Комп'ютерні методи розпізнавання та аналізу параметрів рентгенівського і гамма-випромінювання
Анотація
Стрімкий розвиток комп’ютерних технологій зробив можливим використання комп’ютерних методів для спектрального аналізу рентгенівського та гамма-випромінювання, який традиційно в основному базувався на використанні аналогової електроніки. Однією з основних складнощів в отриманні даних з детекторів випромінювання є дуже велика частота реєстрації сигналів. Тим не менше, використання спеціальних пристроїв, які називаються діджітайзери, робить можливим отримання, оцифрування та передачу даних до комп’ютеризованої системи з достатньою швидкістю. Великі масиви даних отриманих від діджітайзера під час експериментів відображають характеристики спектрометричних сигналів. За допомогою комп’ютерних методів, математичних обчислень та спеціальних алгоритмів можна розпізнати реєстрацію квантів випромінювання в детекторі, а також зробити висновки про кількісні характеристики випромінювання.
В ході виконання роботи було зроблено огляд основних способів отримання даних в цифровому вигляді для подальшого комп’ютерного аналізу, а саме за допомогою проведення реальних експериментів на спеціальному обладнанні та за допомогою комп’ютерного моделювання (симуляції). Було розглянуто деякі існуючі методи для розпізнавання та аналізу окремих квантів випромінювання за формою сигналу і реалізовано методи та програмні алгоритми для проведення аналізу параметрів рентгенівського та гамма-випромінювання. В ході дослідження було розроблено комп’ютерну програму, яка здатна виконати симуляцію даних з заданими характеристиками, провести розпізнавання і аналіз квантів випромінювання на основі завантажених даних. Також програма дозволяє візуалізувати результати та перевірити ефективність роботи методів. Наприкінці статті робляться висновки про потенційні напрямки для подальшого дослідження.
Завантаження
Посилання
/Посилання
W. Wolszczak, P. Dorenbos. Time-resolved gamma spectroscopy of single events. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. Volume 886. P. 30–55. 2018. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900217315036 (Last accessed: 25.12.2022)
G. T. Wright. Scintillation decay times of organic crystals. Proceedings of the Physical Society. Section B, Volume 69, Number 3. P. 358-372. 1956. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0370-1301/69/3/311 (Last accessed: 25.12.2022)
L. Dinca, P. Dorenbos, J. de Haas, V. Bom, and C. V. Eijk. Alphagamma pulse shape discrimination in CsI:Tl, CsI:Na and BaF2 scintillators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. Volume 486. P. 141-145. 2002. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900202006915 (Last accessed: 25.12.2022)
M. Kobayashi, Y. Tamagawa, S. Tomita, A. Yamamoto, I. Ogawa, Y. Usuki. Significantly different pulse shapes for γ- and α-rays in Gd3Al2Ga3O12:Ce3+ scintillating crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. Volume 694. P. 91–94. 2012. URL: https://www.researchgate.net/publication/257024093_Significantly_different_pulse_shapes_for_g-_and_a-rays_in_Gd3Al2Ga3O12Ce3_scintillating_crystals (Last accessed: 26.12.2022)
Spectrum Instrumentation Official Website. URL: https://spectrum-instrumentation.com/products/digitizer/index.php (Last accessed: 26.12.2022)
E.M. Khilkevitch, A.E. Shevelev, I.N. Chugunov, M.V. Iliasova, D.N. Doinikov, D.B. Gin, V.O. Naidenov, I.A. Polunovsky, Advanced algorithms for signal processing scintillation gamma ray detectors at high counting rates. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. Volume 997. 2020. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900220307051 (Last accessed: 26.12.2022)
A.E. Shevelev, et al., High performance gamma-ray spectrometer for runaway electron studies on the FT-2 tokamak, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. Volume 830. P. 102–108. 2016. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900216304685 (Last accessed: 25.12.2022)
D.B. Gin, I.N. Chugunov, A.E. Shevelev, Development of a technique for high-speed gamma-ray spectrometry. Instruments and Experimental Techniques. Volume 51. P. 240–245. 2008. URL: https://link.springer.com/article/10.1134/S0020441208020152 (Last accessed: 27.12.2022)
M. Lopatin, N. Moskovitch, Tom Trigano, Yann Sepulcre. Pileup attenuation for spectroscopic signals using a sparse reconstruction. Conference: Electrical & Electronics Engineers in Israel (IEEEI). 2012. URL: https://www.researchgate.net/publication/261199932_Pileup_attenuation_for_spectroscopic_signals_using_a_sparse_reconstruction (Last accessed: 27.12.2022)
Averill M. Law, W. David Kelton. Simulation Modeling and Analysis. Third edition. McGraw-Hill. 760 pages. 2000.
