Исследование и разработка информационно-измерительной системы мюонного томографа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Плотников, Иван Сергеевич

• Плотников, Иван Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Плотников, Иван Сергеевич

Содержание

Список условных обозначений и сокращений

Введение

Глава 1. Физические принципы функционирования и элементы мюонного томографа

1.1 Структура мюонного томографа

1.1.1 Система трековых детекторов мюонного томографа

1.1.2 Высоковольтный источник питания БПВ-5

1.1.3 Усилитель сигналов с дрейфовых трубок иБТК-8

1.1.4 Модуль регистрации сигналов У-12

1.1.5 Модуль управления регистрирующей электроникой V-13

1.1.6 Одноплатный компьютер 025

1.2 Трековые детекторы

1.3 Поток мюонов

1.4 Программное обеспечение экспериментальных установок в физике высоких энергий

1.4.1 Цели и задачи системы сбора данных

1.4.2 Структура системы сбора данных

1.4.3 Система мониторирования, контроля и визуализации

1.4.4 Средства взаимодействия процессов, модулей

1.5 Постановка задачи разработки информационно-измерительной

системы мюонного томографа

Выводы по главе 1

Глава 2. Методы регистрации сигналов и обработки данных в задачах мюонной томографии

2.1 Взаимодействие мюона с веществом

2.2 Рабочего напряжение газонаполненных трековых детекторов

2.3 Усиление, формирование и регистрация сигнала

2.4 Триггерный и бестриггерный режимы регистрации сигналов

2.5 Принципы реконструкции треков

Выводы по главе 2

Глава 3. Выбор и формирование алгоритмов обработки и реконструкции данных

3.1 Алгоритм сбора данных

3.2 Алгоритм определения рабочего высокого напряжения

3.3 Алгоритм кластеризации

3.4 Алгоритм распознавания треков

3.5 Реконструкция треков и томографического изображения

Выводы по главе 3

Глава 4. Разработка информационно-измерительной системы мюонного томографа

4.1 Архитектура программного обеспечения

4.2 База данных экспериментов

4.3 Графический интерфейс программного обеспечения

4.4 Реализация подсистемы контроля работы мюонного томографа

4.5 Экспериментальное исследование возможности обнаружения различных объектов мюонным томографом

4.5.1 Сцена с свинцовым блоком

4.5.2 Сцена контейнера с обедненным ураном в свинцовой обкладке

4.5.3 Сцена имитации строительной конструкции с полостью

4.5.4 Сцена с скрытым объектов под стальными трубами

4.5.5 Сцена с скрытым объектом под массивной стальной защитой. 127 Выводы по главе 4

Заключение

Список литературы

Список условных обозначений и сокращений

FIFO First-In-First-Out, способ организации и манипулирова-

ния данными, в котором элементы вычитывают-ся/обрабатываются в порядке очереди поступления VME VersaModule Eurocard bus - стандарт на компьютерную

шину

АЦП Аналого-цифровой преобразователь

БД База данных

ВЦП Время-цифровой преобразователь

ДТ Дрейфовая трубка

ИИС Информационно-измерительная система

КИ Космическое излучение

МИСС Многоканальная информационная скоростная (быстро-

действующая) система ПЛИС Программируемая логическая интегральная схема

ПО Программное обеспечение

ССД Система сбора данных

ФГБУ ГНЦ Федеральное государственное бюджетное учреждение

ИФВЭ Государственный научный центр Российской Федера-

ции - Институт физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» ЭВМ Электронно-вычислительная машина

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка информационно-измерительной системы мюонного томографа»

Введение

Каждую минуту горизонтально лежащую на поверхности Земли площадку 1x1 см , пересекает ~1 мюон космического происхождения. Поток этих мюонов практически равномерный, с незначительной зависимостью от географической широты и небольшими сезонными вариациями. Их средняя энергия составляет -4 ГэВ с максимумом спектра ~2 ГэВ. Угловое распределение пропорционально cos (0), где 9 - зенитный угол.

Большая проникающая способность (-1.8 м стали при импульсе 3 ГэВ/с) космических мюонов позволяет использовать их в качестве источника для радиографии1 крупногабаритных объектов, а угловое распределение космических мюонов на поверхности Земли дает возможность осуществлять и томографию2.

Одна из первых попыток [1] применения космических мюонов для радиографии датируется 1955 г., когда при помощи счетчиков измерялось ослабление вертикального потока мюонов с целью проверки толщины пород над горной выработкой. В 1965 г. JI. Альварец предложил [2] исследовать внутреннюю структуру (поиск неизвестных погребальных камер) пирамиды Хефрена в Гизе путем измерения потока космических мюонов, проходящих под разными углами через пирамиду. В качестве детекторов использовались искровые камеры (4 м2, угловое разрешение -3°). И хотя скрытых полостей в пирамиде не обнаружили [3], была экспериментально подтверждена возможность использования данного метода для исследования крупномасштабных объектов.

За прошедшие десятилетия накоплен богатый опыт применения космических мюонов для радиографии археологических [4-6], геологических [7-11] (в частности, канала магмы действующего вулкана) объектов,

1 Радиография — неразрушающий метод контроля, основанный на «просвечивании» объекта понтирующим (иногда н нейтронным) излучением и регистрации прошедшего через объект этого излучения.

2 Томография — метод радиографии, позволяющий реконструировать послойную структуру объекта посредством его многократного просвечивания в пересекающихся направлениях.

отмечены перспективы контроля строительных сооружений [12-14]. Приведенный список работ ни в коей мере не претендует на полноту и представлен только для иллюстрации многообразия возможностей радиографии с помощью космических мюонов.

Следует отметить, что большинство упомянутых применений космических мюонов для радиографии основывались на измерении поглощения (ослабления) потока. Интерес к этой теме заметно вырос после 2003 г., когда группа из Лос-Аламоса продемонстрировала томографические изображения объектов из материалов с большим зарядом ядра, полученные на основе эффекта многократного кулоновского рассеяния космических мюонов, и отметила перспективность метода. контроля за несанкционированным перемещением ядерно-активных материалов. Метод базируется на том, что среднеквадратичный угол рассеяния мюонов после прохождения слоя материала зависит от радиационной длины этого материала (рис. 1).

