Исследования актуальных проблем ядерной физики на основе методики полностью автоматизированной обработки трековых детекторов на многофункциональной установке ПАВИКОМ

Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН.
Официальные оппоненты: 71.06 1/240
Доктор физико-математических наук, доцент Смирнитский В.А.
Доктор физико-математических наук, профессор Ольшевский А.Г.
Доктор физико-математических наук, профессор Поносов А.К.
Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ.
Защита состоится 17 апреля 2006 года в 'Ъ&ДО часов на заседании специализированного ученого совета Д 002.023.02 Физического института имени П.Н.Лебедева РАН по адресу: 119991 Москва, Ленинский проспект,
С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке
53.
ФИАН.
Диссертаи . зиде научного доклада разослана 7 7 марта 2006 года.
Г4 П гу • ••*«-•* .
Ученый секретарь Ц ^ 4
диссертационного совета А доктор физико-математических наук
Актуальность темы. Трековые детекторы широко используются в экспериментах по физике частиц на протяжении уже многих десятилетий. Столь продолжительная жизнь методики, безусловно, связана с уникальным пространственным разрешением и возможностью разделения треков частиц. Ни один из применяемых сейчас детекторов элементарных частиц не может обеспечить пространственное разрешение, которое, в частности, дает ядерная эмульсия: при размере зерна 0.3 - 1 мкм, отклонение зерен от восстановленной траектории движения частицы в среднем не превышает 0.8 мкм, а при определенных условиях может быть уменьшено до 0.2 мкм. Использование двусторонней эмульсин позволяет определять направление движения частиц с погрешностью менее одного мнллирадиана. Простота трековых детекторов также обеспечивает им существенное преимущество перед многими другими системами детектирования. Метод трековых детекторов непрерывно развивается, совершенствуется его методика, и в настоящее время трудно найти такую область науки и техники, где бы он не использовался. Это и физика высоких энергий, и физика космических лучей, реакторная физика, металлургия, геология, археология, медицина, биология, исследования метеоритов и образцов лунных пород.
В этой связи, первостепенное значение приобретают методики, которые должны обеспечить быстрое и качественное извлечение информации из данных, получаемых с помощью трековых детекторов. Просмотр больших площадей детекторов, как правило, с большим увеличением представляет собой достаточно сложную техническую проблему. Обработка данных трековых детекторов, проводившаяся оператором на оптических микроскопах вручную, требовала огромных затрат труда и времени. Скорость измерений при этом оказывалась невысокой, что определяло низкую статистику обработанных событий. Кроме того, при таких измерениях достаточно велика вероятность появления трудно улавливаемых ошибок, поэтому получаемые результаты плохо поддавались проверке на возможные сбои, возникающие в процессе обработки материала (например, потерн измерителями следов частиц и другие ошибки).
В последние годы этот недостаток в значительной мере был преодолен благодаря прогрессу, который достипгуг в производстве прецизионной техники, и созданию оптических столов с высокой точностью перемещения по командам от компьютеров, широкому применению современных приборов с зарядовой связью (ССЭ-камеры) для регистрации и оцифровывания оптических изображений и вычислительным возможностям
3
современных компьютеров. Благодаря применению этих достижений прецизионной механики, возможностям средств вычислительной техники и разработке необходимого программного математического обеспечения стала реальностью полная автоматизация труда микроскопистов. При измерениях в таком автоматическом режиме оцифрованные изображения следов заряженных частиц и ядер в трековых детекторах, полученные при помощи CCD-камер, вводятся в компьютеры, математическое обеспечение которых позволяет производить поиск, распознавание и изучение треков, восстанавливать их пространственное положение. Такой автоматизированный метод измерений практически полностью исключает использование изнурительного визуального труда микроскопистов и ускоряет процесс обработки приблизительно на три порядка по сравнению с се длительностью при использовании так называемых полуавтоматов. Новый метод позволяет обрабатывать большие массивы экспериментальных данных и существенно увеличивать статистику событий, что раньше было практически нереально. Создание подобных автоматизированных комплексов актуально поскольку оно и позволяет перейти на более высокий уровень проведения экспериментов, использующих трековую технику регистрации частиц, и существенно расширяет круг задач, где эта техника может быть эффективно использована.
