СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДОВОГО СОСТАВА ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Советский патент 1994 года по МПК G01T5/10 G01T1/08 

Изобретение относится к экспериментальной ядерной физике, в частности к способам определения таких характеристик космического излучения как потоки, зарядовый состав и энергетические спектры низкоэнергетических частиц на интенсивном фоне слабоионизирующего излучения с помощью ядерных фотоэмульсий.

Целью изобретения является расширение диапазона регистрируемых ядер протонов и ядер гелия в низкоэнергетическую область.

Способ определения зарядового состава низкоэнергетических частиц космического излучения заключается в экспонировании ядерной фотоэмульсии в открытом космосе, обработке ее в амидоловом проявителе при следующем соотношении ингредиентов, г:
Натрий сернис-токислый 4,5 - 5,5 Амидол 0,3 - 0,7 Кислота лимонная 0,7 - 1,3 Калий бромистый 2,0 - 3,0 Аммоний роданистый 3,0 - 4,6 Трилон-Б 1,5 - 2,3 Вода До 1 л и последующей идентификации заряда зарегистрированных частиц по трекам.

Подобранный опытным путем состава, проявителя создает порог регистрации ≈ 100 МэВ/см, при котором наблюдается подавление накопленного за время экспонирования в космосе интенсивного фона вуали и треков частиц с dE/dx ≈ 100 МэВ/см в верхних слоях сборки ядерных эмульсий, в которых регистрируются остановки низкоэнергетических протонов и ядер гелия. Величина полученного порога регистрации обуславливает на всей длине выявленных треков искомых частиц зернистую структуру, используемую в методе идентификации заряда, основанном на измерении плотности зерен вдоль треков зарегистрированных частиц.

Применение традиционного метода обработки, использующего стандартный амидоловый проявитель, приводит к полной непрозрачности указанных слоев (измеряемая оптическая плотность почернения D ≥ 4), что делает их непригодными для микроскопического просмотра.

В приведенном проявителе аммоний роданистый способствует одновременному протеканию наряду с химическим и процесса физического проявления, благодаря которому избирательно наращиваются серебряные центры в микрокристаллах AgBr вдоль траектории частицы, что приводит к увеличению диаметра зерен ≈ 1,5 раза, обеспечивая четкое проявление зернистой структуры в треках частиц.

Трилон-Б, применяемый в фотографической науке как водоумягчающее вещество, препятствующее образованию на слое эмульсии осадка кальциевых солей, в сочетании с аммонием роданистым способствует подавлению постороннего фона. Высокая оптическая прозрачность верхних слоев сборки (D = 0,2) повышает эффективность обнаружения треков низкоэнергетических частиц.

Для экспериментальной проверки заявляемого способа были приготовлены растворы, содержащие компоненты проявителя. Концентрации компонент в данных растворах изменились в определенных интервалах с целью выбора оптимальных условий проявления слоев.

В таблице 1 приведены примеры конкретного выполнения с указанием состава, концентраций каждого проявителя.

В приведенных примерах в качестве рабочих образцов были использованы верхние слои сборки ядерной фотоэмульсии (типа БЯ-2, толщиной 200 мкм), экспонированные на внешней поверхности искусственного спутника Земли "Космос-1571", а в качестве калибровочных - слои того же полива, облученные пучками протонов (Е 20 МэВ, ИТЭФ) и ядер гелия (Е ≈ 9 МэВ/нуклон, ЛЯР ОИЯИ) и интенсивным потоком (≈10¹⁰ частиц/см³) γ-излучения, имитирующего накопленный при экспонировании в космосе посторонний фон.

Проявление рабочих и калибровочных слоев проводилось совместно при постоянном температурно-временном режиме для всех исследуемых растворов. После химико-фотографической обработки слои просматривались под микроскопом и в них проводилось измерение параметров, характеризующих качество проявления. Такими параметрами являлись (см. таблицу 1): плотность зернового фона вуали, n, определяемая количеством зерен в объеме 1000 мкм³; плотность зерен N на длине трека 10 мкм, отсчитываемой от точки остановки ядер гелия; диаметр, d мкм, проявленных в треке зерен; степень различимости треков зернистой структуры от зерен вуали, характеризуемая отношением N/n.

