Программный комплекс для анализа данных трековых детекторов методами распознавания образов и его применение в физике высоких энергий, элементарных частиц и космических лучей Специальность 01. 04. 01 приборы и методы экспериментальной физики

Вид материала

В третьей главе
Изображения в эмульсиях экспериментов EMU-15 и OPERA
Изображения в пластиковых детекторах эксперимента "Энергия плюс трансмутация"
Обработка изображений релятивистских ядер в толстослойных эмульсиях.
Обработка изображений взаимодействия ядер He
Обработка изображений следов частиц в оливинах из метеоритов.
В четвёртой главе
Во второй части главы
В третьей части главы
В пятой главе
Во второй части главы

Подобный материал:

1 2 3 4

В третьей главе описаны блоки предварительной обработки изображений и выделения отдельных кластеров как самостоятельных объектов.

Исходные изображения содержат множество посторонних объектов, которые затрудняют анализ, а также неравномерно распределённый на изображении фон. Поэтому они подвергаются предварительной обработке, цель которой – по возможности максимально разделить следы частиц и "шум". Предварительная обработка заключается в таком преобразовании исходного изображения, которое бы усилило следы частиц и ослабило элементы шума. Поскольку изображения трековых детекторов, обрабатываемых на установке ПАВИКОМ, сильно различаются, предварительная обработка рассматривается по группам.

Изображения в эмульсиях экспериментов EMU-15 и OPERA содержат следы, состоящие из отдельных блобов, которые образованы релятивистскими элементарными частицами. Отличительной особенностью эксперимента OPERA является наличие большого числа посторонних кластеров: объёмная вуаль, комптоновские электроны и другие фоновые частицы. Их свойства близки к свойствам кластеров от анализируемых частиц (продукты реакции нейтрино с мишенью) и по этой причине они не могут быть отделены на этапе предварительной обработки. Такое отделение производится на этапе трекинга при анализе пространственной конфигурации треков. Анализ различных вариантов обработки показал, что для получения удовлетворительного результата предварительной обработки изображений описанного выше качества достаточно применить фильтр Лапласа размером 9х9 (EMU-15) и 7х7 (OPERA) с последующей операцией увеличения контрастности.

Изображения в пластиковых детекторах эксперимента "Энергия плюс трансмутация", в котором с помощью пластикового детектора определяются потоки нейтронов, проявляют разнообразие размеров и форм кластеров, соответствующих трекам осколков ядер, возникающих после взаимодействия нейтронов с ядрами радиаторов. Это связано с разнообразием продуктов реакций, а также с произвольностью направлений движения частиц. Помимо кластеров от частиц на изображении присутствуют пятна посторонних включений. Размеры многих из них отличаются от кластеров частиц и могут быть отброшены на этапе предварительной обработки. Как показал опыт работы с данными изображениями, для удовлетворительного результата предварительной обработки и выделения кластеров достаточно провести обработку модифицированным фильтром Лапласа размером 11х11 и провести усиление контрастности. Модифицированный фильтр Лапласа строится на основе обычного, но в него вводится дополнительная асимметрия относительно диагонали.

Более сложная ситуация возникает в этом эксперименте при больших потоках нейтронов, когда многие треки частиц пересекают друг друга. В этом случае требуются более сложные методы. В данной работе для обработки таких изображений используются методы нечётких множеств, краткое описание которых приводится в главе IV при описании процедуры анализа треков. Основу обработки составляют матрицы вероятностей, приготовляемые заранее.

Обработка изображений релятивистских ядер в толстослойных эмульсиях. В целом ряде экспериментов (например, БЕККЕРЕЛЬ) требуется определить заряд частицы по характеристикам её трека. Кластеры следов частиц с зарядом q>1 и энергией более 1 ГэВ/нуклон при облучении эмульсии вдоль её поверхности представляют собой протяжённые образования, составленные из нескольких частей, разделённых промежутками. Для выделения кластеров в данном случае используется комбинация градиентных фильтров определённого направления в сочетании с последующим усилением контраста. От величины заряда зависят следующие характеристики трека: полная площадь кластеров, количество и полная длина промежутков между частями трека, количество дельта-электронов, выбитых из атомных оболочек ядер. Каждая из этих характеристик даёт свою оценку заряда частицы, однако их комбинация намного повышает точность его определения. Поэтому в пространство признаков в данном случае включены все перечисленные выше характеристики.

