Павиком на службе эксперимент OPERA
2. Европейская система сканирования
Сканированию ядерных эмульсий уделяется центрально место в эксперименте, задача сканирования «кирпичей» распределена между институтами участниками, обладающими сканаторами. В Европе используется единая «Европейская сканирующая система» с унифицированным ПО и стандартным комплектом оборудования – микроскоп, подвижной столик, видеокамера. В Японии используют отличный от Европы подход, и здесь не обсуждается.
Из чего состоит европейская система сканирования?
Микроскоп для автоматического сканирования ядерной эмульсии состоит из механического стола управляемого компьютером, оптической системы и цифровой камеры. Оптическая система унаследована от стандартного микроскопа и приспособлена к измерению пленок OPERA размером 120x120 мм2. Основные компоненты системы: виброустойчивый стол, к которому жестко крепятся остальные компоненты – моторизованный прецизионный подвижной столик, гранитная арка с оптической системой и цифровой камерой, система подсветки расположенная под столом. Оптическая система закреплена на моторизованном кронштейне, обеспечивающем перемещение по вертикальной оси (для фокусировки). Эмульсионную пленку кладут на стеклянную пластинку с вакуумной присадкой, гарантирующую плоское крепление на весь период сканирования (см. рис. 1).
Рис. 1. Прецизионный стол “MS-8” Европейской системы сканирования.
Стол для сканирования с гранитной аркой “MS-8” выполнен по специальному заказу компаний MICOS, шаговые двигатели “Vexta NanoStep RFK Series 5-Phase Microstepping System” произведены компанией Oriental. Шаговые двигатели работают под управлением 4-х осевого микроконтроллера “FlexMotion PCI-7344” производства National Instruments. Точность определения координат 0.1 мкм, пределы перемещения столика в горизонтальной плоскости – 20.5 см. Критическим параметром предметного столика является скорость, типичное перемещение 350 мкм, время уходит на смещение стола и парковку – осцилляции около целевой позиции. Масштаб таких осцилляций 0.2 мкм меньше чем физический размер пикселя (0.3 мкм).
Вертикальное перемещение обеспечивает привод “LS-110” фирмы MICOS, вертикальное перемещения происходит с постоянной скоростью порядка 1150 мкм/сек.
Камера сопрягается с системой видео захвата и обработки изображение – платой Matrox Odyssey Xpro, специально разработанной для приложений требующих высокой скорости обработки видео данных. Плата снабжена микропроцессором Motorola G4 Power PC. Интерфейс обеспечивает скорость передачи данных 680 Мб/с. В OPERA используется частота смены кадров 377 кадров/с, что соответствует 471 Мб/сек. При частоте смене кадров 400 кадров/с, время захвата 15 кадров на расстоянии 3 мкм друг от друга по вертикали состовляет около 55 мс.
OPERA впитала в себя множество достижений сканирования из эксперимента CHORUS, в котором использовалась техника автоматического распознавания треков при помощи специального программного комплекса Track Selector (Япония), а также для большего количества событий использовалась система SySal (Италия, Салерно).
В рамках проекта OPERA была создана ЕСС оптимизированная для сканирования тонких эмульсий экспонированных перпендикулярным пучком частиц. ЕСС наследовала идеи SySal и сейчас используется как унифицированный программный комплекс для сканирования и первичной обработки изображений.
Рис. 2. Трехмерный вид восстановленных сегментов в верхнем и нижнем эмульсионных слоях пленки.
Операции выполняемые для каждого кадра:
- Захват серии изображений на разных уровнях глубины (15 кадров через каждые 3 мкм)
- Распознавание черных точек, (бинаризация и кластеризация)
- Отбор блобов - претендентов для восстановления треков
- Реконструкция треков в пространстве
В европейской системе сканирования размер поля зрения 390x310 мкм2, размер пикселя 0.3 x 0.3 мкм2.
Анализ эмульсии производится по всей глубине чувствительного слоя, путем плавного перемещения фокуса объектива вниз-вверх и захвата изображения на разной глубине с шагом 2 мкм. Благодаря шагу по вертикали получаем топографический срез изображения эмульсии в каждой точке. Изображения оцифровываются в режиме 8 бит (256 уровней серого), на картинке выделяются темные точки – кластеры. Кластеры образуют реальные треки, а также вуаль на пленке и фон. Трехмерная структура трека восстанавливается по комбинации кластеров, лежащих на одной прямой, в разных уровнях «среза» (см. рис. 2).
Весь процесс обработки изображений разбивается на два больших этапа, это on-line обработка во время сканирования, во время которой происходит поиск микротреков (треки проходящие через один эмульсионный слой) и off-line обработки (поиск базовых треков, проходящих через два эмульсионных слоя одной эмульсионной пластины; поиск треков проходящих через эмульсионный кирпич – связывающие несколько эмульсионных пластин) – программа FEDRA. Программа SySal выполняет первичный этап on-line обработки.
Декларированная скорость сканирования в ЕСС (Европейская система сканирования) – 20 см2/ч. На данный момент существует порядка 20 ЕСС установленных в европейских лабораториях коллаборации OPERA.