Глава 5. На голограмме аэрозоли и вирусы

Скажи, какой твой спектр...

Еще предшественник французского математика и физика Жана Батиста Фурье, швейцарский математик Д. Бернулли, занимаясь изучением колебаний струны, предложил в 1753 г. способ разложения функции в тригонометрический ряд. Эта смелая по тем временам идея вызвала горячие споры среди виднейших тогдашних математиков - Эйлера, Лагранжа, Даламбера. Строгий вывод формул был дан Фурье лишь в 1823 г. Ряды, получившие имя Фурье, использовались в основном как математическое средство и не связывались с представлениями о физической реальности. Сам Фурье пользовался ими для интегрирования уравнений теплопроводности. С тех пор разложение (по Фурье) стало общепринятым для решения волновых уравнений математической физики. Но даже спустя много лет некоторые виднейшие физики высказывали сомнения о соответствии разложения Фурье тем физическим процессам и явлениям, которые имеют место в реальности.

Однако в начале нашего века начинается бурный рост отраслей техники, базирующихся на волновых представлениях. Ведущее место здесь занимает электроника. Именно в это время было доказано, что спектральное разложение однозначно описывает поведение реальных колебаний.

И наконец, стала просматриваться аналогия между представлениями радиофизики и теории связи, с одной стороны, и теориями формирования оптического изображения, с другой стороны. Одно из фундаментальных понятий оптики - явление дифракции стало описываться с помощью методов гармонического анализа. В отличие от сигналов радиотехнических, представляющих функцию единственной переменной - времени, распределение амплитуд в изображениях является фукцией двух, а то и трех переменных - координат на плоскости или в объеме. Соответственно и спектральное разложение для электрических сигналов представляет собой совокупность "временных" синусоидальных колебаний различных частот. Для изображений преобразование Фурье дает набор пространственных гармонических колебаний, отличающихся периодом, амплитудой и ориентацией.

Естественно, что специфичны и методы анализа систем, формирующих изображение. Чрезвычайно заманчиво было бы для описания поведения таких систем применить разработанные в теории передачи одномерных сообщений удобные и экономные методы, в частности, методы, использующие системы линейных дифференциальных уравнений. Решения этих уравнений - интегральные выражения, связывающие вход и выход устройства, достаточно полно характеризовали бы работу системы.

Оптическая система при освещении объекта, находящегося в передней фокальной плоскости объекта, параллельным пучком света осуществляет в задней фокальной плоскости операцию, описываемую двумерным преобразованием Фурье. Эта плоскость, названная немецким ученым-оптиком Эрнстом Аббе плоскостью "первичного изображения", является плоскостью двумерного спектра изображения объекта. Элементарные световые волны, вышедшие из каждой точки этой плоскости интерферируют между собой во всем пространстве, находящемся за объективом, и образуют в плоскости, сопряженной с плоскостью объекта, изображение его, названное Аббе "вторичным изображением". Таким образом, между "первичным" и "вторичным" изображением объекта существует зависимость, описываемая обратным преобразованием Фурье.

При исследовании трехмерных биологических объектов излучение создает в дальней дифракционной зоне поле, распределение амплитуд и фаз в котором связано преобразованием Фурье с распределением плотности в структуре объекта. Эти строгие количественные соотношения между структурой объекта и рассеянным им излучением навели ученых на мысль о возможности расчетного формирования изображения. Для этого используются данные о распределении амплитуд и фаз в обратном пространстве.

Круг задач такого плана довольно распространен в структурных исследованиях и получил название обратных дифракционных задач. Возникают они в тех случаях, например, когда по условиям эксперимента невозможно сформировать увеличенное изображение объекта. Так, из-за высокой проникающей способности рентгеновских лучей трудно изготовить линзы, которые могли бы обеспечить формирование в этом диапазоне изображения. Однако зарегистрировать распределение поля в дальней дифракционной зоне можно, так как для этого не требуется никакой оптики. Выполнив обратное преобразование Фурье от распределения амплитуд и фаз в обратном пространстве, можно расчетным путем восстановить изображение структуры. На этой идее основывается такое мощное направление исследований, как рентгеноструктурный анализ. Этот метод, предложенный еще в 1912 г., нашел продолжение в известных работах отца и сына Брэггов и других ученых. Фазовую проблему, которая считается одной из главных в рентгеноструктурном анализе, блестяще разрешил "отец голографии" Д. Габор.