Обработка изображений взаимодействия ядер He⁶ c фотоэмульсией. Кластеры, образующиеся в эмульсии в данной реакции, отличаются большим разнообразием. Ядра He⁶ с полной энергией 60 МэВ испытывают большие потери при прохождении через эмульсию. В силу этого зёрна серебра появляются при проявке так часто, что сливаются между собой и трек представляет собой сплошную темную линию в пространстве. Изображения фотоэмульсии данного эксперимента обладают рядом особенностей, которые затрудняют их обработку. В частности:

1. Треки частиц, перпендикулярные к поверхности плёнки или близкие к перпендикулярным (ядра исходного пучка), дают на изображениях тёмные, короткие отрезки, геометрическое положение которых при переходе от слоя к слою по глубине плавно изменяется на каждом поле зрения. Ядра после рассеяния могут двигаться под большим углом по отношению к нормали к поверхности плёнки. В этом случае в область пространства, захватываемую объективом, из-за наличия глубины резкости попадает больший участок трека, который на изображении в микроскопе выглядит как протяжённый, но более бледный кластер. Одновременная обработка таких изображений при одних и тех же условиях невозможна. Чтобы обойти эту трудность, разработан алгоритм автоматической настройки параметров обработки в зависимости от качества изображений.

2. Другая трудность связана с наличием участков очень тёмного фона, на которых кластеры почти неразличимы. Для выделения следов в этом случае использовалась нелинейная процедура изменения контраста. Параметры преобразования были подобраны таким образом, чтобы наиболее тёмные области были более чувствительны к перепадам потемнений, чем другие области.

3. Частицы, движущиеся под большим углом к нормали к поверхности плёнки (ядра рассеяния), перемещаются на большие расстояния от слоя к слою. Поэтому при поиске продолжения трека необходимо знать направление движения, которое задается направлением оси кластера.

Перечисленные выше особенности треков приводят к необходимости задания более детального набора признаков, по сравнению с другими задачами. В него включены: координаты центра масс кластеров, их площадь, длина, ширина, направление оси кластера, средняя степень почернения, координаты пикселов границы.

Оптимальная процедура предварительной обработки включает асимметричный фильтр Лапласа и нелинейную процедуру повышения контраста.

Обработка изображений следов частиц в оливинах из метеоритов. Изображения в данном эксперименте обладают рядом особенностей, затрудняющих идентификацию треков частиц. В частности, кристаллы оливина, подлежащие исследованию, заключены в эпоксидную таблетку. При просмотре на микроскопе в поле зрения попадают некоторые участки таблетки, имеющие крайне неравномерное распределение степени почернения. Это приводит к появлению большого числа посторонних пятен, имитирующих следы частиц. Кроме того, сами кристаллы оливина содержат посторонние включения больших размеров, изображения которых после предварительной обработки распадаются на множество пятен. Эти помехи также значительно затрудняют идентификацию треков. Для преодоления этих трудностей и повышения эффективности анализа следов частиц, разработан алгоритм выделения определённых областей изображения, подлежащих обработке. В связи с чрезвычайной неоднородностью изображений в кристаллах дополнительно разработан графический интерфейс для пользовательских программ, позволяющий в полуавтоматическом режиме задавать область поиска.

Другая трудность обработки связана с тем, что после травления оливина в местах прохождения частиц образуются полые каналы с неровными стенками. При просмотре на микроскопе свет от источника подсветки преломляется и отражается на стенках канала. Вследствие этого некоторые участки трека выглядят как очень светлые пятна, намного светлее даже, чем фон. Это приводит к тому, что трек распадается на отдельные перемежающиеся тёмные и светлые пятна. При использовании обычного алгоритма для поиска следов трек приходилось «собирать» из нескольких разрозненных тёмных кусков, и не всегда удавалось полностью восстановить трек. Дополнительно разработанный алгоритм учёта светлых участков трека позволил полностью решить проблему распознавания в оливинах треков любой формы и разных по потемнению. По сравнению с обычным алгоритмом был введён второй порог отсечения, выделяющий наиболее светлые пятна, большинство которых принадлежит трекам. После их выделения они используются программой, чтобы дополнить недостающие участки треков, собранные из их темных частей.

В конце данной главы описан алгоритм выделения кластеров как самостоятельных объектов, т.е. определения координат всех пикселов, принадлежащих кластеру, а также приёмы определения геометрических характеристик кластеров (площадь, длина, направление оси и т.д.) и исследования их морфологических свойств.

В четвёртой главе описаны процедуры поиска треков частиц и определения их характеристик в экспериментах с ядерными фотоэмульсиями.

