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Die photographische Wirkung langsamer Protonen.

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R. Kollath. Die photographisdie Wirkung langsamer Protonen
705
DZe photoyraphische Wiricung lamgsamer P r o t o n e n
‘Von
R.E o l l a t h
(Aus dem Forschungsinstitut der AEG.)
(Mit 15 Figuren)
Langsame positive Ionen wurden bisher ausschlieBlich durch
ihre Ladung nachgewiesen. Diese an sich sehr brauchbare Methode versagt aber in manchen Fallen, z. B. wenn man sich in
einem bestimmten Zeitpunkt ein Bild von der raumlichen Gesamtverteilung eines Biindels positiver Ionen machen will. I n solchen
FBllen ware ein photographischer Nachweis erwiinscht, doch ist
uber die Schwarzung von photographischen Platten durch langsame
positive Ionen bisher noch nichts bekamt. I n der vorliegenden
Arbeit wird mit der Untersuchung der photographischen Wirksamkeit langsamer Protonen ein erster Beitrag zu dieser E’rage geliefert. Entsprechend dem eben Gesagten liegt das Ziel der Arbeit
weniger in der Untersuchung der photographischen Vorgange in der
Plattenschicht als in der zahlenmaBigen Kenntnis der Empfindlichkeit von photographischen Platten gegenuber langsamen Protonen
verschiedener Energie. R e n n trotzdem im folgenden eine ziemlich
eingehende Untersuchung der Gesamterscheinungen notwendig wurde,
so lag das in erster Linie a n einer bereits in den Vorversuchen
auftretenden prinzipiellen Schwierigkeit, die offenbar nicht nur fiir
langsame Protonen, sondern f u r langsame positive Ionen uberhaupt
charakteristisch ist. Ihre restlose Klarstellung war erforderlich,
bevor mit der quantitativen Festlegung der photographischen Wirksamkeit langsamer Protonen von 30-1000 Volt Energie die eigentliche Fragestellung der drbeit beantwortet werden konnte.
Experimentelle Gesamtanordnung
Die Versuchsanordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Nach einer
bereits friiher benutzten Methode 1) werden durch BeschieDung mit
Elektronen vom Gliihdraht GI die Protonen an einer Lithium&che Li ausgelost und treten, durch geeignete Felder beschleunigt,
1) C. R a m s a u e r , R. K o l l a t h u. D. L i l i e n t h a l , Ann. d. Phys. [5] S.
8.702. 1931.
Annalen der Physik. 5 . Folge. 26
47
706
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 26. 1936
nach Durchlaufen der Blende I in das Magnetfeld M eines D e m p s terschen Massenspektrographen ein, in welchem der Protonenstrahl
einen Halbkreis durchlauft. Die isolierten Blenden 3 und 4 dienen
zur Weiterbeschleunigung der Protonen bei Versuchen mit hoheren
Protonenenergien ; Blende 5 sol1 die Ausdehnung des Schwarzungsflecks auf der photographischen Platte begrenzen.
Der Protonenstrahl tritt
d a m durch die Blende 6
in den Faradaykafig K
ein, dessen Aufladung mit
einem Elektrometer E geinessen werden kann. Die
in Fig. 1 schraffiert gezeichnete photographische
Plrttte liegt in kurzemAbstand unter der Blende 5
in einem spater noch genauer zu beschreibenden
Schlitten Xch (vgl. Pig. 7)
und kann zu einem beliebigen Zeitpunkt durch
Fig. 1. Versuchsanordnung (schematisch)
Verschiebung des Schlittens l) mit Hilfe eiues
Drehschliffs vor die &hung der Blende 5 gebracht werden.
Zwischen je zwei Platten ist in dem Schlitten eine geniigend breite
Offnung ausgestanzt, die den Protonenstrahl frei passieren lafit,
wenn sie vor Blende 5 gebracht wird. Auf diese Weise la& sich
die Protonenintensitat vor und nach der Belichtung, und durch
Mittelung aus diesen beiden Werten die ProtonenintensitM wiihrend
der Belichtung bestimmen, was bei zeitlich konstanten Protonenstromen, wie sie durch die Lithiummethode geliefert werden, unbedenklich ist. Bei knrzen Belichtungszeiten kann ferner wahrend
der Verschiebung des Schlittens der Protonenstrom durch A4usschalten des Magnetfeldes unterbrochen werden.
Um gestreutes Tageslicht am Eintritt in den Magneten iiber
den oberen Pumpweg in Fig. 1 zu hindern, wurden die Zuleitungsrohren auf eine laingere Strecke mit schwarzem Stoff abgewickelt.
Schwieriger war es, das Licht des Gliihdrahtes von der Protonenerzeugungsseite her zu beseitigen, das anfangs durch mehrfache
- -
1) In Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene.
R. Kollath. Die photographische Wirkung langsamer Protonen
707
Reflexionen bis auf die Photoplatte gelangte. Es wurden geeignete
Blenden 2 angebracht (vgl. Fig. 1) und der ganze innere Teil des
Magneten auSerdem beruBt. Danach war auch bei langerer Belichtung unter extremen Bedingungen eine Schwarzung der Platten
durch Gluhdrahtlicht nicht mehr festzustellen.