Идея голографии, как уже отмечалось, касалась возможностей компенсации сферических аберраций в электронном микроскопе и состояла в двухступенчатом процессе регистрации изображения. На первом этапе фиксировалось распределение амплитуд и фаз дифрагированного объектом электронного излучения, а на втором - осуществлялось восстановление волнового фронта в оптическом диапазоне, где и производилась коррекция аберраций. Регистрация фаз оказалась возможной за счет интерференции рассеянного объектом излучения с когерентным фоном, т. е. несмотря на то, что голограмма фиксировалась на фотопластинках, регистрирующих лишь интенсивности, за счет предложенной Габором интерференции с фоном записанное распределение интенсивности все же сохраняло информацию о фазах.

Работа Габора, как уже говорилось, была почти забыта до начала 60-х годов, когда изобретение лазера дало мощный толчок развитию голографии. Поразительный эффект трехмерности при восстановлении голограмм объемных объектов, продемонстрированный с помощью лазера, был обязан высокой степени когерентности источника освещения. К сожалению, лазеры в рентгеновском диапазоне пока отсутствуют, и восстановить абсолютно точно трехмерное изображение биообъекта пока невозможно (хотя длина волны рентгеновского излучения позволила бы увидеть даже пространственное расположение отдельных атомов).

Электронное зрение

В основе работы электронного микроскопа лежит свойство неоднородных электрических и магнитных полей, обладающих вращательной симметрией, оказывать на электронные пучки фокусирующее действие. Таким образом, роль линз в электронном микроскопе играет совокупность соответствующим образом рассчитанных электрических или магнитных полей; соответствующие устройства, создающие эти поля, называют электронными линзами. В зависимости от вида электронных линз электронные микроскопы делятся на магнитные, электростатические и комбинированные.

Какого же типа объекты могут быть исследованы с помощью электронного микроскопа? Так же как и в случае оптического микроскопа, объекты, во-первых, могут быть "самосветящимися", т. е. служить источниками электронов. Это, например, накаленный или освещаемый фотоэлектронный катод. Во-вторых, могут быть использованы объекты, "прозрачные" для электронов, обладающих определенной скоростью. Иными словами, при работе на просвет объекты должны быть достаточно тонкими, а электроны достаточно быстрыми, чтобы они проходили сквозь объекты и поступали в систему электронных линз. Кроме того, путем использования отраженных электронных лучей могут быть изучены поверхности массивных объектов (в основном металлов и металлизированных образцов). Такой способ наблюдения аналогичен методам отражательной оптической микроскопии.

По характеру исследования объектов электронные микроскопы разделяют на просвечивающие, отражательные, эмиссионные, растровые, теневые и зеркальные.

Наиболее распространенными являются электромагнитные микроскопы просвечивающего типа, в которых изображение создается электронами, проходящими сквозь объект наблюдения. Такой микроскоп состоит из следующих основных узлов: осветительной системы, камеры объекта, фокусирующей системы и блока регистрации конечного изображения, состоящего из фотокамеры и флюоресцирующего экрана. Все эти узлы соединены друг с другом, образуя так называемую колонну микроскопа, внутри которой поддерживается разряжение. Осветительная система обычно состоит из трехэлектродной электронной пушки (катод, фокусирующий электрод, анод) и конденсорной линзы (здесь и далее речь идет об электронных линзах). Она формирует пучок быстрых электронов нужного сечения и интенсивности и направляет его на исследуемый объект, находящийся в камере. Пучок электронов, прошедший сквозь объект, поступает в фокусирующую (проекционную) систему, состоящую из объективной линзы и одной или нескольких проекционных линз.

