автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование и разработка информационно-измерительной системы мюонного томографа

На правах рукописи

Плотников Иван Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МЮОННОГО ТОМОГРАФА

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в информационных системах)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Автор:

г г НАЛ 2214

Протвино - 2014

005548592

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении Государственном научном центре Российской Федерации-Институте физики высоких энергий Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Кожин Анатолий Сергеевич, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГНЦ ИФВЭ НИЦ «Курчатовский институт»

Клименко Станислав Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, научный руководитель кафедры физико-технической информатики МФТИ

Кульман Никита Юрьевич, кандидат физико-математических наук, руководитель отделения систем диспетчерского управления ООО «Сис-тел»

Ведущая ОАО «Научно-исследовательский институт тех-

организация: нической физики и автоматизации»

Защита состоится «27» июня 2014 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 213.130.03 при Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ», расположенном по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31, тел. 8-499-7885699 доб.95-26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» и на сайте НИЯУ МИФИ http://ods.mephi.ru.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « Я » мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Леонова Н.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Каждую минуту горизонтально лежащую на поверхности Земли площадку 1x1 см2, пересекает ~1 мюон космического происхождения. Поток этих мюонов практически равномерный, с незначительной зависимостью от географической широты и небольшими сезонными вариациями. Большая проникающая способность космических мюонов позволяет использовать их в качестве источника для радиографии крупногабаритных объектов, а угловое распределение на поверхности Земли дает возможность осуществлять и томографию.

Одна из первых попыток 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. За прошедшие десятилетия накоплен богатый опыт применения космических мюонов для радиографии археологических и геологических объектов.

Интерес к этой теме заметно вырос в 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 для контроля несанкционированного перемещения ядерно-активных материалов.

Было продемонстрировано, что томография на основе естественного потока космических мюонов способна обнаружить 10-сантиметровый свинцовый куб, замаскированный в двигателе автомобиля, что невозможно сделать при помощи рентгеновского сканирования.

За тем появились другие работы, самая масштабная, из которых выполнена в Италии, в Национальном Институте Ядерных Исследований - был создан мюонный томограф с рабочим объемом 11.5 м3.

Decision Science Corporation и Лос-Аламосская Национальная Лаборатория заключили соглашение о разработке коммерческой системы мюонной томографии с целью предотвращения контрабанды ядерно-активных материалов и обеспечения безопасности страны. Агентства по обеспечению национальной безопасности других стран также проявляют интерес к развитию мюонной томографии.

Актуальность борьбы с угрозой терроризма подогревает интерес к разработке в этой области. К настоящему времени можно считать принципиально доказанной возможность мюонной томографии обнаруживать контрабанду ядерно-активных 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. Система сбора данных трековых детекторов, их контроль и управление хорошо развиты в экспериментах физики высоких энергий. Но 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, 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 также 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 мю-онного томографа.

,. ; . Научная новизна заключается в разработке мюонного томографа с рабочим объемом 19,8 м3, система сбора данных которого работает в бестриггерном режиме. Применение дрейфовых камер без дополнительных триггерных 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 сцин-тилляционных 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 выделении 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 бестриггер-ном 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 экспериментами 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 подсистемы контроля работы мюонного томографа;

• методы визуализации данных.

Личный вклад автора. Автор разработал архитектуру информационно-измерительной системы, программное обеспечение. 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;

• конференции ШЕЕ Nuclear Science Symposium and Medical Imaging, Испания, Валенсия, 2011 г.;

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

• международной сессии-конференции секции ядерной физики ОФН РАН, Протвино, 2013 г.

Публикации. Основные результаты исследований, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 4 печатных работах в научных журналах, включенных в перечень ВАК, 2 из которых -в журнале, представленном в базе цитирования Scopus. 3 работы опубликованы в статьях и материалах конференции. 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 № II.4f.45.03 09.1030 от 05.03.2009, № Ii.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)».

Диссертационная работа по своему содержанию соответствует пунктам 4, 5 и 12 паспорта специальности 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в информационных системах).

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель и задачи, которые необходимо решить для ее достижения, определяется практическая значимость результатов исследования и научная новизна. Также в ведении представлены выносимые на защиту результаты и личный вклад автора в данной работе.

