Метод автоматизированного анализа эмульсионных данных для измерения спектра ПКИ

Эмульсионная пленка Область применения: обнаружение и регистрация заряженных частиц в экспериментах ядерной физики Преимущества: высокое разрешение ~1мкм, определение углов ÷10 -4 радиан Недостатки: большое время обработки, трудоемкость. Огромный прогресс в развитии сканирующих и измерительных систем позволяют преодолеть главный недостаток эмульсии – чрезвычайно большое время ее обработки.

Актуальность темы Автоматизация обработки эмульсионных данных для различных экспериментов Увеличение статистики по тяжелым ядрам в эксперименте RUNJOB

Всех частиц 277 Протоны- 358 Гелий 78 Углерод- кислород- 50 Неон-кремний 22 Железо-8 Спектр всех частиц

Эксперимент RUNJOB 10 полетов на высоте 33 км (11 г/см 2 атмосферы) Суммарная экспозиция: 575 м 2 час ( ) Энергетический диапазон: ТэВ/частицу Площадь камеры: 80×40 см 2 Средняя жесткость R=3 ГВ

Структура камеры RUNJOB Расположение пленок SXF в камере RUNJOB Первичный (Primary) и мишенный (Target) блоки содержат 13 рядов SXF. Взаимодействие ядра в камере

Новизна работы Создан полностью автоматизированный измерительный комплекс (ПАВИКОМ) для обработки эмульсионных данных Разработан метод «вершинного триггера» в эксперименте RUNJOB для регистрации тяжелых ядер

Пленка SXF Структура рентгеновской пленки в поперечном сечении, без экранов-сцинтилляторов. Изображение пленки в микроскопе, размер поля зрения 3.89 × 2.96 мм 2

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

Технические характеристики Прецизионный стол MICOS –диапазон перемещений по осям: 800мм × 400мм × 200мм –точность измерения координат: 0.5 мкм –габариты установки: 2.5×1.2×2.4 м 3 –вес:1000 кг Система ввода изображения –разрешение матрицы: 1360×1024 пикселя –разрядность АЦП: 10 бит (1024 градации яркости) –кадровая частота: 7.5 Гц –экспозиция: 43 мс -114 сек –размер пикселя: 4.65x4.65 мкм 2 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» комнатаОптическая система микроконтроллерДжойстик-мышь

Алгоритм вершинного триггера 1.«Сшивка» камеры по опорным трекам 2.Сканирование всех пленок 3.Выделение пятен в пленках SXF 4.Трекинг пятен SXF 5.Предсказание вершин взаимодействия в эмульсии 6.Поиск вершин в полуавтоматическом режиме

1) Опорные треки Интерфейс программы Plotter. Расположение опорных треков по площади пленки Количество треков: 8 Точность сшивки камеры: 40 мкм

Опорные треки

2)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 Soling WAT-902ASony ICX205IL Поле зрения, мм23.89 × × Размер изображения, пикс × × 1024 Шаг сканирования, мм3.282 × 2.342= × 7.173=69.45 Полезное поле кадра, пикс × × 964 Количество шагов сканирования162 × 146 = × 52 = 2548 Время сканирования, часов~ 8 часов1 час 45 минут Анализ изображенияOnlineOffline Отступ от края пленки, мм10000 Скорость, мкм/с10000 Ускорение, мкм/с

Изображение SXF пленки Пример кадра изображения пленки SXF, полученный в ходе сканирования с помощью камеры Soling WAT-902A. Размер кадра 3.890×2.960 мм2. Пленка SXF '97 Пример кадра изображения пленки SXF, полученный в ходе сканирования с помощью камеры Sony ICX205IL. Размер кадра 3.890×2.960 мм2. Пленка SXF '96.

