Пузырьковая камера физика кратко
Обновлено: 30.06.2024
В 50-е годы XX века в физике простых частиц наступила эпоха пузырьковых камер. Она подарила неслыханное до той поры чувство действительности микромира, позволив практически рассматривать оставленные частичками следы.
Прослужив науке практически 30 лет, камеры уступили место электрическим сенсорам, которые могут регистрировать еще больше событий с еще большей энергией и с большей точностью. Но все столкновения и перевоплощения частиц, детектируемые современными электрическими способами, накрепко спрятаны в толще сотен полупроводниковых частей, калориметров, счетчиков и стают пред нами уже в виртуальном виде, пересчитанные, отобранные по заблаговременно смоделированным схемам. Так в нашей обыкновенной жизни компьютерная анимация приходит на замену фильмам с реальными артистами. И хотя экспериментальные способы достигнули сейчас умопомрачительных высот, студентам и школьникам педагоги говорят про умопомрачительный мир частиц по фотографиям, приобретенным 10-ки годов назад при помощи устройств, о которых мы как раз и собираемся поведать.
От капелек к пузырькам
Основными средствами детектирования заряженных частиц к середине XX века были ядерные эмульсии и камеры Вильсона. В ядерных эмульсиях при просвете частички происходила хим реакция, а в камере Вильсона, работавшей при давлении в 300 атмосфер, сверхнасыщенный пар конденсировался в жидкость.
К тому времени было уже открыто огромное количество частиц: электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мюоны в галлактических лучах, пи-мезоны. Но попадались и такие таинственные экземпляры, которые никак не удавалось изучить при помощи имеющихся сенсоров. Чтоб с ними разобраться, экспериментаторам необходимы были новые способы регистрации частиц.
В 1950 году поисками новых методов детектирования занялся в Мичиганском институте Дональд Глейзер. Требования к сенсору были последующие. Он был должен срабатывать и ворачиваться в начальное состояние за несколько секунд, так как в то время уже готовился к запуску новый ускоритель, способный выдавать пучки протонов с такими маленькими интервалами. Более того, в течение этих секунд конфигурации, вызванные пролетающими частичками, должны были становиться так видными, чтоб их можно было запечатлеть на фото, и все это при разумных температурах и давлениях. Глейзер перебрал огромное количество вариантов, связанных с хим и электронными превращениями, водянистыми и жесткими телами, и приостановил собственный выбор на перегретой воды.
Создадим маленькое отступление и кратко поведаем о физическом явлении перегрева, на котором основан принцип деяния пузырьковой камеры и предшествовавшей ей камеры Вильсона. Понятно, что вода, к примеру, бурлит в обыденных критериях при температуре 1000С. Но те, кто когда-нибудь подымался высоко в горы, где давление меньше, чем на уровне моря, подтвердят, что там для закипания воды полностью довольно и 900С. А вот при повышении давления температура кипения, напротив, возрастает. Но самое увлекательное – то, что если жидкость, подогретую при высочайшем давлении, вдруг возвратить в обыденные условия (понизить давление с помощью поршня), она закипит не сходу, а будет некое время пребывать в неуравновешенном состоянии, пока ее не потревожат. Такая жидкость и именуется перегретой. Нарушить ее неустойчивое равновесие может заряженная частичка. При движении частички, в воды образуются ионы, вокруг которых возникают пузырьки, и начинается кипение.
Начало пузырьковой эры
Но вернемся опять к Глейзеру. Для первых собственных тестов он избрал диэтиловый эфир, который был сравнимо дешев и просто выделялся в чистом виде, а при работе с ним не требовалось никаких сверхъестественных температур и давлений. Проведя собственные расчеты, Глейзер, все же, решил выискать данные в научной литературе и в одном из ведущих журналов физической химии за 1924 год нашел-таки увлекательную статью об опытах с диэтиловым эфиром. Главный изложенный там экспериментальный факт был последующим: перегретый до температуры 1400С диэтиловый эфир при обыкновенном давлении в одну атмосферу самопроизвольно закипал через случайные промежутки времени. И здесь следует дать подабающее напористости и интуиции Глейзера. Он проанализировал приведенную табличку с этими случайными интервалами и узнал, что в среднем время, через которое происходит закипание, составляет 60 с. Далее он взял известные данные о галлактическом и радиоактивном фоне, учел описанную создателями конструкцию емкости с эфиром и вычислил, что через нее в среднем каждые 60 с должна пролетать одна частичка!