В первой главе диссертации описано назначение мюонно-го томографа и принципы его функционирования. Рассмотрена конструкция томографа, изготовленного в ФБГУ ГНЦ ИФВЭ, и его информационно-измерительная система. Представлена информация о потоке мюонов, о трековых детекторах, которые могут быть использованы для регистрации мюонов. Также в этой

главе изложена информация о программном обеспечении, которое используется на экспериментальных установках с трековыми детекторами.

Мюоны, достигающие поверхности Земли, являются вторичными. Они образуются в процессе взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли. В этой главе рассматривается интенсивность потока мюонов у поверхности Земли в зависимости от географического положения, высоты над уровнем моря и временных модуляций. Изменение потока является незначительным и влияет только на оценку времени, необходимого для исследования интересующего объекта. Так как подавляющее число частиц, достигающих поверхности Земли -мюоны, то нет необходимости в изготовлении системы идентификации частиц космического излучения.

Метод мюонной томографии основывается на том, что мюоны при прохождении через вещество испытывают кулонов-ское рассеяние, а среднеквадратичный угол рассеяния мюонов после прохождения слоя материала зависит от радиационной длины этого материала. Для исследования структуры объекта необходимо иметь в наличии систему из трековых детекторов, которая позволяет восстанавливать треки мюонов на входе в объект и на выходе из него. В связи с этим, в главе рассматриваются различные виды трековых детекторов, которые могут быть использованы для целей мюонной томографии.

; Проанализировав программное обеспечение установок с трековыми детекторами, были определены основные подсистемы, необходимые для построения требуемой информационно-измерительной системы мюонного томографа. Рассмотрены цели и задачи систем сбора данных, представлено общее назначение систем мониторирования, контроля и визуализации.

Созданный в ИФВЭ мюонный томограф состоит из одно-проекционных дрейфовых камер, изготовленных из дрейфовых трубок, которые образуют 8 координатных плоскостей площадью 9 м2. Эти координатные плоскости разделены на 2 блока -

и

верхний и нижний, по 4 в каждом блоке с чередующейся измеряемой проекцией трека X, Y. Камеры смонтированы в каркасе из стального швеллера, предусмотрена возможность их юстировки. В промежутке между двумя блоками камер (~2.2 м по высоте) размещаются тестовые предметы, их перемещение осуществляется при помощи подвижной платформы, установленной на специальные направляющие.

Выбор дрейфовых камер, в качестве трековых детекторов в детектирующей системе мюонного томографа обоснован небольшой стоимостью производства, возможностью изготовления детекторов достаточно больших размеров и обеспечивающих требуемое координатное и угловое разрешение.

На рис. 1 представлена структурная схема информационно-измерительной системы мюонного томографа. Основными элементами являются детекторы, корзина с VME и МИСС электроникой, а также управляемый высоковольтный источник питания. Информационно-измерительная система осуществляет регистрацию сигналов на дрейфовых трубках координатных детекторов, сбор данных с модулей, регистрирующих сигналы, , управление основными узлами системы. Контроль над работой основных узлов и сбором качественных данных осуществляется программным обеспечением.

Цифровая подсистема сбора данных мюонного томографа состоит из электронной аппаратуры, реализованной в стандарте VME-9U. Электроника включает в свой состав:

• одноплатный VME компьютер 025;

• 18 модулей 128-канальных время-цифровых преобразователей типа V-12;

• модуль V-13.

Модули V-12 и V-13 разработаны и изготовлены в ИФВЭ.

Для усиления сигналов с дрейфовых трубок используется 8-канальный усилитель, изготовленный на базе интегральной схемы "ОКА-1М". Обработка сигнала заключается в преобразо-

вании короткого токового импульса в напряжение и регистрации превышения сигналом заданного порога.

Модуль У-12 предназначен для измерения времени дрейфа в дрейфовых камерах в бестриггерном режиме. Вся поступающая на входы модуля информация автоматически регистрируется с шагом ~1 не.

Модуль У-13 вырабатывает управляющие сигналы, определяющие временной промежуток регистрации данных, который

Рис. 1 — Структурная схема информационно-измерительной системы мюон-ного томографа

Вторая глава диссертации посвящена методам регистрации сигналов и обработки данных в задачах мюонной томографии. Рассмотрены триггерный и бестриггерный режим регистрации сигналов в ССД.

