Создание высокочувствительных и информационно-емких регистрирующих сред для фиксации быстропротекающих процессов является одной из актуальных задач многих областей физики и техники. Еще бόльшую актуальность приобретает эта задача, когда требуется зарегистрировать сразу несколько полей и излучений различной природы. Ярким примером таких процессов являются протекающие в холодной неравновесной плазме барьерного газового разряда (БГР), возбуждаемого электрическим полем большой напряженности и сопровождающегося одновременным излучением электромагнитных и акустических колебаний в очень широком диапазоне спектра. При этом максимальная интенсивность его светового излучения и время горения составляют ≤ 10-6 J/m2 и ≤ 10-6 s [1]. Практика показала, что для фиксации газоразрядных процессов наиболее удовлетворяют вышеперечисленным требованиям фотослои на микрокристаллах (МК) галогенидов серебра (AgHal) [2, 3].
Последними исследованиями (например, в [4]) установлено, что физический процесс взаимодействия БГР с AgHal-фотоматериалами сводится к реализации «Эффекта Ротштейна», но в условиях воздействия двух и более импульсов светового излучения фиолетовой и ультрафиолетовой части электромагнитного спектра в присутствии электрического поля, преимущественно создаваемого одиночными видеоимпульсами высоковольтного напряжения. Результаты этих исследований нашли практическое применение в дефектоскопии мостовых металлоконструкций [5] и технико-криминалистическом исследовании бумажных документов [6], а также в научном исследовании внутренней структуры искровых каналов [7]. В названных работах наилучшие результаты достигнуты при возбуждении разряда переменным напряжением килогерцового диапазона и использовании AgHal-фотоматериалов светочувствительностью (СЧС) не более 5 ед. ГОСТ. Однако из большого количества работ, посвященных «Эффекту Ротштейна», имеется лишь одна [8], где при одиночной световой вспышке исследовалось действие на фототехническую пленку ФТ-СК переменного электрического поля с амплитудным значением Е = 5·106 V/m и частотой f от 20 до 200 kHz, а также 7 MHz. Поэтому в настоящей работе ставилась цель исследовать «Эффект Ротштейна» в условиях его практической реализации упомянутых работ [5-7] при двухимпульсном световом воздействии на низкочувствительные фотопленки в переменном электрическом поле менее 20 kHz и переменном импульсном более указанной величины f с амплитудным значением E в фотослое ~107 V/m.
Материалы и методы исследования
Источником экспонирующего света, моделирующим излучение БГР, выбирался светодиод, имеющий в спектре максимум с длиной волны ~4·10-7 m. Он питался от генератора импульсов Г5-63 (прибор позволяет получать на выходе как одиночные, так и парные импульсы напряжения от 0 до 100 V с регулируемыми длительностью и временным сдвигом от 10-7 s). Длительность световых вспышек составляла 5·10-5 s, а их период следования - 7·10-5 s. Выбранный диапазон соответствует не только суммарному времени горения БГР за несколько периодов изменения переменного напряжения в килогерцовом диапазоне, но и соответствует времени релаксации электрического поля в МК AgHal [9]. Контроль временны́х характеристик световых импульсов осуществлялся с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-70. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Здесь: 1 - латунный электрод Роговского; 2 - медная сеточка (с шагом 0,5 mm) для пропускания излучения от светодиода 3 через кварцевый оптоволоконный провод 4; фотоэмульсионный слой пленки 5 и ее полимерная подложка 6; 7 - высоковольтный генератор (позволяет получать как непрерывное, так и импульсное переменное напряжение) с емкостным делителем напряжения 8 (описан в [10]), подключенного к запоминающему двухканальному осциллографу 9 (PСS-500 фирмы «Velleman»); 10 - генератор импульсов для питания светодиода 3.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования воздействия переменного электрического поля на фотографические материалы при их световом экспонировании (обозначения в тексте)
Для исследований выбирались низкочувствительные фотопленки «Микрат-200» и «Микрат-орто» (производство ОАО «Тасма», г. Казань). Причем первая фотопленка имела повышенную вуаль вследствие просроченного времени хранения в течение 25 лет, а вторая - является ее современным аналогом с улучшенными фотографическими и структурными характеристиками. При этом паспортные значения СЧС фотопленок и коэффициентов их контрастности одинаковы и составляют не менее трех единиц для обоих параметров. Каждая фотопленка экспонировалась световыми импульсами при частоте изменения поля в фотослое 1 и 10 kHz, а также при однократно прикладываемых радиоимпульсах напряжения длительностью 5·10-4 s с несущей частотой 77 kHz и экспоненциально затухающей амплитудой. В последнем случае эксперимент проводился в двух вариантах. В первом, передний фронт излучения первого светового импульса синхронизировался с максимумом амплитуды положительного полупериода высоковольтного напряжения, а во втором варианте - с его отрицательным полупериодом. При этом передний фронт второго светового импульса совпадал с десятым полупериодом той же полярности максимума амплитуды напряжения, что демонстрирует осциллограмма на рис. 2. Все описанные выше варианты экспериментов проводились в 10-кратной повторности и являлись опытными. Контрольным вариантом служили фотоматериалы, экспонированные с тем же количеством повторностей только световыми импульсами.
