Федеральное государственное бюджетное учреждение наук

и

Физический институт им. П. Н. Лебедева

Российской академии наук

на правах рукописи

УДК 539.1.05, 539.1.07

ВЛАДИМИРОВ

Михаил Сергеевич

СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ

ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТА OPERA

НА КОМПЛЕКСЕ ПАВИКОМ

Специальность: 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва, 2013 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физическом институте им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук ПОЛУХИНА Наталья Геннадьевна

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук СМИРНИТСКИЙ Владимир Александрович кандидат физико-математических наук ГРАЧЕВ Виктор Михайлович

Ведущая организация Научно-исследовательский Институт Ядерной Физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится «18» ноября 2013 года на заседании диссертационного совета Д 002.023.04 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук по адресу:

119991 г. Москва, Ленинский проспект, д.53.

Факс: 8(495)135-78- e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им.

П.Н. Лебедева Российской академии наук.

Автореферат разослан “” октября 2013 г.

Электронная версия автореферата размещена: http://www.lebedev.ru Учёный секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Серов Александр Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена созданию системы сканирования, обработки и хранения данных эксперимента OPERA на высокотехнологичном фиановском комплексе ПАВИКОМ (Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс), развитию методов обработки данных различных трековых детекторов и разработке программного обеспечения для сканирующих станций нового поколения. Благодаря созданной автором и успешно эксплуатируемой системы сканирования и обработки эмульсионных данных ФИАН стал первым институтом, начавшим обработку событий эксперимента OPERA в России.

Комплекс ПАВИКОМ изначально создавался для обработки событий, зарегистрированных с помощью ядерных фотоэмульсий, облученных пучком ядер свинца с энергией 158 ГэВ/нуклон на ускорителе SPS (CERN) в рамках эксперимента EMU-15. Универсальность, быстродействие и постоянно обновляемое программное обеспечение ПАВИКОМ не только позволили обеспечить потребности исследований, проводимых в ФИАН, но эффективно использовались также другими российскими и зарубежными лабораториями и институтами. При этом участие группы ПАВИКОМ отнюдь не сводилось к предоставлению установки в аренду. Для каждого эксперимента группой ПАВИКОМ как минимум, дорабатывалось старое или разрабатывалось специальное программное обеспечение, часто производилась доработка аппаратуры, необходимое приспособление установки и изменение метода измерений. Фактически, ПАВИКОМ уже около десяти лет используется в режиме центра коллективного пользования и в этом смысле не имеет аналогов среди автоматизированных микроскопов в мире. На ПАВИКОМе обрабатываются практически все известные типы твердотельных трековых детекторов. Это и ядерные эмульсии, и рентгеновские пленки, и полимерные детекторы СR-39, и другие.

Один из трех автоматизированных микроскопов комплекса – ПАВИКОМ- создан при непосредственном прямом и решающем участии автора на всех этапах, начиная от приобретения элементов оборудования, сборки комплекса из отдельных комплектующих элементов, его освоения, разработки программного обеспечения. Предназначен он, в первую очередь, для сканирования эмульсионных данных эксперимента OPERA, однако успешно используется также для нескольких других экспериментов [1].

В число задач диссертационной работы входила также разработка програмного обеспечения c учетом нужд сканирующих систем нового поколения.

Программный пакет, изначально созданный для обработки данных эксперимента EMU-15, послужил базой для развития методики сканирования и создания программного пакета для сканирующих установок нового поколения.

Созданное автором программное обеспечение позволяет повысить в два раза скорость сканирования на используемом в настоящее время на ПАВИКОМ и европейских сканирующих станциях (ESS – European Scanning Station) оборудовании. Этот пакет используется не только на ПАВИКОМ, но также и в итальянских лабораториях, в частности для сканирования эмульсионных данных экспериментов по мюонной радиографии.

Актуальность работы.

