Способ регистрации следов заряженных частиц в пузырьковых камерах Советский патент 1986 года по МПК G03H5/00 

Изобретение относится к области исследования свойств элементарных частиц с помощью пузырьковых камер, а именно к получению информации о происходящих в камере событиях, и может быть использовано в других случаях регистрации объектов, находящихся в искажающих средах.

Целью изобретения является повышение точности .регистрации следов заряженных частиц в пузырьковых камерах путем компенсации искажений и, одновременно с этим, получение однородного фона изображения

10

бой след в виде пузырьков пара, 10, расположенных вдоль трае1 тории час тиц. Импульс когерентного света от лазера 2 направляется в систему фо мирования освещающего пучка 3. Эта система образует пучок света, кото рый проходит сквозь полупрозрачное зеркало 4 на пузырьковую камеру 5. Размеры освещающего пучка соответствуют размерам регистрируемого об ма пузырьковой камеры 5. Падающий на камеру свет имеет неискаженный гаюский волновой фронт, в котором все лучи 11 и 12 практически парал

На фиг. 1 представлено устройство, 5 лельны (луч 11 - это луч, который

для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - схема прохождения света через пузырьковую камеру.

Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси 1 устройства источник когерентного света (лазер) 2, систему формирования освещающего пучка 3, полупрозрачное зеркало 4, пузырьковую камеру 5, заполне нную турбулентной жидкостью 6 и систему фокусировки света 7, в фокусе которой находится ячейка обращения волновог о фронта (ЯОВФ) 8. Полупрозрачное зеркало 4 асположено под углом к оптической си 1 устройства. Фоторегистратор размещен по ходу лучей, отражен- ых от ЯОВФ 8, вторично прощедших амер1у 5 и затем: отраженных от полу- проз рачного зеркала 4.

ЯОВФ 8 представляет собой кювету, заполненную определенным веществом, вид-которого вы.бирается в зависимости от длины волны падающего св,ета (например, для ,53 мкм используется дистиллированная вода). Мощный; пучок света от лазера 2, энергия которого превыщает порог возбуждения для вещества (расчетная величина поо MB) содержащегося в ЯОВФ проходя через это вещество, возбуждает в .нем гиперзвуковые волны, причем такие, что, отражаясь от них,как от зеркала, каждый элементарный луч - падающего света идет назад строго в обратном направлении. Рабочий объем пузырьковой камеры 5 расщиряют,приводя тем самым рабочую жидкость 6 в метастабильное состояние, чувствительное к ионизирующему излучению, и вводят в камеру 5 заряженные час- . Пролетая через рабочий объем камеры 5, частищ.1 оставляют за со

бой след в виде пузырьков пара, 10, расположенных вдоль трае1 тории частиц. Импульс когерентного света от лазера 2 направляется в систему формирования освещающего пучка 3. Эта система образует пучок света, который проходит сквозь полупрозрачное зеркало 4 на пузырьковую камеру 5. Размеры освещающего пучка соответствуют размерам регистрируемого объема пузырьковой камеры 5. Падающий на камеру свет имеет неискаженный гаюский волновой фронт, в котором . все лучи 11 и 12 практически парал

5

0

5

0

5

0

5

не попал на пузырек пара; 10, луч 12 - луч, попавщий в центр пузырька 10) (см. фиг. 2). Весь свет, проходя через турбулентнзта жидкость 6 камеры 5, испытывает воздействие флуктуации коэффициента преломления . среды, которое выражается в нарушении однородной фазовой структуры света (фазовая модуляция).

Вместе с тем известно, что пузырьки пара 10 в жидкости не являются чисто фазовыми объектами (т.е. они, кроме изменения фазы, модулируют еще и амплитуду падающей на них волны света) и поэтому будут рассеивать свет, во все стороны, но основная часть падающего на пузьфек света (около 84%) будет рассеиваться в узком конусе 13, угол расходимости которого зависит от размера пузырьков 10 и длины волны света (например, для пузырьков диаметром ЙО мкм и длины волны света Л 0,53 мкм,этот угол составляет 3°). Центральный луч 14 конуса 13 определяет положение центра пузырька 10. Направление распространения этого луча определяется направлением распространения волнового фронта той части света, которая освещает пузырек 10. Процесс рассеяния на пузырьке не приводит к изменению направления центрального луча 14, а только лишь к изменению амплитуды волны света в этом месте, и в дальнейшем его эволюция в турбулентной среде будет совпадать с эволюцией 12 исходной плоской волны, который прошел бы место расположения пузырька 10 в его отсутствие.

