Ядерная фотографическая эмульсия
Ядерная фотографическая эмульсия - фотоэмульсия для регистрации траекторий (треков) заряженных частиц. Французский физик А. Беккерель в 1896 обнаружил радиоактивность солей U по вызываемому ими почернению обычной фотоэмульсии. В 1910 японский физик С. Киносита установил, что зёрна галогенида Ag обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла α-частица. В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками изготовили пластинки с толщиной эмульсионного слоя 50 мкм и наблюдали с их помощью рассеяние α-частиц на ядрах эмульсии. В 30-х гг. началось изготовление специальных ядерных фотографических эмульсий (со стандартными свойствами), с помощью которых можно было регистрировать следы медленных частиц (α-частиц, протонов). В 1937—38 австр. физики М. Блау и Г. Бомбахер и А. П. Жданов с сотрудниками наблюдали в ядерных фотографических эмульсиях расщепления ядер, вызванные космическим излучением. В 1945—48 появились релятивистские ядерных фотографических эмульсии для регистрации релятивистских частиц. Метод ядерной фотографической эмульсии стал точным количественным методом исследований.
Ядерные фотографические эмульсии отличаются от обычных фотоэмульсий двумя особенностями: отношение количества галогенида Ag к желатине в 8 раз больше; толщина слоя, как правило, в 10-100 раз больше и достигает иногда 1000—2000 мкм. Зёрна галогенида Ag в эмульсии имеют средний Линейный размер обычно 0,08 – 0,30 мкм.
Заряженные частицы, проходя через ядерную фотографическую эмульсию создают чувствительные центры в некоторых лежащих на их пути зёрнах галогенида Ag (скрытое изображение). После проявления эти зёрна превращаются в кристаллики металлического Ag, которые непрозрачны и после фиксирования ядерной фотографической эмульсии образуют вдоль трека частицы цепочку чёрных зёрен. Следы частиц наблюдают с помощью микроскопов при увеличении 200—2000.
В ядерной физике ядерные фотографические эмульсии обычно используют в виде слоев, наклеенных на стеклянные подложки. При исследовании частиц высоких энергий (на ускорителях или в космических лучах) эмульсионные слои иногда снимают с подложки и укладывают в большие стопки в несколько сотен слоев. Объём стопок доходит до десятков л — образуется практически сплошная фоточувствительная масса. После экспозиции отдельные слои наклеивают на стеклянные подложки и обрабатывают. Положение слоев маркируют, благодаря чему траекторию частиц прослеживают по всей стопке, переходя от слоя к слою.
Пробег частицы с зарядом Q и скоростью v в ядерной фотографической эмульсии до остановки частицы пропорционален массе М частицы. При достаточно большой скорости плотность зёрен (число проявленных зёрен на единицу 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 частицы может служить число вторичных т.н. б-электронов, образующих вдоль следа характерные ответвления. Их плотность также ~Q2/v2. Если Q=e (заряду электрона), a v~c, то след частицы в релятивистской ядерной фотографической эмульсии имеет вид прерывистой линии из 15—30 чёрных зёрен на 100 мкм пути.
В ядерной фотографической эмульсии можно измерять рассеяние частиц. Среднее угловое отклонение на единицу пути q>~Q/pv (p — импульс частицы). Ядерную фотографическую эмульсию можно поместить в очень сильное магнитное поле и измерить импульс частицы и знак её заряда, что позволяет определить Q, М и v. Достоинства метода ядерной фотографической эмульсии как трекового детектора частиц — высокое пространственное разрешение (можно различать явления, отделённые расстоянием в ~1 мкм, что для релятивистской частицы соответствует временам пролёта ~ 10-16 с) и возможность длительного накопления редких событии. Методом ядерной фотографической эмульсии были открыты пи-мезоны, обнаружено взаимодействие π- и K-мезонов после остановки. С помощью ядерной фотографической эмульсии удалось оценить время ЖИЗНИ π0-мезона, обнаружить распад K-мезона на 3 пиона, открыть ∑-гиперон, гиперядра, антилямбдагиперон. Методом ядерной фотографической эмульсии был исследован состав первичного космического излучения и доказано, что, кроме протонов, в нем есть ядра He и более тяжелых элементов, вплоть до Fe. В 50-е гг. были организованы международные экспедиции с целью подъема многолитровых эмульсионных стопок на баллонах в высокие слои атмосферы и на различные 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 некоторым из перечисленных выше открытий.
Хотя при исследовании частиц высоких энергий пузырьковые камеры потеснили ядерную фотографическую эмульсию, последние всё же продолжают использоваться. Ядерная фотографическая эмульсия применяются также в авторадиографии: в структуру исследуемого объекта вводится небольшое количество радиоактивных атомов, которые обнаруживают своё присутствие распадами, и ядерная фотографическая эмульсия, помещённая вблизи объекта, может указать их локализацию. Для увеличения разрешения и чувствительности метода ядерной фотографической эмульсии в жидком виде иногда наносят непосредственно на объект или применяют тонкие слои ядерной фотографической эмульсии, снятые с подложки. При этом можно измерять как полное почернение, так и регистрировать индивидуальные следы, достигая пространственного разрешения ~1 мкм.