spez_fiz_pr_zachita

свою очередь является глубокой потенциальной ямой для других свободных электронов, и процесс повторяется последовательно несколько раз. Таким образом, в центре чувствительности образуется серебряный зародыш, состоящий из нескольких атомов металлического серебра, который называется центром скрытого изображения. Время жизни центра скрытого изображения очень велико: 102–103 ч (при комнатной температуре). Однако при нагревании время жизни уменьшается, и центр скрытого изображения может разрушиться. Этот эффект носит название регрессии скрытого изображения.

Чтобы превратить скрытое изображение в видимое, фотоэмульсию подвергают специальной обработке – проявлению. Этот процесс основан на избирательности действия проявителя на микрокристаллы. Проявитель активно взаимодействует с микрокристаллами, обладающими центрами скрытого изображения, восстанавливая их целиком до металлического серебра, и почти не взаимодействует со всеми остальными микрокристаллами. Так формируется видимое изображение.

При длительном проявлении начинают восстанавливаться и необлученные зерна, образуя вуаль. Появление вуали обусловлено тем, что в необлученном зерне могут содержаться малые группы атомов металлического серебра, которые при длительном проявлении вызовут восстановление всего серебра в зерне.

Наконец, последний этап обработки – фиксирование – заключается в удалении из фотоэмульсии непроявленных микрокристаллов. При этом непроявленное бромистое серебро растворяется в фиксирующем растворе и удаляется из эмульсии. Эмульсия промывается водой и высушивается. Если после облучения эмульсию долгое время (неделю или больше) хранить непроявленной, то скрытое изображение начинает ослабевать – наблюдается регрессия изображения. Процесс регрессии объясняется тем, что под действием кислорода воздуха и воды зерна в эмульсии теряют атомарное серебро, и центры скрытого изображения рассасываются.

Рассмотрим факторы, определяющие вероятность проявления микрокристалла. Для превращения центра чувствительности в центр скрытого изображения (условие проявляемости) необходимо, чтобы он содержал не менее некоторого минимального количества атомов серебра. В противном случае центр не является устойчивым и распадается за короткое время. Согласно современным оценкам центр скрытого изображения содержит не менее 5–10 атомов серебра. Количество атомов серебра в центре определяется количеством свободных электронов и, следовательно, поглощенной в микрокристалле энергией. Прямые измерения количества световых квантов, падающих на высокочувствительную фотоэмульсию, и количества проявленных зерен дают минимальное значение поглощенной энергии 30–50 эВ на 1 микрокристалл.

Аналогичные измерения проводили при экспонировании той же фотоэмульсии моноэнергетическими электронами с энергией 200–1000 эВ. В эксперименте соблюдалось условие, чтобы каждый из микрокристаллов

181

поглощал не более одного электрона. Результаты этих исследований позволяют сделать следующие выводы:

(отсутствует резкая энергетическая граница, определяющая проявляемость микрокристалла. Это связано с особенностями взаимодействия излучения с веществом;

(минимальное значение поглощенной энергии, необходимое для образования скрытого изображения, в случае действия частиц, по

крайней мере, на порядок больше, чем в случае действия света. Основное отличие действия света и частиц на фотоэмульсию связано с

тем, что вероятность проявления зависит не только от величины поглощенной в микрокристалле энергии, но и от того, за какое время произошел этот процесс. При экспонировании светом средний интервал времени между попаданиями отдельных фотонов на микрокристалл, как правило, больше характерного времени образования атома серебра в центре. Поэтому каждый из свободных электронов имеет возможность участвовать в процессе образования скрытого изображения.

Попавшая в микрокристалл частица образует свободные электроны практически мгновенно, за 10–12–10–14 с. Только их малая часть может участвовать в процессе образования скрытого изображения, так как все стадии его протекают последовательно. Основная часть электронов рекомбинирует вне центра чувствительности.

