Мюонный томограф
Полезная модель относится к устройствам для исследования внутренней структуры или анализу объектов радиационными методами, а именно к методу радиографии, который позволяет реконструировать послойную структуру объекта посредством его многократного просвечивания в пересекающихся направлениях космическими лучами, и может быть использована для изучения возможностей обнаружения скрытых объектов различной плотности.
Технический результат данной полезной модели заключается в реализации возможности повышения точности реконструкции углов прилета мюонов в детектор с одновременным обеспечением качественной реконструкции послойной структуры исследуемого объекта и последующего получения качественных изображений послойного распределения данного объекта.
Заявленный технический результат достигается тем, что мюонный томограф, состоящий из шестнадцати идентичных однопроекционных дрейфовых камер, которые смонтированы в каркасе, выполненным с возможностью их юстировки, из стального швеллера, отличающийся тем, что однопроекционные дрейфовые камеры без зазора попарно состыкованы с образованием восьми координатных плоскостей, разделенных по четыре плоскости на два чувствительных позиционных блока-детектора - верхний и нижний, выполненных с функцией чередования измеряемой проекции трека, и пространство между которыми выполнено с возможностью размещения исследуемых объектов на платформе, функцией которой является перемещение данных объектов посредством специальных направляющих, с электроприводом. При этом каждая камера состоит из дрейфовых трубок, склеенных в три ряда, средний из которых смещен на половину диаметра трубки. Каждая из трубок представляет собой тонкостенный алюминиевый цилиндр, закрытый с двух сторон пробками, между которыми натянута сигнальная проволока, и заполненный газовой смесью под избыточными давлением. Причем, верхний и нижний блоки-детекторы выполнены с возможностью подключения к модулю обработки сигналов, который состоит из модуля обработки входных сигналов верхнего блока-детектора и модуля обработки выходных сигналов нижнего блока-детектора и выполнен с функцией подключения к модулю системы сбора данных устройства, состоящего из модуля регистрации и выработки управляющих сигналов, так же модуля обработки данных, выполненного в виде одноплатного VME компьютера.
Полезная модель относится к устройствам для исследования внутренней структуры или анализу объектов радиационными методами, а именно к методу радиографии, который позволяет реконструировать послойную структуру объекта посредством его многократного просвечивания в пересекающихся направлениях космическими лучами, и может быть использована для изучения возможностей обнаружения скрытых объектов различной плотности.
Каждую минуту квадратную площадку со стороной 1 см, горизонтально лежащую на поверхности Земли, пересекает 1 мюон космического происхождения. Поток этих мюонов практически равномерный, с незначительной зависимостью от географической широты, и небольшими сезонными вариациями. Их средняя энергия составляет около 4 ГэВ, с максимумом спектра около 2 ГэВ. Большая проникающая способность (около 1.8 м стали при импульсе 3 ГэВ/с) делает космические мюоны привлекательным источником для радиографии крупномасштабных объектов, а угловое распределение космических мюонов на поверхности Земли позволяет осуществлять и томографию.
Из уровня техники известны различные способы и устройства, реализованные на данной основе.
Например, известен способ геологической томографии с помощью мюонов космических лучей (CA 2603829 A1, G01V5/00, опубл. 26.07.2007. Geological tomography using cosmic rays), который состоит в том, что исследование определенной геологической структуры проводится путем нескольких измерений интенсивности мюонов, осуществляемых в различных точках. Трехмерный анализ данных позволяет определить распределение плотности минералов на исследуемом участке.
К недостатку данного способа можно отнести необходимость размещения детекторов под землей, что требует значительных затрат. Кроме того, для проведения томографического анализа требуется довольно большое число измерений, что значительно увеличивает время томографии.
Также известен способ получения информации о внутренней структуре объектов больших размеров с помощью мультисекционной регистрации горизонтальных мюонов космических лучей (JP 2006284329 A, C21B 7/24; G01B 15/00; G01T 1/172; G01T 1/20; G01T 1/29; G01V 5/00; F27D 21/00, опубл. 19.10.2006. Method of acquiring internal structure information of large-sized structure by horizontal cosmic ray muon by multi-division type detection means), который состоит в том, что изучаемый объект размещают между координатно-чувствительными детекторами и после анализа траекторий мюонов до и после пролета сквозь объект определяют внутреннюю структуру объекта.
