Geum.ru

Е. А. Цветков Московский физико-технический институт (государственный университет)

Вид материалаОбзор

Содержание


Программы для моделирования переноса излучения
Программы для моделирования схем совпадений
Список литературы
Подобный материал:
УДК 519.245; 53.082.7

Обзор современных методов моделирования схем совпадений


Е.А. Цветков

Московский физико-технический институт (государственный университет)


В статье проведен обзор некоторых работ, посвященных проблеме моделирования схем совпадений, используемых при регистрации ядерного излучения. Анализ этих работ показал, что в настоящее время среди них не существует универсального кода, позволяющего моделировать схемы совпадений. При разработке собственных программ необходимо учитывать индивидуальные особенности задачи. Учет этих особенностей позволит сильно упростить разрабатываемую программу.


 

Введение

В последнее время в России и за рубежом большое внимание уделяется созданию быстродействующих малогабаритных систем обнаружения взрывчатых веществ. Эти вещества могут находиться, например, в грузовых контейнерах, в личном багаже пассажиров или в оставленных без присмотра вещах. Существенными недостатками методов, использующихся в настоящее время и основанных на применении рентгеновских лучей или гамма-лучей высоких энергий, являются их неспособность выявления элементного состава вещества и неприменимость при досмотре содержимого контейнера с толстыми металлическими стенками.

Для решения поставленной задачи развиты или находятся в процессе становления методы, составляющие группу активных нейтронно-физических методов. Они не требуют физического контакта с веществом и нарушения целостности упаковки. Принцип работы этих методов заключается в облучении инспектируемого объекта потоком нейтронов и регистрации вторичного излучения, по характеристическому спектру которого определяется элементный состав скрытого вложения.

В связи с требованием повышения чувствительности и избирательности приборов в последнее время все больший интерес представляет разработка приборов, производящих отбор регистрируемых событий по тем или иным схемам совпадений или антисовпадений. Эти схемы имеют такую геометрическую конфигурацию, чтобы частицы, составляющие полезный сигнал, проходили сразу через несколько детекторов (в схемах совпадений). Схема совпадений срабатывает при регистрации сигнала одновременно от нескольких детекторов. Разработка приборов нового поколения, использующих методы совпадений, для активного и пассивного анализа объектов на предмет обнаружения скрытых опасных веществ, нуждается в численных методах моделирования процессов регистрации излучений для оптимизации приборов.

На протяжении последних десятилетий разработано большое количество программ для расчета переноса излучения. Однако для адаптации этих программ к расчету схем совпадений требуется приложить немалые усилия, так как используемые в них методы предназначены для определения отклика единичного детектора.

Похожие задачи решались в смежных областях науки, в которых применяются схемы совпадений для регистрации излучения. Одной из таких областей является астрономия. Так, в гамма-астрономии схемы антисовпадений применяются для разделения полезного сигнала и фона. В телескопе COMTEL также по схеме совпадений определялось направление на источник сигнала. Несомненно, что опыт проектирования астрономических приборов необходимо учесть при проектировании приборов для анализа подозрительных предметов.

Целью настоящей работы является обзор зарубежных источников, посвященных проблеме моделирования работы схем совпадений.


Программы для моделирования переноса излучения

В настоящее время основным методом, применяемым для расчета переноса излучения, является метод Монте-Карло. Основным его преимуществом является возможность работы с задачами, содержащими большое число тел и поверхностей, что очень важно при моделировании работы сложных приборов. Этот метод реализован во многих проектах, из которых мы здесь отметим программу MCNP [1] и библиотеку подпрограмм GEANT. Также можно упомянуть, например, программы FLUKA, TRAMO и MCBEND. Выбор кодов MCNP и GEANT продиктован их доступностью и популярностью в научном сообществе.

