16актов деления в 1
сек.">ядерные реакторы
, служащие мощными источниками нейтронов, и
детекторы ядерных излучений
, регистрирующие продукты ядерных реакций. Для современного ядерного эксперимента характерны большие интенсивности потоков ускоренных заряженных частиц или нейтронов, позволяющие исследовать редкие ядерные процессы и явления, и одновременная регистрация нескольких частиц, испускаемых в одном акте ядерного столкновения. Множество данных, получаемых в одном опыте, требует использования ЭВМ, сопрягаемых непосредственно с регистрирующей аппаратурой (см.
Ядерная спектроскопия
)
.Сложность и трудоёмкость эксперимента приводит к тому, что его выполнение часто оказывается посильным лишь большим коллективам специалистов.
Для теоретической Я. ф. характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики , теории сплошных сред, квантовой механики , статистической физики , квантовой теории поля.Центральная проблема теоретической Я. ф. — квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости , в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в других областях физики и положившие начало новым математическим исследованиям (обратная задача теории рассеяния и её применения к решению нелинейных уравнений в частных производных) и др. Развитие теоретических и экспериментальных ядерных исследований взаимозависимо и тематически связано. Стоящие перед Я. ф. проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто теоретическим или эмпирическим путём. Я. ф. оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).
Прикладное значение Я. ф. в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны — от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине (см. Радиология ) .Вместе с тем (и это является специфической особенностью Я. ф.) она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.
Лит.см. при ст. Ядро атомное.
И. С. Шапиро.
фотографическая эмульсия
, предназначенная для регистрации следов заряженных ядерных частиц. Используется в
ядерной физике
, физике
элементарных частиц
и космического излучения, для
авторадиографии
и в
дозиметрии
ядерных излучений. Первым применением фотоэмульсии в ядерной физике можно считать исследования А. А.
Беккереля
, который в 1896 обнаружил радиоактивность солей U по вызываемому ими почернению фотоэмульсии. В 1910 японский физик С. Киносита показал, что зёрна галогенида серебра обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла хотя бы одна a-частица. В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками (СССР) изготовил пластинки с толщиной эмульсионного слоя 50
мкми наблюдал с их помощью рассеяние a-частиц на ядрах эмульсии. В 30-х гг. началось изготовление Я. ф. э. со стандартными свойствами, с помощью которых можно было регистрировать следы медленных частиц (a-частиц, протонов). В 1937—1938 М. Блау и Г. Вомбахер (Австрия) и А. П. Жданов с сотрудниками (СССР) наблюдали в Я. ф. э. расщепления ядер, вызванные космическим излучением. В 1945—1948 появились Я. ф. э., пригодные для регистрации слабо ионизующих однозарядных релятивистских частиц, метод Я. ф. э. стал точным количественным методом исследований.
Для теоретической Я. ф. характерна необходимость использования аппаратов разнообразных разделов теоретической физики: классической электродинамики , теории сплошных сред, квантовой механики , статистической физики , квантовой теории поля.Центральная проблема теоретической Я. ф. — квантовая задача о движении многих тел, сильно взаимодействующих друг с другом. Теорией ядра и элементарных частиц были рождены и развиты новые направления теоретической физики (например, в теории сверхпроводимости , в теории химической реакции), получившие впоследствии применение в других областях физики и положившие начало новым математическим исследованиям (обратная задача теории рассеяния и её применения к решению нелинейных уравнений в частных производных) и др. Развитие теоретических и экспериментальных ядерных исследований взаимозависимо и тематически связано. Стоящие перед Я. ф. проблемы слишком сложны и лишь в немногих случаях могут быть решены чисто теоретическим или эмпирическим путём. Я. ф. оказала большое влияние на развитие ряда других областей физики (в частности, астрофизики и физики твёрдого тела) и других наук (химии, биологии, биофизики).
Прикладное значение Я. ф. в жизни современного общества огромно, её практические приложения фантастически разнообразны — от ядерного оружия и ядерной энергетики до диагностики и терапии в медицине (см. Радиология ) .Вместе с тем (и это является специфической особенностью Я. ф.) она остаётся той фундаментальной наукой, от прогресса которой можно ожидать выяснения глубоких свойств строения материи и открытия новых общих законов природы.