Похоже, он был на правильном пути. 1-ое устройство, изготовленное Глейзером, состояло из 2-ух соединенных меж собой трубочек, заполненных водянистым и газообразным диэтиловым эфиром. Они имели длину 10 см и внутренний поперечник 3 мм. Поначалу обе трубочки нагревались до 1600С и 1400С, а потом более подогретая охлаждалась до комнатной температуры. Во 2-ой трубке при всем этом создавалось перегретое состояние, и как к ней подносили источник радиоактивного излучения (Глейзер использовал радиоактивный кобальт), диэтиловый эфир закипал. Итак, сама возможность детектирования при помощи перегретой воды была подтверждена, но оставался другой, более принципиальный вопрос – можно ли таким методом получать четкие следы частиц?
Чтоб это показать, Глейзер приготовил несколько малеханьких камер из тугоплавкого борного стекла (пирекса), заполненных несколькими кубическими сантиметрами диэтилового эфира. Высочайшая температура поддерживалась при помощи масляной ванны, а для сброса давления вручную использовалась особая ручка. Сразу с открытием ручки врубалась кинокамера и со скоростью 3000 кадров за секунду снимала все, что происходило в сосудах. Потом процесс снятия давления и следующего сжатия был автоматизирован и синхронизован с кинокамерой и счетчиком Гейгера, который докладывал о возникновении частички. Кинофильм вышел захватывающий. Пузырьки, образовавшиеся при просвете заряженной частички, вырастали до 1 мм за 300 мкс. В почти всех случаях следы частиц были ясно видны, и стало ясно, что прибор полностью подходящ для измерений.
В 1955 году в Брукхейвене в США 15-сантиметровая пузырьковая камера, заполненная пропаном, была в первый раз применена в опыте на ускорителе. А уже на последующий год другую камеру, вдвое большего размера, поперечником 30 см, расположили в магнитное поле и получили 60 тыс. стереоснимков с изображениями следов частиц. На их сейчас можно было различить положительные и отрицательные частички, потому что они под действием магнитного поля отклоняются в различные стороны, и по кривизне линии движения вычислить их скорость. Так началась эпоха пузырьковых камер, а в 1960 году Дональд Глейзер получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике.
Волшебство инженерной мысли
Устройство, называемое пузырьковой камерой, представляет собой сосуд с окошками, заполненный прозрачной жидкостью под давлением в несколько атмосфер и помещенный в магнитное поле. Если рабочая жидкость бурлит при очень низкой температуре, как, к примеру, водород, все это еще помещается в криостат и охлаждается. Перед вбросом частиц из ускорителя происходит расширение рабочего объема при помощи специального поршня, давление снижается и появляется перегретая жидкость. Некие частички пролетают насквозь, некие ведут взаимодействие с веществом камеры, но при всем этом все, имеющие заряд, оставляют за собой следы в виде пузырьков закипающей воды. Все это происходит за сотые толики микросекунды. Через несколько миллисекунд пузырьки растут до видимых размеров, для освещения врубается импульсная лампа, и несколько камер (обычно их три) сразу фотографируют рабочий объем камеры. Они агрессивно закреплены в различных местах 1-го и такого же окна, а означает, позволяют получить стереоизображение. Когда снимки изготовлены, давление опять наращивают, пузырьки исчезают, и камера вновь готова к измерениям. Весь цикл занимает несколько 10-ов миллисекунд.
Если все линии движения (либо треки) кропотливо измерить на всех 3-х сразу изготовленных снимках, то можно вернуть пространственную картину действия и вычислить свойства всех участвовавших в нем частиц. Поначалу этим вручную занимались сами физики, но позже, когда счет пошел на сотки тыщ кадров, положение выручили показавшиеся к тому времени компы и автоматические сканирующие устройства. Без их совладать с таковой горой инфы было бы просто нереально. Общее число стереоснимков, приобретенных в опытах на пузырьковых камерах, превосходит 100 млн!
Последние из могикан
Новое – не до конца забытое старенькое
Еще в середине 20-го века была изобретена пузырьковая камера - устройство, которое активно использовалось для наблюдения за микрочастицами. По большей части применялось оно физиками, которые наблюдали за микромиром. Даже сегодня, несмотря на колоссальное развитие техники и наличие различных электронных датчиков, школьникам показывают фотографии частиц, сделанные при помощи пузырьков.
О том, как появилась камера
Как уже было отмечено выше, в середине 20-го столетия и появилось данное изобретение. А все из-за того, что ученым-физикам никак не удавалось исследовать заряженные частицы имеющимися детекторами. К тому времени все уже знали, что такое протон, нейтрон, электрон и позитрон. В 1950 году решением данного вопроса занялся Д. Глейзер. Ученый пытался использовать как химические, так и физические реакции, электрические и жидкие, а также твердые превращения. Но решил он остановиться на жидкостном явлении, а если быть точнее, на принципе перегрева рабочей смеси. Основные требования, которые Дональд выдвигал к своему изобретению, - это высокая скорость срабатывания, позволяющая запечатлеть частицу на фотографии в нужный момент. Безусловно, пузырьковая камера и камера Вильсона чем-то похожи. Но тут есть и ряд отличий, о чем мы, собственно, и поговорим далее.