Vorversuche rnit verschiedenen Platten und Filmen
Die ersten orientierenden Bestrahlungen von verschiedenen
handelsublichen Platten mit Protonen zeigten erstens, daB Protonen
und Elektronen von einigen Hundert Volt Energie groBenordnungsmaEig gleiche Schwarzung hervorrufen. Damit war sichergestellt,
daR die Arbeit iiiit nach der ,,Lithiurnmethode" hergestellten Protonenstrahlen durchfuhrbar war, deren Intensitat m a r ziemlich begrenzt ist, die aber anderen Methoden, besonders in bezug auf Einheitlichkeit der Protonenenergie, uberlegen ist. Zweitens zeigten
Fig. 2a. Hofbildung
bei Belichtung mit Protonen
Fig. 2 b. Keine Hof bildung
bei Belichtung mit Elektronen
diese Vorversuche bereits eine unerwartete Schwierigkeit : die entwickelte Platte (Fig. 2a) zeigt neben dem in seiner Breite der Offnung
der Blende 5 entsprechenden mittleren Schwarzungsfleck (Breite der
Blende 5 in Fig. 2 oben durch Striche angegeben!) eine schmale Zone
um diesen Bereich herum, die praktisch uberhaupt nicht geschwarzt
ist, worauf dann eine plotzlich stark einsetzende, nach auBen hin abklingende Schwarzung folgt. Bei einer Bestrahlung mit Elektronen
tritt diese Erscheinung bekanntlich nicht auf, was hier noch durch
einen speziellen Versuch unter gleichen Bedingungen kontrolliert
wurde [Fig. 2 b 73.
Die experimentelle Klarstellung dieses Effektes lieferten die
folgenden Versuche :
1) Die Gesamtschwiirzung des unteren Plattenrandes in Fig. 2b hat mit der
Elektronenhestrahlung nichts zu tun, sondern ist auf zu langes Lagern der benutzten Platte zuriickzuf iihren.
47 *
708
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 26. 1936
Aufnahmen auf Rontyenxahnfilm. Die Hiife waren ebenfalls
in etwa gleichem Aussehen vorhanden ; es handelt sich also bei
diesem Effekt nicht um Lichtretiexion an der Glasplatte.
A~~nahmen
auf blanken ~ ~ ~ ~ f e ~ p Z aDiese
~ t e n zeigten
.
nach
Entwicklung in Joddampf l) die Erscheinung nicht. Fig. 3 ist eine
Photographie von vier solchen Kupferplatten nach der Entwicklung
1
2
3
4
Fig. 3. Kupferplatten nach Entwicklung in Joddampf.
1 : nicht bestrahlt, 2 und 3: mit Protonen bestrahlt, 4 : mit Elektronen bestrahlt
unter geeignetem Reflexionswinkel, fur den die belichtete Stelle sich
gut abhebt:
Die erste Platte von links ist unbestrahlt, die zweite und dritte
sind durch Bestrahlung mit Protonen, die vierte (allerdings vie1
langer exponierte) durch Bestrahlung mit Elektronen erhalten. Die
scharfe Abgrenzung der bestrahlten Stellen, die in gleicher Weise
fur Elektronen- und Protonenbestrahlung auftritt, zeigt das Nichtvorhandensein der oben erw&hnten Hofe ”.
Aufnahmen mit einem feinen Drahtnetx uber der photographischen Platte. Fig. 4 zeigt das Raster des Netzes abgebildet; der
geschwarzte Bereich entspricht im wesentlichen der geometrisch zu
erwartenden Bildbreite: auch bei diesem Versuch ist also die Hofbildung fortgefallen.
Aufnahmen mit Schumannplatten. Die (gelatinearmen) Schumannplatten, die groBtenteils von der Agfa bezogen, zum Teil auch
selbst hergestellt wurden, zeigten erheblich geringere Hofbildung
als die bisher benutzten gewohnlichen Gelatineplatten. Unter
anderen Aufnahmen wurde bei ziemlich starker Protonenbestrahlung
das in Fig. 5 gezeigte Bild erhalten. Neben einer leichten Verbreiterung der geometrisch zu erwartenden Schwarzung sieht man
von der mit Protonen beschossenen Bildmitte strahlenfiirmige
Schwarzungsgebilde ausgehen, die i m einzelnen noch Verastelungen
1) C a r r , Phys.Rev. 33. S. 1968. 1929.
2) Weitere Angaben uber die Art der Einwirkung von Protonen und
Elektronen auf Kupferplatten sowie uber die Empfindlichkeit dieser Nachweismethode enthalten die MeBergebnisse.
II. Xollath. Die photographische Wirkung langsamer Proionen
709
aufweisen, wie die genauere Betrachtung der Originalplatte unter
der Lupe deutlich zeigt. Es handelt sich hier offenbar um positive
L i c h t e n b e r g s c h e Figuren, wie sie z. B. durch Aufsetzen eines
positiven Pols auf eine photographische Platte erhalten werden ’).
