Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение Российской академии наук

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Выполнил:

Москва, 2009 г

Содержание

Введение

Глава 1. Современные трековые детекторы ядерных частиц

1.1 «Классические» трековые детекторы

1.2 Газоразрядные детекторы заряженных частиц

1.3 Твердотельные детекторы

1.4 Роль трековых детекторов

Глава 2. Фотоэмульсионный метод ядерных исследований

2.1 Свойства ядерной фотоэмульсии и ее применение для регистрации частиц

2.2 Существующие методы автоматизированного сканирования ядерных фотоэмульсий

2.3 Автоматизированный измерительный комплекс ПАВИКОМ

Глава 3. Автоматизация измерений на комплексе ПАВИКОМ

3.1 Требования к программному обеспечению

3.2 Архитектура программного обеспечения

3.3 Взаимодействие модулей при сканировании

3.4 Технические возможности комплекса ПАВИКОМ при автоматизированной обработке

Глава 4. Ядерно-физические исследования на комплексе ПАВИКОМ

Заключение

Список литературы

Введение

Трековые детекторы широко используются в экспериментах по физике частиц на протяжении уже многих десятилетий. Столь продолжительная долговечность метода, безусловно связана с уникальным пространственным разрешением и возможностью разделения треков частиц. 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, потери измерителями следов частиц и другие ошибки).

В последние годы этот недостаток в значительной мере был преодолен благодаря прогрессу, который достигнут в производстве прецизионной техники, и созданию оптических столов с высокой точностью перемещения по командам от компьютеров, широкому применению современных CCD- и CMOS-видеокамер для регистрации и оцифровывания оптических изображений и вычислительным возможностям 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 видеокамер, 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 ее 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.

Пионером развития автоматизированных комплексов стала Япония, где такой комплекс был создан ещё в середине 80-х гг. Но настоящим толчком к развитию автоматизированных комплексов по всему миру послужило проведение экспериментов CHORUS и DONUT, использующих значительные объёмы ядерной фотоэмульсии. В настоящее время только в эксперименте OPERA задействованы сотни тонн ядерной фотоэмульсии, что соответствует сотням тысяч квадратных метров поверхности эмульсии. Всего в мире в настоящее время действует около 40 автоматизированных комплексов, в том числе 20 - в Европе, где в последние годы число таких комплексов стремительно растёт.

В России имеется единственный комплекс подобного уровня, удовлетворяющий современным мировым стандартам. Это высокотехнологичный Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс (ПАВИКОМ). Он предназначен для обработки данных эмульсионных и твердотельных трековых детекторов, используемых в различных физических исследованиях.

Данная диссертационная работа нацелена на развитие новых методов автоматизации измерений на комплексе ПАВИКОМ, а также на развитие методов обработки данных различных трековых детекторов. С помощью этих методов удалось существенно увеличить скорость и качество обработки трековых детекторов.

Комплекс ПАВИКОМ изначально создавался для обработки событий, зарегистрированных с помощью ядерных фотоэмульсий, облученных пучком ядер свинца с энергией 158 ГэВ/нуклон на ускорителе SPS (ЦЕРН) 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. В ходе обработки данных эксперимента возникла необходимость в разработке и реализации метода поиска микротреков в эмульсии.

Уникальным достоинством комплекса ПАВИКОМ является универсальность - на его автоматизированных установках обрабатываются и ядерные эмульсии, и пластиковые детекторы, и кристаллы оливинов из метеоритов. В ряду нескольких экспериментов на комплексе производится обработка данных эксперимента БЕККЕРЕЛЬ, целью которого является изучение процессов фрагментации и кластеризации лёгких ядер с энергией выше 1 ГэВ/нуклон.

В 2005 г. на ПАВИКОМ начата реализация проекта ОЛИМПИЯ («Оливины из метеоритов - поиск тяжелых и сверхтяжелых ядер») задачей которого являются исследования тяжелых и сверхтяжелых ядер в космических лучах и поиск среди них трансфермиевых ядер с зарядами Z 110. Особенностью методики обработки трековых детекторов данного эксперимента, оливинов из метеоритов, является необходимость в шлифовке - необратимом разрушении части кристалла. В рамках проекта ОЛИМПИЯ потребовалось создание методики сканирования всей площади кристалла и создание базы данных изображений для сохранения информации о треках в кристалле.

Свидетельством международного признания высокого потенциала группы ПАВИКОМ является включение ПАВИКОМ в число европейских автоматизированных центров по обработке эмульсии эксперимента OPERA. Адаптация комплекса ПАВИКОМ к задачам эксперимента потребовала возможности использовать стандартную для OPERA библиотеку обработки изображений и поиска микротреков в эмульсии - FEDRA, а также разработки методики сканирования двухсторонних ядерных фотоэмульсий.

Глава 1. Современные трековые детекторы ядерных частиц

1.1 «Классические» трековые детекторы

В 1895 году, исследуя катодные лучи, В. Рентген обнаружил неизвестный вид излучения [1], впоследствии названный в его честь лучами Рентгена. Уже в следующем году А. Беккерель, вдохновлённый успехом Рентгена, случайно открыл явление радиоактивности. При подготовке эксперимента по наблюдению фосфоресценции солей уран он завернул флюоресцирующий уранилсульфат калия в непрозрачный материал вместе с фотопластинками и обнаружил, что они были полностью засвечены [2]. Фактически с этого момента и началось развитие метода трековых детекторов. С тех пор уже более ста лет физики придумывают все новые и новые приборы для изучения элементарных частиц - мельчайших единиц материи.