Вероятность проявления определяется не только процессом поглощения энергии, но и характеристиками микрокристалла. Поясним это простым примером. Пусть среднее количество центров чувствительности микрокристаллов равно m и минимальное количество серебра в центре ns .

Тогда в предположении о равномерном распределении электронов по

где Α – энергия, расходуемая на образование одного атома серебра. Отсюда следует, что в фотоэмульсиях с малым числом центров чувствительности энергия, необходимая для образования центра скрытого изображения, меньше.

7.2.3. Физико-химические свойства современных ядерных эмульсий

Многолетнее развитие фотографического метода регистрации привело к созданию особого класса фотоэмульсий, применяемых специально для регистрации ионизирующих излучений. Этот класс по своим физикохимическим характеристикам существенно отличается от обычных фотографических эмульсий и получил название ядерных эмульсий. В табл. 7.2 приведены сравнительные характеристики двух типов эмульсий.

Ядерная эмульсия отличается от обычной фотографической следующими параметрами:

( малым размером и большей плотностью зерен в желатине; ( большой толщиной чувствительного слоя;

182

(высокой чувствительностью, т. е. малой энергией, которую нужно затратить, чтобы образовать скрытое изображение в отдельном зерне.

Малый размер зерна и близость соседних зерен друг к другу необходимы для уверенного дифференцирования проявленных зерен, принадлежащих треку частицы, от зерен вуали, беспорядочно разбросанных по объему эмульсии.

Чем меньше размер зерна и чем ближе

зависимости от их назначения лежит в интервале от 0,05 до 0,4 мкм. Содержание бромистого серебра в ядерной эмульсии повышено по сравнению с обычными фотоэмульсиями приблизительно в 2 раза и составляет около 80% по массе.

Возможность регистрации частиц высоких энергий определяется в большей степени толщиной чувствительного слоя, так как чем толще слой, тем большая часть пробега (или больший пробег) укладывается в слое и тем точнее можно определить характеристики частицы. Толщина слоев ядерных эмульсий в сотни раз превосходит толщину обычных фотографических эмульсий. Например, в слое толщиной 1000 мкм полностью укладываются

пробеги протонов с энергией не более 15 МэВ, или пробеги -частиц с энергией 40 МэВ. Кроме того, толщина эмульсии определяет эффективность регистрации нейтральных частиц: -квантов и нейтронов.

Толщина ядерных эмульсий обычно составляет 10–2000 мкм. При регистрации заряженных частиц эффективную толщину слоя можно увеличить в несколько раз, располагая слой под углом к пучку частиц. Это невозможно сделать, если необходимо измерять характеристики треков заряженных частиц, возникающих в самом слое, при облучении его нейтральными частицами. Характерный пример – измерение спектра нейтронов с энергией в несколько МэВ по протонам отдачи, возникшим при рассеянии нейтронов на ядрах водорода, который всегда имеется в эмульсии.

183

Для регистрации релятивистских длиннопробежных частиц применяют эмульсионные камеры. Эти камеры представляют собой стопку из отдельных эмульсионных слоев, не имеющих подложки и уложенных один на другой. Каждый из слоев имеет маркировку, чтобы можно было проследить трек частицы во всей стопке. Суммарная толщина такого детектора может достигать 10 см. После облучения каждый слой проявляется отдельно.

проявления, способных обеспечить равномерное проявление по глубине. Достигается равномерность или применением очень медленно работающих проявителей со временем проявления (большим времени диффузии проявителя в слой) или использованием проявителя, химическое действие которого при низкой температуре замедляется больше, чем уменьшается скорость его диффузии. В последнем случае сначала ведется пропитка эмульсии при низкой температуре, а потом проявление при повышенной температуре.

