6.2. ЯДЕРНЫЕ ЭМУЛЬСИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Эти эмульсии очень похожи на обычные фотоэмульсии, однако они чувствительны к заряженным частицам, а не к свету. Энергии активации у обоих типов эмульсий близки. Ядерные эмульсии состоят из кристаллов бромистого серебра погруженных в желатиновую основу. Когда космическая частица пересекает слой эмульсии, вдоль ее пути образуется след из электронов, высвобождаемых в процессе ионизации. Многие из этих электронов имеют значительную энергию и сами способны вызвать ионизационные лавины (разд. 2.5). В таких веществах, как воздух, водород или аргон, на рождение одной электрон-ионной пары расходуется энергии. Эти электроны активируют кристаллы вдоль следа космической частицы, что позволяет видеть его после проявления. В процессе проявления эти активированные зерна превращаются в зерна серебра, а остальная часть эмульсии становится прозрачной, и след космической частицы виден в виде цепочки проявленных зерен.

Чувствительность современных ядерных эмульсий такова, что любая заряженная частица способна оставить в ней проявляемый след (рис. 6.1). Конечно, не всегда требуются все следы. В этих случаях используются менее чувствительные эмульсии, например, когда изучаются только частицы с большими атомными номерами. Одно важное преимущество ядерных эмульсий по сравнению с другими состоит в их значительной плотности — около Поэтому не составляет труда набрать их столько, чтобы в них уложился пробег достаточной длины. Метод основывается на том, что плотность зерен служит мерой скорости энергетических потерь в данной точке следа, т.е. измеряется величина, прямо пропорциональная

Рис. 6.1. Чувствительность современных ядерных эмульсий (горизонтальная прямая) по сравнению со скоростью ионизационных потерь.

Для измерения больших пробегов хорошо использовать эмульсии, снятые с подложки. Очень сложно добиться равномерного проявления слишком толстого слоя эмульсии, к тому же эмульсия — материал сам по себе не очень прочный. Однако ее можно выпускать в виде очень тонких листов, способных сохранять форму. Эти листы складываются в стопки. Их засвечивают по углам рентгеновским излучением и после наблюдений слои отделяются друг от друга и проявляются по отдельности.

Именно использование этого метода привело к открытию многих короткоживущих частиц в 40-х и начале 50-х годов. Благодаря большим пробегам частиц в стопках ядерных эмульсий можно наблюдать сложные ядерные взаимодействия. Обычно следы видны только под микроскопом. Они состоят из цепочек проявленных зерен диаметром 0,5-0,8 мкм.

Познакомимся с типами следов. На рис. 6.2 показана картина полной остановки ядра железа. На фотографиях видно, как выглядит след при разных значениях остаточного пробега, расстояния, которое частице осталось пройти до полной остановки. Сняты они были в точках,

Рис. 6.2. Треки, оставляемые космическим ядром железа на различных стадиях процесса торможения от релятивистских скоростей до полной остановки. Указаны остаточные пробеги для каждого момента наблюдения; они отмечены также на рис. 6.3 [3].

Рис. 6.3. Схематическая диаграмма, на которой показана плотность зерен серебра для различных значений остаточного пробега вдоль следа ядра железа космических лучей, приведенного на рис. 6.2.

обозначенных на рис. 6.3. Наблюдаемая картина ионизации очень близка к предсказываемой теорией.

Каким образом из этих снимков извлечь количественную информацию о следах частиц? Здесь присутствует множество дельта-лучей, поэтому определение средней ионизации вдоль следа — дело не простое. Тем не менее было доказано, что плотность зерен пропорциональна скорости энергетических потерь в веществе, и если удастся сосчитать все зерна, то тем самым можно измерить Если следы получены при очень большой экспозиции, то для оценки можно использовать их ширину, но при этом нужно очень тщательно исключить дельта-лучи. На практике самая высокая точность достигается при измерении ионизации вдоль всего следа, но это очень трудоемкий процесс. В настоящее время для этой цели используются автоматические устройства, но работа все равно остается трудоемкой. Самые лучшие инструменты дают возможность получить разрешение по до 0,2, и это лучшее, что было когда-либо достигнуто любыми иными средствами. Один из приемов, позволяющих достичь такой точности, состоит в использовании стопок эмульсий, в которых перемежаются эмульсии с различной тормозной способностью. Это увеличивает динамический диапазон измерений.

Когда требуется определить состав первичных космических частиц, эмульсии запускаются на высотных баллонах или пилотируемых космических кораблях. Этот метод требует возвращения аппарата.

Более детальное описание метода можно найти в [1, 2].