МГУ

РНБ Русский фонд

2006-4 417

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Поиск вершин взаимодействий с помощью калориметрического триггера в эксперименте КиЩОВ.

§1.1 Эксперимент КШЮВ.

§1.2 Структура камеры.

§1.3. Обработка проэкспонированных пленок.

§1.4 Определение единой системы координат с использованием опорных треков.

§1.5. Автоматизация.

§ 1.6. Точность предсказания вершины

§1.7 Результаты обработки.

§1.8. Выводы.

Глава 2. Измерительная система.

§2.1. Комплекс ПАВИКОМ.

§2.2. Механическая система.

§2.3. Оптическая система.

§2.4. ССБ-камера.

§2.5. Матобеспечение.

§2.6. Выводы.

Глава 3. Автоматизированный метод анализа изображений в рентгеновских пленках экранного типа.

§3.1. Предмет анализа.

§3.2. Сканирование БХБ пленок.

§3.3. Измерение поля зрения.

§3.4. Система координат.

§3.5. Сшивка системы координат.

§3.6. Автоматическое сканирование.

§3.7. Видеооборудование.

§3.8. Проблема распознавания образов.

§3.9. Алгоритм выделения пятен.

§3.10. Плавающий порог.

§3.11. Тестирование алгоритма.

§3.12. Выводы.

Глава 4. Моделирование процессов регистрации тяжелых ядер

§4.1 .Описание алгоритма расчета.

§4.2. Интенсивность тяжелых ядер.

§4.3. Взаимодействие ядер в атмосфере.

§4.4. Взаимодействие ядер в установке.

§4.5. Геомагнитное обрезание.

§4.6. Остановки ядер в атмосфере и камере.

§4.7. Схема расчета.

§4.8. Результаты расчета.

§4.9. Моделирование событий от ядер железа для отбора вершин взаимодействий в полуавтоматическом режиме в ядерной эмульсии

§4.10. Выводы.

Глава 5. Алгоритм поиска треков и вершин взаимодействия тяжелых ядер и сравнение с результатами моделирования.

§5.1. Опорные треки.

§5.2. Плотность пятен.

§5.3. Отбор двойных пятен.

§5.4. Предсказание в следующий слой.

§5.5. Выбор кандидата двойного пятна.

§5.6. Программная реализация.

§5.7. Развитее программы трекинг.

§5.8. Тестирование программы трекинг.

§5.9. Прослеживание искусственных событий.

§5.10. Выбор оптимальных параметров.

§5.11. Визуальная проверка.

§5.12. Выводы.

Глава 6. Поиск вершин взаимодействия.

§6.1. Опорные треки в эмульсии.

§6.2. Целеуказания в эмульсию.

§6.3. Вершины взаимодействия.

§6.4. Заряд зарегистрированных ядер.

§6.5 Выводы.

Первичное космические излучение (ПКИ) представляет собой поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из Галактики, в котором наряду с ядрами (1<2<80) встречаются элементарные частицы (у-кванты, электроны, позитроны) [1,2]. Это излучение составляет существенную часть энергетического баланса Галактики и имеет среднюю плотность энергии ~ 10*12 эрг/см3, сравнимую с плотностью всех других видов энергии: гравитации, магнитных полей, кинетической энергии движения межзвёздного газа, энергии света звезд. Заряженные частицы, составляющие космическое излучение, охватывают колоссальный диапазон энергий вплоть до >Ю20 эВ, их энергии имеют степенное распределение с изменением спектрального индекса от ~-2.7 до ~-3.1 при энергии около 3-1015 эВ (область т.н. «излома» [3,4]).

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 [5].

Особый интерес представляют спектры тяжелых ядер с 7>24 и 2=17-г24. 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 2=174-25 возникают за счёт расщепления тяжелых ядер (фрагментации) при их взаимодействии с межзвёздным веществом.

10J

I I llllllj I lllllllj I lllllllj I lllllllj—I I Illllj

ООО JACEE ШОВ CRN m ■

AV SOKOL RUNJOB ■ n J N я <1> o

4*

Ч-»

J&i I J

1> N

J. о

Vk

10" 10J 10" 105 kinetic 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 KJI в области Е>10 ГэВ/н.

