Інформації в складних технічних системах 45 удк 004. 942 621. 386. 82 Т. В. Малыхина, Н. Г. Стервоедов Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина, Харьков программы обработки результатов работы
 Скачать 360.77 Kb.
|
|
Обробка інформації в складних технічних системах 45 УДК 004.942:621.386.82 Т.В. Малыхина, Н.Г. Стервоедов Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ МОДЕЛИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЛОКАЦИИ ИСТОЧНИКА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В статье рассматриваются вопросы, связанные с обработкой данных, получаемых в результате ра- боты модели переносного прибора для локации точечных источников излучения. Представлен комплекс компьютерных программ, разработанных для моделирования прохождения излучения через детекторный блок прибора, а также программы обработки данных. В комплекс программ входит программа Tank3 мо- делирования прохождения гамма-квантов через детекторный блок прибора, а также программа Tank3Analysis, которая использует результаты Geant4-моделирования и предназначена для обработки дан- ных. Программа Tank3 разработана в ОС Linux на языке C++ и использует библиотеку классов Geant4. Программа обработки данных Tank3Analysis в качестве входных данных использует смоделированный отклик детекторов экспериментальной установки. Вычисления производятся с использованием средств объектно-ориентированного программирования. Полученные результаты позволяют сделать вывод о воз- можности однозначного определения направления на источник излучения в пространстве. Ключевые слова: компьютерное моделирование, цифровая обработка данных, Geant4, численные ме- тоды. Введение В последнее время наблюдается особенно бур- ное развитие компьютерной техники и информаци- онных технологий. Во многих отраслях человече- ской деятельности применение компьютерных тех- нологий существенно позволяет оптимизировать производственные процессы и улучшить качество результата этой деятельности. Одним из направле- ний развития информационных технологий является разработка систем автоматического управления, а также программных средств для моделирования различных процессов, что позволяет экономить ре- сурсы, снижает энергозатраты, затраты человече- ских ресурсов, а также позволяет оптимизировать управление производственными процессами. В частности, при применении информационных тех- нологий в науке становится возможным произвести модельный эксперимент без привлечения дорого- стоящего оборудования, затрат материалов, без су- щественных затрат электроэнергии и т.п., и без при- влечения большого количества персонала лаборато- рий. В ряде стран мира существует проблема обна- ружения очагов радиоактивного загрязнения техно- генного происхождения, ставшая особенно актуаль- ной после аварии на атомной электростанции Фуку- сима. В связи с развитием ядерных технологий так- же достаточно важны задачи радиационного мони- торинга, для решения которых необходимо разраба- тывать методики и аппаратуру ускоренного обнару- жения источников излучения; проводить обследова- ние и локализацию участков местности, загрязнен- ных радионуклидами; обеспечивать обнаружение и локализацию очагов радиоактивного загрязнения окружающей среды и промышленных объектов. Ак- туальной также остается задача обнаружения радио- активных материалов во время проведения проверки грузов на контрольно-пропускных пунктах. Для этих целей можно использовать переносные детек- торы излучения. При моделировании и разработке детекторных блоков переносных детекторов излучения важней- шим этапом является обработка данных. Постановка задачи. На кафедре электроники и управляющих систем Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина проводятся ком- пьютерное моделирование и расчеты по разработке переносного детектирующего устройства для уско- ренного поиска источников радиации и определения их локализации. Ранее нами совместно с сотрудни- ками лаборатории радиационной, экологической и химической безопасности войск РХБЗ факультета военной подготовки Национального технического университета “Харьковский политехнический уни- верситет” был разработан прототип переносного устройства для локации источников излучения [1]. Устройство состояло из детекторного блока, пред- ставляющего собой сферический поглотитель с несимметрично расположенными в нём полостями и встроенными в них двумя полупроводниковыми детекторами на основе CdZnTe, и электронного ре- гистрирующего блока. Было проведено предвари- тельное математическое моделирование методом Монте-Карло прохождения излучения через детек- торы разрабатываемого прибора. Данные проведенного моделирования позволяют утверждать, что однозначное определение направле- © Т.