Лит.см. при ст. Ядро атомное.
И. С. Шапиро.
фотографическая эмульсия
, предназначенная для регистрации следов заряженных ядерных частиц. Используется в
ядерной физике
, физике
элементарных частиц
и космического излучения, для
авторадиографии
и в
дозиметрии
ядерных излучений. Первым применением фотоэмульсии в ядерной физике можно считать исследования А. А.
Беккереля
, который в 1896 обнаружил радиоактивность солей U по вызываемому ими почернению фотоэмульсии. В 1910 японский физик С. Киносита показал, что зёрна галогенида серебра обычной фотоэмульсии становятся способными к проявлению, если через них прошла хотя бы одна a-частица. В 1927 Л. В. Мысовский с сотрудниками (СССР) изготовил пластинки с толщиной эмульсионного слоя 50
мкми наблюдал с их помощью рассеяние a-частиц на ядрах эмульсии. В 30-х гг. началось изготовление Я. ф. э. со стандартными свойствами, с помощью которых можно было регистрировать следы медленных частиц (a-частиц, протонов). В 1937—1938 М. Блау и Г. Вомбахер (Австрия) и А. П. Жданов с сотрудниками (СССР) наблюдали в Я. ф. э. расщепления ядер, вызванные космическим излучением. В 1945—1948 появились Я. ф. э., пригодные для регистрации слабо ионизующих однозарядных релятивистских частиц, метод Я. ф. э. стал точным количественным методом исследований.
Я. ф. э. отличается от обычной фотоэмульсии двумя особенностями: отношение массы галогенида серебра к массе желатины в 8 раз больше; толщина слоя, как правило, в 10—100 раз больше, достигая иногда 1000—2000
мкми более (стандартная толщина фирменных Я. ф. э. 100—600
мкм). Зёрна галогенида серебра в эмульсии имеют сферическую или кубическую форму, их средний линейный размер зависит от сорта эмульсии и обычно составляет 0,08—0,30
мкм.
Заряженные частицы или электромагнитное излучение, связанное с ядерными реакциями, вызывают в Я. ф. э. действие, аналогичное свету. Процесс проявления играет роль сильного увеличения первоначального слабого эффекта (
скрытого фотографического изображения
), подробно тому как лавинный разряд в
Гейгер-Мюллера счётчике
или бурное вскипание пузырьков в
пузырьковой камере
многократно увеличивают слабые эффекты, связанные с начальной ионизацией, производимой заряженной частицей. Ядерные частицы, как правило, обладают большой энергией, благодаря чему они могут создавать центры чувствительности в лежащих на их пути зёрнах галогенида серебра. После фиксирования Я. ф. э. вдоль следа частицы образуется цепочка чёрных зёрен. Следы частиц наблюдают с помощью микроскопа при увеличении 200—2000.
В ядерной физике эмульсии обычно используют в виде слоев, нанесённых на стеклянные подложки. При исследовании частиц высоких энергий (на ускорителях или в космическом излучении) их иногда укладывают в большие стопки в несколько сотен слоев. Объём стопок доходит до десятков
л; образуется практически сплошная фоточувствительная масса. После экспозиции отдельные слои могут быть наклеены на стеклянные подложки и обработаны обычным образом. Положение слоев точно маркируется, благодаря чему траекторию частиц легко прослеживать по всей стопке, переходя от слоя к слою.
Свойства следа, оставленного в эмульсии заряженной частицей, зависят от её заряда Z, скорости
vи массы
М. Так, остаточный пробег частицы (длина следа от его начала до точки остановки) при данных
еи
vпропорционален
М;при достаточно большой скорости
vчастицы плотность зёрен (число проявленных зёрен на единицу длины следа)
g~
e
2
/v
2. Если плотность зёрен слишком велика, они слипаются в сплошной чёрный след. В этом случае, особенно если
евелико, мерой скорости может быть число d-электронов, образующих на следе характерные ответвления. Их плотность также ~
e
2
/v
2.