8×8 кадров Участок пленки SXF размером 7.75 × 5.74 см 2

Измерение поля зрения Измерение центра пятна при 2 положениях камеры над плёнкой.,(2.1) соответственно ширина и высота кадра:, (2.2) Первое положении: (X1,Y1) [мм] в системе стола; (a1,b1) [px -] координаты на картинке. Второе положение положение: (X2,Y2) [мм] и (a2,b2) [px] соответсвенно. Не трудно посчитать размер 1 пикселя в мм:

Система координат

Пошаговое сканирование

3)Проблема распознавания образов поиск и измерение координат пятен на пленках SXF - ключевой этап в автоматической обработке вершинного триггера. Выделения образа пятна над фоном в SXF есть частная задача общей проблемы распознавания образов. Алгоритм выделения пятен объединяет стандартные методы и авторские наработки

Обработка изображения Исходное изображениеПорог 100 по яркости Closing 3медианный фильтр

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 C[2][0]beginend C[2][1]beginend C[2][2]beginend C[2][3]beginend C[2][4]beginend C[2][5]beginend C[2][6]beginend 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.

4)Трекинг Восстановление траекторий частиц по следам в пленках SXF

Процедура трекинга – объединение пятен в треки Проскочившая частица Проскочившая частица Остановившая частица Провзаимодействовав шая частица

Исходные данные Всего кадров 49× Ширина кадра StepX, мм9.683 Высота кадра, StepY, мм7.174 Площадь кадра, мм S=9.683× Площадь сканированной пленки, мм 2 S скан =2548× Площадь всей пленки 50×40 мм Количество пятен на одной пленке

Блок схема программы трекинг.

Плотность и размер пятен Количество зарегистрированных пятен в кадре 9.683×7.174, пленка 1 Размер пятна в пикселях, 1 пиксель= мм, пленка 1 Плотность пятен составляет ~200 см -2.

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

Основные этапы трекинга 1.Объединяем точки в пары. 2.Вычисляем начальное направления трека для каждой из пары, делаем предсказание в следующий слой. 3.Выбираем в радиусе предсказания наилучшее двойное пятно, как кандидат для продления трека. Если кандидат найден, идем к пункту 4. 4.Обновляем параметры вектора трека, рассчитываем предсказание в следующий слой. 5.Возврат к пункту 3.

Интерфейс программы На этой вкладке задаются параметры работы программы

(Параметры трекинга) Параметры Размер ячейки для объединения точек в двойные пятна10×10 мм 2 Максимальное расстояние между пятнами в паре0.85 мм Эффективная толщина SXF пленки0.27 мм Ошибка измерения координат пятен (используется в расчете предсказания трека в следующий ряд) 0.15 мм Максимальное относительное изменение длины вектора двойного пятна от среднего по треку 40.0% Максимальное отклонение вектора двойного пятна от направления трека 22,5° Максимальное расстояние нового пятна от предсказания0.5 мм Размер ячейки для сортировки треков по координатам входа трека в камеру 20×20 мм

Развитие программы трекинга Чтобы минимизировать потери треков, в алгоритм вводятся следующие пункты: 1.Продление трека возможно через слой, т.е. допускаются пропуски (Gaps) в некоторых рядах камеры. 2.Базовый (начальный) слой для продления выбирается отличным от первого. Для «затравки» трека используются 1,2,3 ряды камеры. 3.Прослеживание трека ведется сначала в прямом, а потом и в обратном направлении в слои, где еще не найдены пятна. Пример: (поворачиваем назад) проводится сопоставление треков между собой, одинаковые траектории – объединяются, двойники – удаляются.

Выбор параметров алгоритма Сравнение результатов трекинга при различных параметрах. –Влияние размера ячейки для объединения в пары. –Какова величина потерь при переходе от слоя к слою? Нужно ли начинать прослеживание треков с разных рядов? –С каких слоев начинать прослеживать треки? Правильно ли работает отсев треков-двойников? –Влияние размера ячейки для сортировки треков.

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

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

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

Прямой и обратный трекинг Вывод: Потери треков при прослеживании из ряда в ряд - 6%.

