Пухирцева камера - Фізична енциклопедія
ПУШИРКОВА КАМЕРА - прилад для реєстрації слідів (треків) зарядж. частинок, дія якого заснована на скипанні перегрітої рідини вздовж траєкторії частинки.
Історична довідка. Д. А. Глейзер (D. A. Glaser) у 1952 у пошуках трекового детектора заряд. частинок, більш ефективного, ніж застосовувані в той час (ядерні фотографічні емульсії, камера Вільсона і дифузійна камера), звернув увагу на роботи К. Л. Вісмара та ін (1922-24). Діетиловий ефір (в нормальних умовах киплячий при температурі Т = 34,6 ° С), нагрітий під тиском 20 атм до +130 ° С, розширювали до 1 атм. При цьому він не кипів годинами. Після доведення температури до 140 ° С він закипав через довільні проміжки часу. Глейзер встановив, що частота закипання відповідає частоті проходження косміч. частинок лише на рівні моря. Він повторив експеримент, розташувавши над і під колбою з ефіром лічильники Гейгера. Скипання було миттєвим у присутності радіоакт. джерела. Швидкісна кінозйомка встановила, що закипання починається вздовж траєкторії заряд. частки.
Перша П. до. (1954) являла собою металлич. камеру зі скляними вікнами для освітлення та фотографування, заповнену рідким воднем. Надалі П. до. створювалися та вдосконалювалися у всіх лабораторіях світу, оснащених прискорювачами зарядів. частинок. Починаючи від колбочки об'ємом в 3 см 3 розмір П. до. досяг неск. м 3 напр. камера СКАТ (ІФВЕ, СРСР) 8 м 3 , "Мірабель" (Франція - СРСР) 12 м 3 , велика Європейська П. к. (ЦЕРН) понад 30 м 3 , П. к. FNAL (Батавія, США) св. 40 м3. Більшість П. до.
1 м 3 . (За винахід П. к. Глейзеру у 1960 р. присуджено Нобелівську премію.)
Утворення бульбашок. Швидкий заряд. частка вибиває на своєму шляху в речовиніелектрони різних енергій (s-електрони). Електрони досить великих енергій, віддаляючись від траєкторії, у свою чергу, вибивають вторинні s-електрони і т. д. В результаті багаторазових зіткнень з атомами рідини s-електрони гальмуються поблизу траєкторії та викликають доповнення. нагрівання рідини в ділянці радіусом r. Це призводить до утворення центрів кипіння – зародків. Зародок бульбашки, що утворився, радіусом r більше деякого критич. rкр зростатиме за рахунок випаровування навколишньої рідини у внутр. порожнини бульбашки. Розмір rкр визначається співвідношенням
Тут s - поверхневе натяг рідини на межі рідина - пара при темп-ре Т; - рівноважний тиск пари над нескінченно плоскою поверхнею рідини; рН - тиск, при якому знаходиться перегріта рідина; VЖ, VП - уд. об'єми рідини та пари. Різниця тисків, звана перегріванням рідини, здійснюється зміною обсягу на величину DV/V= (0,5-2)% для різних камер. Час розширення, т. Е. Час зміни тиску від верх. значення, яке на 1,5-2 атм і більше перевищує , до , дорівнює 5-20 мс (рис. 1).
Мал. 1. Схема робочих циклівбульбашкової камери : - затримка спалаху світла на зростання бульбашок; - час між робочими циклами; - Час розширення.
Експериментально встановлено залежність числа бульбашок h на одиниці довжини треку (щільність бульбашок) для швидкої однозарядної частоти від її швидкості u: n = A/b 2 , b = u/c. Число d-електронів, що вибиваються часткою і здатних створити бульбашку, дорівнює
(2)
Тут е – заряд електрона, т – його маса, r – щільність рідини, N – число Авогадро, Z0 – число електронів молекули рідини, Z – заряд частинки, m – мовляв. вага, - енергія d-електрона, здатного створити зародок однієї бульбашки.Електрони великих енергій, віддаляючись від траєкторії частинки та вибиваючи d-електрони, утворюють слід із ланцюжка бульбашок (рис. 2, 3). Електрони малих енергій не створять бульбашок критич. розміру; хв. енергія, потрібна для створення зародка бульбашки критич. розміру
Мал. 2. Фотографії слідів частинок, одержані на водневій камері ОІЯД "Людмила"; H = 2,6 Тл; опромінення антипротонами 22,4 ГеВ/с на прискорювачі ІФВЕ. У точці А відбувається анігіляція p +: 4p + + 4p -. Швидкий p + взаємодіє вдруге у точці У: p + +p:p+p + +p + +p - , шляхом утворюючи у точці Б енергійний d-електрон; p + , що утворився в точці, закручуючи магн. полем у спіраль, гальмується до зупинки та розпадається за схемою p + :m + +е + .