Эффективность работы установок в физических экспериментах часто определяется настройками некоторого набора па-

раметров. Оптимальные значения этих параметров обычно не известны и поэтому их следует определять. В установке с газонаполненными детекторами одним из таких параметров является рабочее напряжение, подаваемое на детектор.

Установлено, что эффективная регистрация заряженных частиц детектором может производиться только при наличии плато счетной характеристики. Счетная характеристика - это зависимость скорости регистрации сигналов от напряжения, приложенного к детектору. Выбор рабочего напряжения в области плато гарантирует эффективную регистрацию космических мюонов.

Цель триггерной системы в экспериментальных установках заключается в обеспечении регистрации данных, удовлетворяющих определенным требованиям. Целесообразность использования триггерной системы зависит от задачи.

В классической схеме дрейфового прибора регистрирующая электроника воспринимает не только сигнал с анодной проволоки, но и дополнительный триггерный сигнал, который формируется внешними устройствами и сигнализирует о, .том, что через установку проходит заряженная частица. В такой схеме (триггерный режим) целью регистрирующей электроники является измерение разности времен прихода триггерного сигнала и сигнала с проволоки. Затем, зная скорость дрейфа и померенную разность времен, можно вычислить расстояние от проволоки, на котором через трубку прошла частица. В другом варианте триг-герная система осуществляет запуск сбора данных в момент прохождения частицы через детекторы, тем самым отсеивает лишнюю информацию.

Для мюонного томографа небольшого размера использование подобных триггерных систем выглядит вполне возможным. Но для томографа, предназначенного для исследования объектов большого размера (автомобиль, вагон, грузовой контейнер), стоимость и техническая сложность изготовления подобной триггерной системы будет превышать соответствующие пара-

метры самого томографа. Поэтому, в мюоном томографе была реализована бестриггерная система сбора данных. Запуск регистрации сигналов осуществляется по командам от компьютера, полученная информация порциями передается на него. А затем уже методом кластеризации и распознавания треков происходит выделение трековой информации.

Во время реконструкции треков и томографического изображения происходит несколько этапов обработки информации. Первым этапом является усиление и формирование сигнала, полученного от детектора, после чего оцифрованный сигнал передается в время-цифровой преобразователь, где производится фиксация времени регистрации сигнала.

Вторым этап является обработка данных уже в системе сбора данных. Во-первых, необходимо произвести декодирование данных, считанных с модулей У-12, затем уже осуществляется предобработка и форматирование данных для хранения или последующей обработки.

На третьем этапе производится реконструкция треков и томографического изображения. Перед тем как произвести реконструкцию изображения необходимо из имеющихся данных восстановить информацию о треках. В дрейфовых трубках координата трека частицы определяется радиусом окружности. Радиус этой окружности вычисляется через время дрейфа из Ш-зависимости, которая может быть задана в функциональном или табличном виде. Определение ^-зависимости сопряжено с вычислением таких параметров, как максимальное время дрейфа и минимальное время дрейфа.

Третьей глава посвящена алгоритмам сбора и обработки данных, распознаванию сигналов трека. Представлен алгоритм определения рабочего напряжения, подаваемого на трековые детекторы.

Алгоритм сбора данных является циклическим процессом. В рамках одной итерации происходит регистрации сигналов и

передачи их на компьютер. Алгоритм одной такой итерации цикла описывается следующими действиями:

1. Устанавливается сигнал, разрешающий регистрацию сигналов с дрейфовых трубок;

2. Запоминается текущее значение системного таймера;

3. Происходит преобразование формата данных, считанных в предыдущем цикле;

4. Циклически опрашивается системный таймер, пока не истечёт временное окно;

5. Если временное окно истекло, то завершается регистрация сигналов;

6. Из всех узлов регистрации считываются счётчики слов и значения времени регистрации сигналов;

7. Проверяется, что значения времени регистрации сигналов соответствуют заданной длине. Если не соответствуют — происходит переход к пункту 1;

8. Считываются данные из FIFO всех узлов регистрации, содержащих ненулевое количество слов.