Объективная линза предназначена для получения увеличенного электронного изображения (обычно увеличение 100 *). Часто это увеличенное изображение называют промежуточным. Для его наблюдения в плоскости изображений объективной линзы располагают специальный экран. Этот экран, покрытый люминесцерирующим веществом (люминофором), аналогичный экрану в кинескопах, превращает электронное изображение в видимое.

Часть электронов из числа попадающих на экран необходимо направлять в проекционную линзу для формирования конечного электронного изображения; с этой целью в центре экрана сделано круглое отверстие. Поток электронов, прошедших сквозь отверстие, перед поступлением в проекционную линзу диафрагмируется. В более сложных микроскопах используются две электронные линзы. В этих случаях первую из линз называют промежуточной; она формирует второе промежуточное изображение. Вторая же проекционная линза формирует конечное электронное изображение, которое фиксируется в блоке регистрации. Результат электронно-микроскопического исследования может быть получен либо в виде распределения плотностей почернения фотографической пластинки, либо в виде распределения яркостей свечения люминесцентного экрана.

Образование изображения в просвечивающем электронном микроскопе связано главным образом с различной степенью рассеяния электронов различными участками исследуемого образца и в меньшей мере с различием в поглощении электронов этими участками. В зависимости от степени рассеяния электронов участками образца через так называемую апертурную диафрагму, помещенную перед объективной линзой, проходит большее или меньшее число электронов (диафрагма пропускает лишь те электроны, углы рассеяния которых не очень велики). Контрастность получаемого изображения определяется отношением числа прошедших через диафрагму электронов к общему числу электронов, рассеянных данным микроучастком образца.

Какие же объекты можно наблюдать и исследовать с помощью электронного микроскопа? Пусть его разрешающая способность составляет порядка нескольких ангстрем, т. е. порядка 10^-10м. Величина 10^-10 м очень малая, если ее сравнивать с размерами тех вещей, тех объектов, которые мы можем взять руками, потрогать. Все эти предметы состоят из громадного числа атомов и молекул. Величина же 10 ^-10 м сравнима с размерами отдельных атомов и молекул. Таким образом, научившись видеть и обращаться с такими величинами, мы приобретаем возможность работать с отдельными атомами и молекулами вещества или по крайней мере с объектами, в которых не очень много атомов. Современные электронные микроскопы позволяют наблюдать и изучать большие органические молекулы.

На уровне размеров, разрешаемых современной электронной микроскопией, разворачиваются события, играющие в конечном итоге исключительно важную роль в жизни человека, природе и технике.

Важность проблемы улучшения разрешающей способности в электронной микроскопии, приближения ее к теоретическому пределу, стимулировала проведение целого ряда исследований. Из многочисленных предложений и идей, зачастую остроумных и весьма перспективных, остановимся теперь более подробно на идеях, высказанных Д. Габором и получивших в последние годы широкое развитие в оптике, радиофизике, акустике, особенно в связи с созданием оптических квантовых генераторов (лазеров). Речь, конечно же, идет о голографии, о которой известно сейчас уже не только специалистам, но и всем тем, кто интересуется новейшими достижениями физики. Как это часто бывает в истории науки и техники, современные успехи голо-графического метода связаны с другими важными техническими задачами, хотя, по-видимому, первоначальная идея будет реализована и в электронной микроскопии.

Сущность метода Габора сводится к следующему. Монохроматический поток электронов, т. е. поток, содержащий электроны с одинаковыми скоростями, освещает объект исследования (по схеме просвечивающего или теневого микроскопа). При этом происходит дифракция электронов на объекте (вспомним волновые свойства электронов!). Обычно в электронном микроскопе пучок, претерпевший дифракцию на объекте, поступает в систему электронных линз, формирующих изображение и обеспечивающих нужное увеличение. Однако эти же линзы, как мы уже отмечали, являются источниками трудноустранимых искажений, препятствующих достижению теоретического разрешения. В новом методе предлагалось фиксировать результат дифракции электронов фотографически в виде дифракционной картины и подвергать эту картину последующей обработке с помощью оптических методов, где получение нужных увеличений может быть достигнуто с меньшими искажениями. В таком двухступенчатом процессе получения изображений основное увеличение достигается за счет перехода от электронных длин волн к оптическим.

