Способ регистрации заряженных частиц Советский патент 1991 года по МПК G01T5/10 

Изобретение относится к экспериментальной физике, точнее к способам фотографической 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 фотоэмульсии 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 Ti, а после прохождения частицы облучают импульсом неакти- ничного лазерного излучения с энергией лазерного импульса

Е CPd ГГ2 - Ti) S,

где емпература.при которой

Vi

п (Т,) (Пв 5) ;

Та-темлература, при которой

Vi п (Т2) 2 (пв д) ;

п(Т) - чувствительность эмульсии трекового детектора при температуре Т,

пв - объемная плотность зерен вуали проявления, мкм ;

д- глубина зрения просмотрового микроскопа, мкм;

С-средняя в диапазоне температур Ti Т Та теплоемкость эмульсии трекового детектора, Дж/г;

Р - плотность эмульсии, г/см ;

d - толщина эмульсии трекового детектора, см;

S - площадь пятна лазерного излучения на эмульсии трекового детектора, см .

Сущность способа заключается в следующем.

О

GO

Ј vj XI

Чтобы заряженная частица в эмульсии трекового детектора была зарегистрирована, ее трек должен просматриваться под микроскопом как цепочка проявленных микрокристаллов (зерен) бромида серебра на фоне хаотично расположенных зерен вуали проявления. Для этого необходимо, чтобы чувствительность ядерной эмульсии трекового детектора к заряженным частицам, выражаемая плотностью проявленных на единице длины трека зерен, удовлетворяла условию различимости

Ь () ,(1)

где п - чувствительность эмульсии треково- го детектора, мкм 1;

пв - объемная плотность зерен вуали проявления, мкм ;

д- глубина зрения просмотрового микроскопа, мкм.

Чувствительность эмульсии трекового детектора (как фотографических, так и ядерных) является функцией температуры, при которой производят ее экспонирование (она монотонно уменьшается при пониже- нии температуры). Обычно ядерные фотоэмульсии трекового детектора экспонируют при температурах, близких к нормальным, когда условие (1) для высокочувствительных ядерных эмульсий трековых детекторов (п 20 -10 мкм ) заведомо выполняется, так как для них пв (2 - 3) (д 5 мкм). Однако при охлаждении ее чувствительность становится такой, что трек частицы перестает различаться на фоне зерен вуали проявления, т.е. существует температура Ti, ниже которой выполняется условие неразличимости трека

Уг.

п(Т,)() , (2)

где п (П) чувствительность эмульсии трекового детектора при температуре TL

Таким образом, если перед экспонированием эмульсию трекового детектора ох- лаждают до температуры Т TI, а после прохождения полезной частицы каким-либо образом на некоторое время нагревают до температуры Т Та - температура, при которой выполняется условие (1)} а затем снова охлаждают, то при соответствующей интенсивности пучка частиц после проявления под микроскопом наблюдаются лишь треки полезных частиц, а треки фоновых частиц скрыты на фоне зерен вуали прояв- ления.

Эффект понижения чувствительности эмульсии трекового детектора при ее охлаждении объясняется уменьшением вероятности образования скрытого изображения в 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 Т Т2, при которой подавляются рекомбинациейные процессы, должно быть таким, чтобы за это время в активированных частицей микрокристаллах успевал завершиться процесс образования скрытого изображения. Это время можно оценить из соотношения

Ne

tH , TTj Јр ,

Мц ч

2 Id

(3)

ш

среднее число электронов

ионизации в микрокристалле;

I - средняя плотность ионизации частицы в AgBr;

о)- средняя энергия образования электронно-дырочной пары в AgBr;

d - средний диаметр эмульсионных микрокристаллов;

Гр - время ионной релаксации;

Мцч среднее число центров чувствительности в микрокристалле.

В высокочувствительных стандартных ядерных эмульсиях трекового детектора (типа Р, БР или РК), предназначенных для регистрации быстрых заряженных частиц, d 0,3 - 0,4 мкм ;NU4 3; гр#200 не; при регистрации частиц высоких энергий I I0 (lo 800 эВ/мкм - минимальная плотность ионизации); для вторичных частиц I 5I0, т.е МЈ 10 мкм. Однако, время tH не должно быть слишком большим, так как эффективность набора статистики в пучке частиц прямо пропорциональна плотности интенсивности пучка 1, причем

IS -

0,1

(4)

1- tg + tH + to

где 5Э - площадь эмульсии трекового детектора поперек пучка;

т.3 - время между моментом прохождения полезной частицы (события) и началом нагрева эмульсии трекового детектора, точнее моментом достижения температуры Jz;

to время охлаждения эмульсии трекового детектора от температуры Т2 до температуры Ti.

В противном случае регистрируются не только полезные, но и фоновые частицы, попадающие в эмульсию трекового детектора в промежуток времени Тп ta + tH + to. Как следует из (4), охлаждение эмульсии трекового детектора также должно быть произведено достаточно быстро.

Кроме того, для реализации способа время ts не должно превышать время электронно-дырочной рекомбинации (время высвечивания рекомбинационной люминесценции гл), чтобы к моменту достижения эмульсией трекового детектора температуры Та 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 гл с.

Таким образом, спустя ta.Ј 10 с эмульсия трекового детектора tH - 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 tH и to следует 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/см и толщине слоя d 200 мкм его удельная масса 0,08 г/см2).