Частицы и излучения могут быть зарегистрированы благодаря их взаимодействию со средой. Заряженные частицы взаимодействуют с веществом, в первую очередь, через процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул. Для регистрации же нейтральных (незаряженных) частиц их необходимо сначала преобразовать в заряженные через посредство некоторого физического процесса.

Первые трековые детекторы были чрезвычайно просты: это были обычные фотографические пластинки, применяемые фотографами того времени, а также электроскопы. В 1911-1913 годах В. Гесс провел серию аэростатных экспериментов [3] с целью подтвердить существовавшую тогда гипотезу о том, что излучение, разряжающее электроскопы, имеет земное происхождение. Он ожидал, что эффект «проникающих лучей» будет уменьшен из-за увеличения расстояния до возможных источников излучения, но, к его удивлению, эффект не только не уменьшился, но увеличился. За эту работу, доказавшую существование космических лучей, Виктор Гесс в 1936 был удостоен Нобелевской премии.

При подходящих условиях ионизация, произведенная в веществе заряженной частицей, может вызвать в нем фазовый переход. В так называемой камере Вильсона используется конденсация жидкости из пересыщенного пара. Прибор был изобретен в 1912 Ч. Вильсоном [4], в течение многих лет изучавшим физику образования облаков в атмосфере. Вильсон установил, что пересыщенный пар конденсируется в капельки вокруг центров зародышеобразования, которыми служат положительные и отрицательные ионы. Проходя через пересыщенный пар, заряженная частица оставляет за собой след из капелек, которые вырастают до видимых размеров за время порядка 1 мс.

Пузырьковая камера была изобретена и усовершенствована в начале 1950-х годов Д. Глезером [5]. Исходя из аналогии с камерой Вильсона, он нашел иной фазовый переход, который тоже позволяет визуализировать следы частиц. В его приборе используется перегретая жидкость, которая вскипает вблизи центров зародышеобразования, которыми служат локальные участки энерговыделения ? 0.1 кэВ на траектории частицы в перегретой жидкости. Проходя через такую среду, частица оставляет за собой след из пузырьков.

Оба эти прибора принесли их создателям Нобелевские премии и дали исследователям возможность почти что «воочию» наблюдать ядерные процессы. Камеры Вильсона и пузырьковые камеры позволяют непосредственно наблюдать следы частиц. Это означает, что положение частицы может быть определено с точностью до размера капельки или пузырька, т.е. примерно, до 1 мм. Камеры Вильсона и пузырьковые камеры часто помещают в магнитное поле. Это приводит к искривлению траекторий заряженных частиц, кривизна которой обратно пропорциональному их импульсу. При этом положительно и отрицательно заряженные частицы отклоняются в разных направлениях. Таким образом, в дополнение к пространственной картине, которую дают эти приборы, они позволяют измерить импульс частицы и определить знак ее заряда.

Особое место в ряду классических трековых детекторов благодаря своему высокому пространственному разрешению (порядка 1 мкм) занимают ядерные фотоэмульсии, которые подробно рассматриваются в Главе II.

1.2 Газоразрядные детекторы заряженных частиц

Существенными недостатками термодинамических камер являются их малое быстродействие, невысокое пространственное разрешение и, главное, невозможность автоматизации сбора и обработки данных в режиме реального времени. Эти недостатки преодолены в детекторах другого (электронного) типа - газоразрядных счётчиках с газовым усилением, пропорциональных и дрейфовых камерах, сцинтилляционных и черенковских детекторах, твердотельных детекторах.

Газоразрядные детекторы представляют собой воздушный или газовый электрический конденсатор, между электродами которого создаётся постоянное или импульсное электрическое поле. При попадании ионизирующих частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы газа, которые, либо дают начало газовому разряду, либо дрейфуя в электрическом поле, собираются на электродах и фиксируются регистрирующей аппаратурой. Режим работы газоразрядных детекторов определяется напряжением на электродах [6] (Рис. 1.1). Существуют следующие основные режимы работы таких детекторов: (1) режим ионизационной камеры (без усиления); (2) режим пропорционального газового усиления; (3) режим ограниченной пропорциональности; (4) режим гейгеровского счётчика, (5) стримерный или искровой режим. В процессах, возникающих в газоразрядных детекторах, важную роль имеет значение и характер (постоянный или импульсный) приложенного напряжения, а также состав газа-наполнителя. Если на электроды детектора подано небольшое постоянное напряжение, при котором дополнительная ионизация за счёт соударения первичных электронов с нейтральными атомами и молекулами отсутствует, то он действует как ионизационная камера. Недостатком этого режима являются очень низкие токи, т.е. малая амплитуда выходного сигнала. От такого недостатка свободны газоразрядные детекторы с газовым усилением. Это позволяет регистрировать даже частицы с энергией < 10 кэВ, в то время как сигналы от частиц таких энергий в ионизационных камерах "тонут" в шумах усилителя, достигающих 10 - 100 кэВ.

Рис. 1.1

Зависимость коэффициента газового усиления от приложенного напряжения для б-частиц и электронов. 1 - б-частицы, 2 - электроны. I - область рекомбинации, II - режим ионизаионной камеры, IIIа - область пропорциональности, IIIб - область ограниченной пропорциональности, IV - режим Гейгера, V - область газового разряда.

Газовое усиление - это увеличение числа свободных зарядов в объёме детектора за счёт того, что первичные электроны на своём пути к аноду в больших электрических полях приобретают энергию достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов и молекул рабочей среды детектора. Возникшие при этом вторичные электроны в свою очередь успевают приобрести энергию, достаточную для ионизации ударом. Таким образом, к аноду движется нарастающая электронная лавина. Это «самоусиление» электронного тока (коэффициент газового усиления может достигать 103--104 и выше). Такой режим работы характерен для пропорционального счётчика (камеры). В названии отражен тот факт, что в этом приборе амплитуда импульса тока или полный собранный заряд остаются пропорциональными энергии, затраченной заряженной частицей на ионизацию среды детектора.