После химико-фотографической обработки фотопленок (они обрабатывались в проявителе СП-47 и нейтральном закрепителе [11] при температуре 23 °С) полученные на них изображения денситометрировались. Эффект изменения η их интегральной оптической плотности D (и, соответственно, СЧС) при экспонировании фотопленок парными световыми импульсами в электрическом поле осуществлялся по ранее приведенной формуле в [10]: 
, где D1 - интегральная оптическая плотность изображения на фотопленке, экспонированной парой световых импульсов в переменном электрическом поле; D2 - интегральная оптическая плотность изображения на фотопленке, экспонированной только световыми импульсами. (Значения D1 и D2 получены при вычете оптической плотности вуали). Результаты экспериментов представлены в таблице.
Рис. 2. Осциллограммы радиоимпульса напряжения (внизу) и световых импульсов (вверху), соответствующих фототоку ФЭУ. Масштаб: одна клетка по оси ординат для напряжения - 3300 V; для фототока ФЭУ - 7,5·10-6 А
Эффект изменения интегральной оптической плотности изображений на AgHal-фотоматериалах под действием переменного электрического поля в фотослое E~107 V/m и двухимпульсном световом экспонировании
|
Фотоматериал |
f, kHz |
D1 |
D2 |
η |
||
|
«Микрат-200» |
контроль |
- |
0,025 ± 0,002 |
- |
||
|
1,0 |
0,013 ± 0,002 |
- |
-0,5 |
|||
|
10,0 |
0,069 ± 0,003 |
- |
1,8 |
|||
|
77,0 |
+ |
- |
- |
+ |
- |
|
|
0,058 ± 0,003 |
0,060 ± 0,004 |
1,4 |
1,4 |
|||
|
«Микрат-орто» |
контроль |
- |
0,080 ± 0,002 |
- |
||
|
1,0 |
0,032 ± 0,002 |
- |
-0,6 |
|||
|
10,0 |
0,102 ± 0,005 |
- |
0,3 |
|||
|
77,0 |
+ |
- |
- |
+ |
- |
|
|
0,057 ± 0,002 |
0,058 ± 0,002 |
-0,3 |
-0,3 |
|||
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Как видно из таблицы, несмотря на идентичность фотографических характеристик исследованных фотопленок, величины интегральных оптических плотностей изображений D2 на них после светового экспонирования различаются более чем в три раза, говоря об уменьшении СЧС у «Микрат-200» в результате истекшего срока хранения. Однако наложение электрического поля различных частот меняет ситуацию. Так, при f = 1 kHz для обеих фотопленок величины эффектов η существенно не различаются, но имеют отрицательный знак, указывающий на уменьшение СЧС фотоматериалов по сравнению с исходной. Причем электрополевое воздействие проявилось незначительно больше (на 0,1 единицу η) для фотопленки «Микрат-орто». Полученный результат очень интересен тем, что в рамках «поляризационно-релаксационного механизма» [8] СЧС фотопленок вообще не должна была меняться, т.к. действие внешнего поля с данной частотой по скорости нарастания и спада его напряженности минимум на порядок меньше скорости релаксации такового в объеме фотоэмульсионных МК. Следовательно, обнаруженные изменения η однозначно говорят о течении фотографических процессов, идущих на поверхности МК AgHal, по-видимому, сходных при реализации «электротопографического эффекта» [12], на котором основана «Электрополевая фотография».