После прохождения пузырьковой камеры 5 первоначальный плоский волновой фронт света искажается, каждый

элементарный луч света получает свое направление, которое характеризуется углом &; его выхода из турбулентной жидкости 6. Оптические неоднородности элементов устройства (етенок камеры, линз и т.п.) дополнительно нарушают амплитудно-фазовую однородность освещающего пучка света. Весь свет, вьщ1едший из пу10

света через

ло 10 с) несравнимо меньше

зырьковой камеры, фокусируется системой фокусировки 7 на . ЯОВФ 8. Здесь происходит обращение (реверс) волнового фронта, т.е. ЯОВФ 8 отражает каждый элементарный луч строго в обратном направлении, направляя 5 его назад по .тому же самому, пути, каким он прошел через турбулентную среду (жидкость) 6 ..(вследствие принципа обратимости световых лучей в оптике). Так, в частности, лучи 11 20 и 14.приобретают противоположное направление - соответственно 15 и 16. Время между двумя прохождениями

пузырьковую камеру (окохарак- 25

терного времени изменения турбулентной конфигурации среды (около 10 с) и все обращенные лучи 15 и 16 при обратном движении в камере 5 проходят через те же самые искажающие не- 30 однородности, восстанавливая свое первоначальное направление. Таким образом, в прозрачной (т.е. фазовой) среде камеры 5 при обратном прохождении света будет происходить пол- 35 ная компенсация всех фазовых искажений исходного пучка света.

При этом свет, рассеянный пузырьком 10 % узкий конус 13, вновь возвратится на него, хотя и ослабленный 0 по амплитуде, но с той же фазовой микроструктурой, что была после рас- сеяния при первом проходе пучка све- та. Затем этот свет будет рассеян пузырькой 10 уже в обратном направ- 5 лении. Однако, как и прежде, центральный луч 17 нового конуса рассеяния 18 не изменит своего направления (еще раз уменьшится лишь его амплитуВесь св ет, вторично прошедший через пузырьковую камеру 5, направляется затем полупрозрачным зеркалом 4 на фоторегистратор 9. Фазовые ис- , кажения компенсируются при строго обратном проходе света через искажающую среду. Интерференция света, не рассеянного на пузырьках, который после прохода камеры 5 туда и обратно вновь приобретает плоский волновой фронт,со светом, рассеянным на пузырьках 10 при его обратном проходе, образует голограмму объекта, фиксируемую фоторегистратором 9.Положение центра пузырька 10 на голограмме определяется направлением и точкой выхода центрального луча 17 конуса рассеяния 18 из турбулентной среды (жидкости 6).

Освещая затем голограмму пучком когерентного света, получаем восста- новленное.в пространстве изображение объекта голографирования. Поскольку при восстановлении искажающая среда отсутствует, будет наблюдаться расхождение между истинным положением пузырька 10 в объеме камеры и положением его восстановленного изображения 19. Величина этого расхождения зависит от тех искажений,, которые претерпевает центральный луч 17 конуса рассеяния 18 в турбулентной среде.

В предложенном способе централь- ньй луч 17, после выхода из пузырьковой камеры 5, имеет то же направление, что и лучи 15. Таким образом, происходит полная компенсация тех искажений, которые вызваны хаотическими флуктуациями угла выхода лучей света из пузырьковой KaMejMJ. Это означает, что точность информации о местоположении пузырька 10 в объе- мер камеры 5 значительно повышается, так как отсутствуют угловые смещения

да)-и будет идти в обратном направле-50 центра изображения 19 пузырька, обуснии тик же, как и луч 16, который

прошел бы через место расположения

пузырька 10 в его отсутствие. Таким

образом, центральный луч 17 конуса

рассеяния 18 выйдет из пузырьковой 55

камеры 5 строго в направлении, про г

тивоположном направлению исходного

луча 12, и. будет отличаться от лучей

ловленные Именно этими флуктуаци:ями угла выхода центрального луча 17 конуса рассеяния 18 из турбулентной среды (жидкости 6) и теперь ошибка в определении центра восстановлеяно- го с голограм П11 изображения Э fty- зырька будет обуславливаться лишь боковым смещением дх§ луча света

15, прошедших камеру 5 без рассеяния на пузырьках, лишь измененной (уменьшенной) амплитудой волны.