В 1968 году Ж. Шарпак [7] применил принцип пропорционального счётчика к детектору большой площади. Его разработка - многопроволочная пропорциональная камера (МПК) представляет собой систему многих тонких (~10 мкм) параллельных проволочек, расположенных в одной плоскости и являющихся анодами, которые находятся в газовом объёме между двумя плоскими катодами (сплошными или проволочными), параллельными друг другу и аноду. В типичном случае анодные проволочки удалены друг от друга и от катодов на расстояния 2 мм и 8 мм, соответственно. Разность потенциалов между анодом и катодом составляет несколько киловольт. Такие параметры МПК обеспечивают газовое усиление 104-105 и пропорциональность амплитуды сигнала энергии, оставленной частицей в объёме газа. Таким образом, МПК это, по существу, система многих пропорциональных счётчиков. При прохождении заряженной частицы через МПК образовавшиеся вдоль следа частицы свободные электроны дают начало лавинам, приходящим на анодные проволочки, ближайшие к этим первичным электронам. Электроника регистрирует сигнал с каждой проволочки. Таким образом, координаты собираемых сигналов указывают положение (координаты) частицы в МПК. Для определения трёхмерных координат частицы используются системы из десятков параллельно одна другой МПК площадью до 10 м2 с общим числом проволочек до нескольких десятков тысяч, причём проволочки соседних МПК натягиваются взаимно перпендикулярно. Типичное пространственное разрешение современной МПК 50--300 мкм. Временное разрешение - несколько наносекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры ~10%. МПК применяют главным образом в исследованиях элементарных частиц на ускорителях высоких энергий. Разработка МПК Шарпаком была отмечена Нобелевской премией 1992 г.

Модификацией МПК является дрейфовая камера (МДК), в которой координата частицы определяется по времени дрейфа электронов ионизации в газе от места их появления (точки пролёта частицы) до сигнальных анодных проволочек. Расстояние между проволочками в МДК обычно достигает нескольких сантиметров. В отличие от пропорциональной камеры в дрейфовой камере создаётся однородное электрическое поле. Отсчет времени дрейфа включается по стартовым сигналам внешних детекторов (чаще всего сцинтилляционных счётчиков), фиксирующих пролёт частицы через камеру. Далее появившиеся в объёме МДК свободные электроны дрейфуют в однородном и постоянном электрическом поле к ближайшим проволочкам. Напряжённость поля в дрейфовом промежутке ~1 кВ/см. В непосредственной близости от анодных проволочек происходит образование лавин (газовое усиление достигает 106) и по времени задержки прихода лавин на анодные проволочки относительно стартового сигнала определяются координаты частицы. Пространственное разрешение дрейфовой камеры порядка ~50 мкм, временное - ~1 нс. Дрейфовые камеры могут быть плоскими, цилиндрическими и сферическими. Плоские и цилиндрические дрейфовые камеры больших размеров используются в экспериментах на ускорителях высоких энергий.

Времяпроекционная камера (ВПК), разработанная Д. Найгреном [8], представляет собой усовершенствованную ионизационную камеру большого размера. Как правило, это цилиндрический сосуд объёмом несколько кубических метров, заполненный рабочим газом или смесью газов. Весь цилиндрический сосуд помещается в соленоидальный магнит, создающий магнитное поле, параллельное оси камеры. Система электродов, расположенная вне чувствительного объема, создаёт внутри цилиндра аксиально-симметричное электрическое поле, в котором электроны, образовавшиеся в газе вдоль пути заряженной частицы, дрейфуют к основаниям цилиндра. На основаниях цилиндра располагаются газоразрядные проволочные камеры для регистрации двух координат события. Координата вдоль оси цилиндра определяется по времени дрейфа электронов до оснований цилиндра. Именно с большим расстоянием дрейфа связаны основные недостатки ВПК. Времяпроекционные камеры обладают рекордной прозрачностью, так как в чувствительном объёме камеры находится только рабочий газ, который может служить и мишенью.

К числу газоразрядных трековых детекторов относятся и искровые и стримерные камеры. На электроды этих детекторов подается высоковольтное импульсное напряжение, а характер разряда регулируется длительностью импульса ф. При ф ? 10 нс развитие разряда на электронах ионизации быстро обрывается и трек представляет собой цепочку светящихся точек. При ф ? 1 мкс возникает яркий искровой разряд, распространяющийся по треку. В искровой камере, помещенной в магнитное поле, искровые следы имеют криволинейную форму. Изображения следов частиц в стримерных и искровых камерах напоминают фотографии, полученные в пузырьковых камерах и камерах Вильсона.

Применение автоматизированных систем сбора данных позволяет визуализировать картину регистрации заряженных частиц в электронных детекторах, Поэтому различие между ними и «классическими» трековыми детекторами в наши дни стирается.