Величина оптической плотности почернения слоев, D, измерялась на денситометре ДП-1.

Значение порога регистрации слоев определялось по сокращению длин треков, останавливающихся в слое калибровочных частиц, используя однозначность зависимости ионизационных потерь энергии от длины остаточного пробега для каждого значения Z.

Анализ совокупности полученных данных в конкретном проявителе позволяет изменять концентрацию используемых компонентов, способствующих улучшению характеристик проявляемых слоев.

Из приведенных в табл. 1 данных следует, что максимальная прозрачность слоя, оптимальная для проведения идентификации заряда частиц, имеющих четко проявленную зернистую структуру треков, выделение которых обеспечивается высокой степенью их различимости на незначительном уровне зернового фона вуали, обеспечивается использованием проявителя N 3, при котором порог регистрации имеет значение dE/dx ≈ 100 МэВ/см.

Контрольное проявление традиционным методом рабочих и калибровочных слоев привело к их непрозрачности (D ≥ 4).

Пример конкретного использования предложенного проявителя.

Был выбран слой из сборки ядерной фотоэмульсии, экспонированной в течение 15,3 суток на внешней поверхности искусственного спутника Земли "Космос-1571". Контрольное проявление традиционным методом привело к полной непрозрачности слоя (D > 4).

Обработка выбранного слоя в проявителе нового состава обеспечила высокую прозрачность вследствие подавления накопленного фона до незначительного уровня (D = 0,2), создав тем самым оптимальные условия для эффективного обнаружения треков зернистой структуры и проведения измерений их параметров под микроскопом.

Обработка трековой информации велась на ЭВМ БЭСМ-6 с использованием программ определения порога регистрации слоя и идентификации заряда частиц, основанных на измеренных вдоль треков частиц экспериментальных плотностях зерен. Полученное значение порога регистрации, равное 102,2 ± 1,5 МэВ/см, согласуется со значением порога 103,2 ± 2,6 МэВ/см в калибровочных слоях, проявленных совместно с космическим.

Проведенная идентификация заряда частиц космического излучения определила значения плотности потоков остановившихся в слое протонов и ядер гелия, равные 1,2 ^. 10⁴ и 6,7 ^. 10² частиц/см², соответственно, в области энергий ≈20 МэВ/нуклон, по которым рассчитанные мощности доз от остановок указанных частиц равны 0,85 и 0,10 мрад/сутки, что, в среднем, на порядок превышает оценку дозы от остановок наиболее распространенных в космическом излучении, после частиц с Z < 2, ядер углерода, для которых указанная величина составляет 0,025 мрад/сутки для той же области энергий.

Ниже приводятся примеры конкретного выполнения для минимального, максимального и среднего значений количественного содержания ингредиентов проявителя.

П р и м е р 1. Слой из сборки ядерной фотоэмульсии (защита 0,2 г/см²), экспонированной на внешней поверхности искусственного спутника Земли "Космос-1571", подвергают известному способу химико-фотографической обработки при использовании проявителя следующего состава, г: Натрий сернистокислыйбезводный 4,5 Амидол 0,3 Кислота лимонная 0,7 Калий бромистый 2,0 Аммоний роданистый 3,0 Трилон-Б 1,5 Вода До 1 л
После обработки слой просматривают под микроскопом и определяют параметры, характеризующие качество проявления: оптическую плотность почернения слоев, D; плотность зернового фона вуали, n, в объеме 1000 мкм³, плотность зерен, N, на 10 мкм трека в области остановки ядер гелия; диаметр, d мкм, проявленных в треках зерен; степень различимости зерен и треках зернистой структуры, N/n.