Эксперимент Энергия Е Описание

НЕАО-3, 1990 г. 0.6-г35 ГэВ/н Эксперимент на спутнике с одноименным названием, Измерен химический состав в интервале энергий 0.6-г35 ГэВ/нуклон для ядер с зарядом Z=4-r30. Использовались черенковские детекторы и искровые камеры, позволившие разделять даже ядра железа (Z=26) и кобальта (Z=27). Статистика около 7106 событий. Потоки ядер измерены с точностью нескольких процентов. [16]

Spacelab-2, 1991 г. - 0.07-rl ТэВ/н Space-Shuttle Challenger. Измерен химический состав в области более высоких энергий -70 ГэВ/нуклон -г 1

ТэВ/нуклон. Статистика на несколько порядков ниже, чем у НЕАО-3, зарядовое разрешение также хуже. Использовались детекторы переходного излучения, че-ренковские детекторы и сцинтилляционные счетчики для определения энергии и заряда частицы. [17]

SANRIKU, 1997 г. 0.005-rl ТэВ/н Баллонный эксперимент в атмосфере на глубине 11 г/см с эмульсионными камерами на борту. Энергетический диапазон 5 ГэВ/нуклон -г 1 ТэВ/нуклон, Z=8-j-26. 3177 событий ядер группы железа (529 от 4 до 1000 ГэВ/нуклон). Измерены поэлементные спектры тяжелых ядер. Детекторы - ядерные эмульсии и экранные пленки SXF. [18,19]

Sokol, 1993 г. 0.04-гЗ ТэВ/н Спутниковый эксперимент, энергетический диапазон для ядер железа 40 ГэВ/нуклон -г 3 ТэВ/нуклон. Z=l-i-26. Спектры измерены для групп ядер. Детекторы - черенковские счетчики для измерения заряда и ионизационный калориметр для измерения энергии. Полная статистика ядер железа около 150 событий. [20]

JACEE, 1996 г. 0.5-гЮ ТэВ/н The Japanese American Cooperative Emulsion Experiment. Последние результаты опубликованы в 1996 г. Баллонный эксперимент на глубине 5 г/см2 с эмульсионными камерами на борту. Энергетический диапазон зависит от ядра, для ядер с Z>17 в интервале 0.5-г10 ТэВ/нуклон статистика составила -30 штук. Детекторы - ядерные эмульсии и рентгеновские пленки. [21]

MUBEE, 1993 г. 1-И- ТэВ/н Moscow University Balloon Emulsion Experiment. Баллонный эксперимент на высоте 10 г/см2 с эмульсионными камерами на борту. Энергетический диапазон зависит от ядра, для ядер с Z>17 в интервале 1 ТэВ/нуклон -г 4 ТэВ/нуклон статистика составила ~7 штук. Детекторы - ядерные эмульсии и рентгеновские пленки. [22]

RUN JOB, 1995 г. 0.4т4 ТэВ/н Russian-Nippon Joint Balloon observation. Опубликованы в 2003 г. только результаты по 70% статистики. Баллонный эксперимент на глубине 10 г/см2 с эмульсионными камерами на борту. Энергетический диапазон зависит от ядра, для ядер с Z>17 в интервале 0.4-г 4 ТэВ/нуклон статистика составила ~6 штук. Детекторы - ядерные эмульсии, рентгеновские пленки, SXF пленки.[23,24,25]

ATIC, 2003 г. 0.03-fl00 ТэВ/н Advanced Thin Ionization Calorimeter. Выполнено 2 запуска баллона над Антарктикой, измеряемые энергии от 20 ГэВ до 100 ТэВ для ядер 1<Z<26. Стриповый детектор и активный BGO калориметр. [26]

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 БАКШКи и АТ1С 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, -БАГШКи, МиВЕЕ, ЬШШОВ, 1АСЕЕ.

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 50, чем у детекторов активного типа, (5 - площадь установки, О - 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 успешно проводить обработку материала экспериментов с эмульсионными мишенями больших объемов, таких как эксперимент CHORUS (масса эмульсионной мишени равна ~ 770 кг [40, 41, 42], поиск нейтринных осцилля-ций), 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 KJI, 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-г500 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 БХ1\ экранная пленка. Эти названия являются синонимами.

ЯШЮВ IV

Продолжительность полета, ч 147.5

Площадь камеры, м^ 0.4

Экспозиция, Ч'М2 59.0

В эксперименте 1ШШОВ 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 БХР [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 2>П. В детекторах вершинного триггера используют особые наборы из двухслойных рентгеновских пленок, окруженных с обеих сторон сцинтилляционными экранами (пленки экранного типа или БХИ). Структура пленки показана на рис. 2. Заряженное ядро с 2£>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].

ТЦ сдицгиллДтое

ЖсТоячие мёшду аягцАми симнткллзтй?