Трековые детекторы находят свое применение в экспериментальной физике уже на протяжении многих десятилетий. Ядерная фотоэмульсия (ЯФЭ), являющаяся классическим трековым детектором, имеет уникальное пространственное разрешение и позволяет разделять треки отдельных частиц.

';

Современные эксперименты, такие как эксперимент по прямому наблюдению нейтринных осцилляций в канале OPERA (OPERA, Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), или эксперименты по мюонной радиографии используют огромное количество ЯФЭ. В эксперименте OPERA используется около 100 т ЯФЭ. Обработка такого количества ЯФЭ требует создания новых автоматизированных методов обработки.

Для накопления достаточной статистики в экспериментах с ЯФЭ необходимо обработать большую площадь фотоэмульсии. Созданная в ходе этой работы система автоматизированной обработки данных эксперимента OPERA для фиановского комплекса автоматизированных микроскопов ПАВИКОМ разработана с учетом этих требований, и может производить на скорости см2/час сканирование и обработку в режиме реального времени (означающем в данном контексте обработку видеоизображений с микроскопа непосредственно при сканировании, без стадии сохранения огромного объема графических файлов на промежуточном носителе). Созданная техника позволила сотрудникам ФИАН начать подготовку и проведение экспериментов по мюонной радиографии.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы было создание сканирующей станции для обработки данных эмульсионных пластин эксперимента OPERA и разработка программного обеспечения для сканирующих автоматизированных микроскопов нового поколения. Обязательным требованием при создании станции была реализация ее универсальности для использования при обработке трековых детекторов других типов (CR-39, оптически прозрачные кристаллы и т.п.).

Научная новизна и практическая ценность работы Автоматизация трудоемкого измерительного процесса при обработке данных трековых детекторов является основной задачей при создании комплексов автоматизированных микроскопов. Созданный в ФИАНе комплекс ПАВИКОМ удовлетворяет самым современным мировым стандартам. Его отличительной особенностью стала универсальность: он успешно используется для обработки данных эмульсионных и разнообразных твердотельных трековых детекторов во многих физических исследованиях, и в этом смысле является уникальным.

В состав комплекса вошла созданная и введенная в эксплуатацию автором установка ПАВИКОМ-3, при создании которой стояла, прежде всего, задача обработки эмульсионных данных эксперимента OPERA в ФИАН при сохранении универсальности для обработки данных других экспериментов. При этом одной из основных задач было значительное увеличение скорости обработки и анализа изображений для исследовательских работ по мюонной радиографии, поскольку ожидаемый объём данных в этих экспериментах не мог быть обработан при старых характеристиках установки. Такая модернизация могла быть выполнена только при условии использования самых современных аппаратных комплектующих и методов программирования.

Выполненная автором успешная сборка, настройка, прецизионная калибровка, установка специального программного обеспечения, созданная необходимая инфраструктура позволила полностью решить поставленную задачу, и сейчас на комплексе идет полномасштабная обработка событий эксперимента OPERA. Разработанное автором программное обеспечение позволило задействовать установку ПАВИКОМ-3 также в обработке данных экспериментов ОЛИМПИЯ, медицинских исследований, а также приступить к обработке других фотоэмульсионных экспериментов, например, экспериментов по мюонной радиографии.

Одновременно с созданием ПАВИКОМ-3 автором выполнялась разработка программного обеспечения для сканирующих систем нового поколения. Были разработаны ключевые элементы, позволившие создать распределенную систему обработки. Задействовав вычислительные возможности GPU (Graphical Processor Unit – графический процессор), удалось значительно ускорить обработку, повысить эффективность реконструкции треков, при обработке данных в реальном времени в режиме непрерывного сканирования. Кроме возможности использования в сканирующих системах нового поколения, использующих камеру с большим полем зрения и пьезо-систему фокусировки, что позволяет увеличить скорость сканирования до 100 см2/час, разработанное программное обеспечение позволяет на уже имеющемся оборудовании увеличить скорость сканирования до 40 см2/час, при этом осуществляя восстановление треков частиц с наклоном до 45. Восстановление треков в широком диапазоне углов позволяет снизить фон в событиях эксперимента OPERA. Созданная автором система абсолютно применима для обработки экспериментальных данных по мюонной радиографии, где требуется восстановление треков в широком диапазоне углов, а накопление достаточной статистики требует обработки большого количества эмульсионных пластин с площадью не менее нескольких квадратных метров.