Личный вклад автора и основная цель цикла работ. Основной целью цикла работ, выполненного автором, была реализация нового подхода к анализу экспериментального материала, связанного с исследованиями на базе автоматизированных комплексов для обработки данных трековых детекторов. При непосредственном прямом и решающем участии автора на всех этапах, начиная от приобретения элементов оборудования, создания комплекса, его освоения, разработки программного обеспечения и до руководства многочисленными исследованиями создан и освоен высокотехнологичный Полностью Автоматизированный Измерительный КОМплекс (ПАВИКОМ). ПАВИКОМ изначально создавался для обработки событий, зарегистрированных с помощью ящерных фотоэмульсий, облученных пучком ядер свинца с энергией 158А ГэВ на ускорителе SPS (CERN) в рамках эксперимента EMU-15. Основным направлением исследования этого эксперимента является поиск возможных сигналов образования кварк-глюонной плазмы при сверхвысоких температурах в сверхплотных состояниях материи. Однако в настоящее время возможности
4
ПАВИКОМ - его универсальность, быстродействие и постоянно обновляемое программное обеспечение, не только позволяют обеспечить потребности исследований, проводимых в ФИАН, но эффективно используются также другими российскими лабораториями и институтами. При этом участие группы ПАВИКОМ отнюдь не сводится к предоставлению установки в аренду. Для каждого эксперимента группой ПАВИКОМ как минимум, дорабатывается старое или разрабатывается специальное программное обеспечение, часто производится доработка аппаратуры или необходимое приспособление установки и изменение метода измерений. Автор непосредственно занимался на всех этапах созданием и освоением комплекса ПАВИКОМ, в частности, автоматизированным сканированием различных типов трековых детекторов (ядерных эмульсий, рентгеновских пленок, твердотельных трековых детекторов); предложенный автором метод обработки видеоизображений, основанный на суммировании цифровой информации в определенном пространственном направлении и тем самым повышении вероятности обнаружения искомого эффекта (например, линии спектров электронов внутренней конверсии), используется как основная идея ряда программ ПАВИКОМ. В настоящее время диссертант - руководитель и ответственный исполнитель всех экспериментальных работ, выполняемых на комплексе ПАВИКОМ.
Научная новизна и практическая ценность. На сегодняшний день благодаря широкому применению в промышленности пластиковых детекторов, задача автоматизированных стандартизованных измерений для них в значительной мере решена. Большой прогресс достигнут также в создании автоматической обработки информации в ядерных эмульсиях, используемых, главным образом в фундаментальных научных исследованиях. Впервые полностью автоматизированные системы обработки для ядерных эмульсий появились в Японии в 90-х гг. Всего в мире в настоящее время действует около 40 таких систем, в том числе 20 - в Европе, где на протяжении последних двух лет число таких автоматизированных комплексов стремительно растет.