При этом следует отметить, что обрабатываемая оптическими методами картина дифракции практически не имеет сходства с объектом исследования. Однако с помощью светового излучения по этой картине в несложном оптическом устройстве можно восстановить изображение исследуемого объекта. Для этого источник излучения должен посылать монохроматические когерентные волны, т. е. должен обладать теми свойствами, которые так ярко проявляются у оптических квантовых генераторов.

Заметим, что в этом двухступенчатом процессе мы фиксируем, "замораживаем" фронт электронных волн и потом воспроизводим его вновь в виде фронта световой волны в значительно большем масштабе, используя при этом различие длин волн света и электронов [21].

В таком "безлинзовом", а потому и не вносящем искажений увеличении и заключается основное достоинство метода голографии в электронной микроскопии.

Живое в трех проекциях

Живой организм представляет собой клубок хитроумно сплетенных нервных путей, сосудов, петель кишечника, системы капилляров и бронхов. Мера порядка, которую человек пытается внести в это сложнейшее хозяйство, требует знания длин путей, величин поверхностей, объемов и форм.

Как правило, понятие "морфология" связывают со структурной организацией целого организма, отдельных его частей вплоть до клеточного уровня. Однако исследования последних десятилетий показали, насколько важны понятия структуры, формы на молекулярном уровне. Функциональные свойства белков определяются во многом расположением атомов молекулы в пространстве. Конфигурация, которую приобретает последовательность аминокислот, формирующая полипептидную цепь, связана с тем, что молекула стремится принять форму, при которой ее свободная энергия минимальна. Основные жизненные процессы, такие, как дыхание, движение, связаны с изменением пространственной организации отдельных компонентов белковых молекул.

Исследование структурной организации живого осложнено значительными трудностями. К решению подобных задач привлекается не только самая совершенная техника, но и математические методы и приемы, позволяющие расшифровать закодированные планы строения живого. Основная цель таких методов - преодолеть методические и аппаратурные ограничения. К сожалению, в ряде случаев судить о структуре мы можем либо по неполным сведениям об отдельных ее составляющих, либо на основании излишне усредненных данных. Биологические объекты по своей природе трехмерны. Однако, как правило, исследователь имеет доступ к плоским модификациям объемной структуры. В тех случаях, когда объект непрозрачен, а интерес представляет внутренняя структура такого непрозрачного образования, широко используется метод сечения или срезов.

Этот метод наиболее распространен на клеточном уровне исследований. Структура рассекается на отдельные достаточно тонкие срезы, которые наблюдаются в оптическом микроскопе. Здесь третье измерение оказывается утраченным за счет механического нарезания структуры в направлении одной из осей. Задача восстановления третьего измерения сводится к распространению сведений, полученных от отдельных сечений, на структуру в целом. Другими словами, необходимо отыскать некоторые количественные характеристики трехмерной структуры по имеющемуся в наличии набору плоских сечений. К характеристикам, которые могут представлять интерес, относятся: величина поверхности, объем структур, их число в единице объема и, наконец, сведения о форме и ее изменениях.

Используя данные, полученные телевизионными устройствами в результате сканирования срезов, отдельные точки собираются в линии, суммирование отрезков линий приводит к площадям, суммирование площадей - к объемам. Причем всякий раз задача решается статистически, т. е. учитывается вероятность получения в сечениях фрагментов различных конфигураций в зависимости от взаимного положения (по углу и координате) секущей плоскости по отношению к структуре объекта.

При исследовании молекулярного уровня организации возможности механического нарезания структуры оказываются ограниченными (даже наиболее совершенные ультрамикротомы дают срезы толщиной в доли микрона, в то время как интерес часто представляют детали размером в единицы ангстрем). Электронные микроскопы, с помощью которых исследуются молекулярные структуры, обладают вследствие ряда причин незначительной глубиной фокуса. В результате небольшие, но достаточно сложные объемные образования, наблюдаемые в электронном микроскопе, представляются в виде плоской проекции трехмерной структуры на плоскость. Здесь третье изменение утрачивается за счет суммирования плотности в направлении одной из осей, совпадающей с направлением электронного пучка. Можно ли в этом случае извлечь информацию о третьем измерении, реконструировать трехмерную структуру?