Высокая чувствительность эмульсии особенно важна при регистрации частиц с малыми ионизационными потерями, когда передаваемая зерну энергия мала. Ядерные эмульсии характеризуют порогом чувствительности, который определяется как среднее значение минимальной энергии, которую должна потерять частица в зерне, чтобы создать в нем скрытое изображение. Порог чувствительности ядерных эмульсий в зависимости от типа эмульсии колеблется от 0,2 до 20 кэВ. Все эмульсии разделяются на три основных типа:

1.эмульсии низкой чувствительности, предназначенные для регистрации сильно ионизирующих частиц с потерями энергии до 500 МэВ г-1 см2 (осколки деления, многозарядные ионы);

2.эмульсии средней чувствительности, способные регистрировать следы частиц с потерями энергии до 20 МэВ г-1 см2 (протоны с энергией примерно до 50 МэВ);

3.эмульсии высокой чувствительности, регистрирующие следы частиц с минимальной ионизацией.

184

чрезвычайно большое значение в процессе образования трека частицы.

На рис. 7.11 показаны энергетическое распределение %-электронов N % E% при торможении различных частиц в ядерной эмульсии. Исходя из

представленных спектров, можно оценить частоту высокоэнергетических актов передачи энергии (в несколько сотен эВ и более) для различных частиц. Так, на 10 мкм трека: 1–2 события – для релятивистского электрона, 20–30 – для протона с энергией 10 МэВ и 104 – для высокоэнергетического многозарядного иона.

Следовательно, из всех пересекаемых частицей микрокристаллов в первом случае будет проявляться каждый 10–20й, тогда, как во втором и третьем случаях, проявятся все. Эти оценки качественно отражены на рис. 7.12 (микрокристаллы,

ядерной эмульсии. Значит, высокоэнергетические %-электроны могут образовывать отдельные различимые треки из нескольких проявленных зерен. Траектория движения электрона с энергией в несколько десятков кэВ представляет собой ломаную линию из-за его многократного рассеяния. Количество таких %-электронов на единицу длины траектории особенно велико у многозарядных ионов, что отражается на структуре трека.

7.2.5. Определение пробега и энергии заряженных частиц

Ядерная эмульсия позволяет измерить пробег частицы с высокой точностью (около 1 мкм). Пробег частицы R связан с ее энергией и может быть найден численным интегрированием с использованием формулы Бете. Это достаточно хорошо описывает экспериментальные значения.

Пробег частицы обратно пропорционален плотности среды и практически не зависит от других ее параметров. Если учесть, что плотности различных стандартных эмульсий различаются не более чем на несколько процентов при практически одинаковом элементном составе, то данные по пробегам можно считать универсальными для всех типов ядерных эмульсий. Число зерен в треке определяется в основном чувствительностью эмульсии и для разных типов эмульсии может отличаться в несколько раз. На рис. 7.13

представлены зависимости пробег – энергия протонов и -частиц в ядерной

186

7.2.6. Измерение времени пролета и времени жизни частиц

Время пролета стабильной заряженной частицы в ядерной эмульсии можно определить по пробегу R и скорости v .

В нерелятивистском случае скорость частицы с массой M и зарядом z согласно (7.41) равна

учитывать релятивистские эффекты.

Распад нестабильных частиц может происходить как на лету, так и после остановки. Если ставится задача определения среднего времени жизни частицы, необходимо, чтобы распад происходил на лету. Формула (7.44) справедлива в том случае, если под величиной t понимать время жизни частицы, а под R – длину ее трека. Для получения постоянной распада необходимо измерить распределение треков по длине и преобразовать его в распределение по времени жизни, которое описывается экспоненциальным законом [1]:

больше, чем t ; t – среднее время жизни.

При регистрации нестабильных частиц и исследовании схем их распадов часто возникает необходимость проследить трек частицы до ее остановки. Пробег в твердом теле на 2–3 порядка меньше, чем в газе. Это обстоятельство сыграло решающую роль при открытии и исследовании схем распадов короткоживущих - и K -мезонов и гиперонов с временем жизни 10–8–10–10 с.

В последние годы интерес к эмульсионному детектору существенно возрос в связи с исследованиями короткоживущих частиц с временем жизни 10–13 с и менее.

