Nukleär emulsion

En kärnemulsionsplatta är en typ av partikeldetektor som först användes i kärn- och partikelfysikexperiment under de tidiga decennierna av 1900-talet. Det är en modifierad form av fotografisk platta som kan användas för att registrera och undersöka snabba laddade partiklar som alfapartiklar , nukleoner , leptoner eller mesoner . Efter exponering och framkallning av emulsionen kan spår av enstaka partiklar observeras och mätas med hjälp av ett mikroskop.

Beskrivning

Den nukleära emulsionsplattan är en modifierad form av fotografisk platta , belagd med en tjockare fotografisk emulsion av gelatin innehållande en högre koncentration av mycket fina silverhalogenidkorn ; den exakta sammansättningen av emulsionen optimeras för partikeldetektering.

Den har fördelen av extremt hög rumsprecision, begränsad endast av storleken på silverhalogenidkornen (några mikron ), en precision som överträffar även de bästa av moderna partikeldetektorer (observera skalan i bilden nedan, av K-mesonförfall). En bunt emulsionsplattor kan registrera och bevara interaktionerna mellan partiklar så att deras banor registreras i 3-dimensionellt utrymme som ett spår av silverhalogenidkorn, som kan ses från vilken aspekt som helst i mikroskopisk skala. Dessutom är emulsionsplattan en integrerande anordning som kan exponeras eller bestrålas tills den önskade mängden data har ackumulerats. Den är kompakt, utan tillhörande avläsningskablar eller elektronik, vilket gör att plattorna kan installeras i mycket trånga utrymmen och, jämfört med andra detektortekniker, är den betydligt billigare att tillverka, använda och underhålla. Dessa egenskaper var avgörande för att möjliggöra höghöjds-, bergs- och ballongbaserade studier av kosmiska strålar som ledde till upptäckten av pi-mesonen och paritetsbrott i K-mesonförfall ; kasta ljus över den sanna naturen och omfattningen av den subnukleära " partikelzoon ", som definierar en milstolpe i utvecklingen av modern experimentell partikelfysik .

Den största nackdelen med kärnemulsion är att det är ett tätt och komplext material ( silver , brom , kol , kväve , syre ) som potentiellt hindrar partiklarnas flygning till andra detektorkomponenter genom multipel spridning och joniserande energiförlust. Slutligen är utvecklingen och skanningen av stora volymer emulsion, för att få användbar, 3-dimensionell digitaliserad data, en långsam och arbetskrävande process.

Dessa nackdelar, tillsammans med framväxten av nya partikeldetektor- och partikelacceleratorteknologier , ledde till en nedgång i användningen av kärnemulsionsplattor i partikelfysik mot slutet av 1900-talet. Det finns dock fortfarande en fortsatt användning av metoden i studiet av sällsynta processer och inom andra vetenskapsgrenar, såsom autoradiografi inom medicin och biologi.

För en omfattande och tekniskt detaljerad redogörelse för ämnet, se böckerna av Barkas och av Powell, Fowler och Perkins. För en omfattande genomgång av historien och ett bredare vetenskapligt sammanhang för kärnemulsionsmetoden, se boken av Galison.

Historia

Efter upptäckten av radioaktivitet 1896 av Henri Becquerel med fotografisk emulsion , var Ernest Rutherford , som först arbetade vid McGill University i Kanada, sedan vid University of Manchester i England, en av de första fysikerna som använde den metoden för att i detalj studera strålningen som sänds ut. av radioaktiva material. 1905 använde han kommersiellt tillgängliga fotografiska plåtar för att fortsätta sin forskning om egenskaperna hos de nyligen upptäckta alfastrålar som produceras i radioaktivt sönderfall av vissa atomkärnor . Detta innebar att analysera mörkläggningen av fotografiska plattor orsakade av bestrålning med alfa-strålar . Denna mörkläggning möjliggjordes av interaktionen mellan de många laddade alfapartiklarna , som utgör strålarna, med silverhalogenidkorn i den fotografiska emulsionen som gjordes synliga genom fotografisk framkallning . Rutherford uppmuntrade sin forskarkollega vid Manchester, Kinoshita Suekiti, att mer i detalj undersöka alfapartiklarnas fotografiska verkan .