Подожка

Рис. 2. Структура пленки SXF, испускание сцинтилляциоиного света при прохождении наряженной частицы через пакет. Высокочувствительная рентгеновская пленка (марки Fuji RXO-H или Fniji T-IR-H, Japan) вложена между двумя сцинтилляцио иным и экранами, каждый из которых состоит из состава GtbtbS с примесью ~ 1% ТЬ.

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, размер одной пленки 400x500 мм2. Более подробно о камере RUNJOB см. главу I.

10 га за

4Е5 50 от

Рис. 2а. Расположение экранных пленок (ЗХР7) и ядерных пленок (Ет) в первичном и мишенном блоках установки.

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 5ХИ впервые были широко использованы в эксперименте 8А^1Ки [18, 19]. Длительность экспозиции в этом эксперименте составила 22.2 часа, площадь камеры 5=1.53 м2. Были найдены треки от различных групп элементов. Общее число зарегистрированных треков 105536, от группы железа (2>25) - 3177, из них обработано 529 (17%). В таблице 3 приведены в сравнении данные по экспозиции БХИ плёнок в эксперименте ЯШЮВ и БАШПШ.

Б^МКи ЯиШОВ 1996,1У-В, секция "В"

Время экспозиции 1, ч 22.2 147.5

Площадь Б, м^ 1.53 0.2

Фактор Бч, ч-м^ 33.966 29.5

Зарегистрированных треков 105 536 ~ 46 ООО в 5 ряду

Плотность пятен, см > И С) 200

Геомагнитный порог обрезания ~ 4 ГэВ/н ~ 0.7 Гэв/н

Как видно из таблицы 3 время полета камеры в 1ШМЮВ примерно в 7 раз дольше, чем в БАИЯЖи, соответственно и значительно вырос урол вень фона и плотность пятен, которая в ЯЦШОВ 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 ПАВИКОМ (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> 1 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 ЬШШОВ, нацеленного на измерение химсостава ПКИ и использующего 8ХБ 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 1ШШОВ, 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 л обрабатывать большие площади (0.5 м ) фоточувствительных материалов с

3 ПАВИКОМ - Полностью Автоматизированный Измерительный КОМплекс. высоким пространственным разрешением (выше 7 мкм/пиксель) на большой скорости (16 см2/мин). Автором написано программное обеспечение для комплекса, которое покрывает все возможности его использования.

Впервые применятся автоматизация обработки для вершинного триггера эксперимента ЯиШОВ. В отличие от стандартного метода регистрации частиц по электромагнитным ливням, развитым в глубине камеры, в этом методе частицы регистрируются в экранных пленках БХБ 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 ЯШЧЮВ и восстановлены вершины взаимодействия в эмульсии. Впервые для регистрации частиц применяется вершинный триггер.

Разработанные в диссертации алгоритмы успешно применяются для обработки данных в экспериментах ИиКЮВ, ЕМШ5 (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 ПКИ.

Во второй главе приведено описание измерительного комплекса ПАВИКОМ, 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 ПАВИКОМ. 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 связью) 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 ПАВИКОМ. Приведено решение задачи автоматического выделения пятен на пленках БХБ, 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 БХБ пленок камеры ЬШШОВ 1У-В 1996.

В четвертой главе получены результаты численного моделирования процессов регистрации тяжелых ядер камерой ЬШШОВ 1996. Задача моделирования - получить ожидаемые значения числа пятен, зарегистрированных на разных рядах БХР 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-г10 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 БХБ в треки. В главе подробно описан алгоритм, проблемы с которыми автор столкнулся в работе и их решение. Приведены результаты обработки БХБ пленок камеры ЬШМЮВ 1У-В 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 БХР 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 2>\1.

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.

§ 6.5. Выводы

Последний этап обработки вершинного триггера показал общую работоспособность метода; целеуказания в эмульсии, полученные с использованием метода, дают возможность находить вершины взаимодействия тяжелых ядер в энергетическом интервале £М0 ГэВ/нуклон и значительно расширить статистику по ядрам железа в эксперименте 1ШШОВ.

Заключение

1. С участием автора обработано 40% статистики эксперимента RUNJOB и построены спектры ПКИ в интервале энергий 30-г1000 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, EMU 15, ПЛАТАН, семейства «Страна», обработки ядерных эмульсий бета спектрометра ОИЯИ (Дубна) и др.