"О

г

Е

о"

Рис. 1 - Зависимость среднеквадратичного отклонения угла рассеяния мюона с импульсом

2 ГэВ/с от толщины материала

Послойное сканирование (томография) позволяет не только зарегистрировать наличие в исследуемом объеме материалов с большим Ъ, но и провести их классификацию по группам: 1 — С, А1, БЮ2; 2 — Бе, N1, Си; 3

— Pb,W,U.

После первых экспериментальных подтверждений [15—17] возможности получения томографического изображения объектов из материалов с большим Z путем измерения рассеяния космических мюонов появились другие работы [18-22]. Самая масштабная работа выполнена в Италии, в национальном институте ядерных исследований (на итальянском - Istituto Nazionale di Física Nucleare, INFN) [20] - создан мгаонный томограф с

о

рабочим объемом 11.5 м на основе мюонных камер CMS (Compact Muon Solenoid). Количество работ, посвященных моделированию этого метода применительно к разным координатным детекторам, разработке алгоритмов обработки изображений с таких установок и стратегии их применения, исчисляется уже десятками.

В опытных установках было продемонстрировано, что томография на основе естественного потока космических мюонов способна обнаружить 10-сантиметровый свинцовый куб, замаскированный в двигателе автомобиля или в транспортном контейнере, что невозможно сделать при помощи рентгеновского сканирования. Decision Science Corporation [23] и Jloc-Аламосская Национальная Лаборатория (Los Alamos National Laboratory, LANL) заключили соглашение о разработке коммерческой системы мюонной томографии с целью предотвращения контрабанды ядерноактивных материалов и обеспечения безопасности страны. Экономический кризис 2008 года затормозил этот амбициозный проект, но работы в этом направлении продолжаются. Агентства по обеспечению национальной безопасности других стран также проявляют интерес к развитию мюонной томографии, например:

• Канада - проект CRIPT (Cosmic Ray Inspection and Passive Tomography) [24,25];

• Англия - проект CREAM-TEA (Cosmic Ray Extensive Area Mappinf for Terrorism Evasion Application) [26].

Актуальность борьбы с угрозой терроризма подогревает интерес к разработке в этой области. К настоящему времени можно считать принципиально доказанной возможность мюонной томографии обнаруживать контрабанду ядерноактивных материалов в количествах, достаточных для изготовления ядерных зарядов. Дальнейшее развитие метода переводится в область практической реализации, где можно выделить несколько ключевых моментов:

1) создание эффективных трековых детекторов достаточно большой площади;

2) разработка электронной аппаратуры;

3) развитие программного обеспечения.

В арсенале физики высоких энергий существует много трековых детекторов, обеспечивающих требуемую координатную точность и пригодных для целей мюонной томографии. Этот широкий спектр детекторов ограничивается условиями эффективности и практичности. Имеется в виду стоимость изготовления самого детектора с площадью до нескольких 10 м , обеспечивающего угловое разрешение порядка 1 мрад, потребное число электронных каналов, эксплуатационные расходы и т.п., что хорошо описывается англоязычным термином - «cost effective detector».

Система сбора данных (ССД) трековых детекторов, их контроль и управление хорошо развиты в экспериментах физики высоких энергий. Для целей мюонной томографии необходимо адаптировать и модернизировать такие системы, как в аппаратной части, так и в программной. Например, в экспериментах на ускорителях системы сбора данных и системы управления состоянием детекторов, источников питания, системы «медленного контроля», как правило, разделены. Для мюонной томографии это не приемлемо, программное обеспечение должно объединить, как прием данных, так и управление источниками питания, и контроль над состоянием установки.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка информационно-измерительной системы мюонного томографа. Для достижения цели диссертационной работы необходимо:

1. Исследовать программно-аппаратные комплексы установок в физике высоких энергий, в состав которых входит система трековых детекторов.

2. Рассмотреть существующие системы сбора данных и их режимы работы, осуществить выбор для реализации в информационно-измерительной системе мюонного томографа и обосновать его.

3. Разработать архитектуру информационно-измерительной системы мюонного томографа, включающую цифровую подсистему сбора данных, обработки и хранения информации, контроля и управления мюонным томографом.

4. Предложить и реализовать методы и средства контроля работы информационно-измерительной системы.

5. Осуществить разработку алгоритма автоматического определения рабочего напряжения, подаваемого на сигнальные проволоки дрейфовых трубок трековых детекторов. Разработать алгоритмы обработки данных.

6. Реализовать программное обеспечение на основе предложенных методов и алгоритмов. Осуществить разработку графического интерфейса программного обеспечения и программных модулей визуализации данных.

7. Провести экспериментальные исследования возможности мюонного томографа обнаружения объектов в различных сценах.

Основным результатом данной работы является действующая информационно-измерительная система, позволяющая использовать мюонный томограф по его целевому назначению.

Достоверность полученных результатов обусловлена работоспособностью информационно-измерительной системы, программное обеспечение которой разработано с применением современных методов программирования, а таюке использованием основных алгоритмов и принципов реализаций аналогичного программного обеспечения. Наряду с этим, достоверность подтверждается результатами данных, полученных в ряде экспозиций, проведенных с целью исследования возможностей мюонного томографа.

Научная новизна заключается в разработке мюонного томографа с рабочим объемом 19,8 м , система сбора данных которого работает в бестриг-герном режиме. Применение дрейфовых камер без дополнительных триггер-ных детекторов является оригинальным новаторским приемом. Такой подход практически не применяется в экспериментах физики высоких энергий. Данная отличительная особенность мюонного томографа, разработанного в ИФВЭ, позволила существенно сократить его стоимость, не нужно было создавать несколько плоскостей из сцинтилляционных счетчиков с площадью 9 м2.

С целью выделения информации о треках мюонов из общего массива данных был разработан оригинальный алгоритм кластеризации. Реализованная система сбора данных состоит из модулей время-цифровых преобразователей, впервые разработанных в ГНЦ ИФВЭ на базе микросхемы программируемой логики фирмы Altera, с временным разрешением 1 не. Для взаимодействия с модулями системы сбора данных был разработан соответствующий программный код.

Разработан метод визуального контроля. Этот метод основывается на выделение трубок, через которые прошла частица, в графическом представлении проекций трековых детекторов, что позволяет производить общий контроль работоспособности мюонного томографа и качественный сбор данных с регистрирующих модулей.