Оказывается, можно. Идея метода сводится к тому, что при некоторых допущениях преобразование Фурье электронно-микроскопического изображения, представляющего проекцию трехмерной микроструктуры на плоскость, эквивалентно центральному сечению трехмерного преобразования Фурье. Таким образом, переход от проекции к обратному пространству (подсчет на ЭВМ преобразования Фурье такой проекции) дает центральное сечение трехмерного обратного пространства. Выполнение обратного преобразования Фурье приводит к трехмерной структуре.

Поиски третьего, "голографического" измерения на субмикроскопическом, молекулярном уровне становятся одним из весьма важных направлений современной биологии. Ведь функциональное многообразие различных внутриклеточных соединений часто определяется трехмерными перестройками структуры, изменениями пространственного расположения друг относительно друга отдельных частей молекул. Важнейшие жизненные процессы на молекулярном уровне, связанные, например, с движением, дыханием, сопровождаются изменением пространственной организации структуры. Поэтому выяснение принципов действия "молекулярной машины" невозможно без четкого представления о местоположении и перемещениях в процессе работы отдельных ее узлов. Почти уникальную возможность увидеть отдельные молекулы и даже составные ее части предоставляет электронный микроскоп, формирующий изображение структуры с помощью электронного пучка. И хотя разрешение лучших современных микроскопов достигает 2-3А, биологические объекты пока не могут исследоваться с таким разрешением. Связано это с необходимостью контрастирования биологических объектов, которые сами слабо рассеивают и поглощают электроны, веществами сильно рассеивающими электроны.

Однако помимо ограничений, связанных с методикой приготовления биопрепаратов для наблюдения в электронном микроскопе, имеются ограничения и самого прибора. Из-за довольно сильных и принципиально неустранимых сферических аберраций величина апертуры электронного микроскопа очень мала, а глубина фокуса при этом часто превышает толщину исследуемых объектов [22]. Поэтому электронно-микроскопическое изображение всегда представляет собой проекцию трехмерной структуры на плоскость. В этом и состоит одна из основных сложностей в исследовании пространственной организации молекулярных структур с помощью электронного микроскопа. До сих пор трехмерная интерпретация электронно-микроскопических изображений является наиболее уязвимым местом анализа и во многих случаях базируется на интуиции и опыте исследователя. Часто прибегают к получению снимков структуры в различных ориен-тациях. Известно, что такой прием облегчает получение представления о пространственной организации объекта.

В последние годы в Советском Союзе, Англии и США появились описания различных методов точного, количественного восстановления трехмерной структуры по ее электронно-микроскопическим снимкам. Восстановление третьего измерения производится по набору проекций, полученных под разными углами.

На помощь приходит голография

Преимуществами голографической микроскопии являются большее поле зрения при высоком разрешении и большая глубина изображения. Использование голографической регистрации позволяет создавать безлинзовые микроскопы, поскольку сама голограмма обладает свойствами оптического элемента. В таких микроскопах увеличение может быть получено за счет применения расходящихся пучков и пучков с длиной волны, отличной от длины волны, используемой при регистрации [20].

Однако дальнейшее развитие голографической микроскопии пошло по другому пути. В новом методе было использовано видоизменение обычного микроскопа, так что процесс голографирования уже не был безлинзовым.

В одной из схем [31] для получения опорного и объектного пучков применяется расщепитель пучка на дифракционной решетке. Освещающее объект излучение, так же как и излучение, дифрагированное объектом, проходит через обычный микроскоп, а опорный пучок отражается от зеркала и фокусируется в точку. Шумовые компоненты на стадии восстановления удаляются с помощью пространственного фильтра. Поле зрения в данной схеме не может превысить поля зрения при нормальном использовании микроскопа, однако в ней можно получить и разрешение, равное предельному разрешению микроскопа, и довольно большую глубину регистрируемого изображения. Глубина изображения ограничивается когерентностью опорного пучка и разрешением фотоэмульсии голограммы.

