Ядерная фотографическая эмульсия

Фотографическая эмульсия, предназначенная для регистрации следов заряженных ядерных частиц. Используется в ядерной физике (См. Ядерная физика), физике элементарных частиц (См. Элементарные частицы) и космического излучения, для авторадиографии (См. Авторадиография) и в дозиметрии (См. Дозиметрия) ядерных излучений. Первым применением фотоэмульсии в ядерной физике можно считать исследования А. А. Беккереля (См. Беккерель), который в 1896 обнаружил радиоактивность солей U по вызываемому ими почернению фотоэмульсии. В 1910 японский физик С. Киносита показал, что зёрна галогенида серебра обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла хотя бы одна α-частица. В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками (СССР) изготовил пластинки с толщиной эмульсионного слоя 50 мкм и наблюдал с их помощью рассеяние α-частиц на ядрах эмульсии. В 30-х гг. началось изготовление Я. ф. э. со стандартными свойствами, с помощью которых можно было регистрировать следы медленных частиц (α-частиц, протонов). В 1937—1938 М. Блау и Г. Вомбахер (Австрия) и А. П. Жданов с сотрудниками (СССР) наблюдали в Я. ф. э. расщепления ядер, вызванные космическим излучением. В 1945—1948 появились Я. ф. э., пригодные для регистрации слабо ионизующих однозарядных релятивистских частиц, метод Я. ф. э. стал точным количественным методом исследований.

Я. ф. э. отличается от обычной фотоэмульсии двумя особенностями: отношение массы галогенида серебра к массе желатины в 8 раз больше; толщина слоя, как правило, в 10—100 раз больше, достигая иногда 1000—2000 мкм и более (стандартная толщина фирменных Я. ф. э. 100—600 мкм). Зёрна галогенида серебра в эмульсии имеют сферическую или кубическую форму, их средний линейный размер зависит от сорта эмульсии и обычно составляет 0,08—0,30 мкм.

Заряженные частицы или электромагнитное излучение, связанное с ядерными реакциями, вызывают в Я. ф. э. действие, аналогичное свету. Процесс проявления играет роль сильного увеличения первоначального слабого эффекта (скрытого фотографического изображения (См. Скрытое фотографическое изображение)), подробно тому как лавинный разряд в Гейгер-Мюллера счётчике (См. Гейгера - Мюллера счётчик) или бурное вскипание пузырьков в пузырьковой камере (См. Пузырьковая камера) многократно увеличивают слабые эффекты, связанные с начальной ионизацией, производимой заряженной частицей. Ядерные частицы, как правило, 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. Следы частиц наблюдают с помощью микроскопа при увеличении 200—2000.

В ядерной физике эмульсии обычно используют в виде слоев, нанесённых на стеклянные подложки. При исследовании частиц высоких энергий (на ускорителях или в космическом излучении) их иногда укладывают в большие стопки в несколько сотен слоев. Объём стопок доходит до десятков л; образуется практически сплошная фоточувствительная масса. После экспозиции отдельные 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 заряженной частицей, зависят от её заряда Z, скорости v и массы М. Так, остаточный пробег частицы (длина следа от его начала до точки остановки) при данных е и v пропорционален М; при достаточно большой скорости v частицы плотность зёрен (число проявленных зёрен на единицу длины следа) g Ядерная фотографическая эмульсия e²/v². Если плотность зёрен слишком велика, они слипаются в сплошной чёрный след. В этом случае, особенно если е велико, мерой скорости может быть число δ-электронов, образующих на следе характерные ответвления. Их плотность также Ядерная фотографическая эмульсия e²/v². Если е = 1, а v Ядерная фотографическая эмульсия с (с — скорость света), то след частицы в релятивистской Я. ф. э. имеет вид прерывистой линии из 15—20 чёрных точек на 100 мкм пути (рис. 1). В Я. ф. э. можно измерять рассеяние частицы, среднее угловое отклонение на единицу пути: φ Ядерная фотографическая эмульсия e/pv (р — импульс частицы). Я. ф. э. можно поместить в сильное магнитное поле и измерить импульс частицы и знак её заряда, что позволяет определить заряд, массу и скорость частицы. Достоинства метода Я. ф. э. — высокое пространственное разрешение (можно различать явления, отделённые расстояниями мкм, что для релятивистской частицы соответствует временам пролёта <>^-16 сек) и возможность длительного накопления редких событий.