Практическая значимость работы определяется:

• актуальностью разработки мюонного томографа, реализация которого невозможна без создания соответствующей информационно-измерительной системы;

• реализованной цифровой подсистемой сбора данных, осуществляющей регистрацию сигналов в бестриггерном режиме;

• объектно-ориентированной архитектурой программного обеспечения, которая позволяет использовать алгоритмы, классы, методы, а также саму архитектуру в аналогичных задачах с применением дрейфовых детекторов.

• модульностью ПО, которая позволяет производить быструю модификацию приложения для использования новой или измененной аппаратной части системы сбора данных;

• проведенными многочисленными эксперименты в ходе исследования возможностей мюонного томографа.

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту:

• информационно-измерительная система мюонного томографа;

• реализация цифровой подсистемы сбора данных, работающей .в бестриггерном режиме регистрации сигналов;

• процедура автоматического определения рабочего напряжения, подаваемого на дрейфовые камеры;

• реализация системы контроля работы мюонного томографа;

• методы визуализации данных.

Личный вклад автора. Автор разработал архитектуру информационно-измерительной системы, программного обеспечения. Весь цикл разработки программного обеспечения выполнен лично соискателем. Из всех работ, выполненных в соавторстве, в диссертацию включены положения и результаты, полученные при определяющем участии соискателя.

Апробация результатов диссертации. В диссертации изложены результаты исследований, выполненных автором в 2009-2013 гг. в Федеральном Государственном Бюджетном Учреждение Государственном Научном Центре Российской Федерации Институт Физики Высоких Энергий (ФБГУ ГНЦ ИФВЭ). Они были доложены:

• на семинарах отдела экспериментальной физики ФБГУ ГНЦ ИФВЭ;

• на конференции IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging, Испания, Валенсия, 2011 г. [27];

• на 2nd Symposium on Enhanced Detection of Special Nuclear Materials, Лондон, 2012 г.;

• на международной сессии-конференции секции ядерной физики ОФН РАН, Протвино, 2013 г. [28, 29].

Публикации. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертацию [30-34], опубликованы в научных журналах, включенных в перечень ВАК, из них [30] и [34] - в журнале, представленном в базе цитирования Scopus. В 2012 году был получен патент на полезную модель «Мюонный томограф» № 122191, дата выдачи 21.11.2012. В 2013 году получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013660925, дата регистрации 25.11.2013.

Мюонный томограф разрабатывался в рамках контракта с государственной корпорацией по атомной энергетике «Росатом» контракт №H.4f.45.03.09.1030 от 05.03.2009, № H.4f.45.03.10.1031 от 15.01.2010, № Н.4е.45.90.11.1070 от 10.03.2011 «Разработка нового поколения детекторов ионизирующего излучения, систем противодействия терроризму. (Разработка и испытания методики детального исследования объектов при помощи космических мюонов)».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, и списка литературы. Работа изложена на 142 страницах. Она содержит 64 рисунка, 7 таблиц. Список литературы имеет 109 наименований.

В первой главе дано назначение мюонного томографа и его принципы функционирования. Описывается конструкция мюонного томографа, изготовленного в ФБГУ ГНЦ ИФВЭ, и составляющие элементы. Рассмотрен интегральный поток мюонов на поверхности Земли и причины, влияющие на его изменение.

Проведен анализ существующих трековых детекторов, которые в принципе могут быть использованы и используются для целей мюонной томографии. В рамках анализа рассматриваются технические характеристики детекторов, и производится оценка их стоимости изготовления. Обосновывается выбор дрейфовых камер, изготовленных из дрейфовых трубок, в качестве трековых детекторов в детектирующей системе.

Рассмотрены программно-аппаратные комплексы экспериментальных установок в физике высоких энергий, архитектуры программного обеспечения, средства взаимодействия между модулями.

Вторая глава содержит информацию о взаимодействии мюонов с веществом, на котором основывается метод обнаружения объектов из вещества с большим зарядом ядра мюонной томографией.

Рассмотрены физические процессы, протекающие в дрейфовых камерах при прохождении заряженных частиц через них, и формирование сигнала на сигнальных проволоках детектора. Также освещены моменты обработки сигнала, считываемого с детекторов, заключающиеся в усилении, дискретизации и его регистрация.

Во второй главе представлены возможные режимы работы систем сбора данных с трековых детекторов. Обосновывается выбор бестриггерного режима регистрации сигналов, в подсистеме сбора данных разработанной информационно-измерительной системы.

Обоснована важность использования процедуры автокалибровки, целью которой является получения различных параметров, необходимых для дальнейшей обработки данных. Рассмотрены методы реконструкции треков в детекторах и изображений в мюонной томографии.

Третья глава диссертационной работы посвящается алгоритмам обработки данных, считанных из модулей регистрации сигналов. Выбор бестриг-герного режима регистрации сигналов накладывает дополнительный этап обработки потока данных, называемого кластеризацией. Он заключается в предварительном отборе сигналов - кандидатов в сигналы трека, из которых на следующем этапе отбираются сигналы трека.

Предложен алгоритм определения рабочего высокого напряжения, подаваемого на детекторы мюонного томографа во время сбора данных. Данный алгоритм позволил полностью автоматизировать данную процедуру, которая занимает порядка 3 часов.

Разработан алгоритм кластеризации, необходимый для выделения трековой информации из данных, в случае если система сбора данных осуществляет регистрацию сигналов в бестриггерном режиме. Предложен локальный алгоритм распознавания треков и описан метод проверки принадлежности частей проекций трека из разных дрейфовых камер к одному треку.

В этой главе также описаны алгоритмы реконструкции треков и томографических изображений, используемые в мюоном томографе, разработанном в ФГБУ ГНЦ ИФВЭ.

Четвертая глава посвящена реализации программного обеспечения информационно-измерительной системы мюонного томографа и проведенным экспериментам.

Указаны средства разработки, которые были использованы при реализации программного обеспечения. Описаны программные модули, предназначенные для контроля работы информационно-измерительной системы, основывающиеся, в том числе и на визуализации данных. Продемонстрирован графический интерфейс разработанного ПО. Описаны

реализованные инструменты контроля работы мюонного томографа и сбора качественных данных.

