Чувствительность фотоматериалов имеет для астрофотографии ничуть не меньшее значение, чем качество оптики или точность гидирования. Например, увеличив чувствительность фотопленки в четыре раза, можно получить такой же результат в фотографировании слабых протяженных объектов, как и при двукратном увеличении диаметра объектива. Между тем любой любитель астрономии знает, сколь велика разница в сложности (и стоимости), к примеру, 100 мм и 200 мм телескопов...

Гиперсенсибилизацией называют повышение чувствительности фотопленок в результате химического или физического воздействия на фотоэмульсию незадолго до съемки. Известно много методов гиперсенсибилизации - предварительная засветка, купание фотоэмульсии в различных водных растворах и просто в воде, обработка некоторыми газами и парами ряда веществ. Даже простой прогрев фотопленки при температуре 50-60^oC в течение нескольких часов перед съемкой уже повышает чувствительность. Лучшим для астрофотографии методом считается выдерживание эмульсии в атмосфере газообразного водорода, поскольку высокая эффективность здесь сочетается с минимумом побочных эффектов, стабильностью и предсказуемостью результата. Высокая проникающая способность водорода обеспечивает равномерность воздействия по всей площади фотоматериала, причем фотопленку не надо даже извлекать из кассеты!

Может возникнуть вопрос: нужно ли осваивать непростую методику гиперсенсибилизации, если можно просто воспользоваться более чувствительной фотопленкой? Действительно, различными фирмами выпускаются фотоматериалы немыслимых еще в недавнем прошлом чувствительностей - 800, 1600 и даже 3200 единиц. Однако более чувствительные пленки имеют, как правило, и более крупное зерно. Если мы хотим получить четкое изображение мелких деталей какого-либо объекта на крупнозернистой пленке, нам придется увеличить фокусное расстояние объектива (например, применив телеконвертер), что при том же диаметре объектива приведет к падению светосилы и сведет на нет все преимущества от высокой чувствительности такой пленки. К тому же, сама система измерения светочувствительности разрабатывалась для обычных условий съемки, в астрофотографии же, при очень слабых световых потоках и длительных выдержках, реальные значения чувствительности никогда не совпадают с указанными на упаковке пленок.

Главной причиной этого является так называемая невзаимозаместимость, проявляющаяся как снижение чувствительности при низких освещенностях (и, соответственно, длительных выдержках).

Рисунок 1 На рисунке 1 показана зависимость светочувствительности некоторых пленок от выдержки. Хорошо видно, как сильно невзаимозаместимость ограничивает возможности астрофотографии слабых объектов, как мало остается от высокой, казалось, чувствительности уже при выдержках в десятки минут. Начиная с некоторого момента, дальнейшее увеличение выдержки теряет смысл, поскольку почти не добавляет новых деталей к формирующемуся изображению. Кстати, именно высокочувствительные пленки чаще бывают в большой степени подвержены невзаимозаместимости, чем пленки средней чувствительности. (В этом смысле показанная на рисунке Kodak 1600 PJC имела характеристики выше средних, но зато обладала слишком заметным зерном. Возможно, поэтому ее производство несколько лет назад было прекращено.) Невзаимозаместимость возникает из-за того, что при низких освещенностях теряет эффективность механизм "запоминания" скрытого изображения, на котором основана работа любой фотоэмульсии. Различные методики гиперсенсибилизации, при всем их многообразии, улучшают действие этого механизма. Поэтому гиперсенсибилизация позволяет не просто увеличить светочувствительность, но и уменьшить влияние невзаимозаместимости.

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ГИПЕРСЕНСИБИЛИЗАЦИИ ВОДОРОДОМ

Типовая методика гиперсенсибилизации водородом была подробно описана для любителей Джеком Марлингом еще в 1981г. в инструкции фирмы Lumicon, выпускающей комплекты оборудования для гиперсенсибилизации. Описание различных модификаций этой методики можно встретить в Интернете, например, у B.Wallis & R.Provin или у J.Lodriguss.

Обычно вместо чистого водорода используется так называемый форминг-газ - газовая смесь из водорода (8-10% по объему) и азота или другого инертного газа, что объясняется, прежде всего, его взрывобезопасностью при смешивании с воздухом в любых пропорциях. Кроме того, некоторыми авторами утверждается, что чистый водород пригоден только для гиперсенсибилизации черно-белых фотоматериалов из-за вызываемых им цветовых искажений.