Fig. 4. Keine Hofbildung,
wenn Drahtnetz
auf photographischer Schicht
Fig. 5 . Positive L i c h t e n b e r g s c h e
Figur bei Bestrahlung
einer Schnmannplatte mit Protonen
Aufnahme mit Schumannschichten auf I\letallunterlage. E s
wurden -dann Schumannplatten auf verschiedenen Metallen iZn, Al,
Cu, Ag) selbst hergestellt. Hierbei reagierten, wie zu erwarten, die
drei erstgenannten unedleren Metalle
mit der aufgegossenen Bromsilberschicht, was schnelle Zerstorung
ihrer photographischen Eigenschaften zur Folge hatte. h u f massiven
Fig. 6. Schwarzungsfleck durch
Silberplatten ergaben sich dagegen
Protonen auf einer massiven
brauchbare
Schumannschichten 2).
Silberplatte als Unterlage fur die
Schumannschicht
Die Schwarzung solcher Platten
1aBt sich im reflektierten Licht
ebenso gut sichtbar machen, wie die Schwarzung von Schichten auf
Glasplatten im durchgehenden Licht 7. Die so hergestellten Schumannschichten auf Silberunterlage zeigten auch bei kraftiger Bestrahlung keine Hofbildung, sondern einen der Blendenoffnung entsprechenden scharfen Schwarzungsfleck (Fig. 6).
_ _ _ _ _ ~
1) Vgl. z. B. Handb. d. Erp.-I’hys. X. S. 309. 1930.
2 ) Im Gegensatz zu Schumannschichten auf Glasplatten, die ohne Schwierigkeit mehrere Monate aufbewahrt werden konnen, scheint die Haltbarkeit
der Schichten auf Silberunterlage nicht so gro8 zu sein; jedenfalls waren nach
2‘1, Monaten verschiedene dieser Platten wegen Schleierbildung nicht mehr
brauchbar.
3) Uber die Ausmessung der Schwarzung dieser Platten im reflektierten
Licht vgl. die l’hotometerbesprechung auf S. 714.
710
Annalen der Physik. 5. Folge. B a n d 26. 1936
Aus den eben aufgezahlten Versuchsergebnissen konnen wir
schlieBen: D i e Hofbildung w i d durch positive Aufladung der photographischen Schicht hervorgerufen, die den nachfolgenden Teilchen den
Zugang xu dem eigentlick z u schwarzenden Plattenteil erschwert bzw.
ihn ganx verhindert. Da bei langsamen Elektronen diese Erscheinung nicht auftritt, mu6 man schlieBen, daB der Ausgleich der
negativen Ladung im Fall auftreffender Elektronen nicht durch die
Leitf ahigkeit der photographischen Schicht bewirkt wird (weil der
Ausgleich der positiven Ladung dann in gleichem MaAe erfolgen
muBte), sondern durch einen anderen Mechaiiismus. Die auftreffenden
Elektronen losen Teilchen gleichen Ladungsvorzeichens (Sekundarelektronen) an der photographischen Schicht aus, die wegen der negativen Aufladung der photographischen Schicht durch die primaren
Elektronen die Schicht leicht verlassen und die negative Ladung
auf diese Weise wegfiihren konnen. Die Protonen dagegen konnen
anscheinend keine Teilchen gleichen Ladungsvorzeichens (positive
Ionen irgendwelcher Art und Energie) in geniigender Zahl an der
photographischen Schicht auslosen. so daB in diesem Fall fur die
Wegf iihrung uberschiissiger Ladung nur die anscheinend recht geringe Leitfahigkeit der photographischen Schicht iibrig bleibt.
woraus dann die positive Aufladung der bestrahlten Plattenstelle
resultiert ').
Unter Voraussetzung der Richtigkeit dieser fjberlegungen wird
es sich bei dem vorliegenden Aufladungseffekt urn eine mit dem
photographischen Nachweis von positiven Ionen verbundene allgemeine Erscheinung hantleln. Die weitere Verfolgung dieser Gedankengange gestattet nuch eine qualitative Erklarung fur die Entstehung der Hafe und der schwarzungsfreien Zonen durch Abschiitzen der Aufladungsgeschwindigkeit der photographischen Schicht
fur die vorgegebenen Versuchsbedingungen und durch Abschatzen
der Ablenkungswirkung dieses aufgeladenen Teils der photographischen Platte auf die nachfolgenden Protonen. DaB diese hufladungserscheinungen bei schnellen positiven Ionen (z. B. bei Kanalstrahl- oder massenspektrographischen Untersuchnngen) bisher nicht
beobachtet worden sind, wird zum Teil darauf zuriickzufiihren sein,
daB bei den dabei verwendeten hohen Energien schon so vie1
kleinere Ionenmengen zur Schwarzung der photographischen Platte
1) Die hier gezogene Folgernng uber n u r geringe Auslijsung von positiver Sekundarstrahlung durch langsame Protonen (bzw. deren Reflexion) an
der photographischen Schicht stimmt mit dem Verhalten langsamer Protonen
gegenuber Messing- und RuBflachen gut iiberein. Vgl. C. R a m s a u e r und
R. K o l l a t h , Ann. d. Phys. [5] 16. S. 560. 1933.
R. Kolluth. Die photographische Wirkung lungsamer Protonen
711
ausreichen, daB durch sie keine der Strahlenergie vergleichbare
Aufladungspoten tiale auf der Schicht sich ausbilden konnen.