Создание современной Я. ф. э. явилось большим научно-техническим достижением. По словам английского физика С. Пауэлла, «разработка улучшенных эмульсий как бы открыла новое окно в природу, через которое мы впервые увидели следы, странные и неожиданные, еще неизвестные физикам...».

С 1945 по 1955 методом Я. ф. э. были сделаны важные открытия: зарегистрированы π-мезоны (пионы) и последовательности распадов π → μ + ν, μ → e + ν + ν в Я. ф. э., экспонированных космическим излучением, а также обнаружены ядерные взаимодействия π^-- и К^--мезонов. С помощью Я. ф. э. удалось оценить время жизни π⁰-мезона (10^-16 сек), обнаружен распад К-мезона на 3 пиона, открыт Σ-гиперон и обнаружено существование гипер-ядра (См. Гипер-ядро), открыт антилямдагиперон (см. Гипероны). Методом Я. ф. э. был исследован состав первичного космического излучения; кроме протонов, в нём были обнаружены ядра He и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe (рис. 3). С 60-х гг. метод Я. ф. э. вытесняется пузырьковыми камерами (См. Пузырьковая камера), которые дают бо́льшую точность измерений и возможность применения ЭВМ для обработки данных.

Лит.: Пауэлл С., Фаулер П., Перкинс Д., Исследование элементарных частиц фотографическим методом, пер. с англ., М., 1962.

А. О. Вайсенберг.

Рис. 1. Следы частиц с различной ионизующей способностью. «Звезда» создана π-мезоном с энергией 750 Мэв. На следе, идущем вправо, заметны «веточки» медленных δ-электронов.

Рис. 2. «Звезда», образованная ядром S из первичного космического излучения, след унизан многими следами δ-электронов. Следы частиц с небольшой ионизацией (стрелки) принадлежат мезонам, возникшим при столкновении ядра S с ядрами эмульсии.

ЯДЕРНАЯ ФОТОГРАФИЧЕСКАЯ ЭМУЛЬСИЯ

фотоэмульсия для регистрации траекторий (треков) заряж. ч-ц. Франц. физик А. Беккерель в 1896 обнаружил радиоактивность солей U по вызываемому ими почернению обычной фотоэмульсии. В 1910 япон. физик С. Киносита установил, что зёрна галогенида Ag обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла a-частица. В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками изготовили пластинки с толщиной эмульс. слоя 50 мкм и наблюдали с их помощью рассеяние a-частиц на ядрах эмульсии. В 30-х гг. началось изготовление спец. Я. ф. э. (со стандартными св-вами), с помощью к-рых можно было регистрировать следы медленных ч-ц (a-частиц, протонов). В 1937—38 австр. физики М. Блау и Г. Бомбахер и А. П. Жданов с сотрудниками наблюдали в Я. ф. э. расщепления ядер, вызванные косм. излучением. В 1945—48 появились релятив. Я. ф. э. для регистрации релятив. ч-ц. Метод Я. ф. э. стал точным количеств. методом исследований.

Я. ф. э. отличаются от обычных фотоэмульсий двумя особенностями: отношение кол-ва галогенида Ag к желатине в 8 раз больше; толщина слоя, как правило, в 10—100 раз больше и достигает иногда 1000—2000 мкм (стандартная толщина фирменных Я. ф. э. 100—600 мкм). Зёрна галогенида Ag в эмульсии имеют ср. линейный размер обычно 0,08— 0,30 мкм.