Представлены результаты некоторых проведенных экспериментов, цель которых была исследование возможности мюонного томографа обнаруживать объекты из различных материалов. Была исследована возможность обнаружения объектов под толщью стали 30 см, в защитном контейнере. В одной из сцен имитировалась строительная конструкция с полостью.

В заключение приведены основные выводы диссертационной работы.

Глава 1. Физические принципы функционирования и элементы мюонного томографа

Мюонный томограф предназначен для обнаружения объектов из материалов с большим зарядом ядра. Помимо этого отмечена перспективность использования мюонного томографа для обнаружения полостей и неодно-родностей в больших объемах, в т.ч. в больших строительных конструкциях.

Уникальность мюонной томографии заключается в возможности оперативного обнаружения несанкционированного перемещения ядерноактивных материалов в транспортных средствах и больших контейнерах, используемых для грузоперевозок. Благодаря большой проникающей способности космических мюонов томограф способен обнаружить объекты замаскированные даже под толщей стали 30 сантиметров, что невозможно сделать при помощи рентгеновского сканирования.

Важным моментом является и то, что используются мюоны космического происхождения, в связи с этим не оказывается разрушающего воздействия на обследуемые объекты и сам факт обследования не может быть зафиксирован.

Метод мюонной томографии базируется на том, что среднеквадратичный угол рассеяния мюонов после прохождения слоя материала зависит от радиационной длины этого материала. Информация о направлении полета мюона на входе в исследуемый объект и на выходе из него позволяет установить область вероятного рассеяния. Наибольшая вероятность достигается в областях с минимальной радиационной длиной (в областях с максимальной плотностью и максимальным атомным номером). Экспозиция объекта в течение определенного времени позволяет облучить его мюонами, проходящими в разных точках объекта под разными углами. Таким образом, может быть построена трехмерная картина распределения областей с разными радиационными длинами внутри объекта.

Из вышеизложенного ясно, что исследование структуры объекта предполагает наличие определенной трековой системы, которая позволяет восстанавливать мюонные треки на входе в объект и на выходе из него. Данная система должна обеспечивать реконструкцию треков с высокой точностью, поскольку от этого зависит минимальный размер и перепад радиационных длин структур внутри объекта, доступных для обнаружения.

Принципиальная схема томографии с космическими мюонами приведена на рис. 1.1. Схема содержит два позиционно-чувствительных детектора, в пространстве между которыми (назовем его обследуемым объемом) может находиться испытуемый предмет. Трековые детекторы обеспечивают измерение треков мюонов до и после контролируемого объема.

Так как подавляющее число частиц, достигающих поверхности Земли -мюоны, то не возникает необходимости в идентификации частиц космического излучения.

Рис. 1.1 - Принципиальная схема мюонной томографии

1.1 Структура мюонного томографа

Созданный в ГНЦ ИФВЭ мюонный томограф, фотография которого представлена на рис. 1.2, состоит из системы дрейфовых камер, смонтированных в каркасе, и информационно-измерительной системы.

Рис. 1.2- Фотография мюонного томографа, построенного в ГНЦ ИФВЭ

На рис. 1.3 представлена структурная схема информационно-измерительной системы мюонного томографа. Основными элементами являются детекторы, корзина с УМЕ электроникой и МИСС [35], а также управляемый высоковольтный источник питания. Информационно-измерительная система осуществляет регистрацию сигналов на дрейфовых трубках координатных детекторов, сбор данных с модулей, регистрирующих сигналы на

дрейфовых трубках, управление основными узлами системы, контроль над их работой, позволяющий осуществлять сбор качественных данных.

Цифровая подсистема сбора данных мюонного томографа состоит из электронной аппаратуры, реализованной в стандарте VME-9U [36], и соответствующего программного обеспечения. Электроника включает в свой состав:

• Одноплатный VME компьютер 025;

• 18 модулей 128-канальных ВЦП типа V-12;

• модуль V13, используемый для выработки управляющих сигналов по команде от ЭВМ.

Кроме того, в подсистеме сбора данных используются вспомогательные модули разветвителей логических сигналов и преобразователей уровней.

V-12

V-13

025

Высоковольтный источник питания

СОМ/USB порт

Рис. 1.3

- Структурная схема информационно-измерительной системы мюонного томографа

1.1.1 Система трековых детекторов мюошюго томографа

Система трековых детекторов мюонного томографа состоит из 16-ти идентичных однопроекционных дрейфовых камер площадью 3x1.5 м каждая. Камеры попарно состыкованы (без зазора), образуя 8 плоскостей площадью 3x3 м . Эти координатные плоскости разделены на 2 блока — верхний и нижний, по 4 плоскости в каждом блоке с чередующейся измеряемой проекцией трека (X, У, X, У, см. рис. 1.4). Камеры смонтированы в каркасе из стального швеллера, предусмотрена возможность их юстировки. В горизонтальной плоскости камеры выставлены по уровню с разрешением 50 мкм/м, относительное смещение одноименных проекций <100 мкм. В промежутке между двумя блоками камер (-2.2 м по высоте) размещаются тестовые предметы, их перемещение осуществляется при помощи платформы с электроприводом, установленной на специальные направляющие. Грузоподъемность платформы до 1000 кг.

Каждая камера состоит из 144 дрейфовых трубок, склеенных в 3 ряда, по 48 трубок в ряд. Средний ряд смещен (см. рис. 1.4) на половину диаметра трубки. Расстояние между центрами любых двух соседних трубок в камере (а также в плоскости) составляет 30.035 мм. Дрейфовая трубка представляет собой тонкостенный алюминиевый цилиндр длиной 3 м, диаметром 30 мм и толщиной стенки 0.4 мм. С двух сторон трубка закрыта пробками, между которыми натянута сигнальная проволока (97%\У+3%Ке, диаметр 0.05 мм, натяжение 350 г). Более подробно с конструкцией трубки можно ознакомиться в работе [37], а технология склейки дрейфовых камер описана

о

в [38]. Дрейфовая трубка заполняется газовой смесью Аг/СОг = 93/7 под избыточным давлением порядка 0.1 атм.