Созданные при выполнении диссертационной работы методы и программное обеспечение являются необходимым этапом полной автоматизации обработки данных современных фотоэмульсионных экспериментов. Это позволяет повысить в два раза скорость сканирования на используемом в настоящее время на ПАВИКОМ и европейских сканирующих станциях (ESS – European Scanning Station) оборудовании. Этот пакет используется не только на ПАВИКОМ, но также и в итальянских лабораториях, в частности для сканирования эмульсионных данных экспериментов по мюонной радиографии.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

Создание, настройка, и ввод в эксплуатацию автоматизированного микроскопа ПАВИКОМ-3. Создание в ФИАНе распределенной системы обработки эмульсионных данных эксперимента OPERA, а также системы хранения данных на основе системы управления базами данных (СУБД) Oracle и их синхронизации с центральной (удаленной) базой данных эксперимента.

Проверка работы системы по результатам обработки тестового события, обнаружение в нем дополнительной е+е пары не обнаруженной ранее.

Организация поставки эмульсионных «кирпичей» из Гран Сассо и их хранения в ФИАН. Организация массового сканирования и обработки на комплексе ПАВИКОМ (по результатам сканирования выполнен физический анализ взаимодействий нейтрино в детекторе OPERA). Обучение сканированию и организация полноценных рабочих смен силами молодых научных сотрудников, аспирантов и студентов.

Модернизация программного комплекса PAVICOM для работы в сканирующих системах нового поколения. Доработка программного комплекса для работы в сканирующих станциях нового поколения: реализация распределенных вычислений в программном комплексе; реализация ресурсоемких алгоритмов, таких как операции обработки изображений и кластеринга с использованием вычислительных мощностей современных видеокарт на основе технологии CUDA; создание гибридной CPU-GPU системы реконструкции треков в ЯФЭ; обеспечение гибкости и модульной структуры комплекса как реализация возможности использовать его при последующей модернизации оборудования. 6 из 10 исследованных на ПАВИКОМ событий обработаны новым программным комплексом.

Разработка программного обеспечения для проведения измерений геометрических параметров треков космических лучей в кристаллах оливина из метеоритов проекта ОЛИМПИЯ и накопления базы данных изображений треков.

Один из трех автоматизированных микроскопов комплекса – ПАВИКОМ- создан при непосредственном прямом и решающем участии автора на всех этапах, начиная от приобретения элементов оборудования, сборки комплекса из отдельных комплектующих элементов, его освоения, настройки, калибровки до разработки необходимого программного обеспечения и организации работы на нем. Автором создана система распределенных вычислений, анализа и хранения отсканированных эмульсионных данных. Отсканировано и обработано тестовое событие, в котором была обнаружена дополнительная е+е пара, налажена массовая поставка, хранение и обработка эмульсионных «кирпичей» – событий эксперимента OPERA. Автором создан программный комплекс, реализующий возможность распределенных вычислений и использующий вычислительные возможности современных графических плат, имеющий также все необходимое для использования в сканирующих станциях нового поколения. Разработан и успешно реализован алгоритм и программное обеспечение для высокоэффективной реконструкции треков в широком диапазоне углов, использующий вычислительные возможности графических плат. Разработано программное обеспечение для измерений геометрических параметров треков космических лучей в кристаллах оливина из метеоритов проекта ОЛИМПИЯ и накопления базы данных изображений треков.