3. Создано программное обеспечение для автоматического сканирования и анализа микроизображений, которое позволяет обрабатывать большие площади (0.5 м ) 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 RUNJOB-IV 1996 г. и по ней получены эффективность и ограничения применимости метода в условиях высокого фона -200 пятен/см . Показано, что метод может быть применен для получения спектров ядер с зарядом Z>17, ¿£>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.

1. Гинзбург В. JL, Сыроватский С. И., Происхождение космических лучей, 1963

2. Мурзин В. С., Сарычева JI. И., Космические лучи и их взаимодействие, 1968

3. Kulikov G. V., Khristiansen G. В., Sov. Phys. JEPT 35, 1959, p.441

4. Peters В., Suppl. Nuovo Cimento 14, 1959, p.436

5. Гинзбург В. JI., Происхождение космических лучей, 1968

6. Wdowczyk J. and Wolfendale A.W., J. Phys. A., 6 (1973) p. 1594

7. Gaisser Т.К., in Astrophysical Aspects of the Most Energetic Cosmic Rays, ed. by M. Nagano and F. Takahara (Singapore: World Scientific), 1991, p. 146.

8. Protheroe R.J. and Szabo A.P., Phys. Rev. Lett., 69, 1992, p.2885.

9. Krimsky G.F., Dokl. Akad. Nauk SSSR, 234, 1977, p. 1306.

10. Axford W.I., Leer E. and Skadon G., Proc. 15th Int. Cosmic Ray Conf. (Provdiv, Bulgaria), 11, 1977, p. 132.

11. Blandford R.D. and Ostriker J.P., Astrophys. J., L 29 (1978) 221

12. Mueller D., Swordy S., Meyer P. et al., Energy spectra and composition of primary cosmic rays. The Astrop. Journal, 1991, v. 374, p. 356-365

13. Гинзбург B.JI., Сыроватский С.И. Происхождение космических лучей. М., 1963

14. Зацепин Г. Т., Лазарева Т. В., Сажина Г. П. И др., Энергетические спектры и состав первичных космических лучей в области энергий 10 ТэВ/частицу, ЯФ 1994 т. 57 №4 стр. 684-689

15. Энергетические спектры и состав первичных космических лучей в области энергий выше 10 ТэВ на частицу. ЯФ т.57 №4, 1994

16. Engelmann G. G. et al. Astron astrophys. 148, 12, 1985

17. Muller D. et al. Astrophys. J. 374, 1991, p. 356

18. M.Ichimura et al, Phys. Rev. D, 1993, v.48, N5, p.1949

19. Kamioka E. et. al., Azimuthally controlled observation of heavy cosmic-ray primaries by means of the balloon emulsion chamber, Astrop. Phys., 1996

20. Иваненко И.П., Шестоперов В.Я., Подорожный Д.M., Рапопорт И.Д., Самсонов Г.А., Собиняков В.Я., Яшин И.В., Изв. АН сер. физ., 1993, т.57, с.76

21. Asakimori et al. (JACEE collaboration), Proc. 24 ICRC, Rome, v.l, p.707; Cherry et al. (JACEE collaboration), Proc 24 ICRC, Roma, 1995, p.728

22. Зацепин В. И. и др. ЯФ (1994) т.57, № 4, с.684-689

23. Kamioka Е., Apanasenko А. V., Berezovskaya, V. A. Et al., First results obtained by RUNJOB campaign, Advances in Space Research, 2001, v. 26, Issue 11, p. 1839-1845.

24. Зацепин Г. Т., Ошуев Д. С. и др., Российско-японский баллонный эксперимент (RUNJOB) по изучению химического состава и спектра первичного космического излучения в области 1-500 ТэВ, Известия РАН, сер. Физ., 1997, т. 61 № 6, с. 1186-1190.

25. Apanasenko A.V. et al. (RUNJOB Collaboration), Composition and energy spectra of cosmic-ray primaries in the energy range 1013-1015 eV/particle observed by Japanese-Russian joint balloon experiment, Astrop. Phys. 16, 2001, p. 13-46.

26. Zatsepin V.I. et. al., Rigidity Spectra of Protons and Helium as Measured in the First Flight of the ATIC Experiment., Proc. 24 ICRC,

27. Becquerel H., C. R. Acad. Sc. 1896, v.122, p.501; 1086

28. Мыльцева B.A. и др., Характеристики ядерных фотоэмульсий различных модификаций на основе Р-2, ПТЭ, 2002, №6, с. 34-37

29. Kinoshita S. The Photographic action of the a-particles emitted from radioactive substances, Proc. Roy. Soc. A 1910, v.83, p.432-453

30. Blau M., Acad. Wiss. Wien, 1925, v. 134, p.427

31. Аминева Т.П., Астафьев B.A., Варковицкая А.Я. и др., Исследование Мюонов сверхвысоких энергий, 1975.

