Способ регистрации заряженных частиц

(51)5 6 01 Т 5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Т 1 - тем ив ратур (пв д) температура. и которо п(Т 1)Т 2при которо ющ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬ(56) Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М,: Атомиздат, 1977,с. 275-288,Там же, с. 257 - 268.Там же, с, 288 - 293.Там же, с. 268 - 275. Изобретение относится к экспериментальной физике, точнее к способам фотогра.фической регистрации ионизирующего излучения, и может быть использовано в физике элементарных частиц в экспериментах на ускорителях.Цель изобретения - селективная регистрация частиц,Для реализации способа трековый детектор на основе бромосеребряной фото- эмульсии размещают в пучке заряженных частиц, экспонируют, после чего проявляют и треки частиц просматривают под микроскопом, причем согласно изобретению перед экспонированием трековый детектор охлаждают до температуры, меньшей или равной температуре Т 1, а после прохождения частицы облучают импульсом неактиничного лазерного излучения с энергией лазерного импульсаЕСРб (Т 2 - Т 1) 5(57) Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано для фотографической регистрации элементарных частиц. Цель изобретения - селективная регистрация частиц, которая достигается специальной обработкой фото- эмульсии и облучением ее лазерным излучением, Способ регистрации заряженных частиц включает охлаждение перед экспонированием трекового детектора до заданной температуры и облучение после экспонирования импульсом лазерного излучения с определенной энергией. Способ позволяет осуществлять регистрацию редких событий в присутствии большого фона,и (Т 2)2 (ив д)п(Т) - чувствительность эмульсии трекового детектора при температуре Т, мкмпв - объемная плотность зерен вуали проявления, мкм з;д - . глубина зрения просмотрового микроскопа,мкм;С - средняя в диапазоне температур Т 1ТТ 2 теплоемкость эмульсии трекового детектора, Дж/г;Р - плотность эмульсии, г/см;з,б - толщина эмульсии трекового детекторэ, см;Б - площадь пятна лазерного излу 2 чения на эмульсии трекового детектора, см .Сущность способа заключается в следу 16314775 10 15 25 30 35 40 45 20 50 55 Чтобы заряженная частица в эмульсиитрекового детектора была зарегистрирована, ее трек должен просматриваться подмикроскопом как цепочка проявленныхмикрокристаллов (зерен) бромида серебрана фоне хаотично расположенных зерен вуали проявления, Для этого необходимо, чтобы чувствительность ядерной эмульсиитрекового детектора к заряженным частицам, выражаемая плотностью проявленныхна единице длины трека зерен, удовлетворяла условию различимости6и 2 (пвд), (1)где и - чувствительность эмульсии трекового детектора, мкм ;пв - обьемная плотность зерен вуалипроявления, мкм-з,д - глубина зрения просмотрового микроскопа, мкм.Чувствительность эмульсии трековогодетектора (как фотографических, так и ядерных) является функцией температуры, прикоторой производят ее экспонирование(она монотонно уменьшается при понижении температуры), Обычно ядерные фотоэмульсии трекового детектора экспонируютпри температурах, близких к нормальным,когда условие (1) для высокочувствительныхядерных эмульсий трековых детекторов(п20 10 м км ) за ведомо вы пол няется,так как для них пв =(2 - 3) 10 мкм(д =5 мкм), Однако при охлаждении ее чувствительность становится такой, что трекчастицы перестает различаться на фоне зерен вуали проявления, т.е, существует температура Т 1, ниже которой выполняетсяусловие неразличимости трека6и (Т 1) (пвд), (2)где и (Т) - чувствительность эмульсии трекового детектора при температуре Т.Таким образом, если перед экспонированием эмульсию трекового детектора охлаждают до температуры ТТ 1, а послепрохождения полезной частицы каким-либообразом на некоторое время нагревают дотемпературы ТТ 2 (Т 2 - температура, прикоторой выполняется условие (1) а затемснова охлаждают, то при соответствующейинтенсивности пучка частиц после проявления под микроскопом наблюдаются лишьтреки полезных частиц, а треки фоновыхчастиц "скрыты" на фоне зерен вуали проявления.Эффект понижения чувствительностиэмульсии трекового детектора при ее охлаждении обьясняется уменьшением вероятности образования скрытого изображенияв микрокристаллах галогенида серебра, Это связано с "замораживанием" и уменьшением концентрации межузельных ионов Ад, образующих центры проявления микрокристалла путем последовательной нейтрализации захваченных на центры чувствительности электронов ионизации. Кроме того, увеличивается вероятность "потери" (для образования центров проявления) свободных электронов ионизации в результате электронно-дырочной рекомбинации. Следовательно, время нагрева и поддержания эмульсии трекового детектора при температуре ТТ 2, при которой подавляются рекомбинацион ные процессы, должно быть таким, чтобы за это время в активированных частицей микрокристаллах успевал завершиться процесс образования скрытого изображения. Это время можно оценить из соотношения1 четн р, (3)Мц.