После считывания информации из модулей V-12 программа, используя карту соединения дрейфовых трубок с каналами модулей ВЦП, преобразует формат данных в более удобный для последующей обработки: из системы модуль/канал в систему слой/трубка.

Алгоритм определения рабочего высокого напряжения. Выбор рабочего высокого напряжения начинается со снятия счетной характеристики. Данная процедура является полностью автоматизированной. Алгоритм заключается в следующем:

1) устанавливается стартовое напряжение;

2) устанавливается временная задержка;

3) по истечению временной задержки производится сбор данных, подсчитывается средняя частота регистрации сигналов всеми каналами;

4) в файл сохраняется значение высокого напряжения, информация о количестве записанных данных и средней частоте регистрации сигналов;

5) увеличивается значение напряжения на заданный шаг. Действия 2-5 выполняются на всем протяжение диапазона сканирования напряжения, заданного оператором.

После этого строится график счетной характеристики, который фитируется: до плато счетной характеристики — полиномом пятой степени; плато — прямой; после плато — полиномом второй степени. Дополнительно на функции накладываются условия гладкости:

Р5(У1) = Р1(У1)

Р1(У2) = Р2(У2) ' с}

рлу2)=Р; (у2)

где - левый край плато, ^г - правый край плато.

Для достижения эффективной работы подсистемы сбора данных в качестве рабочего напряжение выбирается значение соответствующее правому краю плато.

Алгоритм кластеризации. Первым этапом обработки данных, одной порции данных является процедура кластеризации. Данная процедура необходима при работе установки детектирующей частицы в бестриггерном режиме. Процедура кластеризации заключается в отборе группы сигналов (кластер) из данных, полученных от подсистемы сбора данных.

Алгоритм кластеризации, блок-схема которого изображена на рис. 2, заключается в поиске группы сигналов, удовлетворяющих установленным параметрам. Для этого в цикле сравниваются по времени два соседних сигнала, если разница зареги-, стрированных времен меньше максимально возможного интервала времени между регистрацией двух сигналов, то оба сигнала сохраняются в кластере.

Ç^ Конец J

Рис. 2 - Блок-схема алгоритма кластеризации

Как только разница времен превысит максимально возможный интервал, либо закончится временное окно, то производится проверка наличия необходимого количества сигналов в кластере, если эта проверка проходит, то производится проверка наличия необходимого количества сигналов для каждой камеры. Если обе проверки пройдены, то кластер сохраняется и начинается поиск нового кластера в данных этого временного окна.

Отбор кандидатов в сигналы трека. В алгоритме поиска части проекции трека из данных кластера используется метод, в котором следующий сигнал относительно предыдущего должен располагаться в нижнем слое в одной из соседних трубок. Метод является локальным, что позволяет производить поиск независимо в каждой камере. Но этим обусловлена и необходимость проверки принадлежности частей проекций с разных камер к одному треку. При поиске части трека учитываются только те, которые в каждом слое имеют сигнал.

Проверка двух частей проекций. После нахождения в каждой дрейфовой камере частей проекций треков необходима проверка их принадлежности к общей проекции трека (рис. 3).

Для этого в верхней камере блока детекторов в области трубок, через которые прошел трек, проводятся две прямые с максимально большими, возможными углами. Эти прямые определяют диапазон трубок для каждого слоя нижележащей камеры, в котором должно располагаться продолжение трека. Если

проекция трека в нижележащей камере находится в допустимой области, то аналогичным образом определяется допустимая область в верхней камере для проекции трека из нижней камеры и производится проверка. Если части проекции трека лежат в допустимых областях, то считается, что они принадлежат одному треку.

В четвертой главе рассматривается реализация программного обеспечения мюонного томографа, основными задачами которого является сбор, накопление, первичная обработка и запись данных на жесткий диск. Также описан модуль визуализации, предназначенный для отображения гистограммы скорости регистрации сигналов и счетной характеристики.

Мюонный томограф работает в двух режимах: первый -высоковольтный скан, он предназначен для определения рабочего высокого напряжения, при котором будет осуществляться регистрация сигналов; второй - основной режим работы, при котором происходит сбор и накопление данных. Программное обеспечение предоставляет окно настройки, с помощью которого оператор может изменять параметры режимов работьг томографа. Здесь же реализована возможность задать сценарий, следуя которому будет произведено определение рабочего высокого напряжения и сбор данных при этом напряжении.