Если е = 1, а v ~ с (с — скорость света), то след частицы в релятивистской Я. ф. э. имеет вид прерывистой линии из 15—20 чёрных точек на 100
мкмпути (
рис. 1
). В Я. ф. э. можно измерять рассеяние частицы, среднее угловое отклонение на единицу пути: j ~
e/pv(
р
—импульс частицы). Я. ф. э. можно поместить в сильное магнитное поле и измерить импульс частицы и знак её заряда, что позволяет определить заряд, массу и скорость частицы. Достоинства метода Я. ф. э. — высокое пространственное разрешение (можно различать явления, отделённые расстояниями < 1
мкм, что для релятивистской частицы соответствует временам пролёта <10
-16
сек) и возможность длительного накопления редких событий.
Создание современной Я. ф. э. явилось большим научно-техническим достижением. По словам английского физика С. Пауэлла, «разработка улучшенных эмульсий как бы открыла новое окно в природу, через которое мы впервые увидели следы, странные и неожиданные, еще неизвестные физикам...».
С 1945 по 1955 методом Я. ф. э. были сделаны важные открытия: зарегистрированы p-мезоны (пионы) и последовательности распадов p ® m + n, m ® e + n + n в Я. ф. э., экспонированных космическим излучением, а также обнаружены ядерные взаимодействия p
-
-и К
--мезонов. С помощью Я. ф. э. удалось оценить время жизни p
0-мезона (10
-16
сек), обнаружен распад К-мезона на 3 пиона, открыт S-гиперон и обнаружено существование
гипер-ядра
, открыт антилямдагиперон (см.
Гипероны
). Методом Я. ф. э. был исследован состав первичного космического излучения; кроме протонов, в нём были обнаружены ядра He и более тяжёлых элементов, вплоть до Fe (
рис. 3
). С 60-х гг. метод Я. ф. э. вытесняется
пузырьковыми камерами
, которые дают бо'льшую точность измерений и возможность применения ЭВМ для обработки данных.
Лит.:Пауэлл С., Фаулер П., Перкинс Д., Исследование элементарных частиц фотографическим методом, пер. с англ., М., 1962.
А. О. Вайсенберг.
Рис. 2. «Звезда», образованная ядром S из первичного космического излучения, след унизан многими следами d-электронов. Следы частиц с небольшой ионизацией (стрелки) принадлежат мезонам, возникшим при столкновении ядра S с ядрами эмульсии.
Рис. 1. Следы частиц с различной ионизующей способностью. «Звезда» создана p-мезоном с энергией 750
Мэв. На следе, идущем вправо, заметны «веточки» медленных d-электронов.
радиохимия
. К Я. х. иногда относят также ряд проблем, связанных с исследованием продуктов
ядерных реакций
и использованием методов ядерной физики в химических исследованиях (см.
Мёссбауэра эффект
,
Ядерный магнитный резонанс
,
Ядерный квадрупольный резонанс
и др.).
детекторов ядерных излучений
. Эти методы применяются помимо ядерной физики и физики элементарных частиц всюду, где приходится иметь дело с
ионизирующими излучениями
(химия, медицина, космические исследования и т. д.). Малая длительность процессов и, как правило, высокая их частота, а также наличие фона требуют от приборов Я. э. высокого временного разрешения (~ 10
-9
сек). Необходимость одновременного измерения большого числа параметров (амплитуды сигнала, времени его прихода, координаты точки его детектирования и др.) привела к тому, что именно в Я. э. впервые были разработаны схемы аналого-цифрового преобразования, применены цифровые методы накопления информации, многоканальный и многомерный анализ и использованы ЭВМ (см.
Электронная вычислительная машина
).
При регистрации частиц (или квантов) задача Я. э. сводится к счёту импульсов от детектора; при идентификации типа излучения или при исследовании его спектра анализируется форма импульса, его амплитуда или относительная задержка между импульсами. В случае исследования пространств, распределения излучения регистрируются номера «сработавших» детекторов или непосредственно определяется координата точки детектирования.
Главными элементами устройств Я. э. являются:
совпадений схемы
,
антисовпадений схемы
, амплитудные дискриминаторы, линейные схемы пропускания и сумматоры, многоканальные временные и амплитудные анализаторы, различные устройства для съёма информации с координатных детекторов (
искровых камер
и пропорциональных камер) и т. д. Полный перечень насчитывает сотни наименований.