Fysikern Kinoshita Suekiti vid University of Manchester 1910

Kinoshita inkluderade i sina mål "att se om en enda 𝛂-partikel producerade en detekterbar fotografisk händelse". Hans metod var att exponera emulsionen för strålning från en väl uppmätt radioaktiv källa, för vilken utsläppshastigheten för 𝛂-partiklar var känd. Han använde den kunskapen och plattans relativa närhet till källan för att beräkna antalet 𝛂-partiklar som förväntas passera plattan. Han jämförde den siffran med antalet utvecklade halogenidkorn han räknade i emulsionen, med noggrann hänsyn till bakgrundsstrålningen som producerade ytterligare "icke-alfa"-korn i exponeringen. Han avslutade detta forskningsprojekt 1909 och visade att det var möjligt "genom att framställa en emulsionsfilm av mycket fin silverhalogenid korn, och genom att använda ett mikroskop med hög förstoring, att den fotografiska metoden kan användas för att räkna 𝛂-partiklar med stor noggrannhet”. Detta var första gången som observationen av individuella laddade partiklar med hjälp av en fotografisk emulsion hade uppnåtts. Det var dock upptäckten av individuella partikelpåverkan, inte observationen av en partikels förlängda bana. Strax efter det, 1911, visade Max Reinganum att passagen av en 𝛂-partikel vid blickinfall genom en fotografisk emulsion gav, när emulsionen framkallades, en rad av silverhalogenidkorn som beskriver 𝛂-partikelns bana; den första registrerade observationen av ett utökat partikelspår i en emulsion.

Nästa steg skulle naturligtvis ha varit att tillämpa denna teknik på detektering och forskning av andra partikeltyper, inklusive de kosmiska strålarna som nyligen upptäcktes av Victor Hess 1912. Men framstegen stoppades av första världskrigets början 1914. Den enastående frågan om att förbättra partikeldetekteringsprestandan för vanliga fotografiska emulsioner, för att detektera andra typer av partiklar - protoner producerar till exempel ungefär en fjärdedel av joniseringen som orsakas av en 𝛂-partikel - togs upp igen av olika fysiska forskningslaboratorier i 1920-talet.

I synnerhet Marietta Blau , som arbetar vid Institutet för Radiumforskning, Wien i Österrike , började 1923 att undersöka alternativa typer av fotografiska emulsionsplattor för detektion av protoner, kända som "H-strålar" vid den tiden. Hon använde en radioaktiv källa av 𝛂-partiklar för att bestråla paraffinvax , som har en hög halt av väte. En 𝛂-partikel kan kollidera med en vätekärna (proton) och slå ut den protonen ur vaxet och in i den fotografiska emulsionen, där den producerar ett synligt spår av silverhalogenidkorn. Efter många försök, med hjälp av olika plattor och noggrann avskärmning av emulsionen från oönskad strålning, lyckades hon göra den första observationen någonsin av protonspår i en nukleär emulsion. Genom ett genialiskt exempel på lateralt tänkande använde hon en liknande metod för att göra den första "observationen" någonsin av en neutron i kärnemulsion. Eftersom neutronen är elektriskt neutral kan den naturligtvis inte detekteras direkt i en fotografisk emulsion, men om den träffar en proton i emulsionen kan den rekylande protonen detekteras. Hon använde denna metod för att bestämma energispektrumet för neutroner som härrör från specifika kärnreaktionsprocesser. Hon utvecklade en metod för att bestämma protonenergier genom att mäta den exponerade korndensiteten längs deras spår (snabba minimijoniserande partiklar interagerar med färre korn än långsamma partiklar). För att spela in de långa spåren av snabba protoner mer exakt anlitade hon den brittiska filmtillverkaren Ilford (nu Ilford Photo ) för att tjockna emulsionen på dess kommersiella plattor, och hon experimenterade med andra emulsionsparametrar - kornstorlek, latent bildretention, framkallningsförhållanden - för att förbättra synligheten för alfapartikel- och snabbprotonspår. År 1937 upptäckte Marietta Blau och hennes tidigare elev Hertha Wambacher kärnsönderfallsstjärnor (Zertrümmerungsterne) på grund av spallation i kärnemulsioner som hade exponerats för kosmisk strålning på en höjd av 2300m på Hafelekarspitze ovanför Innsbruck . Denna upptäckt orsakade en sensation i världen av kärn- och kosmisk strålningsfysik, vilket gjorde att den nukleära emulsionsmetoden uppmärksammades av en bredare publik. Men uppkomsten av politiska oroligheter i Österrike och Tyskland, som ledde till andra världskriget, satte ett plötsligt stopp för framsteg inom det forskningsområdet för Marietta Blau .