QT Framework Official Website. URL: https://www.qt.io/product/framework (Last accessed: 27.12.2022)
Ronald Wurtz. Consistent principles for particle identification by pulse shape discriminating systems. SPIE Proceedings, Hard X-Ray, Gamma-Ray, and Neutron Detector Physics XXI. Volume 11114. P. 1–14. 2019. URL: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11114/111140X/Consistent-principles-for-particle-identification-by-pulse-shape-discriminating-systems/10.1117/12.2528898.full?SSO=1 (Last accessed: 27.12.2022)
C. Fu, A. Di Fulvio, S.D. Clarke, D. Wentzloff, S.A. Pozzi, H.S. Kim, Artificial neural network algorithms for pulse shape discrimination and recovery of piled-up pulses in organic scintillators. Annals of Nuclear Energy. Volume 120. P. 410-421. 2018. URL: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2018.05.054 (Last accessed: 27.12.2022)
Fabio Pollastrone, Marco Riva, Daniele Marocco, Francesco Belli, Cristina Centioli. Automatic pattern recognition on electrical signals applied to neutron gamma discrimination. Fusion Engineering and Design. Volume 123. Pages 969-974. 2017. URL: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2017.03.009 (Last accessed: 27.12.2022)
W. Wolszczak, P. Dorenbos. Time-resolved gamma spectroscopy of single events. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. 2018. Volume 886. P. 30–55. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900217315036 (дата звернення: 25.12.2022)
G. T. Wright. Scintillation decay times of organic crystals. Proceedings of the Physical Society. Section B. 1956. Volume 69, Number 3. P. 358-372. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0370-1301/69/3/311 (дата звернення: 25.12.2022)
L. Dinca, P. Dorenbos, J. de Haas, V. Bom, and C. V. Eijk. Alphagamma pulse shape discrimination in CsI:Tl, CsI:Na and BaF2 scintillators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment/ 2002. Volume 486. P. 141-145. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900202006915 (дата звернення: 25.12.2022)
M. Kobayashi, Y. Tamagawa, S. Tomita, A. Yamamoto, I. Ogawa, Y. Usuki. Significantly different pulse shapes for γ- and α-rays in Gd3Al2Ga3O12:Ce3+ scintillating crystals. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2012. Volume 694. P. 91–94. URL: https://www.researchgate.net/publication/257024093_Significantly_different_pulse_shapes_for_g-_and_a-rays_in_Gd3Al2Ga3O12Ce3_scintillating_crystals (дата звернення: 26.12.2022)
Spectrum Instrumentation Official Website. URL: https://spectrum-instrumentation.com/products/digitizer/index.php (дата звернення: 26.12.2022)
E.M. Khilkevitch, A.E. Shevelev, I.N. Chugunov, M.V. Iliasova, D.N. Doinikov, D.B. Gin, V.O. Naidenov, I.A. Polunovsky, Advanced algorithms for signal processing scintillation gamma ray detectors at high counting rates. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. 2020. Volume 997. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900220307051 (дата звернення: 26.12.2022)
A.E. Shevelev, et al., High performance gamma-ray spectrometer for runaway electron studies on the FT-2 tokamak, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. 2016. Volume 830. P. 102–108. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168900216304685 (дата звернення: 25.12.2022)
D.B. Gin, I.N. Chugunov, A.E. Shevelev, Development of a technique for high-speed gamma-ray spectrometry. Instruments and Experimental Techniques. 2008. Volume 51. P. 240–245. URL: https://link.springer.com/article/10.1134/S0020441208020152 (дата звернення: 27.12.2022)
M. Lopatin, N. Moskovitch, Tom Trigano, Yann Sepulcre. Pileup attenuation for spectroscopic signals using a sparse reconstruction. Conference: Electrical & Electronics Engineers in Israel (IEEEI), 2012. URL: https://www.researchgate.net/publication/261199932_Pileup_attenuation_for_spectroscopic_signals_using_a_sparse_reconstruction (дата звернення: 27.12.2022)
Averill M. Law, W. David Kelton. Simulation Modeling and Analysis. Third edition. McGraw-Hill. 2000. 760 pages.
QT Framework Official Website. URL: https://www.qt.io/product/framework (дата звернення: 27.12.2022)
Ronald Wurtz. Consistent principles for particle identification by pulse shape discriminating systems. SPIE Proceedings, Hard X-Ray, Gamma-Ray, and Neutron Detector Physics XXI. 2019. Volume 11114. P. 1–14. URL: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/11114/111140X/Consistent-principles-for-particle-identification-by-pulse-shape-discriminating-systems/10.1117/12.2528898.full?SSO=1 (дата звернення: 27.12.2022)
C. Fu, A. Di Fulvio, S.D. Clarke, D. Wentzloff, S.A. Pozzi, H.S. Kim, Artificial neural network algorithms for pulse shape discrimination and recovery of piled-up pulses in organic scintillators. Annals of Nuclear Energy. 2018. Volume 120. P. 410-421. URL: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2018.05.054 (дата звернення: 27.12.2022)
Fabio Pollastrone, Marco Riva, Daniele Marocco, Francesco Belli, Cristina Centioli. Automatic pattern recognition on electrical signals applied to neutron gamma discrimination. Fusion Engineering and Design. 2017. Volume 123. Pages 969-974. URL: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2017.03.009 (дата звернення: 27.12.2022)