В случае изменения поля с f = 10 kHz наблюдается смена знака η на положительный. Таким образом, при данной частоте исходная СЧС исследованных фотопленок увеличивается, что подтверждает ранее полученные результаты в [8] для пленки ФТ-СК. Однако это увеличение оказывается различным для однотипных фотопленок. У «Микрат-орто» оно составляет всего 0,3 единицы, а для «состарившейся» пленки «Микрат-200» - 1,8 единиц. Полученный результат является новым и говорит о влиянии поля не только на центры СЧС в МК AgHal, но и на центры вуали, когда внешнее поле в кристаллике не скомпенсировано внутренним, что проявляется при f ≥ 10 kHz и, вероятно, двухимпульсном световом экспонировании. Следует отметить, что обнаруженное увеличение СЧС у «состарившейся» фотопленки сходно с ранее обнаруженным нами на рентгеновской фотопленке «RETINA» после действия на нее 250 импульсов магнитного поля [13]. Однако основания для утверждений идентичности физических механизмов действия переменного электрического и магнитного полей на центры СЧС и вуали в МК AgHal пока отсутствуют.
Действие на однотипные фотопленки импульса переменного электрического поля частотой 77 kHz приводит к еще бόльшим различиям изменения их СЧС. Оно выражается не только в большой разнице величин эффекта η действия поля, но и отражается на его противоположных знаках. По сравнению с предыдущим вариантом экспонирования, для пленки «Микрат-200» эффект изменения оптической плотности изображений хотя и уменьшился в ~1,3 раза, но сохранил положительный знак, тогда как для «Микрат-орто» произошла смена знака η на отрицательный и уменьшение его абсолютной величины на 0.6 единиц. Важно отметить, что синхронизация световых вспышек с положительным или отрицательным полупериодом импульса переменного напряжения не выявила каких-либо различий в изменении СЧС обоих типов фотопленок в отличие от ранее полученных результатов действия однополярных видеоимпульсов длительностью ~1,2·10-5 s [4]. Согласно [8] этот результат объясняется тем, что при постоянном времени экспонирования (в нашем случае суммарной длительности вспышек 10-4 s) и переменном напряжении действие последнего может рассматриваться как многократное импульсное поле переменной полярности, а сама экспозиция - в виде ее дробления на отдельные вспышки количеством ~15 единиц при f = 77 kHz. Таким образом, процессы формирования изображений в AgHal-фотоматериалах при каждой полярности напряжения будут интегрироваться. Очевидно, такая интеграция должна происходить вплоть до длительности вспышек, сопоставимой с длительностью полупериодов переменного напряжения и синхронизации вспышек с его разными полярностями, а при синхронизации с однополярными полупериодами - результат экспонирования AgHal-фотоматериалов должен быть идентичным их экспонированию в импульсном электрическом поле одного направления силовых линий, что требует отдельной экспериментальной проверки (ее результатам планируется посветить отдельную публикацию).
Заключение
Научно важным и практически ценным результатом проведенных исследований является обнаружение сенсибилизирующих свойств переменного электрического поля с f ≥ 10 kHz на «состарившейся» фотопленке «Микрат-200». Таким образом, наряду с химическими методами подавления вуали и повышения СЧС AgHal-фотоматериалов можно говорить о физических, что открывает путь дальнейших исследований в этом направлении. Кроме того, из полученных результатов следует, что «Эффект Ротштейна» также реализуется в переменном и переменном импульсном электрическом поле E~107 V/m различных частот, но при экспонировании AgHal-фотоматериалов парными световыми импульсами имеет ряд характерных особенностей. Это изменение (в исследованном случае уменьшение) СЧС низкочувствительных фотопленок при f = 1 kHz, когда скорость нарастания и спада напряженности внешнего поля оказывается меньше скорости его релаксации в объеме фотоэмульсионных МК; значительное повышение СЧС фотопленки с истекшим сроком хранения у «Микрат-200» по сравнению с не истекшим у «Микрат-орто» при f = 10 kHz; отсутствие каких-либо различий в действии на эти фотопленки импульсов переменного электрического поля f = 77 kHz и световых при синхронизации последних с той или иной полярностью полупериода напряжения, но с существенно различающимися величинами и знаками эффекта η.
Обнаруженные закономерности при моделировании фотографического действия БГР в переменном электрическом поле позволяют расширить его практическое использование, а также указывают на возможность изготовления специальных AgHal-фотоматериалов с управляемой СЧС по заданной программе. Вместе с тем отметим, что установленные закономерности очевидно справедливы только для двухимпульсного режима экспонирования AgHal-фотоматериалов низкой чувствительности и могут отличаться от него как для других фотоматериалов, так и при более двух импульсах светового воздействия.
Рецензенты:
-
Богатов Н.М., д.ф.-м.н., профессор, зав кафедрой физики и информационных систем Кубанского государственного университета, г. Краснодар;
-
Копытов Г.Ф., д.ф.-м.н., профессор, зав кафедрой радиофизики и нанотехнологий Кубанского государственного университета, г. Краснодар.
Работа поступила в редакцию 06.09.2012.