П р и м е р 2. Осуществляют как и пример 1, но при следующем составе проявителя, г: Натрий сернисто-кислый безводный 5,5 Амидол 0,7 Кислота лимонная 1,3 Калий бромистый 3,0 Аммоний роданистый 4,6 Трилон-Б 2,3 Вода до 1 л
П р и м е р 3. Проводят аналогично примерам 1 и 2, но используя проявитель следующего состава, г: Натрий сернисто-кислый безводный 5,0 Амидол 0,5 Кислота лимонная 1,0 Калий бромистый 2,5 Аммоний роданистый 3,8 Трилон-Б 1,9 Вода До 1 л
В табл. 2 приведены значения параметров проявления для слоев, использованных в примерах 1-3.

Как следует из приведенных в таблице 2 данных, проявитель состава, использованного в примере 3, наилучшим образом решает задачу выделения треков зернистой структуры на фоне вуали, в то время как проявитель с минимальным граничным содержанием ингредиентов (пример 1) обуславливает меньшую степень различимости треков (N/n = 4,4), вследствие понижения плотности проявленных в треках зерен (N = = 12,0) низкой дисперсности (d = 0,3), а использование проявителя с максимальным граничным значением ингредиентов (пример 2) приводит к понижению прозрачности слоев (D = 0,6) и увеличению плотности зернового фона вуали (n = 3,6), что также приводит к уменьшению степени различимости треков (N/n = 4,0).

Проявление известным способом с применением стандартного проявителя приводит к полной потере оптической прозрачности слоя (D = 4,0).

Значение порога регистрации слоев определялось по сокращению длин треков, остановившихся в калибровочных слоях частиц, используя однозначность зависимости ионизационных потерь энергии от длины остаточного пробега для каждого значения Z.

Использование изобретения обеспечивает по сравнению с известным способом следующие преимущества:
1. Определение в ядерной фотоэмульсии потоков низкоэнергетических протонов и ядер гелия расширяет диапазон зарядового состава исследуемых частиц космического излучения, существенно увеличивая объем информации для разработки теории их происхождения, ионизационного состояния и механизма распространения.

2. Учет поглощенных доз от остановок низкоэнергетических протонов и ядер гелия приводит к достоверной оценке суммарной дозы радиации, на основе которой рассчитываются защиты космонавтов и элементов микроэлектроники, размещаемых на поверхности космических аппаратов.

3. Кроме того, дискриминационная способность заявляемого проявителя может быть использована для выявления осколков деления в слоях ядерных фотоэмульсий, применяемых в экспериментах по исследованию процессов фотоделения, сопровождающихся интенсивным фоном γ-излучения (1011^-12частиц/см²). (56) Hasegann D. and Nicolae M. Revue Roumaine de Physigue. vol. 15, N 2, рр. 225-229 (1970).

Химический энциклопедический словарь. (Гл. ред. И. Л. Кнунянц. М. : Советская энциклопедия, 1983, с. 719.

Маренный А. М. Диэлектрические трековые детекторы в радиационно-физическом и радиобиологическом эксперименте. М. : Энергоатомиздат, 1987, с. 61-81.

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для определения потоков, зарядового состава и энергетических спектров низкоэнергетических частиц. Цель изобретения - расширение диапазона регистрируемых ядер протонов и ядер гелия в низкоэнергетическую область. Цель достигается использованием ядерной фотоэмульсии, которую экспонируют в открытом космосе, обрабатывают ее в амидоловом проявителе специального состава и идентифицируют заряд частиц по проявленным трекам. 2 табл.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДОВОГО СОСТАВА ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ с помощью трекового детектора, заключающийся в том, что детектор экспонируют в открытом космосе и индентифицируют заряд частиц по трекам, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регистрируемых ядер протонов и ядер гелия в низкоэнергетическую область, в качестве трекового детектора используют ядерную фотоэмульсию, причем обрабатывают ее в амидоловом проявителе при следующем соотношении ингредиентов, г/л:
Сернистокислый безводный натрий 4,5 - 5,5
Амидол 0,3 - 0,7
Лимонная кислота 0,7 - 1,3
Бромистый калий 2,0 - 3,0
Роданистый аммоний 3,0 - 4,6
Трилон-Б 1,5 - 2,3
Вода До 1 л