Апробация работы Основные результаты диссертации представлялись и докладывались на международных и национальных конференциях: Международная конференция «Физико-химические и петрографические исследования в науках о Земле»

(Москва, 2011), CAMMAC (2008, 2011 Украина, Винница), Nufact08 (Spain, Valencia, 2008), Quarks2012 (Ярославль, 2012), рабочее совещание по разработке сканирующих систем нового поколения (Италия, Бари, 2011), рабочее совещание коллаборации OPERA (Италия, Гран Сассо, 2012; Украина, Алушта, 2012, Анси, Франция, 2012, Бари, Италия, 2013).

Всего автором опубликована 41 работа, из них по теме диссертации работ в отечественных и зарубежных журналах: УФН, Известия РАН, Краткие Сообщения по Физике, Вестник Отделения наук о Земле РАН, Physics Letters, New Journal of Physics, Eur. Phys. J и др. (см. Приложение – Список публикаций по теме диссертации).

Созданный комплекс ПАВИКОМ-3 успешно используется для сканирования эмульсионных кирпичей эксперимента OPERA, а программный комплекс PAVICOM благодаря разработкам, изложенным в данной работе, используется для сканирования ЯФЭ не только в ФИАН, но и в лабораториях Национального Института Ядерной Физики (Италия) Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы составляет 135 страниц без приложения, включая 51 рисунок, 11 таблиц и перечень литературы из наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении описаны особенности методики ядерно-физических исследований с трековыми детекторами. Рассмотрены актуальные задачи науки и техники, для решения которых широко используются трековые детекторы.

Показана научная значимость эксперимента OPERA, сформулированы требования этого и других современных экспериментов к обработке эмульсионных данных. Говорится об уникальности комплекса ПАВИКОМ, использующегося для обработки данных широкого спектра твердотельных 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.

Ядерные фотоэмульсии широко используются в мире в целом ряде экспериментов. Самые крупные из них содержат тонны ядерной фотоэмульсии, что соответствует тысячам квадратных метров её поверхности.

При многих своих очевидных преимуществах, фотоэмульсионный метод раньше имел и серьёзный недостаток – его применение требовало тяжёлого изнурительного визуального труда, связанного с поиском нужных треков и измерением их параметров, что неизбежно было сопряжено с ошибками микроскопистов. От этих недостатков удалось избавиться благодаря созданию автоматизированных сканирующих систем. Первая полностью автоматизированная сканирующая система была создана в Японии в 1982 г, полномасштабным применением системы стала обработка данных нейтринного эксперимента CHORUS.

Изучение свойств нейтрино имеет фундаментальное значение для физики элементарных частиц, астрофизики и космологии. Если массы нейтрино отличны от нуля, то собственные состояния нейтрино с данной массой не обязаны совпадать с собственными состояниями нейтрино с данным лептонным числом.

Поэтому может существовать «смешивание» нейтрино, аналогичное смешиванию кварков, описываемому матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, приводящее к возникновению нейтринных осцилляций. Гипотеза о возможности нейтринных осцилляций была предложена Б. М. Понтекорво в 1957.

Основной задачей эксперимента OPERA (Oscillation Project with EmulsiontRacking Apparatus) является поиск и изучение осцилляций. OPERA стал первым экспериментом на "появление", в котором осцилляции изучают путем прямого наблюдения распадов -лептонов, образованных в СС взаимодействиях. Проникающая способность нейтрино колоссальна, поскольку сечение взаимодействия чрезвычайно мало. По этой причине установки для регистрации нейтрино должны иметь детекторы с высоким пространственным разрешением, большие размеры и массу, измеряемую тысячами тонн. Ядерная фотоэмульсия в настоящее время является одним из лучших детекторов применительно к задачам нейтринной физики, таким образом, возникает необходимость обрабатывать огромное количество эмульсионных данных.

Завершает введение к диссертации обоснование актуальности темы исследования, формулирование целей и задач работы, во введении также отражены новизна и практическая значимость её результатов.

В первой главе представлен краткий обзор по методике трековых детекторов. Рассматриваются принципы регистрации заряженных частиц в трековых детекторах различного типа, их основные характеристики, преимущества и недостатки.