32. Беляев А.А., Иваненко И.П., Коневский Б.Л. и др. Электронно-фотонные каскады в KJI при сверхвысоких энергиях, 1980.

33. Buontempo S. et al., A new semi-automatic system for nuclear emulsion scanning, The first International Workshop on Nuclear Emulsion Techniques.

34. Aoki S. et al., Fully automated emulsion analysis system, Nucl. Instr. and Meth. B51, 1990, p.466-472

35. Aoki S., Historical review of automatic scanning, Proc. of he 2nd Intern. Workshop on Nuclear Emulsion techniques, 2002

36. Aoki S. et al., A Hybrid Experiment to Search for Beauty Particles, Nucl. Instr. and Meth. A 1989 v. 274, p. 64-79

37. Kodama K. et al., Hybrid emulsion spectrometer for the detection of had-ronically produced heavy flavor states, Nucl. Meth. and Instr. A 1990, v. 289, p. 146

38. Eskut E. et al., (CHORUS Collab.), Nucl. Instr. and Meth. A 1997, v. 401, p. 7

39. The CHORUS collaboration, The CHORUS experiment to search for v^-vT oscillation, Nucl. Instr. and Meth. A 401, 1997, p.7-44

40. Hayashi T. and Doke Т., Nucl. Instr. and Meth. 174, 1980, p.349

41. Ishimura M., Shibata Т., Nucl. Instr. and Meth. A 276, 1989, p. 317

42. Котельников К.А. и др., Полностью Автоматизированный Измерительный Комплекс ПАВИКОМ, Наука производству, №12, 2000, с. 2950. http ://www.lebedev.ru/structure/pavicom/index.htm

43. Фейнберг Е.Л., Котельников К.А., Полухина Н.Г., Полностью автоматизированный комплекс (ПАВИКОМ) для обработки материала трековых детекторов, Физика элементарных частиц и атомного ядра, 2004, т. 35, вып. 3

44. Chernavskaya O.D. et al., CERN Experiment EMU-15 on Ultrarelativistic very heavy ion central collision. Preprint No. 7 of Lebedev Physical Institute of RAS, M. 1994

45. Chernyavskaya O.D. et al., The central Pb-Pb interactions with energies 158 GeV/nucleon, Proc. of the 28th Intern. Conf. on High Energy Physics, Warsaw, 1996, v.l, p.941-942

46. Баранов Д.Г. и др. Исследование тяжелых ядер космических лучей твердотельными трековыми детекторами на орбитальных станциях, ЖТФ, 1999, т. 69, вып. 9, с. 94-98

47. Баранов Д.Г. и др. Энергетические спектры частиц железа солнечного и галактического происхождения внутри и вне магнитосферы Земли. Изв. АН, сер. физ. 2001, т. 65, №3, с. 327

48. Апанасенко А.В. и др. Стратосферное суперсемейство с 2Еу>2х1015 эВ, Краткие сообщ. по физике, 1977, т. 10, с.20

49. Goncharova L.A. et al., The Unique nuclear interaction of ultra high energy registered by the stratospheric emulsion chamber, Proc. of the 23th ICRC, Calgary, 1993, v.4, p. 21-24

50. Манагадзе А.К. и др. Компланарный разлет в ядерном взаимодействии при Е0>1016 эВ, зарегистрированном в стратосфере. Письма в ЭЧАЯ, 2002, №3 110., с. 19

51. Алешин Ю.Д. и др. Методика обработки бета-спектрограмм на универсальной установке МАС-1. ПТЭ, 2001, №3, с. 72-76бО.Ошуев Д.С. диссертация, физический факультет МГУ, 1998

52. Публиченко П.А., Автоматизированное нахождение вершины взаимодействия первичного ядра в эмульсионной камере, диплом физический факультет МГУ, 1998

53. RUNJOB collaboration, Primary cosmic ray spectra observed by RUNJOB for heavy and all particles, Proc. 26th ICRC, Salt Lake City, 1999, v.3, p. 167170

54. RUNJOB collaboration, Heavy primary spectra observed by RUNJOB, Proc.27th ICRC, 2001, v.5, p. 1630-1633

55. Апанасенко A.B., Галкин В.И., Дербина В.А. и др., Исследование первичных космических лучей высоких энергий в российско-японском баллонном эксперименте RUNJOB, Изв. АН сер. физ. 2001, т.63 (3), с.433-436