Endgultige Anordnung der photographischen Platten
unter Berucksichtigung der Auf ladungserscheinung
Nach Klarstellung der Ursachen fur die Hofbildung stand der
Eiehandlung der eigentlichen Frage nach der photographischen
Wirksamkeit langsamer Protonen, bei Benutzung von auf Silber
gegossenen Schumannschichten, prinzipiell nichts mehr im Wege;
doch hatte die Benutzung solcher Platten in experimenteller Beziehung eine merkliche Belastung dargestellt. Die nachste Aufgabe
bestand daher darin, die Plattenanordnung in der Versuchsapparatur
Fig. 7. Photographie des geijffneten
m d geschlossenen Plattenhalters (,,Schlitten")
Fig. 8. Beispiele fur Schwlrxungsflecke auf Schumannplatten
so abzuandern, daB sich auch bei Renutzung von auf Glas gegossenen, also z. B. kauflichen Schumannplatten, ein nach Ausdehnung uncl GleichmaCBigkeit gut definierter SchwUrzungsfleck ergab.
Die Benutzung von Drahtnetzen iiber der photographischen Schicht
muBte deshalb ausscheiden, weil das Raster des Netxes sich auf der
Platte abbildet und dadurch die quantitative Photometrierung zu
sehr erschwert wird. Es wurde schliel3lich die in Fig. 7 genauer
dargestellte Form des Schlittens gewahlt: Die Schicht wird hier auf
allen Seiten in wenigen Millimetern Abstand vom geometrisch definierten Schwarzungsfleck durch ein geerdetes Metallblech beruhrt,
wodurch eine geniigende Ableitung der sich ansammelnden La-
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 26. 1936
712
dungen gewahrleistet ist, wie die so erhaltenen, gut definierten
Schwarzungsflecke zeigen (Fig. 8).
Die Photoplatten wurden aus den ublichen 9 x 12 cm-Platten
auf etwa 10 x 20 mm GriiBe mit einer Vorrichtung geschnitten, die
auf die leichte Verletzbarkeit der Schuinannschicht Rucksicht nimmt.
Sie wurden in 1: 20 verdunntem, ublichem Agfa-Metol-Hydrochinonentwickler bei 16' entwiclrelt, die Entwicklungszeit betrug im allgemeinen 2 Min., variierte aber in einigen Versuchsreihen zwischen
1 und 4 Min. Diejeuige Entwicklungszeit, nach der eine mbelichtete Platte noch gerade als klar bezeichnet werden konnte,
war namlich f u r verschiedene 9 x 12 em-Platten nicht ganz einheitlich. Zusammengehorige lieihen von Aufnahmen wurden aus der
gleichen 9 x 12 em-Platte geschnitten und in moglichst gleicher
Weise behandelt.
Einzelheiten zur Auswertung dee experimentellen Materiala
Die Photometereinrichtung, die zur Ausmessnng der Photoplatten
diente, wurde entsprechend der schematischen Fig. 9 zusammengestellt. Die Beleuchtungslarnpe ( I ) ist eine bei bestimniter Spannung
brennende
Niedervoltgliihlampe.
Der Spalt (2) von 0,3 mm Breite
und 1 mm Hohe blendet einen
feinen Lichtstrahl fur die Photo-
3ijE
Pbotmellg
Fig. 9. Photometeranordnung
1
Fig. 10. Beispiele fur Photometerkurven der durch I'rotonenstrahlen
geschwlrzten Schumannplatten
metrierung aus. Die Photoplatte (31, die auf einem beweglichen
Schlitten angeordnet ist, wird in kleinen Schritten von '1, mm an
dem Spalt (2) vorbeigezogen. Das Licht, das durch die Schwarzungsschicht hindurchgegangen oder an der Schicht zerstreut ist, wird
durch eine Lime (4) auf die dahinterliegende Photozelle (5) gesammelt. Die Photozelle ist eine Cksium-Vakuumzelle, die mit
R. Kollath. Die photographische Wirkung langsamer Protonen
713
40 Volt Hilfsspannung betrieben wurde. Der Photostrom wird mit
einem Elektrometer durch die Spannungsdifferenz an den Enden
eines hochohniigen Ableitungswiderstandes gemessen. Einige auf
diese Weise erhaltene Photometerkurven sind in Fig. 10 wiedergegeben: Neben solchen Platten, auf denen die Schwarzung uber
die ganze Ausdehnung des Schwarzuugsflecks konstant ist, treten
auch Platten mit merklichen Schw~rzungsunter.schiedenauf, die durch
ungleichmaBige Bestrahlung
der Begrenzungsblende mit
Protonen bedingt sind.
Einige Platten wurden
zur Xontrolle mit dem Z e i s s when Registrierphotometer
der Physikalisch-Technischen
Reichsanstalt nachphotometriert.
Fig. 11 zeigt die
genugende obereinstimmung
einer solchen PTR.- PhotoFig. 11. Yhotometerkurve eines durch
ineterkurve (-1 mit unseren
Protonenbestrahlung erzeiigten SchwarSchw~rzungsmessungen(x
x x),
zungsflecks in seiner Langsrichtung
(Ubersetzungsverhaltnis 10 : 1).
ferner Bind in Tab. 1 fur
-:
Photorneterkurve des Zeissschen
6 Platten mit verschiedener
Registrierphotometers der Phys.Schwarzung die SchwiirzungsTechn. Reichsanstalt
Iverte zusammengestellt, die
x x x x : MeBpunkte mit der fur diese Arbeit
sich nach der Photometerbenuteten Photometeranordnung
kurve der PTR. und derjenigen
von uns ergeben. Unsere Werte zeigen durchweg eine Abweichung
nach kleineren Schwarzungen; diese Abweichung betragt aber nur
menige Prozent und ist bis zu Schwarzungen von 0,3-0,4 prozentual
konstant, so da8 bis zu diesen Schwarzungen die hier benutzte
Photometereinrichtung quantitativ brauchbar ist.
