Пузырьковая камера
Пузырько́вая ка́мера — прибор для регистрации следов (или треков) быстрых заряженных ионизирующих частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.
Содержание
История
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. До этого около 40 лет была известна камера Вильсона.
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.
Рабочая жидкость
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).
Создание перегретой жидкости
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).
Процесс измерения
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
Пузырьковые камеры (кроме ксеноновых) размещаются в сильных магнитных полях. Это позволяет определить импульсы заряженных частиц по измерению радиусов кривизны их траекторий.
Применение
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.
Характеристики, достоинства и недостатки
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.
См. также
Литература
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Пузырьковая камера» в других словарях:
ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА — прибор для регистрации следов (треков) заряж. ч ц высоких энергий, действие к рого основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории ч цы. Изобретена Д. Глейзером (США) в 1952 (Нобелевская премия, 1954). Жидкость можно нагреть выше… … Физическая энциклопедия
ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА — ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА, устройство для обнаружения и распознавания ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. Оно состоит из герметичной камеры, заполненной сжиженным газом, обычно водородом, температура которого поддерживается на уровне несколько ниже точки кипения за… … Научно-технический энциклопедический словарь
ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА — ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА, детектор частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории (трека) частицы. Служит для регистрации актов взаимодействия элементарных частиц высоких энергий с ядрами жидкости или распада… … Современная энциклопедия
ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА — трековый детектор ядерных излучений, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости (образовании мелких пузырьков пара) вблизи ионов, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. Распространены криогенные пузырьковые камеры,… … Большой Энциклопедический словарь
пузырьковая камера — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN bubble chamber … Справочник технического переводчика
Пузырьковая камера — ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА, детектор частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории (трека) частицы. Служит для регистрации актов взаимодействия элементарных частиц высоких энергий с ядрами жидкости или распада… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Пузырьковая камера — прибор для регистрации следов (треков) быстрых заряженных частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Изобретена Д. Глейзером (США) в 1952. Перегретая жидкость может существовать некоторое … Большая советская энциклопедия
пузырьковая камера — трековый детектор ядерных излучений, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости (образовании мелких пузырьков пара) вблизи ионов, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. Распространены криогенные пузырьковые камеры,… … Энциклопедический словарь
пузырьковая камера — burbulinė kamera statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. bubble chamber vok. Blasenkammer, f rus. пузырьковая камера, f pranc. chambre à bulle, f … Fizikos terminų žodynas
ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА — трековый детектор ядерных излучений, действие к рого основано на вскипании перегретой жидкости (образовании мелких пузырьков пара) вблизи ионов, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. Распространены криогенные П. к., заполненные… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Физика атомного ядра. Экспериментальные методы регистрации элементарных частиц.
Методы регистрации элементарных частиц основаны на использовании систем в долгоживущем неустойчивом состоянии, в которых под действием пролетающей заряженной частицы происходит переход в устойчивое состояние.
Счетчик Гейгера.
Счетчик Гейгера — детектор частиц, действие которого основано на возникновении самостоятельного электрического разряда в газе при попадании частицы в его объем. Изобретен в 1908 г. X. Гейгером и Э. Резерфордом, позднее был усовершенствован Гейгером и Мюллером.
Счетчик Гейгера состоит из металлического цилиндра — катода — и тонкой проволочки, натянутой вдоль его оси — анода, заключенных в герметический объем, заполненный газом (обычно аргоном) под давлением порядка 100-260 ГПа (100-260 мм рт. ст.). Между катодом и анодом прикладывается напряжение порядка 200-1000 В. Заряженная частица, попав в объем счетчика, образует некоторое количество электронно-ионных пар, которые движутся к соответствующим электродам и при большом напряжении на длине свободного пробега (на пути до следующего столкновения) набирают энергию, превосходящую энергию ионизации, и ионизируют молекулы газа. Образуется лавина, ток в цепи возрастает. С нагрузочного сопротивления импульс напряжения подается на регистрирующее устройство. Резкое увеличение падения напряжения на нагрузочном сопротивлении приводит к резкому уменьшению напряжения между анодом и катодом, разряд прекращается, и трубка готова к регистрации следующей частицы.
Счетчиком Гейгера регистрируют в основном электроны и γ-кванты (последние, правда, с помощью дополнительного материала, наносимого на стенки сосуда, из которых γ-кванты выбивают электроны).
Камера Вильсона.