Детально рассмотрен фотоэмульсионный метод ядерных исследований, приведена краткая история фотоэмульсионного метода, подчёркивается его значимость и описывается возможность измерения с его помощью таких характеристик частиц как энергия, импульс, заряд и масса. Описаны методы обработки эмульсионных данных.

Во второй главе говорится о краткой истории экспериментальной нейтринной физики, от гипотезы о существовании нейтрино до прямого наблюдения тау-нейтрино. Подчеркнута важность решения проблемы существования нейтринных осцилляций.

В третьей главе дается описание эксперимента OPERA – первого эксперимента по прямому наблюдению осцилляций нейтрино в канале в канале Вето Рис. 1. Фотография детектора эксперимента OPERA.

Эксперимент OPERA использует пучок CNGS (CERN Neutrino to Gran Sasso), который формируется на ускорителе SPS в ЦЕРН. Нейтрино пролетают расстояние 732 км до лаборатории Гран Сассо (Италия), где находится детектор эксперимента. Детектор состоит из двух супермодулей и VETO-системы (Рис. 1).

Каждый супермодуль включает в себя стены из эмульсионных кирпичей (в которых происходят взаимодействия нейтрино), электронных сцинтилляционных детекторов и мюонный спектрометр, позволяющий определять заряд и импульс мюонов. Эмульсионный кирпич представляет собой набор из 57 пластин двойной фотоэмульсии (два слоя эмульсии 45 мкм, с двух сторон политых на триацетилцеллюлозную основу толщиной 200 мкм), переложенных пластинами свинца толщиной 1 мм (56 пластин). К каждому кирпичу прикреплено две дополнительные съемные эмульсионные пластины (Changeabale Sheet – CS) [2].

Эти сменные пластины используются для проверки сигнала электронного сцинтилляционного детектора Target Tracker (ТТ) от заряженной частицы из нейтринного взаимодействия, прошедшей сквозь кирпич и CS, перед началом обработки эмульсионных слоев самого кирпича. При соответствующих указаниях ТТ, кирпич и CS извлекают из супермодуля, CS проявляют, сканируют и анализируют. Таким образом, CS является некоторым связующим звеном, или, как говорят, интерфейсным детектором, между ТТ и эмульсионным кирпичом. В случае, когда соответствующих треков в CS не обнаружено, кирпич возвращают в супермодуль с заменой только CS. И только при подтверждении в CS наличия сигналов взаимодействия, весь кирпич отправляется на проявку и обработку.

Детектирование появления таонного нейтрино в пучке мюонных нейтрино производится путем прямого наблюдения рождения тау-лептона по характерной топологии его распада и отделения таких событий от фона (Рис. 2). Основным фоном являются чармированные частицы, рождающиеся во взаимодействиях мюонных нейтрино, к фоновым событиям относятся также случаи кулоновского рассеяния мюонов на большие углы.

Эксперимент OPERA успешно набирает статистику с 2008 года. На данный момент завершена обработка данных 2008-2009 гг., данные 2010-2011 гг.

находятся в обработке. К июню 2012 года по результатам обработки локализовано и анализируется 4611 событий взаимодействий нейтрино. В событий произведен поиск распада, из них 3224 событий по каналу заряженного тока. 55 событий идентифицировано как события с рождением чармированных частиц, 24 события – с e, Уже обнаружено два события с рождением таулептона.

Рис. 2. Фоновые события по отношению к рождению тау лептона: по заряженному (а, б) и нейтральному (в) току.

Описана процедура обработки эмульсионных данных эксперимента в других лабораториях. Обработка такого значительного количества событий в ядерной эмульсии возможна только в автоматическом режиме. В Японии для обработки используется уже упомянутая система Track Selector. В отличие от TS, в европейских автоматизированных системах для обработки данных трековых детекторов основная часть обработки изображения выполняется специализированным программным обеспечением, что делает эти системы более гибкими для адаптации к условиям различных задач. «Европейская Сканирующая Система» (ESS), разработанная в рамках эксперимента OPERA, использует коммерчески доступное оборудование. Программное обеспечение написано на языке C++/C# и оптимизировано для работы в многопроцессорных вычислительных системах.