7.2.7. Измерение плотности зерен в треке

Плотность первичных зерен nc в треке – мера удельных ионизационных потерь энергии частицы. При больших энергиях nc ~ dEdx. Метод

определения различных параметров частицы по плотности зерен часто применяется в ядерной физике.

Выразим dEdx и пробег через скорость частицы. Из (7.41) следует, что

188

Используя выражения (7.46), (7.47), получим для ионизационных потерь [1]

позволяет определять такие важные параметры, как скорость, заряд или массу

высокоэнергетическими %-электронами с энергией больше 10 кэВ. Такие электроны образуют отдельный трек из нескольких зерен. Плотность треков

%-электронов на единице длины следа позволяет судить о заряде и скорости частицы.

7.3. Искровые детекторы заряженных частиц

7.3.1.История создания искровых детекторов

Вфизике высоких энергий широкое распространение получила искровая камера и ее усовершенствованный вариант – стримерная камера, с помощью которой проведено много важных исследований. Искровая камера – один из самых молодых и современных трековых детекторов, в котором успешно сочетаются:

( наглядность трекового детектора;

(быстродействие, ограниченное лишь быстродействием электронной аппаратуры;

( простота и надёжность в эксплуатации;

( автоматизация эксперимента.

Искровая камера появилась в результате многолетних последовательных усилий учёных многих стран. В начале 20-го века было установлено, что электрическая прочность воздушного промежутка между двух электродов падает при пролете заряженных частиц и происходит пробой (возникает искра). Стабильность такого прибора была плохая.

В1948 г. Кейфель (США) изучал работу искровых счетчиков для измерения координат, но из-за большого мертвого времени и малых размеров пластин, успеха не добился. В 1957 г. Креншоу и Бар применили импульсное питание искровых счетчиков с плоскими электродами. В результате счетчик стал управляемым, повысилась точность локализации следа, и уменьшилось мёртвое время.

В1958–59 гг. в СССР были созданы управляемые искровые счетчики и первый спектрометр с магнитным полем для быстрых частиц (1010–1011 эВ/c).

189

В 1959 г. Фукуи и Миямото заменили газ в разрядном промежутке: вместо воздуха применили неон. Характеристики прибора настолько улучшились, что можно было говорить о создании нового прибора – разрядной камеры. Главное её преимущество – возможность одновременной регистрации следов нескольких частиц.

Детальное развитие искровая камера получила в работах советских и зарубежных ученых: Долгошеин, Чиковани, Алиханян; в НИИ ЯФ Томского политехнического университета (института): Руденко Н.С., Усов Ю.П. и их ученики (создание наносекундных генераторов и усовершенствование стримерных камер).

7.3.2. Принцип действия искровой камеры

Искровая камера создана на основе более старого детектора – искрового счетчика, состоящего из двух плоских электродов, на которые постоянно подано высокое напряжение. Общим для обоих детекторов является механизм возникновения и развития пробоя в межэлектродном промежутке при прохождении ионизирующей частицы.

Искровая камера состоит из набора плоских электродов, помещенных в объём, наполненный инертным газом (обычно смесью гелия и неона при нормальном давлении). Пластины (через одну) подсоединены к источнику высокого напряжения, а оставшиеся пластины – к земле (рис. 7.14). После того как ионизующая частица пересекает искровой промежуток, на половину пластин подается импульс высокого напряжения. Электрическое поле между

убираются слабым постоянным электрическим полем («очищающее поле»), направление которого противоположно направлению импульсного поля. Изза наличия очищающего поля и из-за диффузии первичных электронов эффективность регистрации искровой камеры зависит от времени задержки между прохождением заряженной частицы и подачей высоковольтного импульса на пластины. Если несколько частиц одновременно пересекают камеру, то эффективность регистрации снижается, поскольку образовавшийся заряд стекает через несколько разрядных каналов. Положение искр

190