Пузырьковая камера: принцип действия
В качестве рабочей жидкости использовался диэтиловый эфир, который обладал таким преимущество, как низкая цена. Кроме того, его без труда можно было получать в чистом виде. Суть заключалась в том, чтобы нагреть данную жидкость до температуры закипания (1400 градусов по Цельсию), а затем охладить до комнатной. В это время подносится радиоактивный материал, например кобальт, после этого с промежутком примерно в 60 секунд, рабочая жидкость закипает. Один раз в минуту можно было запечатлеть движение частиц на фотографию.
Чтобы все показать наглядно, Глейзер использовал две камеры, изготовленные из тугоплавкого стекла и наполненные диэтиловым эфиром. Нагревание осуществлялось в масляной ванне, а давление можно было понизить при помощи рукоятки. В это время запускалась камера. В среднем частота кадров составляла порядка 3000 в секунду. Это позволяло запечатлеть движение частиц в сосудах. В дальнейшем пузырьковая камера была немного автоматизирована, но принцип действия остался таким же. Чаще всего использовали счетчик Гейгера, который позволял отследить появление радиации.
Пузырьковая камера: устройство
Теперь давайте немного поговорим о том, что же собой представляет данное изобретение. В большинстве случаев это сосуд, имеющий несколько небольших окошек. Камеры наполнялись специальной жидкостью и помещались в магнитное поле. Всегда использовалось давление выше атмосферного. Иногда применялся криостат, который был необходим для охлаждения рабочей жидкости (РЖ), закипающей при низких температурах. Непосредственно перед выпуском радиоактивных элементов из ускорителя сбрасывалось давление в камерах, и получалась перегретая жидкость. Все, что имеет заряд, на своем пути оставляет пузырьки с кипящей жидкостью. Для осуществления реакции достаточно всего доли микросекунды. Уже через мгновение пузырьки становились на порядок больше. Для подсветки включалась лампа и три фотокамеры, при помощи которых получалось стереоизображение.
Заключительный этап эксперимента
О преимуществах использования камер данного типа
Как было отмечено выше, устройство по принципу действия немного похоже на изобретение Вильсона. Но тут есть ряд неоспоримых преимуществ. Самым весомым достоинство можно считать скорость срабатывания, которая с высокой вероятностью позволяет зафиксировать на фотоснимке достойное внимания явление.
Еще один плюс заключается в том, что в качестве рабочей жидкости используются текучие вещества, обладающие высокой плотностью. Это гораздо повышает шанс того, что в данной среде произойдет ожидаемое событие. В чем преимущество пузырьковой камеры, так это в том, что цикл ее работы занимает достаточно мало времени. Данный параметр является просто необходимым условием для использования устройства в ускорителях разного типа. Перегретую жидкость можно получить достаточно быстро, для этого нужно только снизить давление в системе. Вот, в принципе, все основные преимущества данного устройства.
Немного о недостатках
Как было замечено еще в самом начале данной статьи, в настоящее время существует просто огромное количество различных электронных датчиков, позволяющих с высокой точностью находить нужные объекты, с большой скоростью отбирать нужные элементы, определять их пространственную картину. Именно в недостаточной управляемости заключаются основные недостатки пузырьковой камеры. Как правило, большая часть полученных результатов не представляет никакого научного интереса, но, чтобы отбросить ненужное на фотографии, может уйти довольно много времени. Еще один минус в том, что устройство просто невозможно моментально запустить, в частности, это обусловлено инерционностью рабочей жидкости и другими физическими параметрами. В принципе, с недостатками мы разобрались, давайте пойдем дальше.
О технической стороне
Несколько важных моментов
Стоит обратить внимание на то, что в настоящее время данные камеры уже не используются. Практически все списали их со счетов, но, как оказалось, это было преждевременное решение. В 2002 году при помощи пузырьков были открыты новые частицы под названием пентакварты. Но опять же это результат не исследований этого же года, а элементарной проверки фотоснимков, полученных много лет назад. Это говорит о том, что можно найти нечто стоящее из того, что было сделано в прошлом.
Более того, вычислительная мощность современной техники настолько велика, что на обработку каждого снимка будет уходить очень мало времени. В принципе, эффективность такого рода трекового детектора в настоящее время достаточно низкая, поэтому их использовать уже не целесообразно, однако когда-то полученные экспериментальные данные могут быть полезными и сегодня.