1.3 Твердотельные детекторы

Твердотельные (полупроводниковые) детекторы известны с середины 20-го века. В одной из пионерских работ [9] показано, что б-частицы, пролетающие сквозь обратно смещённый p-n-переход в германии, порождают заметный сигнал. На этом принципе основаны фактически все современные полупроводниковые детекторы. Вследствие способности работать при комнатной температуре, в экспериментах по физике высоких энергий, за небольшим исключением, предпочтение было отдано кремниевым детекторам. Полупроводниковый детектор - это, в сущности, твёрдотельная ионизационная камера. Если заряженная частица пересекает кристалл, обладающий проводимостью n- или p-типа, то она образует вдоль своего пути электронно-дырочные пары. Принцип работы полупроводникового детектора состоит в собирании свободных носителей заряда в приложенном внешнем дрейфовом поле до того, пока они не рекомбинируют с дырками. Если это удаётся, измеренный заряд пропорционален энергии частицы, выделенной в объеме детектора. Главное достоинство твердотельных детекторов состоит в том, что средняя энергия, необходимая для образования электронно-дырочной пары, мала по сравнению с энергией образования электрон-ионной пары в газах. В кремнии (германии) для образования электронно-дырочной пары необходимо 3.6 (2.8) эВ, в то время как в газе эта величина составит приблизительно 15 - 20 эВ [10]. Для точного определения координат частиц используют полупроводниковые микростриповые детекторы. Они представляют собой пластины монокристалла кремния, на одну из поверхностей которых наносятся тонкие электроды (стрипы), отстоящие друг от друга на расстояние ~20 мкм, а другая поверхность покрывается тонким металлическим слоем. На электроды подается напряжение несколько вольт. Электронно-дырочные пары, образованные пролетающей заряженной частицей в кристалле, движутся к ближайшим электродам и регистрируются в виде импульсов тока. Пространственное разрешение микростриповых детекторов уступает только ядерным фотоэмульсиям и достигает 2 мкм, а временное разрешение составляет около 1 нс.

В трековых детекторах следы частиц наблюдаются визуально. В то же время, в электронных детекторах (МПК, МДК, полупроводниковых микростриповых детекторах и др.), где координаты треков частиц фиксируются с высокой точностью, пространственная картина события восстанавливается путем компьютерной обработки. Микростриповые детекторы, а также прецизионные МПК и МДК используют в качестве центральных (или вершинных) детекторов, непосредственно окружающих мишень (или место столкновения пучков в коллайдерах). Центральные детекторы играют важную роль в современных экспериментах на ускорителях высоких энергий. Они фиксируют с почти 100%-ной вероятностью продукты взаимодействия пучка с мишенью практически в точке их зарождения, и определяют направления их вылета. Внешние детекторы большего размера, окружающие центральный детектор, предназначены для идентификации частиц как генерированных в мишени, так и вторичных частиц и определения их характеристик (координат, импульсов, энергий и др.).

Сцинтилляционные и черенковские счетчики, как правило, не относятся к числу трековых детекторов и используются в физике высоких энергий для спектрометрии и опознавания частиц. Однако при пересечении заряженной частицей шайбы с оптическими волокнами в них возникают сцинтилляционные или черенковские световые вспышки. Свет распространяется по оптоволокну как по световоду и регистрируется на его торце с помощью электронно-оптического усилителя [11-14]. Пространственное разрешение таких детекторов определяется диаметром оптоволоконных нитей, который обычно составляет 20 - 1000 мкм.

Существует еще один тип твердотельного детектора, который можно причислить к трековым. Его действие основано на том, что частицы, имеющие высокий электрический заряд, разрушают локальную структуру твёрдого тела вдоль своей траектории [10]. Это локальное разрушение можно интенсифицировать последующим травлением, благодаря чему след удается визуализовать. Для этой цели можно использовать твёрдые материалы типа неорганических кристаллов, стёкол, пластмасс, минералов и даже металлов. Повреждённые части материала реагируют с травящим агентом более интенсивно, чем неповреждённые. В результате этой реакции образуются характерные конусы травления. Радиационное повреждение материала, как и удельные энергетические потери заряженных частиц, пропорциональны квадрату их заряда и зависит также от скорости частицы. В пластиковых детекторах проявляется пороговый эффект: минимального радиационного повреждения, вызванного протонами и б-частицами, часто бывает недостаточно для образования конусов травления. Следовательно, интенсивный фон протонов и б-частиц не будет мешать регистрации и измерению характеристик тяжёлых ионов, образованных, например, первичными космическими лучами. Размер конусов травления, при фиксированном времени травления, является мерой энергетических потерь частиц. Если скорость частиц известна, то можно определить заряд ядер. Стопка пластиковых детекторов, поднятых на воздушном шаре на большую высоту, позволяет определять распространённость химических элементов в первичных космических лучах [10,11]. Пластиковые детекторы используются также при поиске магнитных монополей, которые, согласно теории, должны вызывать сильную ионизацию. Подобные эксперименты могут также проводиться на протонных накопительных кольцах, потому что высокий фон однозарядных частиц не мешает поиску монополей из-за порогового поведения материала пластиковых детекторов. Минералы, входящие в состав метеоритов, подобно пластиковым детекторам накапливают радиационные повреждения в течение длительного времени пребывания в космосе и используются для поиска трансурановых элементов в составе космических лучей [17].

1.4 Роль трековых детекторов

Трековые детекторы и в их числе ядерные фотоэмульсии сыграли выдающуюся роль в развитии ядерной физики в силу наглядности и возможности получения исчерпывающей пространственной картины изучаемых процессов. Благодаря этим детекторам были открыты ядерные распады и реакции, новые частицы (позитрон, мюон, заряженные пионы, странные и очарованные частицы).