Большинство программ поддерживает не только аналоговое моделирование, при котором моделируется движение физических частиц, но и весовое. Весовые методы позволяют уменьшить количество разыгрываемых траекторий частиц для достижения нужной точности (уменьшить дисперсию), то есть сократить время, требуемое на моделирование. В этих методах разыгрывание траектории движения частицы ведется с отличными от физических вероятностями рассеяния и поглощения, а для компенсации внесенной таким образом ошибки вычислений частице приписывается вес. Весовые методы не всегда применимы. Например, существуют принципиально аналоговые имитационные модели физических детекторов, которые не совместимы с большинством весовых методов (pulse height tally в программе MCNP). Как будет показано ниже, весовые методы в большинстве своем также не применимы при имитационном моделировании схем совпадений.

Неоспоримыми преимуществами кода MCNP является использование регулярно обновляемой библиотеки сечений взаимодействия излучения с веществом ENDF (является национальной библиотекой США), большое количество весовых методов и широкий класс решаемых задач. Код MCNP может быть скомпилирован под платформы x86 (Windows, Linux), SPARC, AIX, DEC Alpha и IRIX. Все вышеперечисленное определяет его популярность в научной среде.

GEANT является библиотекой, написанной на языке C++ группой разработчиков ЦЕРН. В этой библиотеке содержатся функции, достаточные для описания геометрической конфигурации решаемой задачи и разыгрывания траекторий. Также к обязанностям пользователя библиотеки относится контроль процесса разыгрывания траекторий частиц с целью получения нужной информации о прохождении частиц через интересующие области. В настоящее время множество разработчиков на основе библиотеки GEANT создают свои программы, предназначенные для решения конкретных задач.

Анализ открытых публикаций позволяет утверждать, что для решения специфических задач в различных научных коллективах существуют также свои собственные программы. Использование этих специализированных программ чаще всего бывает предпочтительнее, чем использование программ общего назначения. Однако информация об алгоритмах функционирования этих программ недоступна.


Программы для моделирования схем совпадений

В схемах совпадений результат обработки очередного сигнала детектора электронной схемой зависит от истории поступления предыдущих сигналов от всех детекторов сборки. В рамках метода Монте-Карло учет совместного влияния нескольких частиц на детекторную сборку затруднителен, в то время как сравнительно легко выполнить определение хронологической последовательности событий в пределах истории одной частицы. При моделировании некоторых схем совпадений этого вполне достаточно. Например, в программе CEARCPG, наиболее полная информация о которой представлена в работе [2], моделируется схема совпадений, вызванных гамма-квантами, которые возникают как результат последовательного перехода возбужденного ядра атома на основной уровень. Моделируемая схема совпадений настроена на срабатывание при определенной корреляции энергий гамма-квантов, которая получается при таких переходах. В этой работе также указано на невозможность моделирования при помощи программы MCNP совпадений такого рода. Причиной этому являются особенности алгоритма разыгрывания гамма-квантов, вызывающих рассматриваемые совпадения. Программа CEARCPG использует отдельные модули, взятые из кода MCNP, библиотеку сечений ENDF и такой же, как в MCNP, формат файла входных данных для описания геометрической конфигурации задачи.

Подход, при котором моделируется совпадения, вызванные только одной частицей, применяется во многих работах, так как не требует кардинальной переработки уже разработанных кодов программ. Так, например, сделано в работе [3], в которой проведено моделирование схемы антисовпадений телескопа IBIS, и в работе [4], посвященной оптимизации геометрической конфигурации схемы двойных рассеяний. Основой для обеих работ послужила библиотека GEANT.

Во многих исследованиях для учета совместного влияния нескольких частиц на величину отклика детектора (например, эффект наложения) выполнялась обработка расчетного спектра после завершения моделирования переноса излучения. Обработка заключается в расчете вероятностей одновременного прихода двух и более частиц и добавлении в канал спектрометра, соответствующий сумме энергий частиц, значения, пропорционального этой вероятности. Этот способ дает хороший результат, отраженный, например в [5]. Однако он применим только в тех задачах, в которых удается рассчитать каким-нибудь методом вероятности прихода нескольких частиц одновременно. Общий подход для учета эффекта наложений таким способом изложен в статье [6], которая также содержит ссылки на аналогичные работы.