Несмотря на различие подходов, обе указанные системы обеспечивают примерно одинаковую эффективность: 95% для ESS и 97% для S-UTS. Скорость сканирования ECC составляет ~20 см2/час, скорость сканирования S-UTS ~ см2/час.

В четвертой главе дано описание оборудования комплекса ПАВИКОМ и методики выполнения автоматизированных измерений на нем. Подробно рассмотрена процедура настройки и калибровки созданной автором установки ПАВИКОМ-3. Представлены разработанные и созданные в ФИАН элементы системы.

Измерительный комплекс ПАВИКОМ был создан в 2000 г. группой сотрудников Физического института им. П.Н.Лебедева Российской академии наук (ФИАН), в первую очередь, для обработки ЯФЭ эксперимента EMU-15. Однако при создании программного обеспечения и сборке комплекса ставилась задача его многофункционального использования, которая была успешно решена.

Особенностью комплекса ПАВИКОМ, его главным отличием от всех других подобных систем и основным достоинством является универсальность: на автоматизированных установках комплекса успешно обрабатываются и ядерные эмульсии, и пластиковые детекторы, и кристаллы оливинов из метеоритов.

Комплекс ПАВИКОМ состоит из трех независимых автоматизированных установок ПАВИКОМ-1, ПАВИКОМ-2 и ПАВИКОМ-3 (Таблица 1). ПАВИКОМвключает в себя микроскоп MiCos и CCD-видеокамеру, подключённые к персональному компьютеру. Оптическая система микроскопа была создана в ФИАНе с использованием элементной базы ЛОМО. Автоматизированный микроскоп ПАВИКОМ-2 создан на базе микроскопа МПЭ-11, производства ЛОМО и содержит следующие основные узлы: прецизионный стол Carl Zeiss, быструю CMOS-видеокамеру Mikrotron MC-1310 и персональный компьютер, оборудованный платой обработки изображений Matrox Odyssey XPro.

Таблица 1. Характеристики микроскопов комплекса ПАВИКОМ.

Диапазон перемещения стола и объектива микроскопа, мм Точность измерения координат, мкм Максимальный размер изображения Максимальная глубина Максимальное Автоматизированный микроскоп ПАВИКОМ-3, который был собран и введен в эксплуатацию при определяющем вкладе автора, содержит следующие основные элементы: прецизионные подвижные столики MiCos LS-110 и MS-8 с усилителем MPA-5, быструю CMOS-видеокамеру Mikrotron MC-1310 и рабочую станцию, оборудованную контроллером движения National Instrument PCI-7344 и платой обработки изображений Matrox Odyssey XPro.

Установка ПАВИКОМ-3 была настроена и откалибрована. Стоит отметить, что положение столика перемещения по оси z должно быть выставлено с точностью 5 миллирадиана, причем подстройка положения производится итерационно. В процессе настройки системы определен набор коррекций оптического изображения, необходимый для проведения измерений на комплексе. Эффективность реконструкции треков проверена по результатам обработки стопки тестовых пластин облученных пионами с энергией 1 ГэВ под разными углами. Зависимость эффективности от угла показана на рис. 3 Средняя эффективность составляет 92%.

Рис. 3. Распределение эффективности восстановления треков на тестовых пластинах.

На ПАВИКОМ-3 установлено и настроено программное обеспечение, отвечающее за перемещение подвижных столиков, захват и обработку изображений на карте Matrox Odyssey XPro, управление процессом сканирования и обработку до уровня треков в одном слое эмульсии (SySal2000).

