|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Рентгеноэмульсионная камера. |
 |
Рентгеноэмульсионная камера.
Описание
Рентгеноэмульсионная камера —
координатный детектор частиц высоких энергий, позволяющий определить
энергию частицы (
~ 1—2 ТэВ) и параметры её
траектории, используя образование в плотной среде
электронно-фотонных каскадов. Последние развиваются в результате процессов
тормозного излучения и образования
электрон-позитронных пар.
Электронно-фотонные каскады регистрируются по суммарному фотографическому действию пучка каскадных
электронов на
рентгеновскую плёнку, помещённую на некоторой глубине
t в плотном
поглотителе (обычно Рb или Fe). При достаточно большой энергии первичной частицы
и достаточной степени развития каскада число каскадных электронов
N на глубине
t бывает столь велико (рис. 1), что вызванное ими скрытое изображение после проявления даёт пятно потемпения, видимое невооруженным глазом. Размеры пятна определяют и
пространственную разрешающую способность для регистрации отдельных частиц, которая в среднем ~100 мкм. Видимое пятно потемнения позволяет не только легко обнаружить место прохождения частицы, но и определить
фотометрированием, т. к. степень его потемнения зависит от числа каскадных электронов, а следовательно и от величины
.
Каскадные кривые; зависимость числа частиц N (сплошные линии, левая шкала) и интегрального потемнения (штриховые линии, правая шкала) в круге радиуса R = 50 мкм от глубины t в свинцовом поглотителе для разных значений энергии гамма-кванта.
Рис. 1
Количественной мерой потемнения при фотометрировании служит величина
D = lgIo/I где
Io и
I интенсивности светового пучка, проходящего через диафрагму фотометра без пятна потемнения и с ним. Существует несколько методов определения энергии
по фотометрическим измерениям. Наиболее широко используется
интегральное потемнение DR(,
t) на глубине t, измеренное с помощью круговой диафрагмы радиуса R (иногда применяются диафрагмы с прямоугольной щелью). Связь между
DR и
определяется свойствами эмульсии, которые характеризуются кривой почернения
D(n) — зависимостью потемнения малого элемента площади от плотности
n электронов, прошедших через этот элемент, и пространственным распределением плотности электронов
n(, t, r, φ) в каскаде на глубине t (r — расстояние от оси каскада,
φ — азимутальный угол в плоскости, перпендикулярной оси каскада). Интегральное потемнение
DR при вертикальном падении равно:
Для определения
экспериментальные значения
DR сопоставляются с вычисленными по формуле (1), в которой
n(, t, r, φ) рассчитывается теоретически, а кривая почернения аппроксимируется функцией
D(n) = Dмакс[1-exp(-ns)], где s — эффективная площадь зерна эмульсии,
Dмакс — максимальное потемнение, до которого может быть засвечена плёнка (при бесконечно большой
экспозиции). Т. к. с ростом n при переходе к области насыщения погрешность определения n, а следовательно, и
резко возрастают, для расширения диапазона измеряемых анергий иногда используют одновременно рентгеновские плёнки двух типов — большой (1) и малой (2) чувствительности (рис. 2).
Кривые почернения для рентгеновских пленок РТ-6М (верх) и РТ-СШ (низ)
Рис.2
В случае
> 10 ТэВ при вычислении
n(, t, r, φ) следует учитывать влияние многократного рассеяния на сечения основных процессов (тормозное излучение, образование электрон-позитрониых пар), ответственных за развитие каскада в области больших энергий (эффект Ландау-Померанчука-Мигдала). Использование рентгеновских плёнок для количественных измерений требует введения поправок, учитывающих конструкцию реальных камер, слоистость поглотителей, воздушный зазор между Pb и фотоэмульсией и др. Точность определения энергии частиц камерой ~15—50%.
Рентгеноэмульсионная камера помимо энергии частицы позволяет определить угол падения каскада. Рентгеновская плёнка покрыта о двух сторон слоями эмульсий, разделёнными расстоянием 200—250 мкм, поэтому угол падения можно определить по относительному смещению пятен в эмульсионных слоях. Возможно и использование двух различных плёнок, разделённых некоторым промежутком с точным фиксированием их взаимного расположения. Точность измерения зенитного угла ~3о и азимутального угла ~15°.