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) Распределение по энергиям: степенной закон (показатель спектра разный для разных групп ядер). Угловое распределение по θ изотропно (или соответствует прохождению 11 г/см 2 атмосферы). Угловое распределение по φ изотропно. Равномерное распределение по поверхности камеры. Структура камеры, - слои экранной пленки на определенной глубине

Геомагнитное обрезание Зависимость порога геомагнитного обрезания от широты и долготы полета баллона

Жесткость, R Средняя жесткость R=3 ГВ Средняя энергия на нуклон E0.7 ГэВ/н

Пробег взаимодействия ГруппаI/I Fe λin(air) г/см 2 λin(камера) г/см пробеги взаимодействия в воздухе и камере для 5 групп ядер, принятые в расчетах

Интенсивность пятен

Число падающих частиц, R=3 ГВ ZP, ГВE, ГэВЧастицПятен 26Fe7840, Mn7538, Cr7236, V6934, Ti6633, Sc6332, Ca6032, K5730, Ar5427, Cl5126, S4825, P4523,

Ионизационные потери для Z=7. Начальный импульс частицы p=21 ГэВ/c. Пик занимает 0.2 г/см 2 вещества.

Множественное рассеяние рядвысота мм cоsθ 0,30,40,50,60,70,8 613,760,360,1750,10,0640,0430, ,510,6020,2930,1680,1060,0720, ,260,8790,4280,2450,1550,1060, ,011,1890,5790,3320,210,1430, ,761,5280,7440,4260,270,1840, ,511,8930,9220,5280,3350,2280, ,262,2841,1120,6370,4040,2750,197 Отклонение частиц в камере RUNJOB для железа при R=6ГВ.

Рождение фрагментов

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 ГэВ на частицу, поскольку только такие события видны в эмульсии как узкая группа вторичных частиц

Результаты расчета

Угловое распределение треков

Интенсивность треков по рядам

5)Предсказание в эмульсию Мы нашли оборванный трек Предсказали в эмульсию Fe Em SXF Fe Em SXF взаимодействие остановившийся потерянный

6)Поиск взаимодействий ГруппаЧисло% от просмотренных Ложно оборвавшиеся (потерянные программой)136.5% Остановившиеся84% Точное взаимодействие42% Возможно взаимодействие2110.5% Грязь в поле зрения178.5% Ложные треки (ошибочно связанные)10.5% Ничего не найдено % Всего просмотрено200100%

Остановившаяся частица

Потерянный трек

Выводы, 1 часть 1. С участием автора обработано 40% статистики эксперимента RUNJOB и построены спектры ПКИ в интервале энергий ТэВ/частицу. 2. С участием автора построен Полностью Автоматизированный Измерительный Комплекс (ПАВИКОМ) для обработки микроизображений в фотоматериалах. Система протестирована и сейчас успешно эксплуатируется в лаборатории ФИАН, использовалась для экспериментов RUNJOB, EMU15, СТРАНА, ПЛАТАН, обработка ядерных эмульсий бета спектрометра ОЯИ (Дубна). 3. Создано ПО для автоматического сканирования и анализа микроизображений в фоточувствительных материалах большой площади (0.5 м 2 ) с высоким пространственным разрешением (7 мкм/пиксель и выше) на большой скорости (16 см 2 /мин).

Выводы, 2 часть 4. Впервые на базе ПАВИКОМ разработан метод поиска вершин взаимодействий тяжелых ядер, зарегистрированных в SXF плёнках эксперимента RUNJOB. 5. Проведена обработка SXF пленок камеры 1996 г., по ней получены эффективность и ограничения применимости метода в условиях высокого фона ~200 пятен/см 2. Показано, что метод может быть применен для получения спектров ядер с зарядом Z>17, E>10 ГэВ/н. 6. Проведено сравнение экспериментальных результатов с численным моделированием прохождения ядер через атмосферу и учетом условий регистрации в камере, показано, что наблюдается удовлетворительное согласие распределений, полученных экспериментально и на основе расчётов.