Наиболее универсальным, по мнению автора этой статьи, является способ, описанный в [7]. Наземный телескоп MAGIC II регистрирует частицы по их излучению Черенкова при помощи нескольких фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Сигналы ФЭУ обрабатываются сложной электронной схемой. Для моделирования работы этого телескопа предложена схема, состоящая из трех последовательных частей. На первом шаге при помощи программы CORSIKA рассчитывается движение частиц космических лучей в атмосфере, приводящее к широкому атмосферному ливню. Фазовые координаты фотонов черенковского излучения, вызванного частицами ливня, записываются в промежуточный файл. На втором шаге этот файл обрабатывается с целью разыграть траектории этих фотонов до их попадания в ФЭУ телескопа. Выходные данные также записываются в промежуточный файл. На третьем шаге моделируется работа блока электроники, обрабатывающей сигналы ФЭУ. Объем промежуточных файлов может достигать 25 ТБ. Этот подход имеет множество преимуществ. А именно, отсортировав данные о разных частицах в промежуточных файлах по нарастанию времени, можно их выдавать в модель схемы совпадений в хронологическом порядке. Это в свою очередь позволяет создавать имитационные модели работы детекторов и схем совпадений, что приводит к естественному учету эффекта наложений и совпадений, вызванных разными частицами. Также появляется возможность естественным образом учитывать мертвое время детектора, что важно при высоких скоростях счета.

В докладе [8] предложен аналогичный способ для расчета портативной схемы гамма-гамма совпадений, аналогичной схеме работы телескопа COMPTEL. За основу взят код MCNP. Первый промежуточный файл содержит информацию о пересечении частицами границ детекторов. На основании него вычисляются отклики детекторов с использованием имитационной модели, которые записываются во второй промежуточный файл. На третьем шаге запускается модель электронной схемы совпадений. Размеры файлов не превышали нескольких гигабайт, что позволяет использовать этот алгоритм на современных персональных компьютерах. В обеих работах [7] и [8] наиболее длительным этапом является моделирование переноса излучения методом Монте-Карло, в то время как запись промежуточных данных на диск существенно не снижает скорости расчетов.

Вторым ограничением большинства существующих программ на использование при моделировании схем совпадений является весовое моделирование. В большинстве случаев остается неясным, как должно обрабатываться совпадение, вызванное частицами с двумя разными весами. Без решения этой проблемы становится невозможным моделирование работы схем совпадений даже в пределах траектории одной частицы, вес которой постоянно меняется при прохождении вдоль траектории. Использование весовых методов не во всех случаях можно отключить. Например, в программе MCNP для нейтронов всегда производится весовое моделирование. Решение этой проблемы найдено в работах, посвященных сопряжению весовых методов и аналоговых моделей детекторов. Наиболее значимыми в этой области, по мнению автора статьи, являются работы Th. E. Booth. Рассмотрим один из предложенных им способов, описанный в [9] и названный Deconvolution Approach. Из разыгранной истории движения частицы выделяются всеми возможными способами взаимоисключающие физические траектории. Для каждой физической траектории вычисляется ее вес, пропорциональный вероятности ее осуществления. Стоит подчеркнуть, что вес приписывается не частице в конкретный момент времени, а всей физически осуществимой траектории. Алгоритм формирования отклика детектора в качестве входных данных получает уже последовательно все сформированные физические траектории и, при попадании отклика в тот или иной энергетический канал, добавляет к счетчику частиц в этом канале вес траектории. В программе MCNP версии 5 реализован этот метод [10].

Другой подход использован в работе [11], в которой корректно с математической точки зрения обоснована возможность применения одного из весовых методов, называемого DXTRAN, с некоторыми принципиально аналоговыми моделями детекторов.

В программе CEARCPG [2] также используются некоторые весовые методы при моделировании переноса нейтронов. В обеих работах [2] и [11], как только возникают частицы, которые обрабатываются аналоговыми моделями детекторов, использование для этих частиц весовых методов прекращается.