Заключение
Ну, вот и все, что можно сказать о том, что такое пузырьковая камера. Схема устройства достаточно простая, как и все гениальное. Стоит сказать несколько слов о том, что эффективность подобных приборов во многом зависит от их размеров. Чем больше камера, тем выше шанс обнаружить что-то полезное. Тем не менее с увеличением габаритов увеличивается цена на материалы и рабочую жидкость, которая в больших размерах имеет внушительную стоимость. Теперь вы знаете, что такое пузырьковая камера, принцип действия которой основан на перегреве жидкости. Этот эффект исследован вдоль и поперек, поэтому в настоящее время более актуальными считаются электронные датчики, которые выигрывают по всем параметрам.
Пузырьковая камера была изобретена в \(1952\) году американским физиком Дональдом Глазером . За своё изобретение учёный получил Нобелевскую премию по физике в \(1960\) году.
Луис Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру, используя в качестве перегретой жидкости водород. Он первым применил компьютерную программу для обработки данных, что позволило делать это намного быстрее.
Является разновидностью камеры Вильсона. Первая модификация пузырьковой камеры состояла из металлической камеры со стеклянными окнами для освещения и фотографирования, заполненной жидким водородом. Позднее камеры усовершенствовались.
Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии, близком к вскипанию. При резком понижении давления жидкость становится перегретой и существует в таком состоянии некоторое время (\(10\) – \(40\) мс). При движении заряженной частицы в такой жидкости вдоль её траектории образуется ряд пузырьков пара.
После фотографирования трека давление поднимается, пузырьки исчезают, камера готова к регистрации следующей ионизирующей частицы. Весь цикл работы составляет менее \(1\) секунды.
Если пузырьковую камеру поместить в сильное магнитное поле, то по радиусу кривизны траектории можно определить импульс заряженной частицы.
Пузырьковая камера
В камере Вильсона нельзя было наблюдать ядерные реакции с участием релятивистских тяжёлых частиц (например, протонов), так как они практически не тормозятся в газах. Для решения данной проблемы 1952 году американским учёным Д. А. Глейзером было предложено использовать перегретую жидкость. А камера, которую он придумал, получила название пузырьковая.
Принцип её действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. В качестве рабочей жидкости используется сжиженный газ (водород, пропан или ксенон) под высоким давление, предохраняющим её от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость жидкость становится перегретой. В этом состоянии она может находиться течении небольшого промежутка времени, так как оно является неустойчивым. Прохождение через такую жидкость заряженной частицы вызовет вскипание жидкости вдоль её траектории, а на образовавшихся ионах сформируется цепочка пузырьков пара (т. е. трек частицы) . С лед частицы обычно фотографируют, когда пузырьки пара достигают больших размеров. После процесса фотографирования давление в камере опять поднимается, до прежних значений, пузырьки пропадают, и камера снова может работать. Весь цикл работы пузырьковой камеры составляет менее одной секунды, время чувствительности прибора от 10 до 40 миллисекунд.
Для того, чтобы определить тип частицы, её энергию и импульс, пузырьковую камеру так же как и камеру Вильсона помещают во внешнее магнитное поле.
Старая пузырьковая камера Лаборатории им. Э. Ферми
Схема пузырьковой камеры:
1 -входное окно; 2 -поршень; 3 -фотокамеры;
4 -поверхности, покрытые "скотчлайтом";
5 -магнит; 6 -лазер; 7 -окно вакуумного кожуха;
8 -расширяющая линза; 9 -осветитель
Размеры пузырьковых камер от десятков сантиметров до двух и более метров . Их эффективный объем на 2 — 3 порядка больше, чем у камеры Вильсона, так как жидкости гораздо плотнее газов.
Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. В ней застревают частицы даже больших энергий, поэтому пробеги частиц в основном короткие. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции. Главное её преимущество состоит в том, что она позволяет получить точные измерения импульсов быстрых ионизирующих частиц.
Из недостатков одним из самых значимых является её слабая управляемость, которая нужна для отбора нужных актов распада частиц либо их взаимодействия. Устройство невозможно моментально запустить по сигналам внешних детекторов из-за инерционности рабочей жидкости и других физических параметров. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. И, к сожалению, з начительная часть этих событий не представляет интереса. Обработка снимков проходит в два этапа: сначала отбираются снимки с интересующими событиями, а затем проводятся измерения координат точек на следах отобранных событий с помощью микроскопов, полуавтоматических или автоматических измерительных устройств. По специальным программам на компьютерах вычисляются геометрические характеристики треков: углы вылета частиц, длины пробегов, импульсы, ошибки этих величин и т. д.
С п омощью пузырьковых камер было сделано ряд открытий в физике высоких энергий: были открыты антисигма-минус-гиперон ( 1960 , Дубна), омега-минус-гиперон ( 1964 , США), нейтральные токи ( 1973 , ЦЕРН) и другие. Обнаружены и изучены многочисленные частицы - резонансы и т. д.
За свое изобретение в 1960 году Д. А. Глейзер получил Нобелевскую премию по физике.
Читайте также: