Люминесцентная камера

Люминесце́нтная камера

Сцинтилляционная камера, прибор для наблюдения и регистрации траектории (следов, треков) ионизирующих частиц, основанный на свойстве люминофоров (См. Люминофоры) (сцинтилляторов) светиться при прохождении через них быстрых заряженных частиц. Заряженная частица теряет в веществе энергию, ионизуя и возбуждая атомы и молекулы, находящиеся вблизи её траектории. В сцинтилляторах часть энергии, потерянная частицей, преобразуется в энергию световой вспышки, которую можно регистрировать с помощью фотоэлектронных умножителей (См. Фотоэлектронный умножитель), а в некоторых случаях — ощущать хорошо адаптированным глазом (см. Сцинтилляция, Люминесценция, Спинтарископ).

Длительность свечения следа определяется свойствами люминофора и составляет обычно от 10^-4 до 10^-7 сек в неорганических и до 10^-9 сек в органических сцинтилляторах. С каждого см длины следа ионизирующей частицы даже в лучших сцинтилляторах испускается не более 10⁵—10⁷ световых квантов (фотонов). Поэтому след не может быть непосредственно сфотографирован.

Впервые Л. к. была создана в 1952 советским физиком Е. К. Завойским (См. Завойский) с сотрудниками. Основными её элементами являются: сцинтиллятор, в котором образуются следы ионизирующих частиц, и высокочувствительное электронно-оптическое устройство, позволяющее в достаточной степени усилить яркость изображения следов для их наблюдения неадаптированным глазом, а также для их фотографирования или телевизионной передачи (см. Электронно-оптический преобразователь (См. Электроннооптический преобразователь)).

Схема одного из вариантов Л. к., в которой сцинтиллятором служат кристаллы йодистого цезия CsI или антрацена 1, а усилителем яркости изображения — многокаскадный электронно-оптический преобразователь (ЭОП), показана на рис. 1, а. Объектив 3 проектирует изображение следа 2 частицы в кристалле на фотокатод 4 многокаскадного электронно-оптического преобразователя. Изображение, усиленное ЭОП по яркости в 10⁵—10⁶ раз, появляется на выходном люминесцентном экране 5 преобразователя и может быть сфотографировано фотоаппаратом 6. На рис. 1, б показан другой вариант Л. к., где изображение следа, усиленное с помощью преобразователя, не фотографируется непосредственно, а сначала преобразуется с помощью передающей телевизионной трубки (См. Передающая телевизионная трубка) 7 в видеосигнал. В результате изображение может быть воспроизведено на экране телевизора 8, находящегося в удалённом помещении, записано с помощью магнитофона 9 или введено для обработки в быстродействующую ЭВМ 10. Контрастность и яркость изображения могут регулироваться радиотехническими средствами. В некоторых Л. к. применяется Волоконная оптика: свет распространяется от следа до фотокатода электронно-оптического преобразователя за счёт полного внутреннего отражения от стенок многочисленных тонких трубочек, наполненных жидким сцинтиллятором, или тонких нитей из сцинтиллирующей пластмассы 1, совокупность которых и составляет рабочий объём Л. к. (рис. 1, в, г). Это даёт выигрыш в эффективности собирания света в десятки или даже сотни раз по сравнению с использованием самых светосильных объективов. Однако при этом ухудшается пространственное разрешение и чёткость изображения следов.

Следы ионизирующих частиц в Л. к. (рис. 2) во многом аналогичны следам в толстослойных ядерных фотографических эмульсиях (См. Ядерная фотографическая эмульсия), Вильсона камере (См. Вильсона камера), диффузионной камере (См. Диффузионная камера), искровой камере (См. Искровая камера), пузырьковой камере (См. Пузырьковая камера) (трековые детекторы). Ширина светящихся следов α-частиц не превышает несколько мкм. Многочисленные разрывы объясняются квантовыми флуктуациями, заметно проявляющимися из-за малости полного числа фотонов, приходящих от следа на фотокатод преобразователя. Каждая светлая точка на фотографиях следов протонов (рис. 2, б) и релятивистских мезонов (рис. 2, а) образована одиночным световым квантом люминесценции, вырвавшим фотоэлектрон с фотокатода (рис. 1). Плотность таких точек на следах прямо пропорциональна величине потерь энергии частиц в веществе. Преимуществом Л. к. перед другими трековыми детекторами является высокое временное разрешение, ограниченное только величиной времени высвечивания сцинтиллятора, так как объектив и электронно-оптический преобразователь принципиально могут обеспечить временное разрешение ~10^-13—10^-14 сек. Для отбора представляющих интерес ядерных явлений запуск Л. к. производится от системы сцинтилляционных или других детекторов частиц, включенных в схемы совпадений или антисовпадений и позволяющих установить факт попадания в объём Л. к. той или иной частицы, её остановки, вылета и т.п. Это позволяет исследовать редкие и сложные явления, в которых важно знать взаимное расположение траекторий отдельных частиц.

Быстрые нейтроны регистрируются обычно по протонам отдачи, возникающим при столкновении нейтронов с водородными атомами, входящими в состав сцинтиллятора, Медленные нейтроны (тепловые) — по заряженным частицам, образующимся в результате ядерных реакций, возбуждаемых нейтронами. Л. к. чувствительна также и к электромагнитному излучению: рентгеновские и γ-kванты образуют в её рабочем объёме электроны большой энергии, благодаря фотоэффекту, эффекту Комптона и образованию пар (см. Гамма- излучение (См. Гамма-излучение)).

Л. к. может использоваться также как высокочувствительный и безынерционный детектор в авторадиографии, дефектоскопии (См. Дефектоскопия), рентгеноскопии.

Лит.: 3авойский Е. К. [и др.], Люминесцентная камера, «ДАН СССР», 1955, т. 100, № 2, с. 241; их же, О люминесцентной камере, «Атомная энергия», 1956, № 4, с. 34; 3авойский Е. К. и Смолкни Г. Е., О межмолекулярном переносе энергии возбуждения в кристаллах, «ДАН СССР», 1956, т. 111, № 2, с. 328; Демидов Б. А., Фанченко С. Д., Наблюдение релятивистских заряженных частиц в люминесцентной камере, «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1960, т. 39, в. 1(7), с. 64; Принципы и методы регистрации элементарных частиц, под ред. Л. К. Л. Юан и Ву Цзян-сюн, перевод с английского, М., 1963.

С. Д. Фанченко.

Рис. 1 а, б, в, г. Схематические изображения люминесцентных камер: 1 — люминесцентный кристалл; 2 — след частицы; 3 — светосильный объектив; ЭОП — электронно-оптический преобразователь; 4 — его фотокатод; 5 — его выходной люминесцентный экран; 6 — фотоаппарат; 7 — передающая телевизионная трубка; 8 — телевизор; 9 — магнитофон; 10 — электронная вычислительная машина.

Рис. 2. Фотографии треков α-частиц, π-мезонов и протонов в кристаллах CsI и NaI, полученные с помощью люминесцентной камеры, изображенной на рис. 1, а: а — следы α-частиц, испускаемых ²¹⁰Po, с энергией 5,2 Мэв, полученные при замене объектива 3 микроскопом; б — следы протонов с энергией 200 Мэв; в — следы релятивистских мезонов; г — следы протонов с энергией 100 Мэв; д — двухлучевая «звезда», образованная космической частицей в кристалле NaI.