Важное место среди разнообразных детекторов занимают детекторы нейтрино - частиц, не участвующих ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Проникающая способность нейтрино колоссальна, их поток может проходить слой свинца в тысячи астрономических единиц. Вероятность взаимодействия нейтрино с веществом на много порядков ниже, чем у заряженных частиц. По этой причине установки для регистрации нейтрино должны иметь большие размеры и массу, измеряемую тысячами тонн. Чтобы снизить фон посторонних заряженных частиц, нейтринные детекторы располагают под большими толщами вещества (подземные и подводные установки). Широкую известность получили детекторы солнечных нейтрино - Homestake (хлор-аргонный детектор Дэвиса, США), Kamiokande (Япония), а также российские галлий-германиевый детектор в Баксане и установка «Байкал» в прозрачных водах одноименного озера.

Метод трековых детекторов непрерывно развивается и совершенствуется. В настоящее время трудно найти такую область науки и техники, где он бы не использовался. Это и физика высоких энергий, и физика космических лучей, реакторная физика, металлургия, геология, археология, медицина, биология, исследования метеоритов и образцов лунных пород. Трековая методика широко используется для решения целого ряда прикладных задач. Так, например, данные об энергетическом спектре нейтронов от реактора получают с помощью нейтронных дозиметров, содержащих делящиеся слои и трековые детекторы [18]. С использованием трековых детекторов получают информацию о распространении важнейших с радиологической точки зрения ?-излучающих природных ядер инертных газов 222Rn и 230Rn (соответственно, из распадов 238U и 232Th), которые, диффундируя из горных пород или конструкционных материалов, попадают в атмосферу, и могут создавать опасный уровень радиации [19]. Контроль времени облучения радоном шахтеров на урановых рудниках проводится с использованием полосок нитрата целлюлозы, закрепляемых на касках [20]. Метод регистрации ?-частиц радона использовался для предсказания землетрясений, поскольку, как было замечено, повышение сейсмической активности в период подготовки землетрясений часто сопровождается возникновением трещин и напряжений с выделением радона от содержащихся в земной коре урана и тория [21]. Трековая методика также применяется при изучении процессов обмена в тропосфере, где в качестве индикатора используется радон [22]. Трековые детекторы используются в пучках отрицательных пионов в радиотерапии для изучения событий с высокими линейными потерями энергии [23, 24].

Таблица 1. Характеристики различных трековых детекторов [25].

Глава 2. Фотоэмульсионный метод ядерных исследований

2.1 Свойства ядерной фотоэмульсии и ее применение для регистрации частиц

Ядерная фотоэмульсия (ЯФЭ) является примером трекового детектора с уникально высоким (?1 мкм) пространственным разрешением (таблица 1). Ее первым применением в ядерной физике можно считать исследования А. А. Беккереля, который в 1896 обнаружил радиоактивность солей урана по вызываемому ими почернению фотопластинки. В 1910 японский физик С. Киношита [26] показал, что зёрна галогенида серебра обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла хотя бы одна ?-частица. В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками в Ленинграде изготовил пластинки с толщиной эмульсионного слоя 50 мкм и наблюдал с их помощью рассеяние ?-частиц на ядрах атомов, входящих в состав эмульсии. В 1930-х гг. было начато изготовление ЯФЭ со стандартными свойствами, с помощью которых можно было регистрировать следы медленных ?-частиц и протонов. В 1937--1938 гг. М. Блау и Г. Вомбахер (Австрия) и А. П. Жданов с сотрудниками (СССР) наблюдали в ЯФЭ расщепления атомных ядер, вызванные космическим излучением. В 1945--1948 гг. появились ЯФЭ, пригодные для регистрации слабоионизирующих (однозарядных релятивистских) частиц. Таким образом, метод ЯФЭ стал точным количественным методом ядерных исследований.

Ядерные фотоэмульсии были одним из самых первых трековых детекторов, использованных в физике высоких энергий. Создание современных ЯФЭ явилось большим научно-техническим достижением. По словам известного английского физика С. Пауэлла, «разработка улучшенных эмульсий как бы открыла новое окно в природу, через которое мы впервые увидели следы, странные и неожиданные, еще не известные физикам...». Всеобщее признание фотоэмульсионный метод получил после открытия р-мезона в 1947 по цепочке распада р ? ? ? e [26].

С 1945 по 1955 методом ЯФЭ были сделаны важнейшие открытия в физике элементарных частиц: зарегистрированы ?-мезоны (пионы) и последовательности распадов ? ? ? + ?, ? ? e + ? + ? в ЯФЭ, экспонированных космическим излучением, а также обнаружены ядерные взаимодействия ?-- и К--мезонов. С помощью ЯФЭ удалось оценить время жизни ?0-мезона (10-16 с), обнаружить распад К-мезона на 3 пиона, открыть ?-гиперон и обнаружить существование гипер-ядер, открыть -гиперон. Методом ЯФЭ был исследован состав первичного космического излучения [27]; кроме протонов, в нём были обнаружены ядра He и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe. Для увеличения скорости просмотра эмульсионных слоёв проводились гибридные эксперименты, где при измерении малых времён жизни ЯФЭ служили и мишенью, и вершинным детектором, а вслед за эмульсией располагался электронный детектор, который давал трековую информацию о нужном событии (целеуказание) [28]. Эта информация использовалась затем для нахождения примерного местоположения исследуемого события, что существенно облегчало поиск и позволяла быстрее завершить визуальную обработку ЯФЭ. Вершинная информация затем объединялась с информацией от электронного детектора, и, в результате, получалась полная картина события.

ЯФЭ отличается от обычной фотоэмульсии двумя особенностями: в ЯФЭ отношение массы галогенида серебра к массе желатины в 8 раз, а толщина слоя, как правило, в 10--100 раз больше, чем у обычной фотографической эмульсии. Толщина ЯФЭ, порой, достигает 1000--2000 мкм и более (стандартная толщина фирменных ЯФЭ -- 100 - 600 мкм).

Ядерная фотоэмульсия состоит из большого числа мелких кристаллов галоидного серебра сферической или кубической формы, распределённых в желатине. Линейные размеры кристаллов колеблются в пределах от ~0.1 до 1.0 мкм. Если эмульсия подвергается воздействию света или через неё пролетает ионизирующая частица, то в некоторых зёрнах возникают изменения структуры (дефекты) т.е, появляется скрытое изображение. После пропитывания эмульсии раствором специального восстановителя (проявителя), эти зёрна превращаются в частички металлического серебра. Основная функция желатины, входящей в состав эмульсии, состоит в том, что она образует некоторую трёхмерную основу, в которой распределяются кристаллы галоидного серебра и которая препятствует их смещению во время проявления и фиксирования. Желатина представляет собой сложное органическое вещество, способное поглощать значительные количества воды (при этом объем желатины может увеличиваться в 10 раз). Вода и различные соли могут диффундировать через набухшую желатину, тогда как кристаллы галоидного серебра, так же как и зёрна металлического серебра, замещающие их после проявления, остаются в фиксированном положении. Эти свойства желатины являются весьма существенными при регистрации следов в эмульсии и определяют беспрецедентно высокое (? 1мкм) пространственное разрешение фотоэмульсионных детекторов.

В ядерной физике ЯФЭ обычно используют в виде слоев, нанесённых на стеклянные или пленочные подложки. При исследовании частиц высоких энергий (на ускорителях или в космическом излучении) ЯФЭ часто укладывают в стопки из нескольких сотен слоев, что создаёт практически сплошную фоточувствительную массу. После экспозиции (перед обработкой) отдельные слои обычно наклеивают на стеклянные подложки. Положение слоев точно маркируется, благодаря чему, траекторию частиц прослеживают по всей стопке, переходя от слоя к слою. Достоинства метода ЯФЭ -- высокое пространственное разрешение (можно различать события и явления, отделённые расстояниями <1 мкм, что для релятивистской частицы соответствует временам пролёта <10-16 с). При этом возможно длительное накопление редких событий.

Заряженные частицы или электромагнитное излучение, связанное с ядерными реакциями (г-кванты), вызывают в ЯФЭ действие, аналогичное свету. Процесс проявления заметно усиливает первоначальный слабый эффект (скрытое фотографическое изображение), подробно тому, как лавинный разряд в газоразрядном детекторе или бурное вскипание пузырьков на треке частицы в пузырьковой камере многократно увеличивают слабые эффекты, связанные с начальной ионизацией, производимой заряженной частицей. Удельные потери энергии ядерных частиц достаточны для ионизации лежащих на их пути молекул зёрен галогенида серебра и, тем самым, создания в них дефектов, которые становятся центрами проявления. После проявления и фиксирования ЯФЭ, вдоль следа частицы образуется цепочка чёрных зёрен металлического серебра. Следы частиц наблюдают с помощью микроскопа.

Одной из наиболее примечательных характеристик ЯФЭ является высокая эффективность образования в толще желатины треков заряженных частиц, состоящих из цепочек зёрен серебра. Так, например, в эмульсии высокой чувствительности, однократно заряженные релятивистские частицы создают на 100 мкм следа 30--40 зёрен серебра [29]. Эти следы хорошо видны, если их рассматривать в микроскоп. Они различаются своей длиной, характеризующей путь, пройденный частицей. Так как нередко заряженная частица попадает в эмульсию, уже пройдя часть пути в воздухе (или в какой-либо другой среде), то её полный путь остаётся неизвестным. Поэтому обычно путь, пройденный частицей, измеряют в обратном направлении (от места, где частица остановилась) и называют остаточным пробегом. Остаточный пробег R частицы зависит от её заряда z, массы m и энергии T в данной точке траектории. Измерения, проведённые с протонами разных энергий, дали следующую зависимость Tp от Rp:

Здесь Tp измеряется в МэВ; Rp - в мкм (индекс р отвечает протонам), а б и n - постоянные коэффициенты: для стандартной ЯФЭ: б = 0.25, n = 0.58. Таким образом, измерив пробег протона, можно при помощи формулы (2.1) определить его энергию. Формула (2.1) легко обобщается на частицы любой массы m и заряда z:

Чем больше ионизирующая способность частицы (dT/dR), тем больше создаётся на её пути центров скрытого изображения и, следовательно, тем больше будет плотность зёрен g = dN/dR на соответствующем участке следа частицы:

Плотность зёрен g, т.е. среднее число зёрен на единицу длины трека (например, на длине 100 мкм), является второй важной характеристикой следа заряженной частицы. Для релятивистской однозарядной частицы эта плотность обычно составляет 30-40 зёрен на 100 мкм. Формула (2.3) показывает, что при известном z по значению плотности зёрен можно найти скорость частицы. Плотность зёрен g максимальна при R = 0, т.е. в конце пути частицы, и уменьшается с ростом скорости (остаточного пробега R) до одного и того же минимального значения gмин которое достигается при скорости частицы близкой к скорости света (лоренц-фактор г ? 4). Величина gмин зависит от заряда частицы z и имеет наименьшее значение для z = 1. Сравнивая кривые g(R) для двух частиц, можно найти отношение их масс. Легко показать, что:

,

где R1 и R2 - длины остаточных пробегов частиц с массами m1 и m2 с одинаковыми скоростями и зарядами, а N1 и N2 - полное число зёрен на этих остаточных пробегах. Из формулы (2.2) следует, что при равной энергии двух частиц (с одинаковыми зарядами) частица с меньшей массой имеет большую длину пробега. Очевидно, что это связано с большей начальной скоростью лёгкой частицы и, следовательно, с меньшей ионизирующей способностью.