пропані, що дорівнює 390 еВ, у водні - 165 еВ. При цьому в пропані пd = 100 см -1 у водні - 56 см -1. У більшості експериментів одержують на 1 см треку 15 бульбашок. Це означає, що n.пd, тобто що не кожен d-електрон, здатний створити зародковий пляшечку, створює його і що не кожен зародок виростає до розмірів пляшечки, видимого при звичайному фотографуванні. У процесі формування та зростання бульбашок відбувається їх "охлопування" збільшується через закипання тиском, а також злиття прилеглих бульбашок. Фотографування прецизійною оптикою або голографіч. Метод реєстрації на ранній стадії формування бульбашок дає n, близькі до nd. Щільність бульбашок зростає зі збільшенням Т і Dp, тому що для утворення зародків потрібна менша енергія d-електронів.
Мал. 3. Фотографії слідів частинок, отримані на пропановій камері (ОІЯД); H = 1,55 Тл; опромінення релятивістськими ядрами на синхрофазотроні (ОІЯД). Ядро 22 Ne з імпульсом 92,4 ГеВ/с у точці А взаємодієте мішенню зТа (темні поперечні смужки-пластини Та), утворюючи св. 50 заряджених частинок. Щільні сліди належать протонам, що зупиняються. Випромінюваний g-квант (від А до Б) у точці Б конвертує в е - - е + -пару; у точці В випромінюється g-квант, що дав у точці Г комптонівський електрон.
Робочі рідини. наиб. широке застосування отримали: рідкі водень, дейтерій, гелій та суміш водню з неоном (кріогенні П. к.); пропан, фреони, ксенон та їх суміші (важкорідинні П. к.). Для вивчення взаємодій із протонами застосовується рідкий водень (рис. 2), з нейтронами – дейтерій. Для вивчення процесів, що супроводжуються утворенням електронно-фотонних злив, зручні Хе, пропан та ін важкі рідини (рис. 3). Суміш водню з Ne - також хороший детектор g-квантів (див. Гамма-випромінювання). Деякі характеристики робочих рідин дано в табл.
Характеристики рідин, що найчастіше використовуються в бульбашкових камерах
Вимірювання імпульсів та визначення знака заряду швидких частинок здійснюються за кривизною траєкторії у пост. магн. поле Н (рис. 2, 3). Радіус кривизни R визначається співвідношенням
Тут r - імпульс частинки в МеВ/с; H – магн. поле, у Тл; q - кут між напрямком імпульсу r і площиною, перпендикулярною Н (кут занурення). При русі в рідині частка відчуває багаторазове кулонівське розсіювання і гальмування (втрати енергії на іонізацію), що спотворює її траєкторію (при великих енергіях, коли b:I, іонізація. втратами можна знехтувати). Помилка у визначенні імпульсу через кулонівське розсіювання тим більше, чим менше радіації. довжина х0:
I і ха в див.
У важких рідинах х0 мало (табл.) і кулонівське розсіювання суттєво:
Тому ксенонові П. до. працюють без магн.поля (рис. 4). Втрати на іонізацію та вибивання електронів зменшують імпульс, внаслідок чого слід заряд. частинки скручується у спіраль (рис. 2). Імпульси малоенергійних частинок, що зупиняються, визначають по довжині пробігу (сліди протонів на рис. 3), що дає більш високу точність.
Особливості кріогенних і важкорідинних бульбашкових камер виявляються в їх конструкціях та системах освітлення. У кріогенних П. до. розширення здійснюється поршнем, який знаходиться в контакті з робочою рідиною. Для передачі тиску від теплої до холодної частини П. до. служать штоки з матеріалу з малою теплопровідністю (нержавіюча сталь). . У важкорідинних П. до. застосовуються гнучкі мемб-