Фотопленку помещают в герметичную камеру, из которой откачивают воздух до довольно высокой степени вакуума, что обосновывают, главным образом, необходимостью осушения камеры и самой эмульсии. (Вариант - многократное откачивание до небольшого разрежения и продувка камеры форминг-газом.) Через некоторое время камеру заполняют форминг-газом из баллона, как правило, до давления чуть выше атмосферного. Пленка выдерживается в камере при температуре 40-55^oC в течение 6-36 часов, в зависимости от сорта фотоэмульсии.

Выпускаемые на Западе камеры для гиперсенсибилизации снабжены спиралями для наматывания пленки, однако, при небольших температурах подогрева (не более 40^oC) возможна обработка пленки прямо в кассете.

Авторы зарубежных публикаций особо подчеркивают вредное влияние влажного кислорода на гиперсенсибилизированную эмульсию, как во время, так и после обработки. В связи с этим утверждается, что такую пленку можно использовать только одну ночь, после чего ее надо немедленно проявлять.

Вероятно, изложенная методика действительно дает максимально возможное повышение светочувствительности, однако реализация некоторых ее элементов затруднительна для многих любителей астрономии. Посмотрим, как можно упростить методику, чтобы сделать ее доступной без применения специального оборудования и материалов.

Очевидно, получение водорода гораздо проще, чем форминг-газа, приготовление которого возможно только в заводских условиях. Однако водород взрывоопасен в смеси с воздухом, что может привести к катастрофическим последствиям, особенно если этот горючий газ заполнит значительный объем, сопоставимый с объемом помещения. Поэтому как использование, так и хранение запаса водорода в газовом баллоне, где он находится под давлением, в домашних условиях абсолютно недопустимо. Безопасным можно считать только хранение запаса форминг-газа. В то же время, если получать водород в очень небольших количествах непосредственно перед использованием, опасность может быть существенно уменьшена. Например, в емкости объемом 0,2 л при атмосферном давлении может содержаться всего 0,018 г водорода. Воспламенение такого количества газа уже не приведет к столь печальным последствиям, как взрыв в объеме комнаты. В конце концов, никто ведь не считает особенно опасными показываемые в любой школе опыты по получению водорода реакцией цинка и кислоты!

Что касается вакуума, то для целей эффективного удаления влаги нет нужды в сверхвысоком разрежении, главное достигнуть давления, при котором вода уже не может существовать в жидком виде при комнатной температуре. Тогда оказывается возможным использовать вакуумный насос простейшей конструкции, в том числе даже самодельный.

Температура пленки во время обработки должна влиять, в основном, лишь на скорость реакции (так же, как концентрация водорода и давление газа), поэтому можно попробовать обойтись без подогрева, варьируя время обработки и давление водорода в рабочей камере.

Примерно такие рассуждения привели автора к следующей конструкции экспериментального устройства для гиперсенсибилизации.

Рисунок 2 Рабочая камера сделана из обыкновенной стеклянной банки объемом 200 мл, имеющей завинчивающуюся крышку с пластиковым уплотнителем. На крышке установлены три патрубка для резиновых трубок, соединяющих камеру с вакуумным насосом, манометром и аппаратом для получения водорода путем электролиза воды. Пока в аппарате постепенно накапливается водород (на это уходит несколько часов), ведущая к нему трубка пережата зажимом. Затем в камеру помещается кассета с пленкой и воздух из нее откачивается до давления примерно 4-7 мм.рт.ст. Циклы откачивания повторяются периодически в течение часа. Потом зажим с трубки снимается, и водород заполняет камеру. При этом газ проходит через влагопоглощающий фильтр в виде трубки, заполненной слоями ваты и плотно уложенной тонкой медной эмалированной проволоки. На время заполнения камеры фильтр погружается в охлажденный до -20oC водно-спиртовой раствор, и часть содержащейся в газе влаги вымерзает, оседая на проволоку. Для поглощения остатков влаги в рабочую камеру помещен пакет с силикагелем. После того, как камера заполнена водородом до необходимого давления, она отсекается от насоса и фильтра зажимами, и эти более не нужные части устройства можно отсоединить. Пленка выдерживается в течение заданного времени при комнатной температуре, при этом герметичность камеры контролируется по манометру.

Рисунок 3 Самодельный вакуумный насос состоит из корпуса, вдоль внутренней цилиндрической поверхности которого полукольцом вклеена упругая резиновая трубка, и ротора, на котором установлены четыре ролика и рукоятка. Положение роликов отрегулировано так, что при вращении ротора они катятся по трубке, полностью перекрывая ее внутренний просвет. Трубка подобрана достаточно упругая, чтобы полностью распрямляться после прохождения роликов даже при вакууме внутри нее, и в то же время достаточно мягкая, чтобы не оказывать большого сопротивления движению. Ротор вращается вручную, для достижения нужного разрежения нужно совершить примерно 600-800 оборотов. Материалом для изготовления насоса послужили два сложенных вместе корпуса от вышедших из строя "винчестеров", причем ротор вращается в подшипниках электродвигателя привода диска.