В первой части главы представлены результаты исследования структуры нейтроноизбыточных ядер в экспериментах с ядрами ⁶He. Характерной чертой таких ядер является наличие у них нейтронного гало. Этот эффект обусловлен наличием слабо связанных состояний нейтронов, расположенных вблизи континуума энергии связи. При этом плотность распределения периферийных нейтронов существенно меньше плотности распределения нейтронов внутри кора. Нейтронное облако, окружающее кор, простирается на гораздо большие расстояния, чем радиус ядра, определяемый соотношением R = 1.3A^1/3.

Особый интерес вызывают ядра с двухнейтронным гало (⁶He, ¹¹Li, ¹⁴Be). Задача более детального экспериментального изучения такой двухнейтронной структуры и, в частности, корреляций валентных нейтронов, полностью не решена до настоящего времени. Особенно интересен вопрос о том, как эти два нейтрона существуют в гало-ядре – как "динейтрон" или как "сигарообразная" конфигурация. Для исследования конфигурации двухнейтронного гало был предложен экспериментальный метод изучения нейтрон-нейтронных корреляций путем измерения сечений реакции передачи двух нейтронов [2].

Для исследования реакции передачи двух нейтронов ⁶Не + А —> ⁴Не + В проведено облучение стопок фотоэмульсий в Лаборатории ядерных реакций им. Г.В. Флерова (ОИЯИ, Дубна). Пучок ⁶Не с энергией 60 МэВ падал перпендикулярно к плоскости стопки из шести фотоэмульсий. Полная толщина стопки (~1600 мкм) превышала пробег частиц пучка ⁶Не с такой энергией и была достаточна для остановки вторичных частиц (⁴Не и ядер отдачи), рождаемых в каждом слое фотоэмульсии. Использование стопки фотоэмульсий позволяет одновременно получить данные о реакции передачи в широкой области энергии ядер-снарядов (гало-ядер): 20-60 МэВ,

Целью исследования был анализ кинематики взаимодействия ядер в случае реакции передачи двух нейтронов, который возможен в случае восстановления треков взаимодействующих частиц. Для выполнения этой задачи на основе ПК была приготовлена пользовательская программа, включающая предварительную обработку и дополненная специальным блоком восстановления треков.

Алгоритм восстановления треков основан на циклической процедуре поиска продолжения трека с помощью области поиска. Эта процедура различается для треков близких к нормали к поверхности плёнки и движущихся под большим углом к нормали. Для первых область поиска – квадрат со сторонами параллельными осям X и Y. Для вторых – вытянутый прямоугольник с длинной стороной, параллельной оси кластера. Для задания области поиска последние 5 точек трека аппроксимируются отрезком прямой. Середина области поиска определяется как точка пересечения отрезка и последующего уровня. Для продолжения трека на последующем уровне на нём ищутся кластеры, попадающие в область поиска, и запоминаются. После просмотра на одном уровне по Z областей поиска всех найденных к данному моменту треков, устраивается конкуренция между ними за кластер, если он попал в область поиска нескольких треков. Кластер отдаётся тому треку, к продолжению которого на данный уровень он ближе.

Из-за недопроявки середины плёнки часть кластеров может пропасть на этапе предварительной обработки. Поэтому по окончании сбора кластеров в треки производится сбор частей распавшихся треков.

Другая проблема связана с "распадом" длинных кластеров из-за неравномерности его степени потемнения и эффектов дифракции. В этом случае возникают посторонние "двойники" треков. Разработан алгоритм устранения "двойников".

Для поиска и восстановления вершины взаимодействия разработан алгоритм, основанный на просмотре окрестности трека и обнаружении вблизи него конца другого трека. Если вершина найдена, небольшие части треков вблизи вершины аппроксимируются отрезками прямой. После этого рассчитываются углы между этими отрезками, которые считаются углами реакции.

Энергия частиц разлёта оценивается по величине остаточного пробега.

В результате анализа кинематики были сделаны выводы о важной роли двухнейтронных конфигураций в изучаемом процессе.

Во второй части главы приведены результаты по разработке методики определения заряда релятивистских ядер в толстослойных эмульсиях. Определение зарядов фрагментов ядра-снаряда необходимо, например, при изучении внутренней структуры ядер, определении параметра удара взаимодействия, оценки числа нуклонов, участвовавших во взаимодействии и др. Эти вопросы возникают при решении глобальных проблем ядерной физики, таких как, например, исследование синтеза ядер во Вселенной, изучении строения ядер и механизма ядерных взаимодействий.

С целью создания методики определения заряда на установке ПАВИКОМ были просканированы пленки ядерной фотоэмульсии, облучённые на синхрофазотроне ЛВЭ ОИЯИ ядрами ²⁸Si с импульсом 4.5 ГэВ/нуклон. По мере прохождения через плёнку ядра ²⁸Si фрагментировали. Заряды фрагментов налетающего ядра ²⁸Si (с Z_фр=3,5,6,7,9,11,12,14,16) были предварительно определены без применения вычислительной техники вручную методами счета разрывов и/или числа дельта-электронов на их треке. Это было сделано для последующей оценки эффективности автоматизированной процедуры определения заряда.

После процедуры предварительной обработки производился поиск треков частиц, которые обладают следующими особенностями:

- они либо сплошные, либо состоят из нескольких достаточно длинных кусков;

- треки направлены под малым углом к поверхности плёнки и ее длинной стороне (ось X);

- треки направлены почти перпендикулярно к короткой стороне плёнки (ось Y).

Алгоритм поиска строился с учётом этих особенностей. После выделения кластеров строилось распределение их пикселов по координате y. Положение пика на этой гистограмме указывает область координат y, где расположен трек ядра.

Для построения оси трека изображение пленки разбивалось на 20 частей. На каждой части строилась гистограмма распределений по координате y. Максимум этих гистограмм, как правило, также соответствует положению середины трека. Полученные 20 точек положения середины трека аппроксимируются прямой. Алгоритм аппроксимации предусматривает возможность исключения выбросов в наборе из 20 точек. Такой выброс возможен, если в какой-то области пленки имеется тёмное протяжённое пятно, имеющее максимум на гистограмме больший, чем трек.

После определения оси производился отбор кластеров, имеющих общие точки с осью. Они считались принадлежащими треку. После этого определялись его характеристики, в качестве которых приняты следующие величины:

- сумма числа всех пикселов трека;

- число (N_e) дельта-электронов. Для вычисления этой характеристики сверху и снизу от оси проводятся две параллельные ей прямые на определенном расстоянии (для обрабатываемой пластинки это было 1.4 мкм). Числом электронов считается величина, равная половине от числа пересечений прямыми границ кластеров трека;

- сумма (Р_е) периметров кривых, огибающих треки дельта-электронов -параметр, позволяющий учитывать длину пробега дельта-электронов;

- количество (N_g) промежутков между кластерами трека;

- суммарная длина (L_g) промежутков между кластерами трека.

Используя заряды ядер, полученные при ручной обработке, были построены калибровочные кривые зависимости перечисленных величин от заряда. Для проверки эффективности автоматизированного определения заряда были обработаны плёнки с неизвестным зарядом, которые затем были обработаны вручную. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Заряд, определенный микроскопистом		Заряд, определенный автоматически
первичный	Фрагмент	первичный	фрагмент
12	10	12.2±0.4	10.2±0.3
	5		4.9±0.3
12		12.2+0.4	10.2+0.3
12	6	12.2±0.4	6.6+0.5
10	6	9.3+0.6	5.9±0.4
14	13	14+0.5	13.3+0.5

Кроме того, проведен анализ влияния положения трека по глубине на характеристики треков. Такое влияние возможно из-за эффекта неравномерности проявки толстой плёнки. Было показано, что такое влияние существенно только в тонком слое плёнки (50 мкм), прилегающем к стеклянной подложке.

В третьей части главы приведены результаты изучения уровней возбуждения ядер путём анализа спектра электронов внутренней конверсии. С помощью бета-спектрографов ЛЯР ОИЯИ были получены бета-спектрограммы изотопа Er, приготовленные в виде тонких источников. Для этого изотоп электролизом высаживался на платиновую проволоку размером 10-100 мкм, которая устанавливалась в бета-спектрографе в качестве источника для облучения ядерной фотоэмульсии типа Р-50 размером 400х15 мм. Среди продуктов распада Er присутствуют изотопы различных ядер. Предметом исследования были линии электронов внутренней конверсии изотопа ¹⁶¹Ho.

Пластины были отсканированы на установке ПАВИКОМ и проанализированы с помощью ПК. Расстояние до спектральной линии вдоль длинной стороны эмульсии (ось X) определяет энергию электрона. Среди величин, подлежащих определению, были относительные интенсивности линий, связанные со степенью потемнения плёнки. Поэтому пластины не подвергались предварительной обработке, искажающей величины градации серого. Для повышения эффективности анализа был разработан специальный алгоритм устранения помех (пятна, царапины) и неоднородностей фона, суть которого в следующем.

Размер изображения, использованной для обработки этого эксперимента CCD-камеры, вдоль оси Y составляет 1024 пиксела. Для устранения помех в виде темных и светлых пятен 1024 величин степени почернения пикселов, имеющих фиксированное значение координаты X, а значит и энергии, разбивались на 32 группы по 32 пиксела в каждой. В каждой группе вычислялись средние величины степени потемнения. Затем эти средние ранжировались по величине и отбрасывались первые и последние 10 членов этой последовательности. Среднее оставшихся 12 принималось за величину почернения в данной точке по X.