Основным недостатком данного метода является использование двух координатно-чувствительных детекторов. Кроме того, поток горизонтальных мюонов космических лучей очень мал (на два порядка меньше, чем вертикальных), поэтому проведение томографии потребует значительного времени экспозиции.
Из уровня техники известен так же способ томографического контроля крупногабаритных грузов (RU 2072513 C1, G01N 23/04, опубл. 27.01.1997), который заключается в том, что с помощью пар координатно-чувствительных детекторов, расположенных вокруг объекта, задают квазипараллельные пучки мюонов под разными направлениями. Определяют координаты входа мюонов в объект, координаты выхода мюонов из объекта и по ослаблению потоков космических мюонов под разными направлениями воспроизводят томографическую картину содержимого закрытого транспортного средства. Способ позволяет осуществлять контроль средней плотности и томографию объектов с разрешением порядка единиц сантиметров без применения дорогостоящих ускорительных установок, специальных помещений, отвечающих нормам радиационной безопасности, и может использоваться для создания установок контроля ввоза-вывоза груза для военных баз, военных заводов, закрытых городов.
Недостатками данного способа являются использование двух координатно-чувствительных детекторов и необходимость обязательного расположения исследуемого объекта между ними. Кроме того, при расположении координатных детекторов по бокам объекта большинство направлений соответствует окологоризонтальным мюонам, поток которых невелик, что требует значительного времени для проведения томографии.
Наиболее близким аналогом является автоматизированное устройство сканирования транспортных средств (US 7945105 B1, G06K 9/36, опубл. 17.05.2011. Automated target shape detection for vehicle muon tomography), которое содержит автономное устройство мюонной томографии с трехмерным анализатором данных, выполненного с возможностью обнаружения и идентификации потенциально опасных объектов, провозимых в транспортном средстве.
Основным недостатком данного устройства является недостаточная точность реконструкции углов прилета мюонов в детектор и измерения потока мюонов, что влияет на качество получаемых изображений объектов, особенно при послойной реконструкции структуры данных объектов.
Технический результат данной полезной модели заключается в реализации возможности повышения точности реконструкции углов прилета мюонов в детектор с одновременным обеспечением качественной реконструкции послойной структуры исследуемого объекта и последующего получения качественных изображений послойного распределения данного объекта.
Заявленный технический результат достигается тем, что мюонный томограф, состоящий из идентичных однопроекционных дрейфовых камер, которые смонтированы в каркасе, выполненным с возможностью их юстировки, из стального швеллера, отличающийся тем, что однопроекционные дрейфовые камеры без зазора попарно состыкованы с образованием восьми координатных плоскостей, разделенных по четыре плоскости на два чувствительных позиционных блока-детектора - верхний и нижний, выполненных с функцией чередования измеряемой проекции трека, и пространство между которыми выполнено с возможностью размещения исследуемых объектов на платформе, функцией которой является перемещение данных объектов посредством специальных направляющих, с электроприводом, при этом каждая камера состоит из дрейфовых трубок, склеенных в три рядя, средний из которых смещен на половину диаметра трубки, каждая из которых представляет собой тонкостенный алюминиевый цилиндр, заполненный газовой смесью под избыточными давлением и закрытый с двух сторон пробками, между которыми натянута сигнальная проволока, причем верхний и нижний блоки-детекторы выполнены с возможностью подключения к модулю обработки сигналов, который состоит из модуля обработки входных сигналов верхнего блока-детектора и модуля обработки выходных сигналов нижнего блока-детектора и выполнен с возможностью подключения к модулю системы сбора данных устройства, состоящего из модуля регистрации и выработки управляющих сигналов, а также модуля обработки данных, выполненного в виде одноплатного VME компьютера, функцией которого является получение изображения произвольных срезов исследуемого объекта.
Кроме того, мюонный томограф может быть выполнен из шестнадцати идентичных однопроекционных дрейфовых камер.
Кроме того, мюонный томограф содержит по сорок восемь трубок в ряд с расстоянием 30,035 мм между центрами любых двух соседних трубок, как в камере, так и в координатной плоскости.