В. Малыхина, Н.Г. Стервоедов Системи обробки інформації, 2012, випуск 3 (101), том 1 ISSN 1681-7710 46 ния на точечный источник гамма-излучения возможно лишь в небольшом диапазоне азимутальных углов при изменении полярных углов от 0 до 90 [1]. Для расширения диапазона азимутальных уг- лов, для которых возможна локация источников гамма-излучения, необходимы конструктивные из- менения детекторного блока прибора, которые предполагают предварительное компьютерное мо- делирование и обработку данных, полученных в результате моделирования. Целью данной работы является компьютерное моделирование и последующая обработка информа- ции для выяснения возможности однозначного определения на источник излучения с помощью разрабатываемого прибора. Модель детекторного блока Одним из этапов данной работы является оцен- ка возможности усовершенствования детекторного блока существующего прототипа устройства, схема расположения детекторов которого представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема детекторного блока прототипа прибора На рис. 1 представлены упрощенная схема де- текторного блока, а также точки расположения гам- ма-источника. На рисунке изображен поглощающий алюминиевый шар S0, сферическая полость S1, де- текторы гамма-излучения D1 и D2. Для детекторно- го блока, схема которого представлена на рис. 1, было проведено компьютерное моделирование от- клика детекторов. Моделирование проводилось с помощью компьютерной программы Tank, разрабо- танной на языке С++ в ОС Linux SLC4 с использо- ванием библиотеки классов Geant4 версии 9.4 и мо- дели низких энергий “Livermore” [2]. Геометриче- ские параметры модели соответствовали парамет- рам детекторного блока прототипа прибора. При описании физических процессов для гамма-квантов учитывались: фотоэффект, комптоновский эффект, использовались классы G4LivermoreComptonModel и G4LivermorePhotoElectricModel библиотеки клас- сов Geant4 [2]. Пороговые энергии E cut были выбра- ны равными 1 кэВ. Число излучаемых источником в 4π гамма-квантов было задано одинаковым для всех серий моделирования и равнялось 10 8 Программа имеет два режима работы: пакет- ный режим и интерактивный режим с графическим интерфейсом. Интерактивный режим предназначен для визуализации модели детекторного блока уста- новки и траекторий частиц для наиболее полного представления пространственного распределения гамма-квантов во время прохождения через уста- новку. Пакетный режим работы программы Tank необходим для моделирования с набором большой статистики событий для последующей обработки. Разработанная программа Tank в пакетном режиме имеет различные уровни детализации диагностики каждого события: от минимальной диагностики до расширенной детализации по отдельным процессам. Для обработки данных компьютерного моде- лирования разработана программа G4DataProcessing, которая использует результаты Geant4-модели- рования прохождения гамма-квантов с энергией 661 кэВ через детекторный блок установки. Про- грамма G4DataProcessing была разработана в среде программирования Borland C++ Builder, которая является инструментом быстрой разработки прило- жений. В качестве входных данных используется смо- делированный отклик детекторов эксперименталь- ной установки. На рис. 2 представлены скрин-шоты программы обработки данных моделирования. Про- грамма позволяет вычислять энергетические спек- тры гамма-квантов, зарегистрированных детектора- ми, а также проводить анализ этих спектров. Энергетические спектры гамма-квантов вычис- ляются для различных положений (рис. 1) источни- ка