Камера Вильсона — трековый (от англ. track — след, траектория) детектор частиц. Создана Ч. Вильсоном в 1912 г. С помощью камеры Вильсона был сделан ряд открытий в ядерной физике и физике элементарных частиц, таких, как открытие широких атмосферных ливней (в области космических лучей) в 1929 г., позитрона в 1932 г., обнаружение следов мюонов, открытие странных частиц. В дальнейшем камера Вильсона была практически вытеснена пузырьковой камерой как более быстродействующей. Камера Вильсона представляет собой сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению (см. рис.). Действие ее основано на конденсации перенасыщенного пара (воды или спирта) на ионах, образованных пролетевшей частицей. Перенасыщенный пар создастся резким опусканием поршня (см. рис.) (пар в камере при этом адиабатически расширяется, вследствие чего температура его резко надает).
Капельки жидкости, осевшие на ионах, делают видимым след пролетевшей частицы — трек, что дает возможность его сфотографировать. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека — оценить ее скорость. Помещение камеры в магнитное поле позволяет определить по кривизне трека отношение заряда частицы к ее массе (впервые предложено советскими физиками П. Л. Капицей и Д. В. Скобельцыным).
Пузырьковая камера.
Пузырьковая камера — прибор для регистрации следов (треков) заряженных частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.
Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры составляет 0,1 с. Преимущество ее перед камерой Вильсона — в большей плотности рабочего вещества, позволяющей регистрировать частицы больших энергий.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Егоров О. Наглядный способ регистрации заряженных частиц //Квант. — 2001. — № 6. — С. 11-16.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Содержание
Физике известны четыре фундаментальных типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Два первых простираются на большие расстояния и поэтому были изучены раньше других. Чтобы исследовать сильные и слабые взаимодействия микрочастиц, многие из которых являются элементарными, нужны реакторы, ускорители и весьма изощренные методы наблюдения. Значительная часть явлений физики микромира может быть объяснена с помощью фотографий, сделанных в пузырьковых камерах. О них и пойдет речь в статье.
Как устроена пузырьковая камера
Пузырьковая камера была изобретена американским физиком Д.Глейзером в начале 50-х годов XX века (в 1960 году за это открытие ему была присуждена Нобелевская премия). В пузырьковой камере частица движется в перегретой жидкости, т.е. в жидкости, нагретой выше точки кипения. Это состояние неустойчиво, и через некоторое время жидкость начинает кипеть. Если через камеру пролетает быстрая заряженная частица, то вскипание происходит около сгустков ионов, и вдоль следа частицы образуется цепочка пузырьков. (Нечто похожее можно наблюдать, бросив в стакан с пивом мельчайшую крупинку поваренной соли: падая, она оставляет след из пузырьков газа.)
Пузырьковые камеры обычно используются для регистрации актов взаимодействия частиц высоких энергий с ядрами жидкости или актов распада частиц. В первом случае рабочая жидкость исполняет роль мишени и регистрирующей среды. Диапазон возможных рабочих жидкостей пузырьковой камеры очень велик: от жидкого водорода до жидкого ксенона. Таким образом, камеры позволяют изучать взаимодействие микрочастиц как с самым легким ядром, т.е. протоном, так и со сложной ядерной системой, состоящей, например, из 54 протонов и 77 нейтронов (ядро ксенона).
Пузырьковую камеру удалось прекрасно приспособить к работе с пульсирующими ускорителями: цикл ее работы достаточно короток, а искажения следов, вызванные турбулентными движениями жидкости, невелики. Обычно камера работает в сильном магнитном поле, что позволяет измерить импульсы заряженных частиц и произвести весьма точный кинематический анализ исследуемого события.
Первые пузырьковые камеры имели объем всего лишь несколько кубических сантиметров. На рисунке 1 показан след заряженной космической частицы, полученный в такой камере, наполненной жидким эфиром при температуре 140 °С.
Многие лаборатории внесли свой вклад в технику пузырьковых камер. Так, уже к середине 60-х годов на ускорителях работали камеры метровых размеров. Упомянем, например, о французской камере «Мирабель», работавшей на ускорителе Института физики высоких энергий в Протвино (объем 12 м 3 ), о камере ВЕВС (Big European Bubble Chamber — Большая Европейская Пузырьковая Камера) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) близ Женевы (объем 35 м 3 ) и о камере ускорителя Фермиевской лаборатории в Чикаго (объем 33 м 3 ).
На больших ускорителях достаточно иметь одну-две большие камеры. Их производительность — миллионы снимков в год. Снабдив снимками лаборатории, имеющие измерительную аппаратуру и единую программу обработки, можно объединить усилия многих научных коллективов в поисках редких событий. Современные исследования в области физики высоких энергий, выполненные этим методом, часто заканчиваются публикациями, у которых многие десятки авторов, иногда работающих на различных континентах.