3 Камеры могут работать с любой газовой смесыо при рабочем напряжении <3 кВ

Вид сберху

ЕР

288U

Оч"

сэ

Вид А

iY

3Y

2Y

1Y

Вид В

а

зх

2Х

1Х

Рис. 1.4 - Схема расположения камер в томографе

1.1.2 Высоковольтный источник питания БПВ-5

Дрейфовые камеры в работоспособном состоянии осуществляют регистрацию сигналов при подачи на них напряжения. Для этого в мюоном томографе в качестве высоковольтного источника питания используется БПВ-5 (рис. 1.5) [39]. БПВ-5 позволяет производить регулировку напряжения по командам от компьютера, а также вручную, отображая выходные значения тока и напряжения на жидкокристаллическом дисплее. Высоковольтный источник питания подключается к компьютеру через последовательный порт, либо через USB посредством переходника. На лицевой стороне находится дисплей, отображающий текущее напряжение и ток, регуляторы, СОМ-порт, световой индикатор передачи данных через СОМ-порт и кнопка включения/выключения.

Прибор работает в двух режимах стабилизации выходных параметров:

• режим стабилизации по току;

• режим стабилизации по напряжению.

Режим выбирается автоматически по приоритету меньшего значения.

Технические характеристики:

• максимальное значение выходного напряжения - 3 кВ;

• максимальное значение выходного тока - 999 мкА;

• дискретность измерения выходного напряжения - 15 В;

• дискретность измерения выходного тока - 4 мкА.

Рис. 1.5 - Фотография высоковольтного источника питания БПВ-5

1.1.3 Усилитель сигналов с дрейфовых трубок иБТК-8

Усиление сигналов с дрейфовых трубок производится 8-канальным усилителем (рис. 1.6), изготовленный на базе интегральной схемы "ОКА-1М" [40, 41]. Микросхема разработана с использованием сверхвысокочастотной малошумящей Вь]РЕТ технологии, позволяющей производить п-р-п-транзисторы с граничной частотой >3 ГГц. Интегральные схемы были изготовлены в пластмассовом С)РР48 и керамическом Н 16.48-1 в корпусах.

Интегральная схема "ОКА-1М" включает 8 каналов зарядочувствительных усилителей-формирователей-дискриминаторов.

Обработка сигнала заключается в преобразовании короткого токового импульса в напряжение и регистрации превышения сигналом заданного порога.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Плотников, Иван Сергеевич, 2014 год

Список литературы

[1] Е.Р. Georges. Cosmic rays measure overburden of tunnel // Commonwealth Engineer, 1955. -pp. 455-457.

[2] L.W. Alvarez, Lawrence Radiation Laboratory, Physics Note 544, 1965.

[3] L.W. Alvarez, J.A. Anderson, F.E. Bedwei, J. Burkhard et al. Search for Hidden Chambers in the Pyramids using Cosmic Rays // Science, Vol. 167, Issue 3919, 1970. - pp. 832-839.

[4] The Maya Muon Group, A detector for muon tomography // Design report, 2004.

[5] M. Basset, S. Ansoldi, M. Bari, R. Battiston et al. MGR: An innovative, low-

1 4 ' . i. >,

cost and compact cosmic-ray detector // Nucl. Inst. Meth. A567, 2006. - pp. 298301.

[6] M. Menichelli, S. Ansoldi, M. Bari, M. Basset et al. A scintillating fibres tracker detector for archaeological applications // Nucl. Inst. Meth. A 572, 2007. - pp. 262265.

[7] K. Nagamine, M. Iwasaki, K. Shimomura, K. Ishida, Method of probing inner-structure of geophysical substance with the horizontal cosmic-ray muons and possible application to volcanic eruption prediction // Nucl. Inst. Meth. A 356, 1995. -pp. 585-595.

[8] N.K.M. Tanaka, K. Nagamine, S.N. Nakamura, K. Ishida, Radiographic measurements of the internal structure of Mt. West Iwate with near-horizontal cosmic-ray muons and future developments // Nucl. Inst. Meth. A 555, 2005. - pp. 164172.

[9] N.K.M. Tanaka, Iz. Yokoyama, Muon Radiography and deformation analysis of the lava dome formed by the 1944 eruption of Usu, Hokkaido-Contact between high-energy physics and volcano physics // Proc. Jpn. Acad., Ser. B, 84, 2008. -pp. 107-116.

[10] H.K.M. Tanaka, H. Taira, T. Uchida, M. Tanaka et al. Three-dimensional computational axial tomography scan of a volcano with cosmic ray muon radiography // Journal of Geophysical Research, Vol. 115, Issue B12,2010.

[11] G. Ambrosi, F. Ambrosino, R. Battiston, A. Bross et al. The MU-RAY project: Volcano radiography with cosmic-ray muons // Nucl. Inst. Meth. A 628, 2011. -pp. 120-123.

[12] W.B. Gilboy, P.M. Jenneson, S.J.R. Simons, S.J. Stanley et al. Muon radiography of large industrial structures // Nucl. Inst. Meth. B 263, 2007. - pp. 317-319.

[13] P.M. Jenneson, Large vessel imaging using cosmic-ray muons // Nucl. Inst. Meth. A 525, 2004. - pp. 346-351.

[14] W.B. Gilboy, P.M. Jenneson, N.G. Nayak, Industrial thickness gauging with cosmic-ray muons // Radiation Physics Chemistry, 74, 2005. - pp. 454-458.

[15] K.N. Borozdin, G.E. Hogan, Ch. Morris, W.C. Priedhorsky et al. Surveillance: Radiographic imaging with cosmic-ray muons // Nature, Vol. 422, 2003. - p. 277.

[16] W.C. Priedhorsky, K.N. Borozdin, G.E. Hogan, Ch. Morris et al. Detection of high-Z objects using multiple scattering of cosmic ray muons // Rev. Sci. Instr., Vol. 74, 2003. - pp. 4294-4297.

[17] L.J. Shultz, K.N. Borozdin, J.J. Gomez, G.E. Hogan et al. Image reconstruction and material Z discrimination via cosmic ray muon radiography // Nucl. Inst. Meth A519, 2004. - pp. 683-694.

[18] M. Osterlund, J. Blomgren, J. Donnard, A.Flodin et al. Tomography of canisters rot spend nuclear fuel // Proceedings of International Workshop on Fast Neutron Detectors and Applications, 2006, University of Cape Town, South Africa.