гамма-излучения. Программа позволяет выбрать различные заранее смоделированные данные для анализа зависимости отклика детекторов установки от расположения источника излучения. Вычисления производятся в автоматическом режиме, с использо- ванием средств объектно-ориентированного про- граммирования [3]. Для удобства пользователя ре- зультат представляется в графическом виде, а также может быть сохранен в текстовом формате. На действующем макете экспериментально бы- ли проверены точностные характеристики опреде- ления направления на источник гамма-излучения 137 Cs. Результаты, полученные при обработке данных моделирования с помощью программы G4Data- Processing, сопоставимы с данными лабораторных испытаний прототипа устройства в исследуемом диа- пазоне углов. Погрешность определения направления Обробка інформації в складних технічних системах 47 на точечный источник определяется статистической погрешностью измерения числа зарегистрированных гамма-квантов обоими счетчиками. Рис. 2. Скрин-шоты программы обработки данных компьютерного моделирования Усовершенствованная модель детекторного блока В результате анализа данных, полученных с помощью программы обработки данных G4Data- Processing, стала очевидна необходимость внесения конструктивных изменений в существующий прото- тип прибора и вследствие этого, проведение новой серии компьютерного моделирования. На рис. 3 представлена схема детекторного блока усовершен- ствованного прибора для локации источников гам- ма-излучения. На рис. 3 представлены: поглотитель S0 – алю- миниевый шар радиусом 50 мм, сферические поло- сти S1 и S2 радиусом 15 мм, D1, D2 и D3 – полупро- водниковые детекторы на основе CdZnTe, представ- ляющие собой куб с ребром 5 мм, причем детекторы D2 и D3 смешены относительно центра сферических полостей S1 и S2. Рис. 3. Схема усовершенствованного детекторного блока Для новой модели детекторного блока было проведено математическое моделирование отклика детекторов, для этого была доработана компьютер- ная программа Tank: был изменен модуль, содер- жащий описание геометрических параметров, т.е., класс TankDetectorConstruction, производный от G4DetectorConstruction. Необходимые изменения были внесены в клас- сы, производные от G4EventAction и G4SteppingVerbose [4]. Моделирование отклика де- текторов было проведено для различных позиций расположения источника гамма-излучения относи- тельно детекторного блока, вычисления проводи- лись с шагом в 10 градусов. На рис. 4 представлен инвертированный скрин- шот программы Tank3, работающей под управлени- ем ОС Linux SLC 4.8 в интерактивном режиме с пользовательским интерфейсом, контурная визуали- зация. Рис. 4. Инвертированный скрин-шот программы моделирования Tank3 Системи обробки інформації, 2012, випуск 3 (101), том 1 ISSN 1681-7710 48 На данном рисунке изображен фрагмент детек- торного блока – детекторы D1, D2, D3, расположен- ные внутри поглотителя S0, а также координатные оси. Геометрические параметры, используемые при моделировании, соответствуют параметрам, пред- ставленным на схеме (рис. 3). Программа для обработки информации Для обработки информации и последующего анализа, данных моделирования разработана про- грамма Tank3Analysis. В программе в качестве входных используются данные, являющиеся резуль- татом работы программы Tank3, работающей под управлением ОС Linux SLC 4.8 и использующей библиотеки классов Geant4. Сопоставляя отношения уровней сигналов в детекторах D1 и D2, а также в детекторах D2 и D3, возможно определение направ- ления на точечный источник гамма-излучения. Программа обработки данных Tank3Analysis вычисляет коэффициенты отношения интенсивно- стей смоделированных потоков гамма-квантов в детекторах D1 и D2, D2 и D3 для каждого из 36 зна- чений азимутальных углов с шагом 10 градусов. Полученные коэффициенты хранятся в двумерном массиве А, состоящем из N=36 строк и M=3 столб- цов. В первом столбце содержатся отношения ин- тенсивностей потоков гамма-излучения в детекторах D1 и D2, во втором столбце – отношения интенсив- ностей потоков гамма-излучения в детекторах D2 и D3, в третьем столбце – отношения интенсивностей потоков гамма-излучения