Для реализации способа трекового детектора эмульсию нагревают импульсным пучком лазерного излучения, неактинично- го по отношению к эмульсионным микрокристаллам. Так как ядерные эмульсии

трекового детектора не подвергаются оптической сенсибилизации, длина волны излучения должна лежать за коротковолновой 5 границей спектра поглощения AgBr (Дк 500 нм) при комнатной температуре и несколько смещаться в коротковолновую область (ДЛ 0,2 нм/К) при понижении температуры. Это лазеры видимого красного и инф- ракрасного диапазонов. Наилучшим образом для реализации способа подходят инфракрасные лазеры, например широко используемые лазеры на СОа(А 10,6 мкм), дающие в отличие от видимой области эф- 5 фективное выделение энергии в эмульсионном слое трекового детектора за счет активного поглощения квантов инфракрасного излучения колебательными и вращательными уровнями сложных молекул 0 желатиновой основы. Энергия импульса лазерного излучения должна быть такой, чтобы обеспечить нагрев эмульсии трекового детектора по крайней мере от температуры Ti до температуры Та, т.е. удовлетворять 5 условию

Е CPd (Т2 - Ti) S, (5) где С - средняя в диапазоне TI T Та теплоемкость эмульсии трекового детектора;

0р - плотность эмульсии трекового детектора;

d - толщина эмульсии трекового детектора;

S - площадь пятна лазерного излучения 5 на эмульсии трекового детектора.

Если S 5Э (5Э - площадь эмульсионного слоя поперек пучка излучения), в управляемом режиме находится весь объем эмульсии трекового детектора. Если же 0 s 5Э, то полезные частицы (события) регистрируются только в области лазерного пятна.

Конкретные значения температур Ti и Та зависят от используемой эмульсии треко- 5 вого детектора и определяются по калибровочной кривой зависимости чувствительности от температуры п(Т) исходя из соотношений (1) и (2). Необходимая энергия лазерного импульса рассчитывается по (5).

Пример. Способ реализован с исполь- 0

зованием ядерной эмульсии трекового детектора типа Р или БР (пв 2 10 мкм , чувствительность к быстрым заряженным частицам при 0°С п0 35- 10 мкм , плотность Р 4 г/см3) толщиной d 200 мкм и 5 площадью 5э 1 см , которую располагают в криостате на охлаждаемом жидким гелием теплообменнике плоскостью вдоль направления пучка частиц (расположение эмульсии трекового детектора относительно пучка

диктуется конкретными условиями эксперимента). Из соотношений (1) и (2) для определяют п (Т2) 2 (2 -5)1/2 20 0,6n0:n(Ti) 10-10 2MKM 1 «Ю,3 п0. Далее по кривой п(Т) из (5) находят соответственно Т2 75 К; TI 30 К. Поскольку весовая концентрация AgBr в ядерной эмульсии трекового детектора составляет 0,80 - 0,85, в качестве теплоемкости эмульсии трекового детектора можно использовать значение теплоемкости чистого AgBr С 0,26 Дж/г при 0°С. Так как для большинства веществ зависимость теплоемкости от температуры достаточно хорошо аппроксимируется линейной функцией, в интервале Т1 С 0,05 Дж/г. Из (5) требуемая энергия лазерного излучения при падении по нормам к плоскости эмульсионного слоя «0,2Дж.

Необходимыми для реализации способа характеристиками обладают многие лазеры инфракрасного диапазона, например лазерный технологический модуль на базе С02-излучателя (Я 10.6 мкм; Е 5 Дж; длительность импульса излучения 0,2 - 50 мкс); компактный импульсный СС 2-излучатель (Я 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 (нагрева) 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 Т2 и Ть 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 Та - TI улучшает динамические свойства эмульсии трекового детектора в управляемом режиме (обеспечивает селективность регистрации частиц с различной плотностью ионизации).

0

5

0

Изобретение позволяет получить следующие технико-экономические преимущества. Способ позволяет осуществлять регистрацию редких событий в присутствии интенсивного постороннего фона при сохранении положительных качеств, присущих известному способу. Другим преимуществом предлагаемого изобретения является возможность увеличения общей предельно допустимой загрузки J. Если для известного способа, где регистрируют как полезные, так и фоновые частицы, J определяется .способностью проследить отдельный трек на фоне посторонних треков, т.е.

По

25

то в изобретении, где регистрируют в основном только полезные частицы,

JHJ-$

1

Ч-П}

-ПВ

(Т2)

4щ (Ti)d

5

0

5

0

0

Если п(Тз) п0, то предельно допустимые общие загрузки по сравнению с известным способом могут быть увеличены в n0/2n(Ti) раз.

Формула изобретения

Способ регистрации заряженных частиц с помощью трекового детектора на 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, отличающийся тем, что, с целью селективной регистрации частиц, трековый детектор перед экспонированием охлаждают до температуры, меньшей или равной температуре Ti, а после прохождения частицы эмульсии облучают импульсом неакти- ничного лазерного излучения с энергией

Е CPd (Т2 - Ti) S,

,- где С - средняя в диапазоне температур Ti Т Т2 теплоемкость эмульсии трекового детектора, Дж/г;

Р - плотность эмульсии трекового детектора, г/см ;

d - толщина эмульсии, см;

Т2 - температура, при которой

Vi п (Т2) 2 (пв 8) ;

Тч - температура, при которой

5 n(Ti)(nB(5) ;

пв - объемная плотность зерен вуали проявления, мкм 3;

д- глубина зрения просмотрового микроскопа, мкм;

S- площадь пятна лазерного излученияпТ - чувствительность эмульсии трекона эмульсии трекового детектора, см ;вого детектора при температуре Т, .

Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано для фотографической регистрации элементарных частиц. Цель изобретения - селективная регистрация частиц, которая достигается специальной обработкой фотоэмульсии 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. ел С