Наряду с интегральным потемнением
DR для определения
используют сканирование области потемнения фотометрической ячейкой малого размера с последующей обработкой сканограммы на ЭВМ.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Применение эффекта
Метод рентгеноэмульсионной камеры позволяет создавать детекторы большой светосилы с высокими пространственным и угловым разрешениями, площадью в сотня и тысячи м2 и временем непрерывного набора статистики ~1—2 года. Камеры применяют в экспериментах с космическими лучами, где интенсивность первичных частиц мала и быстро спадает с энергией.
Рентгеноэмульсионные камеры можно разделить на 3 типа; рентгеноэмульсионные камеры для регистрации гамма-квантов, электронов и позитронов; рентгеноэмульсионные камеры для регистрации адронов; каемры для мюонов. Рентгеноэмульсионные камеры 1-го типа (т. н. Г-блок) представляют собой свинцовые фильтры, под которыми помещаются одни или несколько слоев рентгеновской плёнки. Толщины фильтров подбираются так, чтобы слои плёнки находились вблизи максимума каскадных кривых для изучаемого диапазона энергии.
В рентгеноэмульсионных камерах для изучения адронов (Н-блок) включён слой лёгкого вещества (обычно С), в котором не происходит заметного развития электронно-фотонного каскада, но адроны испытывают ядерные взаимодействия, а возникающие при этом гамма-кванты детектируются в расположенном ниже регистрирующем блоке, аналогичном Г-блоку. Для эффективной регистрации адронов толщина камеры должна составлять не менее 1—2 пробегов до взаимодействия, т. е. камера должна быть достаточно глубокой. При исследовании адронных взаимодействий мишенью служит либо вещество самой камеры, либо слой плотного вещества, либо слой атмосферы над камерой (выбор мишени определяется интервалом изучаемых энергий). В последнем случае обычно используется сочетание Г-блока и расположенного ниже Н-блока (рис. 1). Продукты взаимодействия энергичной частицы с ядром атома воздуха представляют собой смесь заряженных адронов и гамма-квантов (с примесью электронов), приходящих практически параллельным пучком и регистрируемых в камере в виде группы пятен потемнения. Т. к. время экспозиции велико, то в случае необходимости временной селекции «семейств» или др. событий применяется камера, в которой на одной глубине используются 2 слоя плёнки, один из которых через определенные интервалы времени передвигается относительно другого с соответствующей «меткой времени».
Для регистрации мюонов больших энергий в камере используются гамма-кванты тормозного излучения, т. к. в тяжёлом веществе, где Z2/А » 1, их испускание - основной процесс передачи энергии мюоном гамма-квантам. Тормозное излучение с большой точностью описывается квантовой электродинамикой, поэтому можно уверенно и однозначно переходить от энергетических и угловых распределений фотонов к распределениям для мюонов. Сечеиие тормозного излучения мюона мало, поэтому детектор представляет собой глубокую (~40—60 см) свинцовую камеру с многочисленными слоями (через 1—2 см) рентгеновской плёнки. Такие многослойные каемры только из свинца служат и для регистрации адронов, однако в этом случае (в отличне от Н-блока со слоем С) объём используемой плёнки и обработки возрастает, хотя информация окалывается более детальной.
Регистрация адронных взаимодействий в атмосфере; сплошные линии — адроны, штриховые линии - гамма-кванты; клетчатые полоски - свинец; утолщении на концах линии — электронно-фотонные каскады.
Рис. 1
Реализации эффекта
Ещё до появления метода ШАЛ, в технике исследования космических лучей широко использовался метод рентгеноэмульсионных камер (РЭК). Частицы, попадая в вещество пленки, на поверхность которой нанесён чувствительный к рентгену и заряжённым частицам слой фотоэмульсии, вызывают каскад вторичных частиц (рис.3.4) – результат взаимодействия первичной частицы с ядрами фотоэмульсии. После проявления в химических растворах треки частиц становятся видимыми. Анализируя толщину, размеры и пространственное положение треков под микроскопом, можно определить и типы частиц, и их энергии. Метод РЭК получил широкое распространение в физике космических лучей. Благодаря именно его применению в 40-х годах прошлого века удалось обнаружить многие ядра – вплоть до железа – в составе первичного космического излучения.
Пример визуализации ливня частиц при её торможении в фотоэмульсии. Следы первичной и вторичных частиц становятся видимыми после проявления плёнки в химических растворах.
Рис.1
Литература
1. Атомная физика/ Э.В. Шпольский. – М.: Наука. 1974. с.312-316
2. Физическая энциклопедия /гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994
Приборы для измерения ионизирующих излучений
Приборы для измерения электрических и магнитных величин
Молекулярная электроника
Квантовая электроника