в детекторах D1 и D3 для источника, расположенного последовательно, с ша- гом 10 градусов по азимутальному углу, вокруг де- текторного блока. При вычислении направления на источник гамма-излучения в программе определя- ются величины 12 и 23 , равные минимальным зна- чениям отклонения уровней сигнала от отношения смоделированных величин хранящихся в массиве А. D1 12 D2 I min A[0][ j] I ; D2 23 D3 I min A[1][ j] I , где A[0][j] – отношения интенсивностей смоделиро- ванных потоков гамма-квантов в детекторах D1 и D2 для каждого из 36 значений азимутальных углов; A[1][j] – отношения интенсивностей смодели- рованных потоков гамма-квантов в детекторах D2 и D3 для каждого из 36 значений азимутальных углов; I D1 , I D2 , I D3 – интенсивности измеренных пото- ков гамма-квантов в детекторах D1, D2, D3, соот- ветственно. При вычислении направления на источник гам- ма-излучения с использованием одной из величин 12 или 23 возникает неоднозначность вследствие того, что однозначное определение направления на источ- ник излучения в полупространстве только двумя де- текторами невозможно [1]. Поэтому в программе расчета используются обе величины 12 и 23 На рис. 5 представлен скрин-шот программы обработки данных Tank3Analysis. В левой части рис. 5 изображены графики зависимости отношений интенсивностей потоков излучения. Из анализа дан- ных, полученных в результате моделирования, мож- но сделать вывод о том, что отношение интенсивно- стей смоделированных потоков гамма-квантов в детекторах D1 и D3 (элементы массива А[2][j], j=0..N–1) служит только для отладки программы и не является необходимым для определения направ- ления на источник излучения. Рис. 5. Скрин-шот программы обработки данных Для определения направления на источник из- лучения с точностью лучше, чем шаг моделирова- ния, в программе был внедрен алгоритм интерполя- ции значений отношений интенсивности сигналов. При выборе метода интерполяции принимались во внимание те факты, что, например, интерполяция полиномом при большом количестве интерполируе- мых точек приводит к увеличению степени полино- ма, а метод наименьших квадратов наиболее эффек- тивно применять в случае, если экспериментальные данные получены с некоторой ощутимой погрешно- стью и т.п. [5]. В связи с тем, что значения интен- сивностей потоков излучения в модельном экспери- менте получены с хорошей точностью благодаря большому числу первичных гамма-квантов, было целесообразным использовать интерполяцию куби- ческими сплайнами [6 – 8]. В качестве узловых значений для интерполяции сплайнами были выбраны отношения интенсивно- стей смоделированных потоков гамма-квантов A[0][j] при интерполяции значений 12 и, соответственно, A[1][j] при интерполяции величин 23 , j=0..N–1. При сплайновой интерполяции на каждом интервале А[0][j–1, j] строится отдельный полином третьей степени со своими коэффициентами. Коэффициенты сплайнов определяются из условий совмещения со- седних сплайнов в узловых точках. Кубический сплайн задается значениями функции в узлах и зна- Обробка інформації в складних технічних системах 49 чениями производных на границе отрезка интерпо- ляции. В данном случае значения производных функции на границе отрезка интерполяции неизвест- ны, и поэтому используется сплайн, завершающийся параболой [6]. В этом случае граничный отрезок сплайна представляется полиномом второй степени вместо третьей (для внутренних отрезков по- прежнему используются полиномы третьей степени). В результате интерполяции кубическими сплайнами стало возможным определение направ- ления на источник излучения в полупространстве с точностью 35 градусов. Выводы В результате проведенного компьютерного мо- делирования можно сделать вывод, что при усовер- шенствовании имеющегося прототипа прибора воз- можно однозначное определение в полупростран- стве направления на точечный источник гамма- излучения. Разрабатываемый прибор обладает до- статочной угловой чувствительностью. Программа обработки данных моделирования позволяет опре- делять направление на источник гамма-излучения с точностью 5 градусов, что вполне достаточно для практического применения прибора. В перспективе – создание прототипа прибора с усовершенствованным детекторным блоком, а также разработка автономного блока со встроенным про- граммным обеспечением для определения направ- ления на источник излучения. Список литературы 1. Малыхина Т.