Программное обеспечение мюонного томографа разработано с использованием объектно-ориентированного подхода, на языке С++. Оно выполняется на VME-компьютере под управлением операционной системы Linux.

Функциональная схема программного обеспечения представлена на рис. 4.

Система управления состоит из трех составляющих: главный модуль управления - осуществляет операции по запуску/остановке сбора данных и процедуры поиска рабочего напряжения; модуль, взаимодействующий с регистрирующей

электроникой; модуль, управляющий высоковольтным источником питания.

Рис. 4 - Функциональная схема программного обеспечения системы сбора данных мюонного томографа

Во время работы системы сбора данных происходит регистрация сигналов. По истечению временного интервала, настраиваемого оператором, вся информация из внутренних буферов регистрирующих модулей считывается в оперативную память компьютера. Затем осуществляется предобработка данных.

После этого данные могут быть записаны в файл, переданы по сети для дальнейшей обработки и в систему мониторирова-ния. Мониторирование производится на программном уровне средством анализа данных и оператором методом наблюдения за визуализированными данными.

Контроль работы томографа производится на основе проверки текущих значений высокого напряжения; количества неработающих каналов и проверки работоспособности модулей электроники. Работа томографа будет прекращена в случаи отклонения какого-либо параметра от значения, установленного оператором.

Объем порции данных, передаваемых от регистрирующей электроники в компьютер, определяется двумя величинами: длительность временного окна регистрации сигналов с дрейфовых трубок и количество временных окон. Зависимости эффективности работы ССД от этих двух параметров приведены на

Рис. 5 - Эффективность работы ССД в зависимости от количества временных окон (а) и их длительности (б)

Визуализация данных происходит с помощью разработанного графического компонента отображения данных. Графический компонент для отображения использует векторную графику, что позволяет производить масштабирование без потери ка-

чества. Во время работы мюонного томографа в нем может быть визуализирована:

1) частота регистрации сигналов в дрейфовых трубках;

2) счетная характеристика.

«Дисплей треков» также является модулем, визуализирующим данные. Этот модуль является инструментом визуального контроля, который позволяет осуществлять общий контроль работоспособности томографа и обеспечивает сбор качественных данных, методом визуализации проекций трека частицы, прошедшей через детекторы томографа.

Функционирование модуля заключается в последовательном выполнение следующих процедур:

1) кластеризация данных;

2) отбор сигналов трека;

3) визуализация проекций трека.

Графический интерфейс окна модуля «Дисплей треков» представляет две области отображения проекций XX и гУ мюонного томографа (рис. 6).

Рис. 6 - Изображение формы модуля "Дисплей треков"

В четвертой главе представлены результаты обработки данных некоторых экспериментов, проведенных с целью исследования возможностей мюонного томографа.

Свинцовый блок под стальными трубами. В данном случае была исследована возможность обнаружения 10-сантиметрового свинцового куба под стальными трубами (рис. 7). На рис. 7 справа представлено реконструированное изображение, полученное после 3 минут сбора данных.

Рис. 7 - Фотография сцены свинцового блока под стальными трубами (слева) и его томографического изображения (справа)

Свинцовый блок под стальной защитой. В одной из экспозиций была исследована возможность обнаружения объекта под сталью толщиной 30 см (рис. 8). После 5 минут сбора данных было получено изображение, представленное на рис. 8 справа.

и его томографического изображения (справа)

Контейнер с обедненным ураном. В эксперименте был исследован более сложный случай, когда на платформе размещался контейнер с обедненным ураном, обложенный свинцовыми блоками (рис. 9). Через 10 минут реконструкции изображения можно сказать, что структура объекта не однородна, и оценить размеры объекта, размещенного внутри контейнера (рис 10)

Рис. 9 - Фотография контейнера с обеоненным ураном (слева) и фотографа контейнера обложенного свинцовыми блоками (справа).

^омогРаФическое изображение контейнера с обедненным ураном после 10 минут реконструкции.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана информационно-измерительная система мюонного томографа, включающая цифровую подсистему сбора данных, обработки и хранения информации, контроля и управления. Реализовано соответствующее программное обеспечение системы сбора данных, контроля и управления.