Было проанализировано изображение миры^* из трех штрихов, полученное по данной схеме без диффузного рассеивателя. Разрешение составляет 1 мкм, однако общее качество изображения довольно невысокое. Использование мелкозернистого рассеивателя из опалового стекла способствует удалению некоторых из наблюдаемых дефектов изображения, однако при высоких разрешениях это приводит к ряду других проблем (не считая потерь в разрешении). Причиной шумов является когерентный характер процесса формирования изображения.

^* (Мира - своего рода тестовый сигнал, используемый в оптике. Позволяет оценить разрешающую способность и некоторые другие оптические характеристики прибора).

К настоящему времени сделано много для решения этой проблемы, однако до сих пор не удалось получить сколько-нибудь удовлетворительного результата. Одним из решений при этом является использование апертуры, превышающей апертуру, требуемую для получения заданного разрешения, одновременно с применением диффузного рассеивателя. Этот метод, однако, не эффективен, если разрешение должно составлять несколько микрон. Можно ожидать, что эффективным окажется использование чисто фазового случайного рассеивателя в контакте с объектом.

Действительно, благодаря внедрению этого метода голографический микроскоп стал реальностью. С помощью его исследовались типичное изображение нейрона и другие голограммы. Можно разглядеть тонкие волокна микронной толщины и просмотреть структуру по глубине, определяя пересечения волоконных образований.

Укажем на ряд других преимуществ голографической микроскопии, включая регистрацию по голограмме как амплитудной, так и фазовой информации. Значительный выигрыш дает голография при изучении изменяющихся со временем объектов, поскольку весь набор диагностической техники, включая теневые методы, анализ в светлом и темном полях и интерферометрию, можно использовать после завершения процесса регистрации.

Микрочастицы крупным планом

Развитие другого направления в голографической микроскопии связано со специальным применением - определением размеров движущихся частиц [10], [31]. Именно в процессе работ по применению голографии в этой области были выявлены характерные свойства фраунгоферовских голограмм. Первоначально данный метод микроскопии был использован для регистрации изображений капель воды в естественном тумане, а затем нашел применение в решении целого ряда других медико-биологических проблем.

Голографическая камера (лазерный анализатор частиц тумана) представляет собой измерительное устройство для регистрации размеров и относительного положения капель. В устройстве осуществляется метод голографии Фраунгофера. Оно содержит две основные системы - систему регистрации и систему воспроизведения.

В системе регистрации рубиновый лазер, работающий в режиме модуляции добротности, освещает исследуемый объем, экспонируя голограмму. Малая длительность лазерного импульса обеспечивает фактическую неподвижность частиц тумана и дает возможность одновременно зарегистрировать размер и относительное положение частиц в объеме с большим разрешением и большой глубиной поля зрения.

В системе воспроизведения голограмма освещается He-Ne-лазером [27], работающим в непрерывном режиме. Восстанавливаемая волна образует объемное видимое изображение порции частиц тумана, занимающих часть объема, зарегистрированную на голограмме. Наблюдение и измерение размеров и положений частиц производилось с помощью телевизионной системы со специальной оптикой.

В устройстве, на котором проверялась эффективность метода, для устранения фоновой засветки использовали пространственный фильтр, поэтому изображения имели характерный вид дисков Эйри.

Были изготовлены два лазерных анализатора частиц тумана, которые работали в полевых условиях.

По ряду причин эти лазерные анализаторы позволяли изучать частицы диаметром 30 мкм и более. Разрешение пленки и проекцирующие линзы не давали возможности зарегистрировать частицы меньшего диаметра. Затем в конструкцию анализаторов были внесены изменения, а полученные данные обработаны для измерения диаметров зарегистрированных частиц тумана.