[19] M. Bogollyubsky et al. Proceedings of 2008 IEEE NSS and MIC conference, 2008, Dresden, Germany.

[20] S. Pesente, S. Vanini, M. Benettoni, G. Bonomi et al. First results on material identification and imaging with a large-volume muon tomography prototype // Nucl. Inst. Meth. A 604, 2009. - pp. 738-746.

[21] K. Gnanvo, B. Benson, W. Bittner et al. Detection and Imaging of High-Z Materials with a

Muon Tomography Station Using GEM Detectors // IEEE NSS/MIC, Knoxville, 2010. - pp. 552-559.

[22] V. Anghel, J. Armitage, J. Botte, et al. Cosmic ray muon tomography system using drift chambers for the detection of special nuclear materials // IEEE NSS/MIC. Knoxville, 2010. - pp. 547-551.

[23] Decision Science Corporation [Электронный ресурс]. URL: http://www.decisionsciencescorp.com/. (Дата обращения: 25.07.2012).

[24] V. Anghel, J. Armitage, J. Botte, et al Prototype testing and algorithm development fort he cosmic ray inspection and passive tomography (CRIPT) Project // IEEE NSS/MIC, 2011. - pp. 959-963.

[25] Проект CRIPT [Электронный ресурс]. URL: www.phvsics.carleton.ca/cript. (Дата обращения: 25.07.2012).

[26] Проект CREAMTEA [Электронный ресурс]. URL: www.hep.ucl.ac.uk/creamtea/. (Дата обращения: 25.07.2012).

[27] М. Bogolyubskiy, N. Bozhko, A. Borisov, R. Fakhrutdinov et al IHEP (Protvino) 3x3 m2 cosmic ray muon tomograph // IEEE NSS/MIC, 2011. - pp. 296298.

[28] A.A. Борисов, М.Ю. Боголюбский, Н.И. Боэ/ско, А.Н. Исаев и др. Программное обеспечение системы управления и сбора данных мюонного томографа [Электронный ресурс] // Международная сессия-конференция секции ядерной физики ОФН РАН, Протвино, 2013. URL: https://indico.ihep.su/getFile.py/access?contribId=84&sessionId=6&resId=0&mate rialld= slides&confId=94. (Дата обращения 10.12.2013).

[29] A.A. Борисов, М.Ю. Боголюбский, Н.И. Болско, А.Н. Исаев и др. Исследование и разработка методики мюонной томографии на космическом излучении в ГНЦ ИФВЭ [Электронный ресурс] // Международная сессия-конференция секции ядерной физики ОФН РАН, Протвино, 2013. URL: https://indico.ihep.su/getFile.py/access? contribId=83 &sessionId =6&resld=0&materialld=slides&confld=94. (Дата обращения 10.12.2013).

[30] A.A. Борисов, М.Ю. Боголюбский, Н.И. Бооюко, А.Н. Исаев и др. Установка «мюонный томограф» с площадью перекрытия 3x3 м // Приборы и техника эксперимента. - 2012, №2. - С. 5-14.

[31] М.Ю. Боголюбский, A.C. Кожин, И.С. Плотников, М.М. Солдатов и др. Программные модули бестриггерной системы сбора данных детектора на дрейфовых трубках // Естественные и технические науки. - 2012, №2 (58), ISSN 1684-2626. - С. 373-379.

[32] A.C. Кожин, A.B. Козеллов, И.С. Плотников. Программное обеспечение приема, мониторирования и первичной обработки сигналов с дрейфовых камер // Естественные и технические науки. - 2012, №2 (58), ISSN 1684-2626. -С. 388-394.

[33] Н.И.Божко, А.А.Борисов, А.С.Кожин, А.В.Ларионов и др. Прецизионная : дрейфовая трубка в лавсановом корпусе // Приборы и техника эксперимента. -2013, №2.-С. 16-21.

[34] М.Ю.Боголюбский, Н.А.Исаев, А.С.Кожин, А.В.Козелов и др. Система сбора данных и управления в стандарте электроники МИСС для детектора на дрейфовых трубках // Приборы и техника эксперимента. - 2013, №2. - С. 39-48.

[35] Бушнин Ю.Б., Ваньев B.C., Гончаров П.И. и др. Быстродействующая система регистрирующей и триггерной электроники для эксперементальных исследований в ИФВЭ // Препринт ИФВЭ 88-47, Серпухов, 1988.

[36] Стандарт VME [Электронный ресурс]. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/VMEbus- (Дата обращения: 25.07.2012).

[37] A. Borisov, R. Fakhroutdinov, A. Kojine et al. ATLAS monitored drift tube assembly and test at IHEP // Nucl. Inst. Meth. A 494, 2002. - pp. 214-217.

[38] J. Bensinger, N. Boj ko, A. Borisov et al. Construction of monitored drift tube chambers for ATLAS end-cap muon spectrometer at IHEP (Protvino) // Nucl. Inst. Meth. A 494, 2002. - pp. 480-486.

[39] Высоковольтный источник питания БПВ-5 [Электронный ресурс]. URL: http://high-voltage-technology.ru. (Дата обращения: 25.07.2012).

[40] Дворников О. В., Чеховский В. А., Солин A.B. Комплект аналоговых БИС для работы с емкостными источниками сигналов // Chip News, 1997. - С. 11-12.

[41] Дворников О.В., Солин A.B., Чеховский В.А и др. Интегральные маломощные заряд-чувствительные усилители для источников сигнала с малой емкостью // НЦФЧВЭ, Мн, 1997, Деп. в БелИСА. - С. 11.

[42] Стандарт NIM [Электронный ресурс]. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear _Instrumentation Module. (Дата обращения: 25.07.2012).

[43] G. Charpak, R. Bouclier, Т. Bressani, J. Favier et al. II Nucl. Inst. Meth 62, 1968. - pp. 262-268.

[44] F. Sauli. GEM: A new concept for electron amplification in gas detectors // Nucl. Inst. Meth A 386, 1997. - pp. 531-534.

[45] W. Blum, I. Rolandi. Particle Detection with Drift Chambers // SpringerVerlag, 1994, ISBN-10: 354058322X.

[46] S. Checchini, M.Sioli. Proc. of 5th ICTP School, Italy, 1998.