Сущность полезной модели поясняется чертежом: на фиг.1 изображена схема расположения камер в томографе: вид томографа сверху, видео схемой расположения камер томографа сзади, вид со схемой расположения камер томографа справа; на фиг.2 - принципиальная схема работы мюонного томографа.
Осуществление полезной модели
Мюонный томограф состоит предпочтительно из шестнадцати идентичных однопроекционных дрейфовых камер 1, которые смонтированы в каркасе 2, выполненным с возможностью их юстировки, из стального швеллера, отличающийся тем, что однопроекционные дрейфовые камеры 1 без зазора попарно состыкованы с образованием восьми координатных плоскостей 3, разделенных по четыре плоскости 3 на два чувствительных позиционных блока-детектора - верхний 4 и нижний 5, выполненных с функцией чередования измеряемой проекции трека, и пространство 6 между которыми выполнено с возможностью размещения исследуемых объектов на платформе, функцией которой является перемещение данных объектов посредством специальных направляющих, с электроприводом. При этом каждая камера 1 может быть выполнена состоящей, например, из ста сорока четырех дрейфовых трубок 7, склеенных в три ряда, средний из которых смещен на половину диаметра трубки 7, по сорок восемь трубок 7 в ряд с расстоянием 30,035 мм между центрами любых двух соседних трубок 7, как в камере 1, так и в координатной плоскости 3, и представляющих собой тонкостенный алюминиевый цилиндр, закрытый с двух сторон пробками, между которыми натянута сигнальная проволока, и заполненный газовой смесью под избыточными давлением. Причем, верхний 4 и нижний 5 блоки-детекторы выполнены с возможностью подключения к модулю обработки сигналов 8, который состоит из модуля 9 обработки входных сигналов верхнего 4 блока-детектора и модуля 10 обработки выходных сигналов нижнего 5 блока-детектора и выполнен с функцией подключения к модулю 11 системы сбора данных устройства, состоящего из модуля 12 регистрации и выработки управляющих сигналов, так же модуля 13 обработки данных, выполненного в виде одноплатного VME компьютера, функцией которого является получение изображения произвольных срезов исследуемого объекта.
Устройство работает следующим образом: вначале на платформе в пространстве 6 между верхним 4 и нижним 5 чувствительными позиционными блоками-детекторами устанавливается исследуемый объект. Верхний 4 координатный блок-детектор обеспечивает измерение треков мюонов до контролируемого объема исследуемого объекта и передачу сигнала по модулю 8 обработки сигналов через модуль 9 обработки входных сигналов верхнего 4 блока-детектора на модуль 11 системы сбора данных устройства, а нижний 5 координатный блок-детектор обеспечивает измерение треков мюонов после контролируемого объема исследуемого объекта, а так же последующую передачу сигналов по модулю 8 обработки сигналов через модуль 10 обработки выходных сигналов нижнего 5 блока-детектора на модуль 11 системы сбора данных устройства. Модуль 11 системы сбора данных устройства посредством модуля 12 регистрирует и вырабатывает управляющие сигналы, которые обрабатывается затем с помощью модуля 13 обработки данных, выполненного в виде одноплатного VME компьютера, функцией которого является получение изображения произвольных срезов исследуемого объекта.
Обоснование условия промышленной применимости по реализации работы модулей, входящих в состав устройства, может состоять в следующем.
Дрейфовая трубка может представлять 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%W+3%Re, диаметр 0.05 мм, натяжение 350 г). Дрейфовая трубка заполняется газовой смесью Ar-CO 2=93-7 под избыточным давлением порядка 0.1 атм.
Прием и усиление сигналов с дрейфовых трубок могут быть реализованы посредством 8-канального усилителя, изготовленного на базе интегральной схемы «ОКА-1М», которая может быть разработана с использованием сверхвысокочастотной малошумящей Bi-jFET технологи, позволяющая производить n-p-n транзисторы с граничной частотой Ft>3GHz и 
>150. Интегральные схемы могут быть изготовлены в 2 типах корпусов: пластмассовом QFP48 и керамическом Н16.48-1в.