Огромный объем обрабатываемых данных требует использования нескольких компьютеров для реализации их физического анализа. Поэтому уже в режиме offline специальный компьютер выполняет обработку микротреков на базе программного пакета FEDRA [3] – второго из блоков обрабатывающего программного комплекса. По найденным на предыдущем этапе трекам в одном слое эмульсии восстанавливаются треки, проходящие через оба слоя двухсторонней эмульсии. Далее проводится реконструкция треков в объеме всего кирпича: восстанавливается относительное расположение эмульсионных пластин по найденным в каждой пластине базовым трекам и реконструируются объемные треки. После этого производится поиск вершины распада, места взаимодействий вторичных частиц и, таким образом, восстановление топологии события.

Третьим основным блоком программного комплекса ПАВИКОМ- является база данных ORACLE, в которой хранятся данные об отсканированных событиях. Она синхронизируется с центральной базой данных эксперимента.

На автоматизированном микроскопе ПАВИКОМ-3 была произведена калибровка оптической системы, положения подвижных столиков.

Была разработана и смонтирована автоматическая система поддержания давления в системе вакуумного прижима эмульсий (для крепления эмульсии во время сканирования). Вакуум давлением до 150 мбар обеспечивается вакуумным насосом производительностью 3 м3/час, который откачивает воздух из ресивера объемом 50 л. Давление контролируется электронным датчиком с рабочим диапазоном 0-1000 мбар, и точностью измерений 10 мбар. Для уменьшения износа насоса и уровня шума в рабочей комнате была разработана и изготовлена система автоматического поддержания давления в системе в пределах 250- мбар. Когда давление, по показаниям датчика, поднимается до 500 мбар, система включает насос и открывает клапан между насосом и вакуумной системой. При снижении давления до уровня 250 мбар система сначала закрывает клапан (во избежание утечек через выключенный насос), и затем выключает насос.

Созданная автором автоматическая система поддержания давления в системе вакуумного прижима эмульсий позволила уменьшить время работы насоса на 87%.

Налажено управление блоком питания лампы подсветки TE2-PS100W посредством контроллера NI PCI-7344. Для этого автором был изготовлен соединительный кабель с делителем напряжения, обеспечивающий совместимость напряжений аналогового выхода контроллера и управляющего входа блока питания.

Таким образом, автором диссертации была собрана, настроена и откалибрована установка ПАВИКОМ-3; настроена вакуумная система, спроектирована схема ее автоматизации, организовано ее изготовление; создана необходимая для обработки данных эксперимента OPERA инфраструктура;

доработано программное обеспечение, необходимое для сканирования. В результате комплекс дополнен современной установкой ПАВИКОМ-3, полностью подготовленной для обработки данных эксперимента OPERA.

В пятой главе диссертации рассматривается текущее состояние обработки событий эксперимента OPERA на комплексе ПАВИКОМ, представлены реконструированные события. Изложены принципы организации полномасштабного сканирования на ПАВИКОМ.

В июне 2011 года было завершено сканирование первого (тестового) кирпича эксперимента OPERA на комплексе ПАВИКОМ. Прослежены треки предсказаний в объеме кирпича. Локализована вершина взаимодействия в пластине свинца между 18й и 19й пластинами эмульсии. Проведена процедура сканирования площади 1 кв. см на 15-ти пластинах вокруг вершины взаимодействия. Реконструировано 4 трека заряженных частиц (одна из которых мюон), дополнительно найдена относящаяся к этой же вершине взаимодействия е+е– пара от распада 0. (Следует отметить, что при первом сканировании этого кирпича в другой лаборатории е+е– пару не нашли.) Проведен физический анализ события, измерены импульсы частиц и прицельные параметры (см. таблицу 2).

Все данные сканирования занесены в базу данных.

№ Прицельный Импульс Минимальная Максимальная В настоящее время произведено сканирование и обработка еще десяти кирпичей, следующие 16 кирпичей находятся в обработке. Организовано посменное сканирование, операторы обучены работе с системой, процедуре сканирования, обработки, реконструкции событий.