Оптическая схема системы считывания (воспроизведения) лазерного анализатора состояла в следующем. Голограмма восстанавливается при освещении коллимированным излучением HE-Ne-лазера. Лазерный свет сначала фокусируется с помощью собирающей линзы на точечную диафрагму, которая действует как фильтр нижних пространственных частот, сглаживающий мелкомасштабные изменения интенсивности в поперечном сечении пучка. Голограмма устанавливается в подвижной рамке, а восстанавливаемые действительные изображения проекцируются на фотокатод видикона телевизионной системы. Размеры сфокусированных изображений капель определяются визуально с помощью сетки на экране телевизионного приемника. Телевизионная система обеспечивает возможность увеличения изображения и яркости без потери контраста.

Было изучено несколько схем измерения с полной автоматизацией процесса. Наиболее сложным этапом таких измерений являются поиск и фокусировка действительных изображений отдельных капель. В этом направлении был получен ряд положительных результатов. Автоматизацию процесса измерений для частиц меньшего размера осуществить не удалось, поскольку шумы пленки и несфокусированные изображения больших капель дают вклад в величину сигнала (интенсивность) того же порядка, что и сфокусированные изображения мелких капель. Неавтоматизированная визуальная техника позволяет определять размеры частиц диаметром до нескольких микрон.

Конструкция системы считывания была изменена так, чтобы облегчить обработку данных в полевых условиях и обеспечить оператору максимальные удобства в работе. Оптическая система остается довольно простой и допускает любые изменения в узлах будущих анализаторов, пригодных для исследования частиц с другими размерами. Механическое сканирование с электрическим приводом позволит использовать полностью автоматизированную схему.

Голографические пузырьки

Голографию можно использовать для увеличения глубины изображений в фотографиях пузырьковых камер.

Ярмо магнита не позволяет проводить наблюдения прямо сквозь камеру. Необходимо наблюдать камеру с той же стороны, с которой в нее вводится излучение светового источника. Для этого была предложена схема с зеркалом на задней поверхности моделируемой камеры. При контрольных испытаниях этой схемы в камеру помещались неподвижные проволоки и инжектировались аэрозольные частицы. Высокое разрешение по диаметру частиц легко получалось в объеме глубиной, превышающей требуемую. Точность же положения частиц по глубине объема была значительно ниже и приблизительно в 20 раз превышала диаметр частицы. Точность определения углового положения треков достигала ± 4°.

Пузырьки моделировались с помощью стеклянных шариков диаметром 150 мкм, свободно падающих через ячейку, заполненную полигликолем. Показатель преломления шариков равнялся 1,52, а показатель преломления жидкости - 1,45. При реконструкции голограмм этих шариков получалось изображение с весьма хорошим разрешением. Относительная точность определения диаметров частиц составляла 3%. Точность определения положения равнялась 10-20 диаметрам частицы, что хуже точности, достигаемой в распространенном методе триангуляции, в котором используется пара фотографий пузырьковой камеры. Это ограничение для данной голографической схемы носит фундаментальный характер и зависит от эффективной апертуры схемы голографической регистрации, которая определяется диаметром голограммы, создаваемой отдельной частицей. Значение эффективной апертуры рассчитывается просто и хорошо согласуется с результатами экспериментов, упоминавшихся выше. Увеличение точности определения положений частиц потребовало бы использования пленок с более высоким разрешением, что нежелательно при регистрации изображений пузырьковой камеры.

В дальнейших экспериментальных исследованиях для подавления изображений лишних треков была применена оптическая пространственная фильтрация.

Для синтеза голограмм сферических жидких капель, освещаемых плоской волной монохроматического линейно поляризованного света, можно использовать электронно-лучевую трубку, соединенную с ЭВМ.

Определение картины дальнего поля излучения, рассеянного каплями, проводилось на основе классической теории. Наиболее ярко выраженные максимумы и минимумы в картине рассеянного излучения имеют место недалеко от переднего лепестка диаграммы рассеяния, если частица наблюдается в плоскости, перпендикулярной направлению поляризации падающей волны. Характерные максимумы и минимумы регистрировались на голограмме. При расчете в качестве источника опорного пучка был взят электрический диполь с осью поляризации, параллельной поляризации излучения, освещающего частицы.