År 1938 var den tyske fysikern Walter Heitler , som hade flytt från Tyskland som en vetenskaplig flykting för att bo och arbeta i England, vid Bristol University och undersökte ett antal teoretiska ämnen, inklusive bildandet av kosmiska strålduschar . Han nämnde för Cecil Powell , då han övervägde användningen av molnkammare för upptäckt av kosmisk strålning, att 1937 hade de två wienska fysikerna, Blau och Wambacher, exponerat fotografiska emulsioner i de österrikiska alperna och hade sett spåren av lågenergiprotoner såväl som "stjärnor" eller kärnsönderfall orsakade av kosmisk strålning.

Cecil Powell

Detta fascinerade Powell, som övertygade Heitler att resa till Schweiz med ett parti llford halvtonsemulsioner och exponera dem på Jungfraujoch på 3 500 m. I ett brev till 'Nature' i augusti 1939 kunde de bekräfta Blau och Wambachers observationer.

Efter den utvecklingen, efter andra världskriget, samarbetade Powell och hans forskargrupp vid Bristol University med Ilford (nu Ilford Photo ), för att ytterligare optimera emulsioner för detektering av kosmiska strålpartiklar. Ilford producerade en koncentrerad "nuclear-research"-emulsion innehållande åtta gånger den normala mängden silverbromid per volymenhet (se Extern länk till "Nuclear emulsions by Ilford"). Powells grupp kalibrerade först de nya "kärnkraftsforskning"-emulsionerna med hjälp av University of Cambridge Cockcroft-Walton-generator /accelerator, som gav artificiella sönderfallspartiklar som sonder för att mäta de erforderliga intervall-energirelationerna för laddade partiklar i den nya emulsionen.

De använde därefter dessa emulsioner för att göra två av de viktigaste upptäckterna inom fysiken på 1900-talet. Först upptäckte Cecil Powell , César Lattes , Giuseppe Occhialini och Hugh Muirhead ( University of Bristol ) 1947 den laddade Pi- meson .

K mesonsönderfall i kärnemulsion

För det andra, två år senare Under 1949, vid analys av plattor exponerade vid Sphinx Observatory på Jungfraujoch i Schweiz, gjordes första exakta observationer av den positiva K-mesonen och dess "märkliga" sönderfall av Rosemary Brown, en forskarstudent i Cecil Powells grupp i Bristol. Då känd som "Tau-mesonen" i Tau-theta-pusslet ledde exakt mätning av dessa K-meson- förfallslägen till introduktionen av kvantbegreppet Strangeness och till upptäckten av paritetskränkning i svag interaktion . Rosemary Brown kallade den slående emulsionsbilden med fyra spår, av en "Tau" som sönderfaller till tre laddade pioner, hennes "K-spår", vilket effektivt döpte den nyupptäckta "konstiga" K- mesonen . Cecil Powell tilldelades 1950 års Nobelpris i fysik "för sin utveckling av den fotografiska metoden för att studera kärnprocesser och sina upptäckter angående mesoner gjorda med denna metod".

Framväxten av nya partikeldetektor- och partikelacceleratorteknologier , tillsammans med de nackdelar som noterades i inledningen, ledde till en minskning av användningen av kärnemulsionsplattor inom partikelfysik mot slutet av 1900-talet. Men det återstod en fortsatt användning av metoden i studien av sällsynta interaktioner och förfallsprocesser. Mer nyligen söker efter " Fysik bortom standardmodellen ", i synnerhet studiet av neutriner och mörk materia i sina ytterst sällsynta interaktioner med normal materia, har lett till ett återupplivande av tekniken. Exempel är OPERA-experimentet , som studerar neutrinoscillationer vid Gran Sasso-laboratoriet i Italien, och FASER-experimentet vid CERN LHC , som kommer att söka efter nya, ljusa och svagt interagerande partiklar inklusive mörka fotoner .

Andra applikationer

Det finns ett antal vetenskapliga och tekniska områden där förmågan hos kärnemulsion att noggrant registrera position, riktning och energi hos elektriskt laddade partiklar, eller att integrera deras effekt, har funnit tillämpning. Dessa tillämpningar involverar i de flesta fall spårning av implanterade radioaktiva markörer med autoradiografi . Exempel är:

• Medicinsk forskning

• Biologisk forskning

• Metallurgi

• Reaktiv ytkemi

• Strålskydd

• Muontomografi ( Muografi )

• Arkeologi .

externa länkar

• Nukleära emulsioner av Ilford