[47] J. Poirier, C.D. Andrea. A measurement of secondary muon angular distributions // The 27th International Cosmic Ray Conference, Hamburg, 2001. - pp. 3923 - 3926.

[48] A. Mishev. Neutron and muon flux measurements at BEO Moussala towards to space weather research // 20th European Cosmic Ray Symposium, Portugal, 2006.

[49] M.A. Sheba, D.F. Smart. Geomagnetic cutoff rigidities and geomagnetic coordinates appropriate for the Carrington flare Epoch // Advances in Space Research 38, 2006. - pp. 209-214.

[50] C. Stornier. Periodische Elektronenbabahnen im Feld lines Elementramagne-ton und ihre Anwendung auf Bruches Modeliverauche und auf Eschenhagens Elementarwellen des Erdmagnetismus // Astrophysics, 1, 1930. - pp. 237-274.

[51] P.N. Diep, P.N. Dinh, N.H. Duong, P.T.T. Nhung at al. Measurement of the east-west asymmetry of the cosmic muon flux in Hanoi // Nucl. Phys. В 678, 2008. - pp. 3-15.

[52] M. Tokiwa, T. Katayama, S. ban, T. Nakatsuka et al. Atmospheric muon measurements at sea level III: muon flux // 28th International Cosmic Ray Conference, 2003.-pp. 1175-1178.

[53] C. Amsler, M. Doser, M. Antonelli, D. Asner et al (Particle Data Group) // Physics Letters В 667,1,2008.

[54] ATLAS experiment [Электронный ресурс]. URL: http://www.atlas.ch. (Дата обращения: 25.07.2012).

[55] Дроное В.В. Широкоапертурный мюонный годоскоп для изучения вариаций космических лучей [Текс] : дис. канд. ф.-м. наук : 01.04.01 / Дронов Владимир Васильевич. - М., 2000. - 119 с. 4

[56] Клаус Г. Детекторы элементарных частиц. - Новосибирск: Сибирский хронограф,1999.

[57] Анаишн В.В., Аульченко В.М., Балдин Е.М. и др. Детектор КЕДР // Препринт ИЯФ 2010-40, Новосибирск, 2010.

[58] Кирилов А. С. Современное состояние и перспективы развития программного обеспечения комплекса спектрометров реактора ИБР-2М // Препринт ОИЯИР10-2011-101. Дубна, 2011.

[59] Кирилов А.С., Астахова Н.В., Мурашкевич С.М.и др. Программное обеспечение спектрометра НЕРА-ПР: опыт использования адаптера VME-PCI // Препринт ОИЯИ Р13-2003-63. Дубна, 2003.

[60] Кирилов А.С., Литвиненко Е.И., Астахова Н.В. и др. Развитие программного комплекса SONIX для спектрометра ЮМО на реакторе ИБР-2 // Препринт ОИЯИ Р13-2003-66. Дубна, 2003.

[61] Ивашин А.В., Матвеев В.Д., Хохлов Ю.А. Модернизированная система сбора данных установки ВЕС. Технические аспекты // Препринт ИФВЭ 201010, Протвино, 2010.

[62] Боголюбский М.Ю., Викторов В.А., Онучин В.А. и др. Многомашинный комплекс сбора данных эксперимента «Гиперон-М» на основе электроники в стандартах МИСС и СУММА. Приборы и техника эксперимента №5, 2007. -С. 93-101.

[63] MIDAS Ноше Page [Электронный ресурс]. URL: http://midas.psi.ch/. (Дата обращения: 25.07.2012).

[64] ALICE Data Acquisition [Электронный ресурс]. URL: https://ph-dep-aid.web.cern.ch/ph-dep-aid/. (Дата обращения: 25.07.2012).

[65] Барабаш Л.С., Баранов С.А., Батусов Ю.А. и др. Нетринный детектор ИФВЭ-ОИЯИ на нейтринных пучкахускорителя У-10 (Протвино) // Приборы и техника эксперимента, №3, 2003. - С. 20-48.

[66] Scipper M.N. The Real-Time Database Solution at IRI // Proc. Of the DANEF'97, 1997, Dubna, Russia, E10-97-272. - pp. 288-294.

[67] Кирилов А. С., Юдин B.E. Реализация базы данных реального времени для управления экспериментом в среде MS Windows // Препринт ОИЯИ Р13-2003-11, Дубна, 2003.

[68] Н.А. Bethe. Moliere's theory of multiple scattering. // Phys. Rev. 89, 1953. -pp. 1256-1266.

[69] W.T. Scott. The theory of small-angle multiple scattering of fast charged particles // Rev. Mod. Phys. 35, 1963. - pp. 231-313.

[70] G. Shen, C. Ankenbrandt, M. Atac, R. Brown et al. Measurement of multiple scattering at 50 to 200 GeV/c // Phys. Rev. D 20,1979. - pp. 1584-1588.

[71] Ю.К. Акимов. Газовые детекторы ядерных излучений. - Дубна: ОИЯИ, 2011, ISBN 978-5-9530-0272-1. - 243 с.

[72] Б. Росси, Г. Штауб. Ионизационные камеры и счетчики. - Москва, 1951. - 240 с.

[73] Д.Е. Сыресин, Г.А. Шелков. О возможности обнаружения материалов с большим зарядом ядра Z с помощью установки, детектирующей естественный поток космических мюонов // Письма в ЭЧАЯ. - Т. 6, № 6, 2009. - С. 769-777.

[74] В.В. Глаголев, Д.А. Кириллов, Г. Мартинская, Я. Мушински и др. Поиск и реконструкция трека в дрейфовых камерах на установке СТРЕЛА // ОИЯИ, Дубна, 2008, препринт Р13-2008-169.

[75] Steinle С., Kugel A., M_anner R. Implementation of a Hough Tracker for CBM // CBM Progress Report P. 80. 2008.

[76] A.B. Каравдин, Д.А. Горбачев, Ф.В. Игнатов, С.Г. Пивоваров и др. Восстановление треков заряженных частиц в дрейфовой камере КМД-3 // Вестник НГУ, серия: физика. Том 3, выпуск 1. - ISSN 1818-7994. - 2008.

[77] V.A. Baranov, NN. Chernyavsky, P.G. Evtucliovich, A.I. Filippov et al. Search for fi+—>e+e+e" decay // J. Phys. G.: Nucl. Part. Phys., vol. 17,1991. - pp. 57-70.