Во второй части данной главы рассказывается о том, что автором модернизировано программное обеспечение для обработки данных эксперимента ОЛИМПИЯ на установках комплекса. Кратко изложен процесс наладки сканирования кристаллов оливина и текущий статус обработки.

На ПАВИКОМ с 2005 года проводятся исследования в рамках проекта ОЛИМПИЯ (ОЛИвины из Метеоритов – Поиск тяжелых И сверхтяжелых Ядер) – поиск тяжелых и сверхтяжелых ядер в природе. Эта проблема связана с вопросом о существовании «островов» стабильных сверхтяжелых элементов.

Однако, экспериментальные данные по сверхтяжелым ядрам в природе чрезвычайно бедны, таких ядер очень мало – их всего лишь 1-2 ядра на кв. метр в год, для трансфермиевых ядер достаточно надежные данные вообще отсутствуют.

Точно так же отсутствуют какие-либо данные и о возможном существовании экзотических сверхтяжелых ядер. Поэтому для того чтобы искать их в природе, требуются детекторы очень больших площадей и длительные экспозиции.

Измерение потоков и спектров тяжелых и сверхтяжелых ядер в космических лучах является эффективным способом изучения состава источников космических лучей. Использование фактора длительной экспозиции метеоритов в космосе приводит к огромному преимуществу метода поиска сверхтяжелых элементов в кристаллах оливинов из метеоритов по сравнению с методами, основанными на использовании различных спутниковых и аэростатных детекторов. Измеряя параметры треков, можно не только идентифицировать частицы, но и определить их энергетические спектры. В проекте ОЛИМИПИЯ исследуются образцы двух метеоритов класса паласситы:

«Марьялахти» – 185 млн. лет и «Игл стейшен» – 300 млн. лет.

Разработанная в проекте ОЛИМПИЯ методика впервые позволяет просматривать весь объем кристалла, и тем самым существенно увеличивать статистику обработанных треков. Созданное на ПАВИКОМ программное обеспечение позволяет выделять области кристаллов, находить и измерять геометрические параметры треков ядер, а также осуществлять пространственную сшивку следов.

Автором было создано программное обеспечение для движения микроскопа при сканировании всего объема исследуемого кристалла. В отличие от обработки ядерных фотоэмульсий была поставлена и успешно решена задача сохранения изображения всего объема и измерений параметров треков в объеме кристалла.

Такое программное обеспечение позволило на основе хранящейся в базе данных информации обеспечить, при необходимости, повторную обработку некоторых элементов объема исследуемого вещества, поскольку впервые использованная методика проекта ОЛИМПИЯ подразумевает послойную сошлифовку кристалла.

Успешное использование сканирующей станции в проекте ОЛИМПИЯ доказало правильность выбранного автором подхода и достигнутую требуемую универсальность нового оборудования.

Созданная система также демонстрирует универсальность созданного программного комплекса PAVICOM. Он реализует взаимодействие с оборудованием (возможность перемещения, захвата изображений, получение координат) и основной пользовательский интерфейс, а также синхронизацию работы модулей. При этом на примере обработчика для проекта ОЛИМПИЯ показана возможность разработки специфической для конкретного эксперимента надстройки. Такая надстройка может реализовать необходимые алгоритмы движения и обработки полученных с камеры изображений, а также дополнительный пользовательский интерфейс.

Основная задача проекта ОЛИМПИЯ заключается в определении зарядового состава космических лучей в области тяжёлых и сверхтяжёлых ядер [4, 5]. Уже обработано примерно 170 кристаллов, размеры кристаллов – не более 2 мм. Получено зарядовое распределение около 6000 ядер галактических космических лучей с зарядом больше, чем 55. В начале 2011 года в ходе выполнения проекта ОЛИМПИЯ обнаружены три сверхдлинных трека, скорость травления которых больше 35 мкм/час. Калибровочные измерения показывают, что заряды этих ядер существенно превышают Z = 92. Была получена в первом приближении оценка границ заряда трех ультратяжелых ядер галактических