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).

5134-2.jpg

Рис. 1. Зёрна различных эмульсий (электронные микро фотографии, 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 uи 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 uчастицы плотность зёрен (число проявленных зёрен на единицу длины следа) q5134-3.jpge2/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 p5134-4.jpgm + v, m5134-5.jpge + v+5134-6.jpg, 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).

5134-7.jpg

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 контейне ра. Спиральные траектории - следы электронов и по зитронов, появившихся в результате превращения g-кван та в пару е +, е -. Радиус витков спирали уменьшается из-за потерь энергии частицами при прохождении через ве щество, 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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия..1988.



Физическая энциклопедия 

ЯДЕРНАЯ АСТРОФИЗИКА →← ЯДЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

T: 0.116744881 M: 3 D: 3