Tabelle 1
Auswertung von 6 Platten verschiedener Schwiirzung nach Photometerkurven
a) der oben beschriebenen Einrichtung , b) des Registrierphotometers der PTR.
0,041
0,148
4c
I
0,274
0,331
0,62
1,74
1
0,044
I
0,157
0,286
I
I
~
I
0,73
> 2,2
1
93
94
< 79
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 26. 1936
714
Die Photometrierung von Schumannschichten auf Silberunterlagen kann, wie Probeversuche mit der in Fig. 9 a schematisch
angedeuteten Anordnung ergaben , in der Weise vorgenommen
werden, daB ein Lichtstrahl an der Platte unter 45O reflektiert und
seine Intensitat, die je nach
cler Starke der Schwarzungsschicht auf dem Silber verschieden ist, in gleiclier Weise
wie oben mittels Photozelle
und Elektrometer gemessen
wird. Eine auf diese Weise
Fig. 12. Photometerkurve einer dnrch
Protonenbestrahlung geschwiirzten Schu- erhaltene Photometerkurve ist
mannschicht auf massiver Silberunterlage in Fig. 12 wiedergegeben.
in Reflexionsstellung (vgl. Fig. 9 a)
Unter welchen Redingungen
diese in Reflexion gemessenen
by$-
1
pro cm2 in
10-lo Coul
.
-
I
I
-
zeit
in Sek.
,
'
Fllche
in cm2
Schwiirzung
s
1
(Empfindliehkeit)
R. Kollath. Die photographische Wirkung langsarner Protonen
715
sollte. Der Grund fur diese Abweichungen liegt wahrscheinlich in
erster Linie bei der Inhomogenitat der Photoschicht, die bei der
BuBerst geringen Eindringtiefe dieser langsamen Protonen besonders
ins Gewicht fsillt. Immerhin reicht die Reproduzierbarkeit der
Messung zur Festlegung der Schwarzungskurve und der Empfindlichkeit als Funktion der Protonenenergie aus, wie die folgenden
Versuchsergebnisse zeigen werden.
Erheblich groBere Abweichungen in der absoluten Schwarzungsmessung treten dagegen auf, wenn man sonst gleich behandelte
Platten, die verschiedenen Serien der Belichtung und Entwicklung
zugehoren, vergleichen will. Dies ist neben den noch groBer werdenden
Unterschieden in der Zusamniensetzung der Schick wohl vor allem
darauf zuriickzufiihren, daB die auf der Platte erhaltene Schwarzung
init der Entwicklungszeit stark ansteigt und anschliegend eine
Schleierbildung der Platte eintritt, ohne daB vorher eine definierte
Beendigung des Entwicklungsvorganges erkennbar wird. So ergaben
sich nach 2, 3, 4 Min. Entwicklungszeit fur sonst gleich behandelte
Platten folgende Relativwerte fur Xi Coul/cm2: 7, 23, 46 noch ohne
wesentliche Schleierbildung, bei einer anderen Reihe nach 2, 4, 5 Min.
die Relativwerte : 7 , 55, 7 7 mit bereits merklicher Schleierbildung
der dritten Platte.
Versuchsergebnisse
Rexiprozitatsgesetx. Es wurde zunachst nachgepriift, oh es bei
gleicher eingestrahlter Protonenmenge gleichgiiltig ist, in welclier
Zeit die Einstrahlung erfolgt, d. h., ob die Schwarzung nur eine
Funktion des Produktes ( 1 . 1) ist und damit das sogenannte Reziprozitatsgesetz gilt. Die Resultate dieser fur einige Protonenenergien in Tab. 3 zusammengestellten MeBreihen ergeben innerhalb
der vorhandenen MeBgenauigkeit und innerhalb des untersuchten
Intensitatsbereichs die Giiltigkeit des (I . t)-Gesetzes. Protonen bis
Tabelle 3
Gultigkeit des Reziprozitatsgesetzes fur Protonen versehiedener Energie
500Volt
II 1
~
1
Schwiirzung fur
gleiche Protonenmenge
Einstrahlungszeit in Sek.
_
~
_
I
_
_
_
1,35 l,Od1,03 O78d0,9G 0,92 - 840111d 70 1 8 ' 8
4
- -
1,0l11,240,77 0,67 0,73;1,001 , O l 1,05
450,210 120 90 45 I22 7,5 3,8
1,040,94 404 0,93 1,180,9% -
4551255~100 48
-
18 10 - I ~
716
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 26. 1936
zu 100 Volt Energie abwarts zeigen also in dieser Beziehung das
gleiche Verhalten wie andere Korpuskularstrahlen. Ob das Gesetz
auch unterhalb 100 Volt Gultigkeit behalt, konnte wegen der hegrenzten Intensitlit der hier benutzten Protonenquelle nicht untersucht werden.