Заряж. ч-цы, проходя через Я. ф. э., создают чувствит. центры в нек-рых лежащих на их пути зёрнах галогенида Ag (скрытое изображение). После проявления эти зёрна превращаются в кристаллики металлич. Ag, к-рые непрозрачны и после фиксирования Я. ф. э. образуют вдоль трека ч-цы цепочку чёрных зёрен. Следы ч-ц наблюдают с помощью микроскопов при увеличении 200—2000.

В яд. физике Я. ф. э. обычно используют в виде слоев, наклеенных на стеклянные подложки. При исследовании ч-ц высоких энергий (на ускорителях или в космических лучах) эмульсионные слои иногда снимают с подложки и укладывают в большие стопки в неск. сотен слоев. Объём стопок доходит до десятков p—образуется практически сплошная фоточувствит. масса. После экспозиции отд. слои наклеивают на стеклянные подложки и обрабатывают. Положение слоев маркируют, благодаря чему траекторию частиц прослеживают по всей стопке, переходя от слоя к слою.

Пробег ч-цы с зарядом Q и скоростью v в Я. ф. э. до остановки ч-цы пропорц. массе М ч-цы. При достаточно большой скорости плотность зёрен (число проявленных зёрен на ед. длины следа) g=Q2/v2. Если плотность зёрен слишком велика, они сливаются в сплошной чёрный след. В этом случае (особенно при большом Q) мерой скорости ч-цы может служить число вторичных т. н. d-электронов, образующих вдоль следа характерные ответвления. Их плотность также =Q2/v2. Если Q=e (заряду эл-на), а v=c, то след частицы в релятив. Я. ф. э. имеет вид прерывистой линии из 15—30 чёрных зёрен на 100 мкм пути.

В Я. ф. э. можно измерять рассеяние ч-ц. Ср. угловое отклонение на ед. пути j=Q/pv (p — импульс ч-цы). Я. ф. э. можно поместить в очень сильное магн. поле и измерить импульс ч-цы и знак её заряда, что позволяет определить Q, М и v. Достоинства метода Я. ф. э. как трекового детектора ч-ц — высокое пространств. разрешение (можно различать явления, отделённые расстоянием в =1 мкм, что для релятив. ч-цы соответствует временам пролёта =10-16 с) и возможность длит. накопления редких событий. Методом Я. ф. э. были открыты пи-мезоны, обнаружено вз-ствие p- и К-мезонов после остановки. С помощью Я. ф. э. удалось оценить время жизни p°-мезона, обнаружить распад К -мезона на 3 пиона, открыть S-гиперон, гиперядра, антилямбдагиперон. Методом Я. ф. э. был исследован состав первичного косм. излучения и показано, что, кроме протонов, в нём есть ядра Не и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe. В 50-е гг. были организованы междунар. экспедиции с целью подъёма многолитровых эмульсионных стопок на баллонах в высокие слои атмосферы и на разл. геомагнитные широты. Части стопок были распределены между десятками лабораторий мира, работавших по согласованным программам. Это позволило в короткие сроки накопить большую статистику и привело к нек-рым из перечисленных выше открытий.

Хотя при исследовании ч-ц высоких энергий пузырьковые камеры потеснили Я. ф. э., последние всё же продолжают использоваться. Я. ф. э. применяются также в авторадиографии: в структуру исследуемого объекта вводится небольшое кол-во радиоактивных атомов, к-рые обнаруживают своё присутствие распадами, и Я. ф. э., помещённая вблизи объекта, может указать их локализацию. Для увеличения разрешения и чувствительности метода Я. ф. э. в жидком виде иногда наносят непосредственно на объект или применяют тонкие слои Я. ф. э., снятые с подложки. При этом можно измерять как полное почернение Я. ф. э., так и регистрировать индивидуальные следы, достигая пространств. разрешения =1 мкм.

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 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) 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 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.