Линейные координаты X пересчитывались в энергию с учётом геометрии установки и магнитного поля равного 220 Гаусс. Форма интенсивных линий аппроксимировалась функциями Ландау, а слабых функциями Гаусса. Областью поиска новых линий служила энергия в диапазоне 130 – 140 КэВ. Для дополнительной калибровки нашей шкалы была выбрана интенсивная К-линия ¹⁶¹Ho с хорошо известной энергией 139,83 кэВ. В результате анализа был найден триплет L_1,2,3-линий ¹⁶¹Ho, причём линии L₂ (139,09 КэВ) и L₃ (140,01 КэВ) ранее отсутствовали в атласе линий атомных ядер.

В пятой главе представлены результаты исследований на основе методики твёрдотельных трековых детекторов.

В первой части главы описана методика определения потока нейтронов в эксперименте "Энергия плюс трансмутация". Описана установка данного эксперимента, включающего свинцовую мишень, окружённую урановым бланкетом. Пучок протонов с энергией 1,5 ГэВ инициирует в свинцовой мишени поток нейтронов, который проникает в объём урана и возбуждает в нём реакции распада, в том числе с испусканием дополнительных нейтронов. Для измерения их потока на разных расстояниях от свинцовой мишени устанавливались пластиковые детекторы с радиаторами. После травления пластика в нём можно наблюдать следы частиц на оптическом микроскопе. Задача исследования заключалась в создании системы для автоматизированного измерения потока нейтронов, которое сводилось просто к подсчёту числа следов частиц. В случае, когда потоки нейтронов невелики, затруднений не возникает и число следов появляется автоматически после предварительной обработки, как число кластеров, удовлетворяющих необходимым признакам. Однако при больших загрузках, когда много треков пересекает друг друга, требуются более сложные методы.

В данном ПК для решения поставленной задачи использован метод нечётких множеств, суть которого заключается в использовании вероятностного описания принадлежности элемента к множеству. Приведено краткое описание метода нечётких множеств.

Работа программы в случае больших загрузок построена так, что прежде, чем созданный программный пакет может быть использован, программа должна быть обучена в диалоговом режиме с оператором. Результатом обучения является матрица вероятности, элементы которой показывают, какова вероятность того, что кластер с определёнными характеристиками (площадь, длина и т.д.) содержит N (N=2, 3,… 5,…8,…) треков. После обучения программа способна при предъявлении изображения протравленного детектора выдать оценку потока нейтронов. При неизменных условиях проведения измерений (материалы детектора и радиатора, химический раствор и режим травления и т.д.) процесс обучения необходимо проводить только один раз.

Работа программы апробирована на плёнках пластика, полученных в эксперименте "Энергия плюс трансмутация" и показала высокую эффективность определения потока нейтронов.

Во второй части главы описана процедура обработки изображений оливинов из метеоритов. В начале приведено описание проблемы поиска тяжёлых и сверхтяжёлых ядер в космических лучах и её связь с астрофизическими проблемами возникновения и развития Вселенной. Показано, что использование кристаллов оливинов из метеоритов для изучения спектров галактических космических лучей дает целый ряд преимуществ по сравнению с другими методиками (например, спутниковые и аэростатные эксперименты).

Далее описан механизм возникновения травимого участка трека в оливине, приводятся результаты расчетов ионизационных потерь разных ядер в оливинах и ограничения на минимальный заряд, доступный определению в рассматриваемом подходе. Обсуждается методика поэтапного среза и травления слоёв кристаллов оливина для определения характеристик треков. Наибольший интерес представляют треки самых тяжёлых ядер, имеющие большую длину, превышающую не только размеры поля зрения микроскопа, но и размеры самих кристаллов. В данной главе также приводится алгоритм продолжения треков на соседние поля зрения.

Другая проблема связана с поиском продолжения треков на последующих срезах кристалла (сшивка слоёв). Решение этой проблемы осуществлено с помощью алгоритма типа триангуляции, основанного на совмещении направлений треков на соседних слоях.

Описана методика определения заряда частицы по измерениям протравленной длины трека и скорости травления, связанная с использованием данных калибровочных измерений. На основе описанной методики проведен анализ более 6000 треков тяжёлых ядер в метеоритах Марьялахти и Иглстейшен, из которых более 2500 идентифицировано, как сверхтяжёлые (заряд Q>50), и получен их зарядовый состав. В конце главы приведены результаты аналогичных исследований и проведено сравнение результатов, полученных в данной работе, с экспериментом.

Blog