Интегральная схема «ОКА-1М» может включать в себя 8 каналов зарядо-чувствительных усилителей-формирователей-дискриминаторов. При этом обработка сигнала осуществляется посредством преобразования короткого токового импульса в напряжение и регистрации превышения сигналом заданного порога. Регулировка порога чувствительности каналов по входному сигналу осуществляется многооборотным переменным резистором сразу у всех 8 каналов. Напряжение порога подается на 30 вывод микросхемы (на 12 вывод в керамическом корпусе) в пределах 100-800 мВ. Чувствительность усилителя регулируется от 0,2 µA до 1,3 µA. При пороговом напряжении 400-450 мВ устанавливается чувствительность усилителя около 1 µA. Выходные сигналы соответствуют стандарту LVDS. Каждая выходная пара терминируется резистором 110 Ом на входе приемника. Питание усилителя осуществляется от источника 6 В (50 мА).
Для подсоединения усилителей к детектору может использоваться печатная плата Signal board 3×8. Данная плата позволяет подключать к детектору 3 усилителя, т.е. снимать информацию с 24 сигнальных проволочек. Для уменьшения помех на входы усилителей, плата может быть изготовлена в 4-х слоях со сплошными внешними земляными слоями. Для подачи высокого напряжения на дрейфовые трубки может использоваться печатная плата HV board 3×8. Обе платы могут быть покрыты защитным покрытием «Пластик 70». Электроника системы сбора данных экспериментальной мюонного томографа может быть реализована в стандарте VME-9U с использованием: одноплатного VME компьютера; 18-ти 128-канальных модулей регистрации V-12; модуля V13, используемого для выработки управляющих сигналов по команде от ЭВМ.
В системе сбора данных также могут использоваться вспомогательные модули разветвителей логических сигналов и преобразователей уровня. Одноплатный VME компьютер может быть реализован в следующей конфигурации: процессор - Intel Pentium M 1.4 Ггц; объем ОЗУ - 1 Гбайт; сетевые интерфейсы - 2*Gigabit Ethernet; жесткий диск - 80 Гбайт; VME интерфейс - Tundra Universe II.
Модуль V-12 имеет 128 каналов ВЦП, работающих с общим стартом. Все измеряемые сигналы поступают через входные разъемы, располагающиеся на передней панели, в уровнях LVDS. Время прихода входного сигнала измеряется с дискретностью 1 не в диапазоне до 16 мс. Возможен прием до 1023 хитов на 32 канала каждого разъема. Прием второго сигнала в том же канале разрешен не ранее чем через 750 -1000 не.
Возможен непрерывный прием данных без остановки на вычитывание.
Регистр является модулем VME типа A32/A24/D32, т.е. использует 32-х или 24-х разрядное адресное поле и 32-разрядную шину данных. Блок регистрации состоит из пяти частей: четыре одинаковых 32-х канальных узла регистрации (УР) поступающей от детектора информации и узел управления (УУ). Узлы регистрации обеспечивают прием, обработку, временное хранение и передачу данных в узел управления, а узел управления - взаимодействие блока с магистралью VME при выполнении операций чтения/записи. Узел регистрации осуществляет прием входной информации, ее оцифровку и занесение в буфер памяти типа FIFO. Регистрация входных сигналов разрешается внешним сигналом ENABLE.
Время приема данных (временное окно) определяется внешним сигналом FIX, который приходит от управляющей программы с интервалом ~10 мс, но не более ~16 мс, чтобы счетчик Time Counter не переполнился. По сигналу FIX цифровой код этого времени переписывается в специальный FIX-регистр и одновременно с этим происходит обнуление «счетчика времени» без остановки счета, так что возможна сшивка данных за любой промежуток времени. Одновременно с этим происходит фиксация части уже записанного объема данных в FIFO, которая вычитывается для дальнейшей обработки. При работе с MT-3 FIFO заполняется на 10%. Время обработки одного канала составляет 232 нс.
Программное обеспечение мюонного томографа может быть реализовано из двух составных частей: системы сбора данных (ССД) и система обработки. Программное обеспечение ССД может быть написано на языке С++ и выполняться под управлением операционной системы Linux. Для работы с VME может использоваться библиотека VMELinux, для визуализации данных - графическая библиотека ROOT.
