ядерная фотографическая эмульсия

ЯДЕРНАЯ ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ - фотография, эмульсия, предназначенная для регистрации траекторий (треков, следов) частиц. Метод Я. ф. э. основан на том, что заряж. частица, проходя через эмульсию, разрушает кристаллы галогенида серебра и делает их способными к проявлению.

Я. ф. э. используется в качестве детектора частиц в ядерной физике, физике элементарных частиц, при исследовании космических лучей, в дозиметрии .Первым применением фотоэмульсии в ядерной физике можно считать исследования А. Беккереля (A. Becquerel), к-рый в 1895 обнаружил радиоактивность солей по вызываемому ими почернению фотоэмульсии. В 1910 С. Киношита (S. Kinoshita) показал, что зёрна галогенида серебра обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла хотя бы одна a-частица, В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками изготовил пластинки с толщиной эмульсионного слоя 50 мкм и наблюдал с их помощью рассеяние a-частиц на ядрах эмульсии. В 30-х гг. началось изготовление Я. ф. э. со стандартными свойствами, с помощью к-рых можно было регистрировать следы медленных частиц (a-частиц, протонов). В 1937-38 М. Блау и Г. Вамбахер (М. Blau, H. Wambacher, Австрия), а также А. П. Жданов с сотрудниками наблюдали в Я. ф. э. расщепления ядер, вызванные космич. излучением. В 1945-48 появились Я. ф. э., пригодные для регистрации слабо ионизующих однозарядных релятивистских частиц; метод Я. ф. э. стал точным количеств. методом исследований.

Я. ф. э. отличается от обычной фотоэмульсии (см. Фотография)двумя особенностями: отношение массы галогенида серебра к массе желатина в 8 раз больше; толщина слоя, как правило, в 10-100 раз больше, достигает иногда 1000-2000 мкм и более (стандартная толщина фирменных Я. ф. э. 100-600 мкм). Зёрна галогенида серебра в эмульсии имеют сферич. или кубич. форму, их линейный размер зависит от сорта эмульсии и обычно составляет 0,08-0,30 мкм (рис. 1).

Рис. 1. Зёрна различных эмульсий (электронные микрофотографии, увеличение 20000): а-ядерная фотоэмульсия типа Ильфорд-5; б-обычная фотоэмульсия.

Процесс проявления экспонированной эмульсии играет роль сильного увеличения первоначального слабого эффекта (скрытого фотографич. изображения), подобно тому как лавинный разряд в Гейгера счётчике или бурное вскипание пузырьков в пузырьковой камере многократно увеличивают слабые эффекты, связанные с начальной ионизацией, производимой заряж. частицей. Как правило, частицы обладают большой энергией, благодаря чему они могут создавать центры чувствительности в лежащих на их пути зёрнах галогенида серебра. После фиксирования Я. ф. э. вдоль следа частицы образуется цепочка чёрных зёрен - металлич. Ag на фоне прозрачного желатина. Зёрна расположены в следе тем плотнее, чем больше ионизующая способность частицы и чем выше чувствительность эмульсии. Следы частиц наблюдают с помощью микроскопа при увеличении 200-2000.

В ядерной физике эмульсии обычно используют в виде слоев, нанесённых на стеклянные пластины. При исследовании частиц высоких энергий (на ускорителях или в космич. излучении) эмульсионные слои укладывают в большие стопки в неск. сотен слоев (эмульсионные камеры). Объём камеры достигает десятков л; образуется практически сплошная фоточувствительная масса. После экспозиции отд. слои могут быть наклеены на стеклянные подложки и обработаны обычным образом. Положение слоев точно маркируется, благодаря чему траекторию частиц легко прослеживать по всей стопке, переходя от слоя к слою.