2. Исследована архитектура программно-аппаратных комплексов, используемых на экспериментальных установках физики высоких энергий. Выделены и обобщены системы и компоненты, обеспечивающие функциональность рассмотренных программно-аппаратных комплексов. Полученная информация способствовала формированию архитектуры разработанной информационно-измерительной системы.

3. Обоснован выбор использования системы сбора данных в бестриггерном режиме регистрации сигналов с трековых детекторов мюонного томографа, а также выбор детекторов на основе дрейфовых трубок в качестве элементов, детектирующих заряженные частицы.

4. Предложены методы контроля работы информационно-измерительной системы, заключающиеся в анализе данных, поступающих от высоковольтного источника питания, модулей регистрации сигналов, и наблюдении за визуализированными данными.

5. Разработаны алгоритмы обработки данных, включая выделение сигналов трека из общего потока данных, основанные на существующих алгоритмах распознавания треков и адаптированных под условия поставленной задачи.

6. Обоснована целесообразность автоматизации процедуры выбора рабочего напряжения, подаваемого на сигнальные

проволоки трековых детекторов во время сбора данных. Предложен алгоритм определения рабочего напряжения, опирающийся на физику регистрации сигналов в ионизационных камерах. Реализация этого алгоритма позволила автоматизировать поиск рабочего высокого напряжения, занимающий порядка 3 часов времени при выполнении оператором в ручном режиме.

7. Создано полнофункциональное программное обеспечение на основе предложенных методов и алгоритмов. Разработанное программное обеспечение позволяет производить управление мюонным томографом, осуществлять контроль его работы и производить сбор данных с трековых детекторов. Время на передачу данных в каждом цикле регистрация-считывание данных составляет 13%.

8. В качестве отдельного модуля реализован инструмент отображения проекций треков, обеспечивающий общий контроль работоспособности информационно-измерительной системы и качественный набор данных для последующей реконструкции томографических изображений.

9. Проведенные экспериментальные исследования возможностей мюонного томографа показали высокую надежность работы разработанной информационно-измерительной системы мюонного томографа. Продемонстрирована возможность обнаружения объекта (свинцовый куб 20x20x20 см), размещенного под стальной защитой 30 см, возможность обнаружения урана в защитном контейнере, обложенного свинцовыми блоками, за 30 с. экспозиции.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, включенных ВАК в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий

[1] A.A. Борисов, М.Ю. Боголюбский, Н.И. Божко, А.Н. Исаев и др. Установка «мюонный томограф» с площадью перекрытия 3x3 м2 // Приборы и техника эксперимента. - 2012, №2, ISSN 0032-8162. - с. 5-14. (SCOPUS).

[2] М.Ю. Боголюбский, H.A. Исаев, A.C. Кожин, A.B. Козе-лов и др. Система сбора данных и управления в стандарте электроники МИСС для детектора на дрейфовых трубках // Приборы и техника эксперимента. - 2013, №2, ISSN 00328162. - с. 39-48. (SCOPUS).

[3] 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.

[4] A.C. Кожин, A.B. Козелов, 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.

Регистрация интеллектуальной деятельности

[5] А.А. Борисов, М.Ю. Боголюбский, Н.И. Божко и др. Мюонный томограф // Патент на полезную модель № 122191, дата регистрации 20.11.2012.

[6] A.B. Козелов, A.C. Кожин, И.С. Плотников. Программное обеспечение системы сбора данных, контроля и управления мю-онного томографа // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013660925, дата регистрации 25.11.2013.

Тезисы научных докладов

[7] M. Bogolyubskiy, N. Bozhko, A. Borisov, R. Fakhrutdinov, et al. ШЕР (Protvino) 3x3 m2 cosmic ray muon tomograph // IEEE NSS/MIC, 2011. - p. 296-298.

[8] A.A. Борисов, М.Ю. Боголюбский, Н.И. Божко, А.Н. Исаев и др. Программное обеспечение системы управления и сбора данных мюонного томографа // Международная сессия-конференция секции ядерной физики ОФН РАН, Протвино, 2013.