Schwarzungskurven. Fig. 1 3 zeigt einige Beispiele fur ,,Schwarzungskurven", die den Zusammenhang der aufgestrahlten Protonenmenge mit der durch sie hervorgerufenen Schwarzung angeben. Die
Schwarzung ist anfangs der auftreffenden Protonenmenge proportional und biegt bei groBeren Schwarzungen zu kleineren Werten
1
A
A
I
I
1
.
Fig. 13. Schwiireungskurven von Schumannplatten
durch Protonen verschiedener Energie.
1030Volt: 0 ; 242 Volt: 0; 151 Volt: X ; 111 Volt: Y
ab. Eine typische Solarisationserscheinung zeigt die Schwarzungskurve fur 1030 Volt Protonenenergie, bei der die Schwarzung nach
fjberschreiten eines Maximums wieder bis zu kleinen Werten abfallt; im Gegensatz dazu steigt die 111 Volt-Kurve bis zum letzten
MeBpunkt, der weit auBerhalb der Darstellung in Big. 1 3 bei der
-4bszisse 40 liegen wurde, immer noch langsam an. Der zunaichst
lineare Anstieg der Schwarzung mit der aufgestrahlten Protonenmenge erlaubt innerhalb des Schwarzungsbereichs bis etwa S = 0,3
ohne weiteres einen Vergleich der Plattenempfindlichkeit bei verschiedenen Schwarzungen. Auch in dieser Beziehung liegen also die
Verhaltnisse fur Protonen von einigen Hundert Volt Energie ebenso
wie bei anderen Korpuskularstrahlen.
Andeutungen f iir Abweichungen von dem linearen Anfangsverlauf der Schwarzungskurven wurden dagegen unterhalb 100 Volt
gefunden: die Schwarzungskurven bei den kleinsten hier untersuchten
Protonenenergien zeigten eine deutliche Tendenz zu starker als
linear ansteigender Schwarzung. Eine quantitative Sicherstelluug
R. Kollath. Die photographische Wirkung
langsarner
Protonen
717
dieses Resultats war bei der Schwierigkeit des Arbeitens mit diesen
langsamen Protonen nicht zu erzielen.
Zur Art der Einwirkung der Protonen auf die photographische
Schicht. Dem Protonenstrahl ausgesetzte Rontgenzahnfilme, die bekanntlich auf beiden Seiten des Celluloidtragers je eine photographische Schicht tragen, zeigten nach der Entwicklung auch auf
der dem Protonenstrahl abgewandten Seite eine deutliche Schwarzung,
die in ihrer Form mit dem Schwarzungsbild auf der Vorderseite der
Schicht iibereinstimmte. Die Protonen konnten den Celluloidtrager
sicher nicht durchdringen, das Versuchsergebnis beweist demnach,
daB durch die Protonen beim Auftreffen auf die Schicht auf der
Vorderseite des Films Wellenstrahlung ausgelost worden ist, die zur
Schwarzung der riickseitigen Schicht gefiihrt hat. In welchem MaBe
die Erzeugung von Wellenstrahlung am Zustandekommen der gesamten Schwarzung beteiligt ist, la& sich nach diesen qualitativen
T'ersuchen nicht entscheiden. Wegen der geringen Eindringtiefe der
Protonen in die Schicht wird man aber annehmen, daB besonders
bei kleinsten Protonenenergien nur ein kleiner Teil der Bromsilberkeime der Schicht durch direkte StoBwirkung geschwarzt werden
kann, daB also die Schwarzung zu einem merklichen Teil erst
sekundar iiber die Erzeugung von Wellenstrahlung entsteht.
Relative photographische Wirksamkeit als Funktion der Protonene ttergie (Plattenempfindlichkeit). Vergleichbare Daten uber die
relative Empfindlichkeit l) bei verschiedenen Protonenenergien konnen
zunachst nur aus einer und derselben MeBreihe (6 Platten) erhalten
werden (vgl. den Abschnitt iiber Auswertung auf S.714). Mehrere
solcher MeBreihen lassen sicli dadurch untereinander verbinden, daB
sie samtlich die Empfindlichkeit bei einer bestimmten Energie als
Bezugspunkt enthalten, der fur alle MeBreihen willkurlich gleich gesetzt
wird. Eine so erhaltene Kurve der relativen Empfindlichkeit von Schumannplatten gegeniiberProtonen(Bezugspunkt bei 35OVolt)zeigtFig. 14,
wobei die befriedigende Festlegung der Empfindlichkeitskurve auf diesem
n'ege nachtraglich die Anwendbarkeit der Bezugspunktmethode rechtfertigt. Mit Verkleinerung der Protonenenergie von 1000 Volt abwarts nimmt die photographische Wirksamkeit der Protonen zunachst
langsam, nach einem verhaltnisma6ig scharfen Knick bei 325 Volt
schnell und schlieWlich unterhalb 100 Volt wieder langsamer ab. Sie
bleibt bis 50 Volt herab noch nachweisbar von 0 verschieden fur die
1) Unter ,,Plattenempfindlichkeit" kann uatiirlich nur die sogenannte Anfangsempfindlichkeit verstanden werden, da nur fur kleine Schwarzungen die
Schw arzungekurven linear verlaufen.