Отдельная ветвь проекта MCNP, программа MCNP X [12], содержит встроенные средства для моделирования схем совпадений. Например, она позволяет учитывать одновременное испускание источником нескольких частиц и вести учет совпадений, вызванных такими частицами. Также эта программа позволяет рассчитывать спектры совпадений для одиночного гамма-кванта, который оставляет свою энергию последовательно в нескольких детекторах. В настоящее время программа MCNPX продолжает развиваться.


Выводы

Анализ перечисленных работ показал, что в настоящее время среди них не существует универсального кода, способного моделировать разные типы схем совпадений, работающих на разных физических явлениях. Существуют некоторые ограничения возможности применения программы MCNP для расчета схем совпадений. В последних версиях MCNPX методы, позволяющие моделировать схемы совпадений, активно развиваются. Многие авторы выполняют расчеты при решении рассматриваемых задач при помощи собственных программ, разработанных на основе библиотеки GEANT.

В большинстве работ учитываются только совпадения, вызванные прохождением одной и той же частицы (или вторичных частиц, порожденных одной и той же частицей, испущенной источником) через несколько детекторов.

По мнению автора, наибольшей универсальностью обладает подход, изложенный в [7] и [8], при котором формируются промежуточные файлы, содержащие историю попадания частиц в детекторы. Однако этот способ требует затрат большого объема памяти.

При разработке собственных программ необходимо учитывать индивидуальные особенности задачи. К ним относятся, например, возможность не учитывать совпадения, вызванные разными частицами, и возможность не применять весовые методы. Учет этих особенностей позволит сильно упростить разрабатываемую программу.


Список литературы:

[1] RSICC computer code collection. MCNP4C. Monte Carlo N-Particle Transport Code System // New Mexico: Los Alamos National Laboratory, 2000.

[2] Han, X., Development of Monte Carlo code for coincidence prompt gamma ray neutron activation analysis: Ph. D. thesis of X. Han // Graduate Faculty of North Carolina State University, 2005.

[3] de Cesare, G., Natalucci, L., Poulsen, J. M., ed. Simulation of the BGO anti-coincidence shield for IBIS on INTEGRAL // Exploring the gamma-ray universe. Proceedings of the Fourth INTEGRAL Workshop, 4-8 September 2000, Alicante, Spain, 2001. — pp. 653-655.

[4] Hee Seo, Se Hyung Lee, Chan Hyeong Kim, ed. Optimal geometrical configuration of a double-scattering Compton camera for maximum imaging resolution and sensitivity // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Volume A591, 2008. — pp. 80-83.

[5] Mowlavi, A.A, de Denaro, M., Fornasier, M.R., ed. Monte Carlo simulation of intrinsic count rate performance of a scintillation camera for diagnostic images // Applied Radiation and Isotopes, Volume 64, Issue 3, March 2006. — pp. 390-395.

[6] Gardner, R.P. and S.H. Lee, Monte Carlo Simulation of pulse pile up // Advances in X-ray Analysis, num. 41, 1999. — pp. 941-950.

[7] de Sabata, F. Monte Carlo simulations for the Cerenkov telescope Magic II and design of a novel quantum interferometer: Ph. D. thesis of F. de Sabata // University of Udine, Department of Mathematics and Physics, 2009.

[8] E. Tsvetkov, V. Shahovsky, Coincidence schemes performance estimator // Abstracts of the 7th International Conference on Luminescence Detectors and Transformers of Ionizing Radiation (LUMDETR-2009), Krakow (Poland), 2009. — pp. 309.

[9] Th. E. Booth, “Monte Carlo Variance Reduction Approaches for Non-Boltzmann Tallies” // Los Alamos National Laboratory report LA-12433, 1992.

[10] Th. E. Booth. Pulse-Height Tally Variance Reduction in MCNP // Los Alamos National Laboratory, 2002.

[11] Цветков Е.А., Шаховский В.В. «Обоснование DXTRAN модификации метода Монте-Карло на основе соотношений взаимности для различающихся систем» // Труды МФТИ. — 2009. — Т. 1, № 2. — С. 207–215.

[12] Hendricks, J.S., ed., MCNPX Extensions. Version 2.5.0 // Los Alamos National Laboratory report LA-UR-05-2675, 2005.