[9] A.A. Борисов, М.Ю. Боголюбский, Н.И. Божко, А.Н. Исаев и др. Исследование и разработка методики мюонной томографии на космическом излучении в ГНЦ ИФВЭ // Международная сессия-конференция секции ядерной физики ОФН РАН, Протвино, 2013.

Автореферат отпечатан с оригинала-макета, подготовленного автором.

И.С. Плотников.

Исследование и разработка информационно-измерительной системы мюонного томографа.

Оригинал-макет подготовлен с помощью системы Microsoft World.

Подписано к печати 24.04.2014. Формат 60x84/16. Цифровая печать. Печ.л. 2,0. Уч.-изд.л. 1,5. Тираж 100. Заказ 8.

ФГБУ ГНЦ ИФВЭ НИЦ "Курчатовский институт"

142281, Московской область, город Протвино, площадь Науки, дом 1

АВТОРЕФЕРАТ ФГБУ ГНЦ ИФВЭ НИЦ "Курчатовский институт", 2014

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи

04201459600

Плотников Иван Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ МЮОННОГО ТОМОГРАФА

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

(в информационных системах)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель: д. ф.-м. н. Кожин А. С.

Автор:

Протвино - 2014

Содержание

Список условных обозначений и сокращений.....................................................4

Введение...................................................................................................................5

Глава 1. Физические принципы функционирования и элементы мюонного томографа...............................................................................................................16

1.1 Структура мюонного томографа............................................................18

1.1.1 Система трековых детекторов мюонного томографа...................20

1.1.2 Высоковольтный источник питания БПВ-5..................................21

1.1.3 Усилитель сигналов с дрейфовых трубок иБТК-8......................22

1.1.4 Модуль регистрации сигналов У-12...............................................24

1.1.5 Модуль управления регистрирующей электроникой V-13..........27

1.1.6 Одноплатный компьютер 025.........................................................29

1.2 Трековые детекторы................................................................................30

1.3 Поток мюонов..........................................................................................34

1.4 Программное обеспечение экспериментальных установок в физике высоких энергий................................................................................................42

1.4.1 Цели и задачи системы сбора данных............................................44

1.4.2 Структура системы сбора данных..................................................45

1.4.3 Система мониторирования, контроля и визуализации.................46

1.4.4 Средства взаимодействия процессов, модулей.............................47

1.5 Постановка задачи разработки информационно-измерительной

системы мюонного томографа.........................................................................47

Выводы по главе 1.............................................................................................48

Глава 2. Методы регистрации сигналов и обработки данных в задачах мюонной томографии...........................................................................................50

2.1 Взаимодействие мюона с веществом....................................................51

2.2 Рабочего напряжение газонаполненных трековых детекторов..........53

2.3 Усиление, формирование и регистрация сигнала................................59

2.4 Триггерный и бестриггерный режимы регистрации сигналов...........63

2.5 Принципы реконструкции треков..........................................................65

Выводы по главе 2.............................................................................................69

Глава 3. Выбор и формирование алгоритмов обработки и реконструкции данных.......................................................................................71

3.1 Алгоритм сбора данных..........................................................................71

3.2 Алгоритм определения рабочего высокого напряжения....................74

3.3 Алгоритм кластеризации........................................................................78

3.4 Алгоритм распознавания треков............................................................80

3.5 Реконструкция треков и томографического изображения..................85

Выводы по главе 3.............................................................................................94

Глава 4. Разработка информационно-измерительной системы мюонного томографа...............................................................................................................96

4.1 Архитектура программного обеспечения.............................................99

4.2 База данных экспериментов.................................................................103

4.3 Графический интерфейс программного обеспечения.......................105

4.4 Реализация подсистемы контроля работы мюонного томографа.... 113

4.5 Экспериментальное исследование возможности обнаружения различных объектов мюонным томографом.................................................116

4.5.1 Сцена с свинцовым блоком...........................................................118

4.5.2 Сцена контейнера с обедненным ураном в свинцовой обкладке........................................................................................................120

4.5.3 Сцена имитации строительной конструкции с полостью..........123

4.5.4 Сцена с скрытым объектов под стальными трубами..................125

4.5.5 Сцена с скрытым объектом под массивной стальной защитой. 127 Выводы по главе 4...........................................................................................128

Заключение..........................................................................................................129

Список литературы.............................................................................................132

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

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 авторо