Единственный в России комплекс, удовлетворяющий современным мировым стандартам - созданный в ФИАНс высокотехнологичный Полностью Автоматизированный Измерительный КОМплекс (ПАВИКОМ) для обработки данных эмульсиоштых и твердотельных трековых детекторов. Главным отличием этого комплекса от всех других подобных систем в мире
5
и его уникальным достоинством является универсальность - на автоматизированных установках комплекса обрабатываются и ядерные эмульсии, и пластиковые детекторы, и кристаллы оливинов из метеоритов. В настоящее время ведется совместная обработка данных 9 экспериментов, в которых участвуют сотрудники 6 российских институтов, а также коллеги из Украины, Японии, Монголии и Словении; активное сотрудничество осуществляется с НИИЯФ МГУ, в Российской академии наук - с ИЛИ, СПбФТИ, в Минатоме - ИТЭФ и ОИЯИ, кроме того, с ЦЕРНом. Хотя базисные установки, составляющие основу всего комплекса, создавались первоначально для экспериментов по физике частиц высоких энергий, в работах автора с другими лабораториями и институтами комплекс был использован для исследований целого ряда проблем, связанных с изучением структуры гало ядер, анализом ядерных реакций при низких энергиях, исследованием спектров электронов внутренней конверсии изотопов редкоземельных элементов, для изучения космических лучей, множественной генерации частиц при соударениях релятивистских ядер. По существу, охвачен широкий спектр актуальных проблем современной ядерной физики. Свидетельством международного признания высокого потенциала группы ПАВИКОМ, основанного на сочетании технических возможностей комплекса и наличии высококвалифицированной научной группы с опытом эксплуатации и обработки экспериментального материала трековых детекторов, является включение ПАВИКОМ в число европейских автоматизированных центров по обработке эмульсии эксперимента OPERA. Начавшаяся адаптация комплекса ПАВИКОМ к задачам эксперимента ОПЕРА даст российским физикам уникальную возможность участия в обработке данных в одном из наиболее амбициозных международных экспериментов, результаты которого могут иметь первостепенное значение для физики элементарных частиц и астрофизики.
Апробация работы. Результаты работы комплекса ПАВИКОМ неоднократно обсуждались на международных конференциях и рабочих совещаниях мирового эмульсионного сообщества. В частности, материалы диссертации докладывались на 20, 21, 23, 24 и 27 International Cosmic Ray Conferences (1987, 1990, 1993, 1995, 2001); на 5-th International Symposium of Very High Energy Cosmic Ray Interactions (1988); на 28th International Conference on High Energy Physics (1996); на 6th Conference on the Intersections of Particle and Nuclear Physics (1997); на 4th Rencontres du
6
Vietnam (2000); на 54 Международном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (2004); на International Conference on Charged and Neutral Particles Channeling Phenomena (2004); на LV National Conference on Nuclear Physics “Frontiers in the Physics of Nucleus” (2005); на 5th Conference Nuclear and Particle Physics (2005).
По теме диссертации опубликовано 56 работ в отечественных и зарубежных журналах: Ядсрная физика, Nuclear Instruments&Methods in Physics Research, Известия PAH, Physics Letters, Доклады Академии наук, SPIE, Элементарные частицы и атомное ядро, Приборы и техника эксперимента и др. (см. Приложение - Список публикаций по теме диссертации).
7
Исследования актуальных проблем ядерной физики на основе методики '
полностью автоматизированной обработки трековых детекторов на
многофункциональной установке ПАВИКОМ
Содержание
I. Введение. Трековые детекторы; области применения в 10
научных исследованиях и автоматизированная обработка данных.
II. Технические характеристики комплекса ПАВИКОМ. 19
III. Исследования актуальных проблем ядерной физики на основе 24
методики полностью автоматизированной обработки экспериментальных данных, получаемых с использованием трековых детекторов на многофункциональной установке ПАВИКОМ.
3.1. Поиск возможных сигналов образования суб-адронных 24 состояний ядерной материи при высоких температурах и плотностях по данным эксперимента EMU-15.
і
3.2. Изучение ядерного состава и энергетического спектра 43 первичного космического излучения при высоких энергиях прямыми методами по даппым эксперимента RUN JOB.
3.3. Исследование кластеризации нуклонов в легких ядрах 47 посредством изучения процессов мультифрагментации в эксперименте «БЕККЕРЕЛЬ».
3.4. Автоматизированная обработка твердотельных трековых 51 детекторов в проекте «Энергия плюс Трансмутация» -исследование электроядерного способа производства энергии и изучение трансмутации радиоактивных отходов.
8