Камера Вильсона и Пузырьковая камера

Камера Вильсона.

Камера Вильсона (она же туманная камера) — один из первых в истории  приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц.

Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном в 1912 году. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного пара: при появлении в среде перенасыщенного пара каких-либо центров конденсации (в частности, ионов, сопровождающих след быстрой заряженной частицы) на них образуются мелкие капли жидкости. Эти капли достигают значительных размеров и могут быть сфотографированы. Источник исследуемых частиц может располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом случае частицы залетают через прозрачное для них окно).

В 1927 г. советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру в сильное магнитное поле, искривляющее треки, для исследования количественных характеристик частиц (например, массы и скорости).

Камера Вильсона представляет собой  ёмкость со стеклянной крышкой и  поршнем в нижней части, заполненная  насыщенными парами воды, спирта или  эфира. Пары тщательно очищены от пыли, чтобы до пролёта частиц у  молекул воды не было центров конденсации. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся перенасыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.

Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий  она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений и исследования космических лучей.

В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике.

 
Камера Вильсона (1912г.)                   Фотография треков. 

Пузырьковая камера.

Пузырьковая камера — прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.

Пузырьковая камера была изобретена Дональдом Глейзером (США) в 1952 году. За своё открытие Глейзер получил  Нобелевскую премию в 1960 году. Луис Уолтер Альварес усовершенствовал пузырьковую камеру Глейзера, использовав в качестве перегретой жидкости водород. А также для анализа сотен тысяч фотографий, получаемых при исследованиях с помощью пузырьковой камеры, Альварес впервые применил компьютерную программу, позволявшую анализировать данные с очень большой скоростью.

Пузырьковая камера позволила зафиксировать  поведение многих ионизирующих частиц, не поддававшихся ранее наблюдению, и получить о них в тысячи раз  большую информацию.

Принцип работы: Камера заполнена жидкостью, которая находится в состоянии близком к вскипанию. При резком уменьшении давления жидкость становится перегретой. Если в данном состоянии в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована.

В качестве рабочей жидкости наиболее часто применяют жидкие водород  и дейтерий (криогенные пузырьковые  камеры), а также пропан, различные  фреоны, ксенон, смесь ксенона с  пропаном (тяжеложидкостные пузырьковые  камеры).

Перегрев жидкости достигается  за счет быстрого понижения давления до значения, при котором температура  кипения жидкости оказывается ниже её текущей температуры.

Понижение давления осуществляется за время ~ 5—15 мс перемещением поршня (в жидководородных камерах) либо сбросом внешнего давления из объёма, ограниченного гибкой мембраной (в тяжеложидкостных камерах).

Частицы впускаются в камеру в момент её максимальной чувствительности. Спустя некоторое время, необходимое для  достижения пузырьками достаточно больших  размеров, камера освещается и следы фотографируются (стереофотосъёмка с помощью 2—4 объективов). После фотографирования давление поднимается до прежней величины, пузырьки исчезают, и камера снова оказывается готовой к действию. Весь цикл работы составляет величину менее 1 с, время чувствительности ~ 10—40 мс.

Пузырьковые камеры (кроме ксеноновых) размещаются в сильных магнитных полях. Это позволяет определить импульсы заряженных частиц по измерению радиусов кривизны их траекторий.

Пузырьковые камеры, как правило, используются для регистрации актов взаимодействия частиц высоких энергий с ядрами рабочей жидкости или актов распада  частиц. В первом случае рабочая  жидкость исполняет роли и регистрирующей среды, и среды-мишени

Эффективность регистрации пузырьковой  камеры различных процессов взаимодействия или распада определяется в основном её размерами. Наиболее типичный объём  — сотни литров, но существуют камеры гораздо большего размера, например, водородная камера «Мирабель» на ускорителе Института физики высоких энергий  РАН имеет объём 10 м³; водородная камера на ускорителе Национальной ускорительной  лаборатории США — объём 25 м³.

Основное преимущество пузырьковой  камеры — изотропная пространственная чувствительность к регистрации  частиц и высокая точность измерения  их импульсов.

Недостаток пузырьковой камеры — слабая управляемость, необходимая  для отбора нужных актов взаимодействия частиц или их распада.

Старая пузырьковая камера