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 26. 1936
718
Intensitaten, die sich mit der benutzten Protonenquelle erreichen
lassen. Unterhalb 50 Volt wurden keine Schwarzungen mbhr erhalten, die bei 30 und 40 Volt in Fig. 14 angegebenen Punkte (x x x)
sind daher als obere Grenzen fiir die photographische
Wirksamkeit
- bei diesen Protonenenergien aufzufassen.
&
s
$
4
$
R
Fig. 14. Relative Empfindliclikeit der Schumannplatte
gegeniiber langsamen Protonen (Bezugspunkt bei 360 Volt)
Die absolute Empfindlichkeit von Photoplatten gegeniiber langsamen
Protonen. Die absolute Empfindlichkeit (Schwarzung pro Coulomb/cmz)
der Schumannplatten war aus den weiter oben ausfuhrlich auseinandergesetzten Griinden fur verschiedene durchgemessene Plattenserien
au6erordentlich verschieden, die iiu6ersten Werte streuten bis um
eine Zehnerpotenz; trotzdem sol1 hier aus einer groBeren Anzahl
von Messungen ein mittlerer Absolutwert der Empfindlichkeit festgelegt werden: F u r 350 Volt Protonenenergie lagen von 24 Absolutwerten 5 unterhalb 0,15 lo8, 4 oberhalb 0,3. lo8 und 13 zwischen 0,15
und 0,30. lo8. Wir konnen demnach die durchschnittliche Absolutempfindlichkeit cler Schumannplatte gegeniiber Protonen von 350 Volt
Energie zu etwa
E = 0,25 l o * pro Coulomb/cm2
-
.
angeben und gewinnen damit fur die in Fig. 14 wiedergegebene
Empfindlichkeitskurve den rechts in Fig. 14 angegebenen Absolutma6stab.
Die absoluten Empfindlichkeiten von Gelatineplatten liegen
schstzungsweise 1-2 Zehnerpotenzen tiefer, doch lassen sich hier
R. Rollath. Die photographische Wirkung langsamer Protonen
719
Zahlenwerte wegen der oben beschriebenen Aufladungserscheinungen
und des damit verbundenen undefinierten Schwarzungsflecks nicht
angeben.
Es mogen zur Vervollstandigung noch einige Angaben iiber
Kupferplatten als Nachweismittel fur Protonen folgen. Die Wirkung
der Bestrahlung einer Kupferplatte mit Elektronen aul3ert sich bekanntlich, wie auch Fig. 3 (Platte 4) zeigt, darin, da6 die vorher
blanke Kupferflache an den bestrahlten Stellen bei der Entwicklung
in Joddampf nicht angegriffen wird, sondern blank bleibt, und sich
infolgedessen durch besseres Reflexionsvermogen von der Umgebung
abhebt. Gerade umgekehrt wirkt die Bestrahlung von Kupferplatten
mit Protonen, wie die Betrachtung der Platten 2 und 3 in Fig. 3
zeigt: die mit Protonen beschossenen Stellen werden durch den
Joddampf schneller angegriffen als die unbeschossenen Teile, so daB
die beschossene Stelle sich jetzt matt von der noch wenig angegriffenen,
ziemlich blanken Umgebung abhebt. Die Empfindlichkeit der Kupferplatten ist gegeniiber Protonen von 1200 Volt groJ3er als gegeniiber
Elektronen derselben Energie, wie der Vergleich der Daten in Tab. 4
Tabelle 4
Empfindlichkeit von blanken Kupferplatten gegeniiber Protonen
und gegeniiber Elektronen
_ _ _ _
-
-
2
3
1
I'
4
Teilchendichte
Resultat
in Amp./cm* der Bestrahlung
.____________
3,7 lovd 1 schwach positiv
2 * loM5
I negativ
2,2, 10-3
f i , ~ 10-5
5,5
1 positiv
3,3 10-5
i,4 10-5
2,35 * lo-'
+3,1 . l o - 5
5,2 10-6
positiv
-.
.
. 10-5
5
+6
10-5
3,7 . 10-5
44 . 10-5
-
I
I
.
'j2
~
10
6,2
74
1)
.. l o v 8 I } positiv
-.
I negativ
I schwachpositiv
I
zeigt. Die Angabe der aufgestrahlten Menge allein scheint aber die
Empfindlichkeit noch n :ht eindeutig festzulegen, da nach Spalte 3 von
Tab. 4 anscheinend eine gewisse Mindeststromdichte der Protonen von
Amp./cm2 notwendig ist, urn den Nachweis auf Kupferetwa 3 .
platten zu ermoglichen. Die entsprechenden Stromdichten fur Elektronen weisen ebenfalls auf groBere Empfindlichkeit der Kupferplatten
gegeniiber Protonen als gegeniiber Elektronen hin. Nach der Art
720
Annalen der Ph ysilc. 5. Folge. Band 26. 1936
der Einwirkung der Protonen auf die Kupferplatten mu6 man annehmen, da6 die Protonen heim Auftreffen auf die Kupferplatte
festgehalten werden und da6 die sich bildende Wnsserstoffhaut die
Einwirkung des Joddampfes auf die Kupferoberfliiche erleichtert.
Vergleich der photograp hischen Wirksamkeit von Protonen
und von Elektronen auf Schumannplatten
Bei den hier zu besprechenden photographischen Prozessen
handelt es sich hauptsachlich urn solche Wechselwirkungen zwischen
den auftreffenden Teilchen und der Photoschicht: bei denen die
Energie der auftreffenden Teilchen eine bevorzugte Rolle spielt.