Весь св ет, вторично прошедший через пузырьковую камеру 5, направляется затем полупрозрачным зеркалом 4 на фоторегистратор 9. Фазовые ис- , кажения компенсируются при строго обратном проходе света через искажающую среду. Интерференция света, не рассеянного на пузырьках, который после прохода камеры 5 туда и обратно вновь приобретает плоский волновой фронт,со светом, рассеянным на пузырьках 10 при его обратном проходе, образует голограмму объекта, фиксируемую фоторегистратором 9.Положение центра пузырька 10 на голограмме определяется направлением и точкой выхода центрального луча 17 конуса рассеяния 18 из турбулентной среды (жидкости 6).

Освещая затем голограмму пучком когерентного света, получаем восста- новленное.в пространстве изображение объекта голографирования. Поскольку при восстановлении искажающая среда отсутствует, будет наблюдаться расхождение между истинным положением пузырька 10 в объеме камеры и положением его восстановленного изображения 19. Величина этого расхождения зависит от тех искажений,, которые претерпевает центральный луч 17 конуса рассеяния 18 в турбулентной среде.

В предложенном способе централь- ньй луч 17, после выхода из пузырьковой камеры 5, имеет то же направление, что и лучи 15. Таким образом, происходит полная компенсация тех искажений, которые вызваны хаотическими флуктуациями угла выхода лучей света из пузырьковой KaMejMJ. Это означает, что точность информации о местоположении пузырька 10 в объе- мер камеры 5 значительно повышается, так как отсутствуют угловые смещения

центра изображения 19 пузырька, обусловленные Именно этими флуктуаци:ями угла выхода центрального луча 17 конуса рассеяния 18 из турбулентной среды (жидкости 6) и теперь ошибка в определении центра восстановлеяно- го с голограм П11 изображения Э fty- зырька будет обуславливаться лишь боковым смещением дх§ луча света

18 пути Z от пузырька 10 до стенки камеры.

Одйовременно с описанным эффектом компенсации искажений обеспечивается воспроизведение фазовой структуры исходной освещающей волны в той ее части,которая не npomrta через пузырек. Поэтому при регистрации следов заряженных частиц по предложенному способу при восстановлении голограм- мь1 подучается равномерно засвеченный однородный фон, на котором отчетливо наблюда ется изображение объекта регистрации (т.е. пузырьков пара).

Повьппение точности по сравнению с прототипом достигается за счет компенсации углового смещения центра изображения 19 пузырька 10, вызываемого флуктуациями угла выхода центрального луча 17 конуса рассеяния света 18 на пузырьке 10.

При использовании предложенного способа угловая флуктуация компенсируется и точность регистрации повышается в

ГйХу -ЛХ /6L + .Z

-:: / Z

у2

S

раз.

Например, для средней части камеры, т.е. при Z 0,51 L, точность регистрации повышается примерно в 3,5 раза.

5 0

5 0

5

0

Кроме того, применение предложенного способа позволяет дополнитель- но повысить точность и качество регистрации следов заряженных частиц в пузырьковой камере. Это обеспечивается тем, что восстановление с голограммы изображение пузьфьков пара в рабочем объеме камеры имеет однородный фон, не нарушаемьш оптическими искажениями турбулентной среды и локальньми неоднородностями оптических элементов устройства. Это позволит упростить обработку полученной информации на автоматических просмотрово-измерительных устройствах.

Предложенное техническое решение позволяет снизить требования к используемым оптическим элементам, особенно к стенкам быстроциклирующих криогенных камер, обычно изготавливаемых из поликарбоната, который имеет повьшенную неоднородность.

Частота срабатьшания камеры уже не будет влиять на качество голограмм. Все это позволит повысить загрузку камеры треками элементарных частиц, значительно увеличить скорость ее циклирования, что повьша- ет характеристики камеры в целом, как физического прибора, i Способ можно использовать в любом (варианте однолучевых и двулучевых {схем голографирования.

ВНИЙПИ Заказ 5266/2

Тираж 436

Подписное

Произв.-полигр пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4