56. Публиченко П.А., Галкин В.И., Дербина В.А. и др., Исследования тяжелых ядер ПКИ, Известия РАН, сер. физ., 2002, т.66, №11, с. 1627-1630

57. Григоров H.JL, Нестеров В.Е., Рапопорт И.Д. и др., ЯФ, 1970, т.11, с. 1058

58. Верхаген К., Дейн Р., Грун Ф., Йостен Й„ Вербек П., Распознавание образов. Состояние и перспективы. Пер. с англ. под ред. Гуревича И.Б., 1985

59. Горелик А.Л., Гуревич И.Б., Скрипкин В.А., Современное состояние проблемы распознавания. Некоторые аспекты. (1985)

60. Павлидис Т., Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. Пер. в англ. под ред. Гуревича И.Б., Москва: Радио и связь, 1986

61. Гренадер У., Лекции по теории образов, 1983

62. Руда Р., Харт П., Распознавание образов и анализ сцен, 1976

63. Розенфельд А., Распознавание образов и обработка изображений с помощью вычислительных машин. Пер. с англ. под ред. Лебедева Д.С., 1972

64. Шлезингер М.И., Математические средства обработки изображений, Киев, 1989

65. Прэтт У., Цифровая обработка изображений, Пер. с англ. под ред. Лебедева Д. С., 1982

66. Petrou М., Bosdogianni Panagiota, Image processing. The fundamentals, 1999

67. Публиченко П.А., Дербина В.А., Свешникова Л.Г., Полухина Н.Г., Котельников К.А., Методика автоматического сканирования рентгеновских пленок, ФИАН, Препринт №8, Выпуск 3, 2003

68. Kamioka Е., Hareyama. М., Ichimura М. et.al., Azimuthally controlled observation of heavy cosmic-ray primaries by means of the balloon-borne emulsion chamber, Astrop. Phys., 1987, v. 6, p. 155-167

69. Мурзин B.C., Сарычева Л.И., Взаимодействие адронов высокой энергии. Москва, 1983

70. Мурзин B.C., Физика космических лучей, Москва, 1970

71. Particle Data Group, Particle Physics booklet, American Institute of physics, CERN, 1994

72. M. Okamoto and T. Shibata, Nucl. Instr. and Method, A 257, 1987, p. 155

73. Mukhamedshin R.A., The SPHINX code for simulation of process in X-ray emulsion chambers, Proc. of 27th ICRC, Hamburg, 2001, v. 1, p.42-45

74. Mukhamedshin R.A., Comparison between the parameters of some models of nuclear-electomagnetic cascade simulation. Bulletin Soc. Sci. Lett. Ser. Rech. Def. Lodz. 1994, v. 16

75. RUNJOB Collaboration, The development of measurement system for heavy primaries identification with the use of screen type films in RUNJOB experiment, Proc.27th ICRC, 2001, v.6, p.2131-2134

76. Galkin V.I., Kopenkin V.V., Managadze A.K. et al. (RUNJOB Collaboration), Automatic searching for Fe-nucleus vertex points in balloon emulsion experiment RUNJOB, Proc. 28th ICRC, 2003, v.4, p. 2259-2262, Tsukuba, Japan

77. Galkin V.I., Kopenkin V.V., Managadze A.K. et al. (RUNJOB Collaboration), Heavy primary spectrum obtained by "Jet Trigger" method, Proc. 28th ICRC, 2003, v. 4, p. 1865-1868, Tsukuba, Japan

78. David R. Musser, Gillmer J. Derge, and Atul Saini, STL Tutorial and Reference Guide, Second Edition: С++ Programming with the Standard Template Library

79. Aoki S. et al., Nucl. Instr. and Meth. В 51 (1990) 466

80. Roper M., Ganssauge E. and Graf C., Nucl. Instr. and Meth. A 348 (1994) 700

81. Deines-Jones P. et al., Automated track reconstruction and event reconstruction in nuclear emulsion, Nucl. Instr. and Meth.

82. Perkins D.H. and Fowler P.H., Proc. R. Soc., London, A 218(1964) 401.

83. Neuhofer G. et al., Phys. Lett., 38B, 1972, p.51

84. Konishi E., Shibata Т., Shibuya E.H. and Tateyama N., Prog. Theor. Phys., 56(1976) 1845.1. Благодарности