ч2 1 с 3где Ме = -- среднее число электроновМионизации в микрокристалле;1 - средняя плотность ионизации частицы в АдВг;в - средняя энергия образования электронноо-дырочной па ры в Ад В г;с - средний диаметр эмульсионных микрокристаллов;тр - время ионной релаксации;11 ц,ч - среднее число центров чувствительности в микрокристалле.В высокочувствительных стандартных ядерных эмульсиях трекового детектора (типа Р, БР или РК), предназначенных для регистрации быстрых заряженных частиц, с = 0,3 - 0,4 мкм;Иц.ч =3; тр нс; при регистрации частиц высоких энергий 1 = 1 О (10 = 800 эВ/мкм - минимальная плотность ионизации); для вторичных частиц51 т.е 1 н)10 мкм. Однако, время тн не должно быть слишком большим, так как эффективность набора статистики в пучке частиц прямо пропорциональна плотности интенсивности пучка 1, причем 0,1где Яв - площадь эмульсии трекового детектора поперек пучка;тв - время между моментом прохождения полезной частицы (события) и началом нагрева эмульсии трекового детектора, точнее моментом достижения температуры Т 2;т 0 - время охлаждения эмульсии трекового детектора от температуры Т 2 до температуры Т.В противном случае регистрируются не только полезные, но и фоновые частицы, по 1631477падающие в эмульсию трекового детектора в промежуток времени Тп = сз+ 1 н + Ь. Как следует из (4), охлаждение эмульсии трекового детектора также должно быть произведено достаточно быстро.Кроме того, для реализации способа время 1 Э не должно превышать время электронно-дырочной рекомбинации (время высвечивания рекомбинационной люминесценции тл), чтобы к моменту достижения эмульсией трекового детектора температуры Т 2 в эмульсионных микрокристаллах присутствовала значительная часть электронов ионизации, Как следует из (1) и (2), чувствительность эмульсии трекового детектора должна быть уменьшена в результате охлаждения по крайней мере в 2 раза, что достигается для ядерных эмульсий трековых детекторов при температурах ниже точки кипения жидкого азота. Для таких температур тл 10 - 10 б с.Таким образом, спустя 1 з10 с эмульсия трекового детектора тн - 10 - 10 с должна быть нагрета до температуры, удовлетворяющей условию (1), после чего охлаждена как можно быстрее (требование быстрого охлаждения для реализации способа не столь важно, как требование быстрого нагрева, так как оно влияет только на выбор интенсивности пучка, частиц, а скорость нагрева определяется свойствами ядерных эмульсий трековых детекторов), Для этого эмульсия трекового детектора, обычно представляющая собой слои толщиной 100 - 600 мкм и площадью (определяется условием конкретного эксперимента), должна располагаться на массивном теплообменнике, выполненном из материала с высокой теплопроводностью (медь, алюминий) и охлаждаемом эффективным, хладагентом (жидкие азот или гелий), либо непосредственно в потоке хладагента. При этом для сведений к минимуму времени тн и 1 оследует осуществлять нагрев только эмульсионного слоя трекового детектора без нагрева теплообменника. Это исключает применение электрических способов нагрева как слишком инерционных, Кроме того. масса электронагревателей существенно больше массы эмульсионного слоя трекового детектора (при плотности ядерной эмульсии трекового детектора Р = 4 г/смз и толщине слоя б = 200 мкм его удельная масса 0,08 г/см ).Для реализации способа трекового детектора эмульсию нагревают импульсным пучком лазерного излучения, неэктиничного по отношению к эмульсионным микро- кристаллам. Так как ядерные эмульсии 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 трекового детектора не подвергаются оптической сенсибилизации, длина волны излучения должна лежать за коротковолновойграницей спектра поглощения АцВг(4 = 500 нм)при комнатной температуре и несколькосмещаться в коротковолновую область(ЛА = 0,2 нм/К) при понижении температуры. Это лазеры видимого красного и инфракрасного диапазонов, Наилучшимобразом для реализации способа подходятинфракрасные лазеры, например широкоиспользуемые лазеры на С 02 (А = 10,6 мкм),дающие в отличие от видимой области эффективное выделение энергии в эмульсионном слое трекового детектора за счетактивного поглощения квантов инфракрасного излучения колебательными и вращательными уровнями сложных молекулжелатиновой основы. Энергия импульса лазерного излучения должна быть такой, чтобы обеспечить нагрев эмульсии трековогодетектора по крайней мере от температурыТ 1 до температуры Т 2, т.е, удовлетворятьусловиюЕСРб(Т 2 - Т 1) 5, (5)где С - средняя в диапазоне Т 1Т Т 2теплоемкость эмульсии трекового детектора;Р - плотность эмульсии трекового детектора;б - толщина эмульсии трекового детектора;Я - площадь пятна лазерного излученияна эмульсии трекового детектора,Если Я5 э (Яэ - площадь эмульсионного слоя поперек пучка излучения), в управляемом режиме находится весь объемэмульсии трекового детектора, Если жеЯЯэ, то полез н ые частицы (события) регистрируются только в области лазерного пятна.