Рисунок 4 Аппарат для электролиза воды состоит из внутренней и внешней емкостей, вкладываемых одна в другую. Внутренняя емкость, в которой собирается выделяемый водород, сделана из пластиковой бутылки с отрезанным дном. В ее крышке установлен патрубок для выхода газа и сделано дренажное отверстие, закрываемое резиновой пробкой. В нижней части внутри емкости установлен катод из медной фольги, а снаружи закреплены графитовые стержни, служащие анодом. Перед началом работы внутренняя емкость с надетой на патрубок и перекрытой зажимом трубкой погружается в заполненную водой внешнюю емкость таким образом, чтобы дренажное отверстие оказалось под водой, после чего отверстие закрывается пробкой. Выделяемый на катоде водород скапливается под крышкой, постепенно вытесняя оттуда воду. В дистиллированную воду добавлено малое количество раствора едкого натра NaOH (буквально несколько капель), чтобы ток через аппарат составлял около 200мА при напряжении 36В. (При таком токе на получение 200мл водорода уходит 2,4 часа.) Применение солевых растворов, также как и металлического анода, нежелательно из-за выделения на аноде разных неприятных веществ. Для предотвращения загрязнения раствора графитовой пылью стержни анода помещены в матерчатые чехлы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Использованная методика определения чувствительности фотоэмульсий путем фотографирования специально изготовленного тест-объекта описана в статье "Тесты фотопленок". Там же представлены результаты исследования индивидуальных особенностей различных пленок. Здесь мы остановимся на наиболее характерных изменениях в свойствах цветной фотоэмульсии в результате обработки водородом.

На рисунке 5 показаны результаты оценки чувствительности двух пленок к зеленому и красному свету до гиперсенсибилизации (тонкие линии) и после нее (утолщенные линии).

Пленка Kodak Ektapress PJ400 (красные кривые на рис.5) выдерживалась в водороде в течение 19 часов при температуре 30^oC. Давление газа для кривых 2, 3, 4 было равно 0,2атм, 0,32атм и 0,5атм соответственно. Кривая 1 - контрольная, она соответствует необработанной пленке. Из рисунка видно быстрое повышение чувствительности по мере роста давления водорода, особенно значительное в области больших выдержек, что говорит об уменьшении влияния эффекта невзаимозаместимости, действие которого для кривой 4 уже почти незаметно.

Однако не все эмульсии так интенсивно реагируют на обработку водородом. Например, пленка FujiColor Superia 800 почти не повысила своей чувствительности после обработки водородом при давлении 0,26атм и температуре 25^oC в течение 18 часов (см. синие кривые на рис.5). Увеличение давления до 0,48атм и времени обработки до 43 часов не дало никакого дополнительного эффекта и чувствительность более не выросла. В статье "Тесты фотопленок" приведены и другие примеры пленок, обладающих как "хорошей", так и "плохой" реакцией на гиперсенсибилизацию.

Рисунок 6 Вернемся к пленке Kodak Ektapress PJ400, которая была исследована наиболее полно. На рисунке 6 показана зависимость ее чувствительности (при 60-минутной выдержке) от давления водорода при гиперсенсибилизации по указанному выше режиму. Видно, что рост чувствительности может достигать более 10 раз для зеленых лучей, и немногим меньше - для красных. К сожалению, практическое использование пленки с максимально повышенной чувствительностью сопряжено с большими трудностями из-за ее неустойчивости к воздействию влажного воздуха. Влага вызывает появление вуали, снижение контраста и чувствительности, причем больше всего страдают именно те участки пленки, которые находились в кадровом окне фотоаппарата во время длительной экспозиции. Поэтому нужно либо принимать очень серьезные меры по защите от ночной влаги, принудительно осушая внутреннее пространство фотокамеры, либо ограничиться несколько меньшим повышением чувствительности, которое на рисунке 6 соответствует давлению примерно 0,3атм. В этом случае оказывается возможным использовать пленку в течение двух и более ночей, не сильно теряя в чувствительности, при условии ее правильного хранения между наблюдениями (см. ниже). Для пленки Kodak PJ400 есть еще одна причина не применять режим гиперсенсибилизации, дающий слишком большой рост чувствительности. Из рисунка 6 видно, что "зеленая" чувствительность повышается в этом случае больше, чем "красная". Если небо в месте наблюдения хотя бы в небольшой степени засвечено искусственными источниками (ртутные лампы), чрезмерная чувствительность к зеленым лучам может привести к снижению контраста слабых красных туманностей. Анализ зарубежных публикаций показывает, что в первом приближении изменение давления водорода может быть заменено пропорциональным изменением времени обработки. В случае использования газовой смеси нужно учитывать также объемную концентрацию водорода. Например, если заполнить рабочую камеру 10%-ным форминг-газом до атмосферного давления (парциальное давление водорода 0,1атм), то результат, соответствующий кривой 3 на рис.5, можно получить после примерно 60 часов обработки при температуре 30oC. Повышение температуры на каждые 10oC эквивалентно увеличению время обработки (или давления водорода) в 2-3 раза. Если нет термостатирования камеры, температурную поправку необходимо учитывать, даже если температура изменилась лишь на несколько градусов.