В. Компьютерное моделирование установки для локализации источника гамма-излучения / Т.В. Малыхина, В.В. Марущенко, А.В. Сакун, Н.Г. Стерво- едов // Вестн. Харьковск. Ун-та. Сер. МИА. – 2010. – № 925, Вып. 14. – С. 132-139. 2. Physics Reference Manual [Электронный ресурс]: 2009. – 534 c. – Режим доступа к ресурсу: http:// geant4.web.cern.ch/geant4/UserDocumentation/UsersGuides/ PhysicsReferenceManual/fo/PhysicsReferenceManual.pdf 3. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 5 / А.Я. Архангельский. – М.: ЗАО «Издательство «Бином», 2000. – 1152 с. 4. Geant4 – a simulation toolkit / J. Allison et.al. // Nu- clear Instruments and Methods in Physics Research. – 2003. – A 506. – P. 250-303. 5. Гаврилюк І.П. Методи обчислень: Підручник у 2 ч. / І.П. Гаврилюк, В.Л. Макаров. – К.: Вища школа, 1995. – Ч. 1. – 367 с. 6. Завьялов Ю.С. Методы сплайн-функций / Ю.С. Завьялов, Б.И. Квасов, В.Л. Мирошниченко. – М.: Наука, 1980. – 352 с. 7. Демидович Б.П. Основы вычислительной матема- тики / Б.П. Демидович, И.А. Марон. – М.: Наука, 1970. – 664 с. 8. Самарский А.А. Численные методы / А.А. Самар- ский, А.В. Гулин. – М.: Наука, 1989. – 430 с. Поступила в редколлегию 2.03.2012 Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Гирка, Харь- ковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков. ПРОГРАМИ ОБРОБКИ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ МОДЕЛІ ПРИСТРОЮ ДЛЯ ЛОКАЦІЇ ДЖЕРЕЛА ГАММА-ВИПРОМІНЮВАННЯ Т.В. Малихіна, М.Г. Стєрвоєдов У статті розглядаються питання, пов'язані з обробкою даних, що отримані в результаті роботи моделі перенос- ного приладу для локації точкових джерел випромінювання. Представлений комплекс комп'ютерних програм, розробле- них для моделювання проходження випромінювання через детекторний блок приладу, а також програми обробки даних. До комплексу програм входить програма Tank3 моделювання проходження гамма-квантів через детекторний блок при- ладу, а також програма Tank3Analysis, яка використовує результати Geant4-моделювання і призначена для обробки даних. Програма Tank3 розроблена в ОС Linux мовою C++ і використовує бібліотеку класів Geant4. Програма обробки даних Tank3Analysis в якості вхідних даних використовує змодельований відгук детекторів експериментальної установки. Обчи- слення проводяться з використанням засобів об'єктно-орієнтованого програмування. Отримані результати дозволяють зробити висновок про можливість однозначного визначення напрямку на джерело випромінювання в просторі. Ключові слова: комп'ютерне моделювання, цифрова обробка даних, Geant4, чисельні методи. PROGRAMS FOR PROCESSING THE RESULTS OF THE MODEL OF THE DEVICE FOR LOCATING THE SOURCE OF GAMMA RADIATION T.V. Malykhina, N.G. Styervoyedov In the article we consider questions related to the processing of data obtained as a result of the modeling of a portable de- vice for locating point-like sources of radiation. The set of computer programs designed to simulate the passage of radiation through the detector block of the device and programs for data processing is presented. Programs Tank3 and Tank3Analysis are parts of the program complex. The Tank3 is a program for simulation of the passing of gamma rays through the detector block of the device. The Tank3Analysis program uses the results of simulation and is designed for data processing. The Tank3 program was developed in Linux using a C++ programming language and uses the Geant4 toolkit. The Tank3Analysis program is the program for data processing and uses the simulated response of the detectors of the experimental setup as an input data. Calculations were performed with the use of object-oriented programming. These results allow us to con- clude the possibility of unambiguous determination of the direction to the point-like source of a radiation in space. Keywords: computer simulation, digital data processing, Geant4, numerical methods. |