Таким образом, измерение остаточного пробега частицы и подсчёт числа зёрен на её следе позволяют определить пройденный путь, направление движения (по градиенту плотности зёрен), массу и энергию частицы. Различие в следах частиц с разными зарядами столь существенно, что по виду следа во многих случаях удается оценить и заряд частицы.

Однако описанный метод пригоден только тогда, когда можно измерить остаточный пробег, т.е. когда частица в эмульсии останавливается. Для частиц, не останавливающихся в эмульсии понятие остаточного пробега, теряет смысл. В подобных случаях для анализа свойств частицы наряду с плотностью зёрен используется третья характеристика следа - степень его прямолинейности. Сравнение следов различных частиц показывает, что некоторые из них остаются прямолинейными практически до конца пути, другие же испытывают рассеяние и к концу пути он становится извилистым. Особенно это заметно для следов самых лёгких заряженных частиц - электронов, которые к концу пути в эмульсии начинают описывать причудливые траектории. Для более тяжёлых частиц эффект искривления траектории также имеет место, однако в гораздо меньшей степени, так что для измерения пробега требуются специальные методы. Описанное явление объясняется многократным кулоновским рассеянием, испытываемым заряженной частицей при её прохождении через вещество. При каждом акте рассеяния частица несколько изменяет направление своего движения, так что для достаточно большого пробега суммарное отклонение от первоначального направления может оказаться довольно значительным. Средний угол отклонения и (в градусах) при многократном рассеянии в эмульсии равен:

,

где x - длина (в мкм) отрезка траектории, на котором измеряется угол; p - импульс (pвc измеряется в МэВ). Из формулы (2.5) следует, что из двух заряженных частиц с разными массами и одинаковыми скоростями тяжёлая будет испытывать меньшее рассеяние, чем лёгкая. Сопоставление среднего угла и многократного рассеяния, зависящего от массы и скорости, с плотностью зёрен g, являющейся функцией только скорости, даёт второй способ определения массы и энергии частицы. Этот способ сравнения масс частиц с одинаковым зарядом особенно ценен тем, что он, как уже указывалось выше, применим и в тех случаях, когда исследуемая частица не остановилась в эмульсии и, следовательно, её остаточный пробег не известен.

Зависимость сечения образования д-электронов от заряда ионизирующей частицы позволяет определить его методом подсчёта числа д-электронов Nд на единице длины пути частицы с массой M и энергией T в веществе. Число д-электронов с энергией в интервале от Temin до Temax равно:

,

где ne - концентрация электронов в среде, а Temax равно:

.

Ядерные фотоэмульсии могут быть помещены в магнитное поле. При этом траектория заряженных частиц перестаёт быть прямолинейной. Под действием силы Лоренца частицы движутся по круговой или спиральной траектории вокруг направления магнитного поля. Радиус кривизны траектории частицы определяется напряжённостью магнитного поля и компонентой импульса частицы, перпендикулярной направлению поля. При этом направление отклонения зависит от знака заряда частицы. Ввиду эффекта многократного рассеяния измерение отклонения частицы непосредственно в эмульсии связано с большими трудностями и возможно только в сильных магнитных полях. Вместо этого обычно применяют метод нормального падения: частицы отклоняются магнитным полем при их движении в воздухе или в вакууме, а фотоэмульсионные слои используются для регистрации направления движения этих частиц до и после прохождения магнитного поля. Угол и поворота траектории частицы с зарядом e и импульсом p в магнитном поле H равен:

,

где x - длина отрезка траектории, на котором измеряется угол поворота.

Возможность проводить экспозиции в отсутствие экспериментатора, надёжность, энергонезависимость, незначительные размеры и вес ЯФЭ позволяют использовать её как в экспериментах по физике космических лучей на спутниках и стратосферных аэростатах, так и в ускорительных экспериментах. Кроме того, из-за своей простоты, дешевизны, и наглядности эмульсионные детекторы имеют большие преимущества перед другими системами детектирования, особенно при изучении реакций, для которых характерны сложные топологии распадов, а также для прямого детектирования частиц с малыми временами жизни (до 10-16 с). Применение ЯФЭ особенно полезно при изучении процессов с очень малыми поперечными сечениями, когда электронные методы неприменимы из-за своей низкой эффективности.

Таблица 2. Эксперименты, использующие большие объёмы ЯФЭ [30-32].

Ядерная фотоэмульсия используется в физике частиц на протяжении уже многих десятилетий. Столь продолжительная долговечность метода, безусловно связана с уникальным пространственным разрешением и возможностью разделения близких треков частиц. Ни один из известных детекторов элементарных частиц не может обеспечить пространственное разрешение, которое даёт эмульсия: отклонение от восстановленной траектории движения частицы, в среднем, не превышает 0.8 мкм, а при определённых условиях может быть уменьшено до 0.2 мкм. Использование двухсторонней эмульсии позволяет определять углы прилёта частицы с погрешностью менее 1 мрад. Отсутствие возможности управления ЯФЭ в гибридных экспериментах частично компенсируется системой целеуказания, когда местонахождение вершины взаимодействия или отдельного трека можно предсказать, используя информацию от разного рода электронных детекторов. Анализируя траектории продуктов реакции, можно реконструировать кинематику исследуемой реакции, определить энергии и углы вылета всех частиц, а следовательно, получить полную информацию, необходимую для определения дифференциальных сечений исследуемых реакций.