[78] B.A. Баранов, А.А. Глазов, ИВ. Кисель, A.C. Коренченко и др. Изучение распадая+—>e+ve+e" //Ядерная физика, т. 55, вып. 11,1992. - С. 2940-2944.

[79] С. Peterson. Track finding with neural networks // Nucl. Instr. Meth./rA 279, 1989. - pp. 537-545.

[80] B. Denby. Neural network and cellular automata in experimental high energy physics // Computer Physics Communications, 49, 1988. - p. 429.

[81] А. А. Лебедев. Алгоритмы и программное обеспечение для реконструкции треков в детекторе переходного излучения и в мюонной системе эксперимента СВМ [Текст]: дис. канд. физ.-мат. наук : 05.13.18 / Лебедев Андрей Александрович. - Дубна, 2010. -91 е.- Библиогрю: с. 92-97.

[82] Страуструп Б. Язык программирования С++. - Бином, 2011. ISBN: 9785-7989-0425. С. 1136.

[83] Qt Creator IDE and tools [Электронный ресурс]. URL: http://qt.nokia.com/products/developer-tools. (Дата обращения: 21.06.2012).

[84] VMELinux(tm) - Linux for your embedded system [Электронный ресурс]. URL: http://www.vmelinux.org. (Дата обращения: 21.06.2012).

[85] Qt - Cross-Platform application and UI framework [Электронный ресурс]. URL: http://qt.nokia.com. (Дата обращения: 21.06.2012).

[86] Qt library 4.8 I Documentation I Qt Developer Network [Электронный ресурс]. URL: http"//qt-project.org/doc/qt-4.8. (Дата обращения: 21.06.2012).

[87] Г.Н. Абрамов, Е.Г. Авдеева, U.M. Астигеевич, М.Н. Ачасов и др. Детектор СНД: состояние дел и первый опыт работы с пучками ВЭПП-2000. Новоси-бирс, ИЯФ 2009-19. 2009, с. -36.

[88] C.B. Донской, A.B. Инякнн, ЮД. Карпеков, В.Ф. Образцов и др. Система сбора данных Установки ОКА. ИФВЭ, Протвино, 2012. 41 стр. [Электронный ресурс]. URL: http://indico.ihep.su/conferenceDisplay.py?confïd=37. (Дата обращения: 15.08.2012).

[89] A.C. Кирилов. Современное состояние и перспективы развития программного обеспечения комплекса спектрометров реактора ИБР-2М. Препринт ОИЯИ з10-2011-101. Дубна, 2011, с. 11.

[90] Sonix+ и WebSonix+\ пользовательский интерфейс [Электронный ресурс]. URL: http://sonix.jinr.ru/wiki/doku.php?id=ru:userinterface. (Дата обращения: 15.08.2012).

[91] Qwt - Qt Widgets for Technical Applications [Электронный ресурс]. URL: http://qwt.sourceforge.net. (Дата обращения: 21.06.2012).

[92] LibQxt is extension library for Qt [Электронный ресурс]. URL: http://dev.libqxt.org/libqxt/wiki/Home. (Дата обращения: 21.06.2012).

[93] ROOT I A Data Analysis Framework [Электронный ресурс]. URL: http://root.cern.ch/drupal. (Дата обращения: 21.06.2012).

[94] Signal & Slots I Documentation! Qt Developer Network [Электронный ресурс]. URL: http://qt-project.Org/doc/qt-5.0/signalsandslots.html. (Дата обращения: 21.06.2012).

[95]Конфигурационные файлы. Библиотека libconfig [Электронный ресурс]. URL: http://habrahabr.ru/post/148948. (Дата обращения: 21.06.2012).

[96] Libconfig - C/C++ Configuration File Library [Электронный ресурс]. URL: http://www.hyperrealm.com/main.php?s=libconfig. (Дата обращения: 21.06.2012).

[97] The XML С parser and toolkit of Gnome [Электронный ресурс]. URL: http://www.xmlsoft.org. (Дата обращения: 21.06.2012).

[98] Обработка файлов конфигурации с использованием LibXML2 [Электронный ресурс]. URL: http://www.ibm.com/developerworks/ru/librarv/au-libxm!2. (Дата обращения: 21.06.2012).

[99] НОМЕ - Open-RJ [Электронный ресурс]. URL: http://openrj .sourceforge.net. (Дата обращения: 21.06.2012).

[100] LibConfuse [Электронный ресурс]. URL: http://www.nongnu.org/confuse. (Дата обращения: 21.06.2012).

[101] Макс Ш. Qt 4.5 профессиональное программирование на С++. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. ISBN 978-5-9775-0398-3. - 896 с.

[102] Core Foundation Framework Referance [Электронный ресурс]. URL: https://www.google.ru/search?q=Core+Foundation+Preferences&sugexp=chrome, mod=19&sourceid=chrome&ie=UTF-8. (Дата обращения: 21.06.2012).

[103] Один из методов работы с конфигурационными файлами в С++ (Qt) [Электронный ресурс]. URL: http://habrahabr.ru/post/149085. (Дата обращения: 21.06.2012).

[104] Muon radiography. Hits Display [Электронный ресурс]. URL: http://gonella.web.cern.ch/gonella/muonegrafia/index.html. (Дата обращения 21.06.2012).

[105] М. Phipps, Dr. Hohlmann. Muon Tomography Station Live Display // Undergraduate Research Report, Spring 2011.

[106] Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка нового поколения детекторов ионизирующего излучения, систем противодействия терроризму (Разработка методики детального исследования объектов при помощи космических мюонов)», государственный контракт № H.4f.45.03.09.1030 от

05.03.2009.

[107] Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка нового поколения детекторов ионизирующего излучения, систем противодействия терроризму (Разработка методики детального исследования объектов при помощи космических мюонов)», государственный контракт № H.4f.45.03.10.1031 от

15.01.2010.

[108] Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка нового поколения детекторов ионизирующего излучения, систем противодействия терроризму (Разработка методики детального исследования объектов при помощи космических мюонов)», государственный контракт № Н.4е.45.90.11.1070 от 10.03.2011.

[109] L.J. Schultz. Cosmic ray muon radiography. PhD dissertation, Portland State University, 2003.