Программа может выполнять следующие функции:
1. конфигурирование системы (задание номеров модулей ВЦП и, тем самым, соответствие адресов VME каналам детектора, длительности и количества временных окон);
2. инициализацию ССД с последующей проверкой состояния модулей;
3. чтение данных из модулей ВЦП в оперативную память ЭВМ и проверка на наличие ошибок чтения;
4. преобразование данных в формат, более удобный для последующей обработки;
5. запись информации на локальный жесткий диск;
6. управление источником высокого напряжения типа БПВ-5;
7. визуализацию данных для оперативного контроля за работой установки;
8. выдачу списков "мертвых" и "горячих" (часто срабатывающих) каналов по команде оператора;
9. при подключении управляемой задержки и тестового сигнала - автоматизированное сканирование по задержке данного сигнала. "Мертвое" время ССД при длительности временного окна 10 мсек, средней частоте срабатывания одной трубки 40 Гц, записи информации на локальный жесткий диск и частичной ее визуализации (обрабатывается 2% данных) может составлять 13,6%. Запись данных может быть реализована как на локальном жестком диске, так и на передаче информации по сети Ethernet для обработки в режиме реального времени на другом компьютере.
Система обработки данных может состоять из следующих компонентов: системы реконструкции треков и вершин; системы автокалибровки детектора; системы визуализации и анализа изображений
Программное обеспечение системы обработки данных может быть создано в объектно-ориентированной архитектуре на языке C++.
Существенной особенностью мюонного томографа является его работа в бестриггерном режиме, что накладывает специальные требования на функции автокалибровки и реконструкции, при этом общая схема используемых процедур может состоять из следующих этапов: реконструкции треков и вершин, автокалибровки детектора; визуализации и анализа изображений.
Событие в бестриггерном режиме представляет собой набор сигналов с детектора, зарегистрированных в течении временного интервала (10 мс), намного превышающего типичное время дрейфа в трубках (500 нс), что предполагает возможность наличия нескольких мюонных треков в одном событии.
Процедура реконструкции начинается с кластеризации события. Кластеры строятся из хитов, разделенных временными интервалами, не превышающими времени дрейфа. Такие группы хитов образуют временные окна, которые могут соответствовать физическому треку.
Кластеры строятся по иерархическому алгоритму с использование анализа на непротиворечивость (геометрическое расположение хитов в кластере должно соответствовать прямым отрезкам трека в верхней и нижней частях томографа) и конкурентного разрешения возможных неоднозначностей с ассоциацией хитов. Кластеры, прошедшие процедуру отбора, формируют набор заготовок треков.
Каждый трек представляет собой 4 сегмента, по два (XY и ZY проекции) в верхней и нижней частях томографа. Используется линейная модель проекций трека, реализованная в параметрической форме: sX+cY=D, где s2+c2=1. Данное представление позволяет линейным образом вычислять расстояние от прямой до произвольной точки (в нашем случае - расстояние от прямой до проволоки, которое должно сравниваться в процедуре минимизации с расстоянием, полученным из Rt-зависимости). Таким образом, трек полностью характеризуется заданием 8-и параметров (si, Di, i=l-4) и единого параметра T0 - времени прохождения мюона через детектор. Итерационная, квазианалитическая (вычисление вектора первых и матрицы вторых производных) процедура фита дополнена алгоритмом конкурентной выбраковки хитов. Каждый хит учитывает время прохождения сигнала по проволоке, время пролета мюона, собственное разрешение трубок и вклад многократного рассеяния на материале детектора.
Реконструированные проекции образуют два 3D-сегмента (верхний и нижний) и вероятная вершина рассеяния определяется как точка, сумма расстояний от которой до сегментов минимальна.
Критичным параметром, определяющим работоспособность установки, является разрешение разности углов сегментов трека, реконструированных в верхней и нижней частях установки.
Процедура автокалибровки состоит в определении индивидуальных для каждого канала параметров t0 и tmax (t0 соответствует собственной задержке сигнала в данном канале; tmax - максимальное время дрейфа), а также в реконструкции индивидуальных Rt-зависимостей. Параметры t0 для каждого канала определяются с помощью специальных тестовых сигналов, подаваемых на анодные проволоки и являются входными параметрами для процедуры автокалибровки.
Реконструкция Rt-зависимостей осуществляется с помощью итерационного фита экспериментальных данных.
Rt-зависимости параметризуются как разложение по полиномам Чебышева до 6-ой степени включительно. Свойство ортогональности полиномов позволяет устранить корреляцию между весами полиномов и обеспечивает высокую устойчивость и сходимость алгоритма.
Реконструированные вершины вероятного рассеяния (возможно использование вершин с весом, пропорциональным первой либо второй степени угла рассеяния) образуют изображение (в общем случае - 3D) из которого можно получить произвольные срезы 2D. При этом каждый срез имеет свои индивидуальные параметры настройки: размеры, положение и толщина среза, параметры отбора треков и вершин, методы представления и ассоциированные процедуры цифровой обработки. В настоящее время известны различные алгоритмы преобразования гистограмм изображений, устранения шума и выделения границ. Может быть реализована поддержка произвольного количества изображений - срезов (ограничено только размером оперативной памяти компьютера). Система визуализации может построена на базе пакета Qt-4 и позволять осуществлять анализ данных как в режиме on-line, так и с использованием информации из ранее записанных файлов.
Все поддерживаемые параметры любого изображения могут быть изменены в процессе анализа с использованием простой системы меню. При этом происходит быстрая реконструкция нового изображения с учетом всей накопленной к данному моменту статистики.
В целом устройство обеспечивает реализацию возможности повышения точности реконструкции углов прилета мюонов в детектор с одновременным обеспечением качественной реконструкции послойной структуры исследуемого объекта и последующего получения качественных изображений послойного распределения данного объекта. Это объясняется тем, что, во-первых, конструкция томографа выполнена без использования «быстрых» детекторов, определяющих момент прохождения частицы через дрейфовые камеры, а сами дрейфовые камеры и их электронная аппаратура работают в так называемой "бестриггерной" моде. Во-вторых, в конструкции дрейфовых камер предусмотрена их работа как без постоянного продува газовой смесью, так и с традиционной системой постоянного продува газовой смесью. И, в-третьих, совокупное продуманное с конструкторской точки зрения наличие в конструкции устройства всех необходимых узлов и агрегатов позволяет качественно реконструировать послойную структуру исследуемого объекта и последующее получение качественных изображений послойного распределения данного объекта.
1. Мюонный томограф, состоящий из идентичных однопроекционных дрейфовых камер, которые смонтированы в каркасе, выполненном с возможностью их юстировки, из стального швеллера, отличающийся тем, что однопроекционные дрейфовые камеры без зазора попарно состыкованы с образованием восьми координатных плоскостей, разделенных по четыре плоскости на два чувствительных позиционных блока-детектора - верхний и нижний, выполненных с функцией чередования измеряемой проекции трека, и пространство между которыми выполнено с возможностью размещения исследуемых объектов на платформе, функцией которой является перемещение данных объектов посредством специальных направляющих, с электроприводом, при этом каждая камера состоит из дрейфовых трубок, склеенных в три ряда, средний из которых смещен на половину диаметра трубки, каждая из которых представляет собой тонкостенный алюминиевый цилиндр, заполненный газовой смесью под избыточными давлением и закрытый с двух сторон пробками, между которыми натянута сигнальная проволока, причем верхний и нижний блоки-детекторы выполнены с возможностью подключения к модулю обработки сигналов, который состоит из модуля обработки входных сигналов верхнего блока-детектора и модуля обработки выходных сигналов нижнего блока-детектора и выполнен с возможностью подключения к модулю системы сбора данных устройства, состоящего из модуля регистрации и выработки управляющих сигналов, а также модуля обработки данных, выполненного в виде одноплатного VME компьютера, функцией которого является получение изображения произвольных срезов исследуемого объекта.
2. Мюонный томограф по п.1, отличающийся тем, что выполнен из шестнадцати идентичных однопроекционных дрейфовых камер.
3. Мюонный томограф по п.1, отличающийся тем, что содержит по сорок восемь трубок в ряд с расстоянием 30,035 мм между центрами любых двух соседних трубок как в камере, так и в координатной плоскости.