Fig. 15. Vergleich der Empfindlichkeit der Schumannplatten
fur Protonen und fur Elektronen als Funktion der Energie
Zwecks Vergleichs der Wirkung von Proton en und Elektronen
wird man demnach die Empfindlichkeit iiber der Protonen- bza.
Elektronenenergie auftragen: Fig. 15 enthalt neben der Protonenempfindlichkeitskurve aus Fig. 14 die von W e i d n e r ' ) angegebene
Empfindlichkeitskurve von Schumannplatten gegeniiber Elektronen;
beide Kurven sind in ihrer absoluten Hohe durch die Absolutbestimmung j e eines Punktes festgelegt. Wahrend die Empfindlichkeit der Schumannplatte gegeniiber Elektronen oberhalb 60 Volt
mit der Elektronenenergie linear ansteigt, zeigt die Protonenkurve
einen ahnlichen linearen Teil nur zwischen 100 und 300 Volt; oberhalb 300 Volt bleiht die Protonenkurve in steigendem MaBe unter
1) M. W e i d n e r , Ann. d. Phys. [5] 12. S. 239. 1932.'
R. Kollath. Die photographische Wirkung langsamer Protonen
721
der Elektronenkurve zuriick. Ob die Ausbildung von ,,Stufen'' in
den beiden Empfindlichkeitskurven , fur Elektronen bei 60 und
35 Volt, fur Protonen bei 325 und etwa 45 Volt, in irgendeinem
inneren Zusammenhang steht, laBt sich bei der Begrenztheit des
vorliegenden Materials nicht entscheiden ; hierzu miiBten die Messungen
auf hohere Protonenenergien und wenn moglich , auf verschiedene
Ionenarten ausgedehnt werden.
Neben dem Vergleich der beiderseitigen Form der Empfindlichkeitskurven sei auch auf die absolute GroBe der Empfindlichkeit hingewiesen: Protonen und Elektronen von z. B. 300 Volt Energie
schwlirzen die Schumannplatte in gleicher Weise; dasselbe gilt auch
von Protonen und Elektronen von je 50 Volt Energie. Dieses
Resultat ist trotz der in beiden Fallen gleichen, fur den photographischen PrimarprozeB zur Verfiigung stehenden Energie recht
iiberraschend, wenn man die Verschiedenartigkeit der beiden Teilchen
beziiglich ihrer Masse und ihres Ladungsvorzeichens bedenkt und
beriicksichtigt, daB beim Proton auch noch chemische Wirkungen
hinzukommen konnen.
Zusammenfa#sung
1. E s wird eine Versuchsanordnung beschrieben, mit der die
Einwirkung von langsamen Protonen (30- 1000 Volt) auf photographische Platten untersucht wird. Die Protonen werden nach der
friiher beschriebenen ,,Lithiummethode" erzeugt.
2. Vorversuche mit verschiedenen Gelatineplatten und Filmen
ergaben das unerwartete Resultat, daB der Schwarzungsfleck rings
um den von Protonen getroffenen Plattenteil herum einen starken
Schwarzungshof aufwies. Die genauere Untersuchung zeigte , daB
diese Hofe zuriickzufiihren sind auf die Ablenkung der Protonen
aus ihrer urspriinglichen Richtung infolge der positiven Aufladung
der Plattenschicht durch die zuerst ankommenden Protonen. Die
gelatinearmen Schumannschichten auf Metallunterlage (Silber), die
fur diesen Zweck besonders hergestellt wurden, zeigen die Erscheinung der Aufladung nicht.
3. Unter Vermeidung der Hof bildung durch geeignete Plattenanordnung wird die Einwirkung von Protonen auf Schumannplatten
genauer untersucht:
a) Das Reziprozitatsgesetz wird innerhalb des untersuchten Bereichs giiltig gefunden.
b) Die Schwarzung steigt mit der aufgestrahlten Protonenmenge
bei nicht zu groBen Schwarzungen linear an; Abweichungen hiervon
scheinen unterhalb 100 Volt Protonenenergie aufzutreten.
Annalen cler Physik. 5. Folge. 26.
48
722
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 26. 1936
c) Es wird gezeigt, daB beim Auftreffen der Protonen auf die
photographische Schicht Wellenstrahlung erzeugt wird.
d) Die relative Empfindlichkeit der Schumannplatte gegenuber
Protonen wird zwischen 30 und 1000 Volt Protonenenergie festgelegt.
e) Die absolute Empfindlichkeit ist fur verschiedene Schumannplatten zum Teil stark verschieden und wird daher fur 350 Volt aus
einer groBeren Anzahl von Messungen gemittelt. Es wird ferner die
Absolutempfindlichkeit von Gelatineplatten und von Kupferplatten
gegenuber Protonen groBenordnungsmaBig angegeben.
f) Die photographische Wirksamkeit von Protonen fur Schumannplatten wird mit derjenigen von Elektronen verglichen. Bemerkenswert ist hierbei besonders die etwa gleich groBe Absolutempfindlichkeit
vou Schumannplntten gegeniiber langsamen Protonen und langsnmen
Elektronen gleicher Energie.
I
(Eingegangen 30. April 1936)
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