Метод автоматизированного анализа эмульсионных данных для измеренияспектра ПКИ

Эксперимент RUNJOB
Площадь камеры 50см×80см
Высота полета ~32 км (10 г/см2)
Время одного полета ~150 часов
Суммарная экспозиция за 10 полетов 575 часов
Диапазон измеряемых энергий 100 ГэВ÷100 ТэВ на частицу

Структура камеры
Расположение пленок SXF в камере RUNJOB
Первичный (Primary) и мишенный (Target) блоки содержат 10 рядов SXF.
Взаимодействие ядра в камере

Алгоритм вершинного триггера
поиск опорных треков, (найдено вручную 12 треков)
«сшивка» камеры, восстановление общей системы координат, (специальная программа сшивки, точность сшивки – 40 мкм для 10 пленок площадью 40×50 см2).
сканирование всех пленок
поиск и определение координат пятен в пленках SXF
восстановление траекторий по следам в пленках SXF
предсказание координат вершин в эмульсии
верификация вершин в полуавтоматическом режиме

Пленка SXF
Структура рентгеновской пленки в поперечном сечении, без экранов-сцинтилляторов.
Изображение пленки в микроскопе, размер поля зрения 3.89 × 2.96 мм2

Измерительная система
Механически стол MICOS
Оптическая система
Система ввода изображения
Персональный компьютер
Программное обеспечение

Параметры измерительной системы
Прецизионный стол MICOS
диапазон перемещений по осям: 800мм × 400мм × 200мм
точность измерения координат: 0.5 мкм
габариты установки: 2.5×1.2×2.4 м3
вес:1000 кг
Система ввода изображения
пространственное разрешение матрицы: 1360×1024 пикселя
разрядность АЦП: 10 бит (1024 градации яркости)
кадровая частота: 7.5 Гц
время накопления экспозиции: 43 мс -114 сек
размер пикселя: 4.65x4.65 мкм2
Микроскоп
Оптическое увеличение системы от 200 до 1000 крат (участок 400×300 мкм2 выводится на экран 40×30 см), пространственное разрешение при максимальном увеличении - 1 пиксель = 1 мкм

Внешний вид установки
Чистая комната
Оптическая система
контроллер
джойстик

Программа сканирования
Управление режимами работы Micos
Перемещение стола в заданную точку по 3 осям координат (X,Y,Z), ±0.001 мм
Калибровка стола
Вывод изображения на экран
Запись изображения в файл в форматах BMP и JPG
Управление режимами работы CCD-камеры
Автоматическое выделение пятен
Интерфейс программы Scan.

Параметры сканирования

Пошаговое сканирование
Положение системы координат пленки и системы координат стола Micos.
Показаны отступы при сканировании от начала координат в системе Мicos – Xdeadband, Ydeadband.
Edge1, Edge2 – правый нижний и левый нижний углы пленки, через них проходит ось абсцисс системы координат пленки.

Выделение пятен
Исходное изображение,
640×480 пикселей
Результат выделения пятен.
Найдено 42 пятна и их центры

алгоритм
Блок схема работы алгоритма распознавания пятен.

Иллюстрация этапов обработки
Бинаризация – разделение пикселей на черные(1) и белые(1) по порогу
После фильтрации – удалении тонких перешейков, длиной менее 2 пикселей.
Кластеризация – объединение конгломератов пикселей в кластеры
Организация хранения кластеров в памяти

Результат при разных параметрах
Исходный участок изображения
порог K=7/20.
Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения).
Количество найденных пятен – 9 штук.
порог K=12/20.
Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения).
Количество найденных пятен – 39 штук
Гистограмма яркости пикселей кадра

Плавающий порог
Выбор порога
В данной работе используется набор из нескольких порогов (3-5), каждый из которых дает свою картину кластеров. Результаты работы алгоритма с каждым из порогов потом сопоставляются между собой, так чтоб выявить истинные пятна
Теоретически, применяя неограниченный набор порогов бинаризации, т.е. делая множество срезов на «местности» рельефа яркости пикселей, можно выделить все пятна потемнения.

Исходный кадр

Результат работы алгоритма выделения пятен, порог K=7/20.
Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения).
Количество найденных пятен – 9 штук.

Результат работы алгоритма выделения пятен, порог K=12/20.
Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения).
Количество найденных пятен – 39 штук.

Результат работы алгоритма выделения пятен, плавающий порог K=7/20-12/20.
Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения).
Количество найденных пятен – 42.

Исходные данные

Блок схема программы трекинг.

Расстояние между пятнами
- среднее расстояние между пятнами при случайном распределении
расстояние между случайными пятнами
Вывод: 1) Максимум распределения 250 мкм
2) максимум меньше среднего значения -> пятна коррелированны
3) Ограничение на максимальный угол – tan(θ) = 710/270=2.6, - cos(θ)min=0.36

Предсказание в следующий слой
- трехмерный единичный вектор направления
- вектор в плоскости XY0, λ – скалярная величина
- уравнение трека, где:

Выбор двойного пятна
Предсказание в следующий слой
Двойное пятно - лучший кандидат

Количество треков
Количество треков, прослеженных до определенного ряда. Разными значками обозначены треки с разными значениями χ в мм. Gap=1, start={1,2,3}

Процедура трекинга – объединение пятен в треки
Проскочившая
частица
Проскочившая
частица
Остановившая
частица
Провзаимодействовавшая частица

Как тестировали
Прямой и обратный трекинг
Визуальная проверка
Сравнение с расчетами
Проверка по эмульсии

Проверка по эмульсии
Во всех 100% случаях были найдены следы в эмульсии по трекам в SXF

Моделирование прохождение тяжелых ядер через камеру
Постановка задачи
На границу камеры падает спектр протонов, альфа-частиц, CNO, Sub Fe + Fe (от 3 ГВ по жесткости, что )
Распределение по энергиям: степенной закон (показатель спектра разный для разных групп ядер).
Угловое распределение по θ изотропно (или соответствует прохождению 10 г/см2 атмосферы).
Угловое распределение по φ изотропно.
Равномерное распределение по поверхности камеры.
Структура камеры, - слои экранной пленки на определенной глубине

Результаты моделирования
треугольники - χ <50 мкм, сплошные кружки - χ <100 мкм, звездочки - χ <150 мкм, пустые кружки – расчетные значения для ядер железа. Cos ϑ=0.3-0.85
Угловое распределение
ВЫВОД: χ<100 мкм хорошо совпадает с ожидаемой интенсивностью треков от ядер железа
ВЫВОД: теряются частицы под малыми углами вследствие слипания двойных пятен, и треки под большими углами с Cosϑ < 0.3.

Прослеживание в эмульсию
Мы нашли оборванный трек
Предсказали в эмульсию
Fe
Em
SXF
Fe
Em
SXF
взаимодействие
остановившийся
потерянный

Множественность в Fe+Fe взаим.
Число вторичных однозарядных частиц (charged) и фрагментов (fragments) в круге радиуса R, образовавшихся в середине слоя стали над слоем ядерной эмульсии для ядер железа разной энергии от 1 до 100 ГэВ/нуклон
ВЫВОД: отбор вершин взаимодействия в полуавтоматическом режиме может быть проведен только для взаимодействий с энергией на нуклон 5-10 ГэВ, (что означает 300-600 ГэВ на частицу, поскольку только такие события видны в эмульсии как узкая группа вторичных частиц

Остановившаяся частица

Потерянный трек