Конкретные значения температур Т 1 иТ 2 зависят от используемой эмульсии трекового детектора и определяются по калибровочной кривой зависимости чувствительности оттемпературы п(Т) исходя из соотношений (1)и (2). Необходимая энергия лазерного импульса рассчитывается по (5).П р и м е р. Способ реализован с использованием ядерной эмульсии трекового детектора типа Р или БР (п2 10 мкм-з -зчувствительность к быстрым заряженнымо, -2 -1частицам при 0 С по = 35 10 мкм, плотность Р= 4 г/см ) толщиной О = 200 мкм изплощадью Яэ = 1 см, которую располагают2в криостате на охлаждаемом жидким гелиемтеплообменнике плоскостью вдоль направления. пучка частиц (расположение эмульсиитрекового детектора относительно пучкадиктуется конкретными условиями эксперимента). Из соотношений (1) и(2) для д=5 мкм определяют и (Тг) = 2 (2 10 5) =20 10 мкм =О,бпо,п(Т 1)=10 10 мкм" =4,3 по. Далее по кривой пЩ из (5) находят соответственно Тг =- 75 К; Т 1 = 30 К, Поскольку весовая концентрация А 9 Вг в ядерной эмульсии трекового детектора составляет 0,80 - 0,85, в качестве теплоемкости эмульсии трекового детектора можно использовать значение теплоемкости чистого А 9 Вг С= 0,26 Дж/г при 0 С, Так как для большинства веществ зависимость теплоемкости от температуры достаточно хорошо аппроксимируется линейной функцией, в интервале Т 1ТТ 2 С = 0,05 Дж/г. Иэ (5) требуемая энергия лазерного излучения при падении по нормам к плоскости эмульсионного слоя =0,2 Дж,Необходимыми для реализации способа характеристиками обладают многие лазеры инфракрасного диапазона, например лазерный технологический модуль на базе СОг-излучателя (А= 10.6 мкм; Е 5 Дк; длительность импульса излучения 0,2 - 50 мкс); компактный импульсный СОг-излучатель (1= 9,2 - 10,8 мкм, Е = 5 - 8 Дж; длительность импульса излучения 0,12 - 100 мкс) и др. Необходимая площадь пучка лазерного излучения достигается путем удаления излучателя от криостата (за счет естественной расходимости пучка 3 м рад).После прохождения полезной частицы (взаимодействия), момент которого выделяется триггерными устройствами, срабатывает лазерный излучатель, пучок излучения которого попадает на эмульсию трекового детектора и нагревает ее до необходимой температуры. По окончании лазерного импульса (нэгрева) эмульсия трекового детектора быстро охлаждается за счет малой толщины и хорошего термического контакта с холодным теплообменником, Для более быстрого охлаждения эмульсия трекового детектора может быть расположена непосредственно в жидком хладагенте. Конкретные значения температур Тг и Т 1, энергии и длительности лазерного нагрева подбираются далее опытным путем, исходя из типа эмульсии трекового детектора и оптимальных условий регистрации во время эксперимента. Так, расширение температурного диапазона Тг - Т 1 улучшает динамические свойства эмульсии трекового детектора в управляемом режиме (обеспечивает селективность регистрации частиц с различной плотностью ионизации). Изобретение позволяет получить следующие технико-экономические преимущества, Способ позволяет осуществлять регистрацию редких событий в присутствии 5 интенсивного постороннего фона при сохранении положительных качеств, присущих известному способу, Другим преимуществом предлагаемого изобретения является возможность увеличения об щей предельно допустимой загрузки 3. Еслидля известного способа, где регистрируют как полезные, так и фоновые частицы, 3 определяется способностью проследить отдельный трек на фоне посторонних треков, 15 те.по3 н у,то в изобретении, где регистрируют в основном только полезные частицы,201 и Тг и Тгг г1 у(г )( 4 ) 4 п 1 Т 1 Если п(Тг) = по, то предельно допустимые общие загрузки по сравнению с известным способом могут быть увеличены в по/2 п(Т 1) разФормула изобретения Способ регистрации заряженных частиц с помощью трекового детектора нэ основе бромосеребряной фотоэмульсии, заключающийся в том, что трековый детектор размещают в пучке заряженных частиц, экспонируют, после чего ее проявляют и треки частиц просматривают под микроскопом, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью селективной регистрации частиц, трековый детектор перед экспонированием охлаждают до температуры, меньшей или равной температуре Т 1, а после прохождения частицы эмульсии облучают импульсом неактиничного лазерного излучения с энергиейЕСРо (Тг Т 1) Я45 где С - средняя в диапазоне температурТ 1ТТг теплоемкость эмульсии трекового детектора, Дж/г;Р - плотность эмульсии трекового детектора, г/смз;б - толщина эмульсии, см;Тг - температура, при которой6п (Тг) 2 (п,д)Т 1 - температура, при которой 55 и (Т 1) (пд)п - объемная плотность зерен вуалип роя вл ения, м кмз;д - глубина зрения просмотрового микроскопа мкм,Редактор М,Петрова Заказ 544 Тираж 289 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 3 - площадь пятна лазерного излченияна эмульсии трекового детектора, см; пТ - чувствительность эмульсии трекового детектора при температуре Т, мкм