Устройство для регистрации частиц содержит детектор, усилитель, преобразователь сигнала и регистрирующее устройство. Преобразователь переводит сигнал детектора в стандартный импульс или преобразует амплитуду или время прихода сигнала в цифровой код. Для регистрации результатов измерения применяются счётчики импульсов, запоминающие устройства или ЭВМ, реже самопишущие приборы или фотоаппаратура.
На рис. 1 изображена упрощённая система для исследования спектров излучения. Заряженная частица пересекает детекторы Д
1, Д
2, Д
3и останавливается в детекторе Д
4. Сигналы с Д
1, Д
2, Д
3через формирователи Ф
1, Ф
2, Ф
3поступают на схему совпадений СС, которая отбирает события, при которых сигналы на её входы приходят одновременно. Одновременность прихода импульсов обеспечивается согласующимися линиями задержки ЛЗ. Схема совпадения вырабатывает сигнал, который «разрешает» преобразование исследуемого импульса от детектора Д
4. Результат преобразования из аналого-цифрового преобразователя АЦП в виде цифрового кода заносится в оперативное запоминающее устройство или ЭВМ. Измеренный амплитудный спектр выводится на экран электроннолучевой трубки ЭЛТ. Эта часть системы, ограниченная пунктиром, представляет собой многоканальный амплитудный анализатор. Скорость счёта на выходе схемы совпадений, фиксируемая счётчиком СЧ, показывает число зарегистрированных событий. Временной отбор сигналов осуществляется схемами совпадений, которые срабатывают от импульсов с определённой длительностью и амплитудой. Схемы совпадения реализуют логическую функцию «И» (логическое умножение), т. е. на её выходе сигнал появляется лишь тогда, когда импульсы на всех входах имеют определённый уровень, называются «единичным». Если на один из входов схемы совпадения подать сигнал с инвертированной полярностью, она превращается в схему антисовпадений. В современных схемах совпадений и антисовпадений используются стандартные интегральные схемы (
рис. 2
).
Амплитудный отбор осуществляется дискриминаторами, которые выполняются по схеме триггера Шмидта или на
туннельных диодах
(ТД) и формируют стандартный выходной импульс лишь в случае, если напряжение (или ток) на входе превысит заданный порог. Для амплитудной дискриминации часто используются схемы сравнения (компараторы). Эволюция схем совпадений и амплитудных дискриминаторов типична и для др. приборов Я. э. Вместо блоков, реализующих одну логическую функцию («И», «ИЛИ» и т. д.), разрабатываются универсальные многофункциональные устройства, логическую функцию которых можно задавать извне. Этому способствовало внедрение ЭВМ в Я. э. Вычислительная техника позволила создать автоматизированную аппаратуру с программно регулируемыми параметрами: ЭВМ управляет порогами срабатывания схем, временным разрешением, задержкой сигналов, логикой отбора событий, режимом работы измерительные системы и т. д. Внедряются в практику физического эксперимента также микропроцессоры и специализированные процессоры для распознавания образов, для накопления и предварит, обработки результатов измерений (
рис. 3
). Накопление экспериментальных данных происходит в ЭВМ с последующей переписью на магнитную ленту. Результаты предварительной обработки выводятся на экран электроннолучевой трубки, что позволяет оператору вмешиваться в ход измерений. ЭВМ управляет различными исполнительными устройствами: моторами, перемещающими детекторы или мишени, реле, коммутаторами сигналов и т. д.
Лит.:Ковальский Е., Ядерная электроника, пер. с англ., М., 1972; Электронные методы ядерной физики, М., 1973; Колпаков И. Ф., Электронная аппаратура на линии с ЭВМ в физическом эксперименте, М., 1974; Современная ядерная электроника, т. 1—2, М., 1974.
Ю. А. Семенов.
Рис. 3. Система накопления и обработки информации в ядерно-физическом эксперименте.
Рис. 2. Схема совпадений.
Рис. 1. Схема спектрометра заряженных частиц.