ЯФЭ широко используются в целом ряде экспериментов проводимых физиками Европы, Америки, Азии. Самые крупные из них могут содержать тонны ЯФЭ, что соответствует тысячам квадратных метров поверхности эмульсии (Таблица 2).

2.2 Существующие методы автоматизированного сканирования ядерных фотоэмульсий

При многих своих очевидных преимуществах фотоэмульсионный метод имеет и серьёзный недостаток. Его применение связано с тяжёлым и изнурительным трудом при нахождении нужных треков и проведении измерений их параметров в ЯФЭ. Вплоть до последнего времени эта работа выполнялась визуально на оптических микроскопах с большим увеличением и с применением иммерсионного масла, что требовало привлечения высококвалифицированного и хорошо обученного персонала. При этом скорость измерений оказывалась невысокой, что определяло низкую статистику обработанных событий. Кроме того, получаемые результаты с трудом поддавались проверке на возможные ошибки, возникающие в процессе обработки экспериментального материала. Эта проблема в значительной мере была решена благодаря прогрессу, достигнутому в последние годы в производстве оптических столов с высокой точностью перемещения, возможностью компьютерного управления, а также широкому применению современных CCD- и CMOS-видеокамер для оцифровки оптических изображений, и вычислительным возможностям современных компьютеров. Всё это позволило осуществить полную автоматизацию труда микроскопистов и ускорить процесс обработки материала приблизительно на три порядка, по сравнению с его длительностью при использовании полуавтоматических микроскопов [29]. По мере роста масштаба применения ЯФЭ в современных экспериментах необходимость использования компьютерной автоматизации и разработки специализированных комплексов становилась всё более и более очевидна.

Впервые задача автоматической оцифровки больших массивов трековой информации возникла ещё в 1960-е годы при обработке снимков пузырьковых камер, экспонированных в пучках ускорителей высокой энергии [33]. Однако автоматизированная обработка треков в ЯФЭ значительно более сложна и имеет следующие особенности.

Изображения следов в ЯФЭ представляют собой микрофотографии, требующие большого увеличения, т.е. применения микроскопов и, следовательно, прецизионной (субмикронной) точности сканирования.

Изображения треков в ЯФЭ представляют собой не плоские, а пространственные объекты.

При работе c ЯФЭ приходится прослеживать прохождение следов из одного слоя эмульсии в другой, т.е. «сшивать» изображения следов в разных слоях.

Фоновые условия при сканировании следов в ЯФЭ значительно тяжелее, чем на снимках пузырьковых камер.

Необходимо учитывать усадку ЯФЭ, которая может меняться от слоя к слою.

Поэтому обработка трековой информации в ЯФЭ имеет свою особую специфику и на нее невозможно перенести методы, разработанные для пузырьковых камер.

Первая полностью автоматизированная сканирующая система была создана в Нагойя (Япония) [34-36] в 1982 г. Она состояла из микроскопа, столик и объектив которого приводились в движение специальными моторами, управляемыми компьютером; быстрой CCD-камеры и специального оборудования Track Selector (TS) для обработки.

Рис. 2.1 Алгоритм работы Track Selector.

Алгоритм работы TS, разработанный профессором Нива в 1974 г. [37], прост (Рис. 2.1):

1. В память загружаются 16 изображений, снятых с шагом по глубине 5 мкм.

2. Изображения сдвигаются друг относительно друга в соответствии с заданными углами цx и цy. , отсчитываемыми от вертикальной оси z в плоскостях XZ и YZ.

3. Область перекрытия изображений суммируется попиксельно.

4. Для отделения треков от фона из гистограммы, полученной в п. 3, вычитается пороговое значение, разделяющее треки и фон.

Таким образом, за один цикл работы TS находит треки, идущие под заданными углами цx и цy. Повторение операции для других значений углов позволяет найти все интересующие экспериментатора треки.

Первым примером полномасштабного применения системы TS стала обработка данных эксперимента CHORUS [36]. Последующая модернизация применительно к экспериментам DONUT и OPERA позволила существенно увеличить скорость обработки ЯФЭ (Таблица 3). При этом алгоритм поиска треков остался неизменным. Эффективность поиска треков с помощью системы TS в эмульсии эксперимента CHORUS составляет 98.5% [34].

Рис. 2.2

Вверху: Внешний вид японской автоматизированной сканирующей системы (слева) и платы распознавания треков в эмульсии SUTS (справа). Внизу: Внешний вид сканирующего комплекса в лаборатории Гран-Сассо, Италия.

Обладая чрезвычайно высоким быстродействием и высокой эффективностью распознавания треков, система, TS имеет вместе с тем и существенный недостаток: при изменении условий эксперимента, и/или характеристик эмульсии требуется дорогостоящая разработка и изготовление нового процессора. В отличие от этого, в автоматизированных системах для обработки трековых детекторов, используемых в Европе, основная часть обработки изображения выполняется специальным программным обеспечением, что делает эти системы более гибкими в смысле адаптации к различным условиям задач.

Таблица 3. Развитие японской системы Track Selector для автоматизированного сканирования ЯФЭ.

«Европейская Сканирующая Система» (ESS) [38-42] (рис. 2.2), разработанная в рамках эксперимента OPERA, использует коммерчески доступное оборудование. Она включает в свой состав микроскоп, управляемый персональным компьютером, CMOS-видеокамеру Mikrotron MC1310, а также специализированную плату регистрации и обработки Matrox Odyssey XPro. Программное обеспечение написано на языке C++ и оптимизировано для работы в многопроцессорных вычислительных системах для одновременного выполнения нескольких различных задач (потоков):