Свойства следа, оставленного в эмульсии заряж. частицей, зависят от её заряда е, скорости u и массы т. Так, остаточный пробег частицы (длина следа от его начала до точки остановки) при данных е и u пропорционален т; при достаточно большой скорости u частицы плотность зёрен (число проявленных зёрен на единицу длины следа) qe²/u². Если плотность зёрен слишком велика, они слипаются в сплошной чёрный след. В этом случае, особенно если е велико, мерой заряда может быть число d-электро-нов, образующих на следе характерные ответвления. Их плотность также пропорциональна е²/u². Если е=1, а u~с, то след частицы в Я. ф. э. имеет вид прерывистой линии из 20-25 чёрных точек на ~ 100 мкм пути.

В Я. ф. э. можно измерять рассеяние частицы-ср. угловое отклонение на единицу пути: j~e/pu(p-импульс частицы). Я. ф. э. можно поместить в сильное магн. поле и измерить импульс частицы и знак её заряда, что позволяет определить заряд, массу и скорость частицы. Достоинства метода Я. ф. э.- высокое пространств. разрешение (можно различать явления, отделённые расстояниями меньше 1 мкм, что для релятивистской частицы соответствует временам пролёта ~10^-16 с) и возможность длительного накопления редких событий.

С 1945 по 1955 методом Я. ф. э. были сделаны важные открытия: зарегистрированы пи-мезоны и последовательности распадов pm + v, me + v+, a также обнаружены ядерные взаимодействия p^-- и К^--мезонов. С помощью Я. ф. э. удалось оценить время жизни p⁰-мезона (10^-16 с), был обнаружен распад К-мезона на 3 пиона, открыт S-гиперон и установлено существование гиперядер, открыт антилямбдагиперон (см. Гипероны). Методом Я. ф. э. был исследован состав первичного космич. излучения, кроме протонов в нём были обнаружены ядра Не и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe.

С 60-х гг. метод Я. ф. э. вытесняется пузырьковыми и искровыми камерами и электронными трековыми детекторами частиц, к-рые дают большую точность измерений и возможность применения ЭВМ для обработки данных.

Однако Я. ф. э. обладает высоким (~1 мкм) пространств. разрешением, что позволяет использовать её в качестве мишени-детектора для исследования рождения и распадов короткоживущих частиц с временами жизни ~ 10^-12 -10^-13 с. В этом случае Я. ф. э. в сочетании с др. детекторами частиц образует т. н. г и б р и д н у ю у с т ан о в к у. В такой установке вторичные частицы, образующиеся в мишени в результате взаимодействия, и частицы-продукты распада короткоживущих частиц-анализируются с помощью спектрометра или пузырьковой камеры. Траектории частиц, зарегистрированные соответствующим детектором, экстраполируются в эмульсионную мишень. Погрешность экстраполяции определяет область, в к-рой производится поиск события или следов вторичных частиц. Путём обратного прослеживания по этим идентифицированным следам осуществляется поиск первичного взаимодействия и распадов вторичных частиц. Т. о., опыт с мишенью-эмульсией соединяет высокую пространств. разрешающую способность эмульсии с возможностями электронных методов идентификации частиц. В гибридных экспериментах с Я. ф. э. в качестве т. н. вершинного детектора были обнаружены и идентифицированы сотни распадов очарованных частиц, измерены времена их жизни и установлены каналы распадов (см. Комбинированные системы детекторов). На рис. 2 показано расположение 2 контейнеров с эмульсией внутри 15-футовой пузырьковой камеры (Национальная лаборатория США им. Э. Ферми).

Рис. 2. Вид сверху на два контейнера, расположенных внутри пузырьковой камеры. На фотографии виден пучок частиц, возникающих при взаимодействии нейтрино большой энергии с эмульсией внутри верхнего контейнера. Спиральные траектории - следы электронов и позитронов, появившихся в результате превращения g-кванта в пару е⁺, е^-. Радиус витков спирали уменьшается из-за потерь энергии частицами при прохождении через вещество, наполняющее пузырьковую камеру (смесь жидких водорода и неона).

Лит.: Пауэлл С., Фаулер П., Перкине Д., Исследование элементарных частиц фотографическим методом, пер. с англ., М., 1962. А. О. Вайсенберг, В. А. Смирнитский.

   <<      Предметный указатель      >>