Несколько слов о цветопередаче гиперсенсибилизированных пленок. Уже из того, что чувствительность цветовых слоев под воздействием водорода может меняться в разной степени (см. рис.6), следует, что нарушения цветопередачи есть. Однако они не больше разброса параметров пленок разных фирм-производителей (последние, кстати, вообще не нормируют чувствительность при длительных выдержках), и могут быть легко скомпенсированы при фотопечати. К тому же, никто из людей никогда не видел, какого цвета deep-sky объекты на самом деле (в темноте все кошки серы), поэтому говорить о цветопередаче можно только с большой долей условности.

Что касается самого эффекта разного роста чувствительности цветовых слоев, то кроме химических свойств составляющих их веществ, он может быть в некоторой степени обусловлен процессом диффузии водорода в толщу фотоэмульсии. Так, красночувствительный слой расположен глубже других, и его обработка может оказаться менее интенсивной из-за более позднего проникновения туда водорода. Теоретически, для сглаживания такого эффекта нужно увеличивать время обработки (или температуру), оставив парциальное давление водорода сравнительно небольшим. Возможно, с этим связаны сообщения зарубежных источников о нежелательности гиперсенсибилизации цветных пленок чистым водородом (при атмосферном давлении, когда оптимальное время обработки получается очень коротким). К сожалению, пока у автора нет достаточных экспериментальных данных, чтобы подтвердить или опровергнуть эти рассуждения.

Рисунок 7 Водородная гиперсенсибилизация лишь ненадолго повышает чувствительность фотоэмульсии. На рисунке 7 показан график падения чувствительности к красному свету (при 60-минутной выдержке) гиперсенсибилизированной пленки Kodak PJ400 во время ее хранения на воздухе при температуре 30oC. Из рисунка видно, что пленку можно эффективно использовать только 2-3 суток. Впрочем, длительность действия эффекта гиперсенсибилизации сильно зависит от температуры. Поместив кассету с пленкой (в ее индивидуальном футляре) в холодильник, можно в несколько раз замедлить деградацию чувствительности уже при температуре +10oC. Автор хранил одну из пленок на протяжении двух недель в морозильной камере (температура -15oC), и падение ее чувствительности за это время оказалось почти незаметным. Чтобы предотвратить оседание инея на пленку при замораживании, можно поступить следующим образом. Кассету с пленкой, вложенную в футляр с приоткрытой крышкой, запечатать в полиэтиленовый пакет вместе с мешочком силикагеля и выдержать несколько часов при комнатной температуре. Затем, не вскрывая пакета, закрыть крышку футляра с кассетой, и поместить пакет в морозильную камеру. Перед зарядкой в фотоаппарат футляр с пленкой нужно, разумеется, прогреть до температуры окружающего воздуха. В зарубежных публикациях предлагается еще один способ длительного хранения гиперсенсибилизированных фотоматериалов. После окончания обработки пленку оставляют в камере, а форминг-газ откачивают до давления не более 1/10 от первоначального. В таком разреженном газе пленка может долго храниться при комнатной температуре. Пока у автора не было случая проверить этот эффективный способ.

Полученные результаты ясно показывают, что гиперсенсибилизация водородом даже при работе по сильно упрощенной методике и на кустарно изготовленном оборудовании может дать большие преимущества любителю астрономии в астрофотографии слабых объектов. Из этого, впрочем, не следует, что не нужно стремиться к приобретению аппаратуры промышленного изготовления и форминг-газа, если такая возможность имеется.

7.08.01 Выделен в отдельную статью раздел "Тесты фотопленок". Туда перенесены также некоторые логически связанные с ним фрагменты. Графики на рис.5 скорректированы по результатам новой, более точной калибровки тест-объекта.