На рисунке 2 показан общий вид камеры ВЕВС в момент монтажа. Камера представляет собой цилиндр выстой 2 м и диаметром 3,7 м, увенчанный купольным сводом, на котором смонтированы четыре фотокамеры для стереоскопического фотографирования и перископическая система визуального наблюдения. В нижней части расположена расширительная система, предназначенная для периодического, синхронизованного с импульсами ускорителя, сбрасывания давления. Камера наполнена жидким водородом и помещена в вакуумный резервуар, играющий роль теплоизолирующего сосуда Дюара (большой термос). Пучок частиц проходит по диаметру камеры, примерно на половине ее высоты. Камеру окружают катушки сверхпроводящих соленоидов. Соленоиды расположены в своей вакуумной камере, наполненной жидким гелием. Все устройство окружено большим магнитным экраном, уменьшающим рассеяние магнитного поля. Вместе со всеми криогенными устройствами и сверхпроводящим магнитом, работающим при температуре жидкого гелия, такая камера представляет собой уникальное сооружение. Для его создания потребовались усилия ученых многих стран.
Снимки событий в пузырьковых камерах
Перейдем к основному событию, делающему этот снимок замечательным. Оно представляет собой так называемое парное рождение двух нейтральных странных частиц (термин «странность» появился как раз из-за обнаружения таких необычных частиц). Один из пи-мезонных следов внезапно исчезает, а далее по пучку замечаем две двухлучевые вилки, вершины которых обращены к концу следа. Мы можем предположить, что при исчезновении пи-мезона возникли две нейтральные частицы, распад которых и наблюдается в виде вилки. Действительно, следы частиц в вилке соответствуют зарядам противоположных знаков. Не приводя доказательств, укажем, что наблюдаемое явление можно описать такими реакциями:
Поясним, что они означают.
Таким образом, мы приходим к представлению о сильных и слабых взаимодействиях. Первые ответственны за рождение новых частиц, вторые — за их распад.
Дальнейшая наша задача — выяснить, как выглядят в пузырьковой камере некоторые электромагнитные взаимодействия. Именно они создают ионы и электроны — зародыши капель, и они же отклоняют частицы в магнитном поле. Электромагнитные взаимодействия дают возможность отождествить частицу: определить ее заряд, массу, энергию и импульс.
Отклонение частицы магнитным полем и определение ее импульса
Следы частиц на наших снимках — либо дуги большого радиуса, если это тяжелые частицы, либо спирали в случае электронов и позитронов. Искривление траектории возникает под действием магнитного поля. На заряженную частицу в магнитном поле действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно как скорости частицы \(
\vec \upsilon\), так и вектору индукции магнитного поля \(
\vec B\). Если частица влетает в магнитное поле перпендикулярно полю, то она движется по окружности, если же она влетает под углом — то по винтовой линии. На разноименно заряженные частицы, движущиеся в одном направлении, действуют противоположно направленные силы — именно поэтому следы электронов и позитронов расходятся в разные стороны.
Запишем второй закон Ньютона для частицы с зарядом Ze и массой m, движущуюся по окружности в магнитном поле с индукцией В. Причем сделаем это в такой форме, которая пригодна как для медленных, так и для быстрых частиц, в том числе и для ультрарелятивистских, скорость которых близка к скорости света:
Если частица движется по окружности радиусом R со скоростью υ, то ее импульс \(
\vec p\), оставаясь постоянным по модулю, поворачивается с угловой скоростью \(
\omega = \frac<\upsilon>
\Delta p = p \Delta \varphi = p \omega \Delta t\) (проверьте это самостоятельно). Тогда второй закон Ньютона принимает вид
p \omega = Ze \upsilon B.\)
(Если частица движется медленно, то \(
p = m \upsilon\), и в левой части последнего равенства появляется произведение массы на центростремительное ускорение. Для релятивистских и ультрарелятивистских частиц это не так.) Подставляя сюда \(
\upsilon = \omega R\), получаем формулу, выражающую импульс частицы через радиус окружности:
где R измеряется в сантиметрах.
Отметим, что величина рс удобна еще и тем, что через нее простым образом выражается энергия Е частицы. В частности, для медленных частиц
где mc 2 — энергия покоя (в случае электрона она равна 0,51 МэВ). А для ультрарелятивистских частиц, энергия которых гораздо больше энергии покоя,
Когда заряженная частица движется в пузырьковой камере, она растрачивает свою энергию на возбуждение атомов или молекул жидкости. Если переданная энергия достаточно велика, электрон может быть выбит из атома — произойдет образование иона и свободного электрона. Энергия, потерянная частицей на единице пути, т.е. величина \(
\frac<\Delta E><\Delta x>\), зависит от скорости частицы: чем скорость меньше, тем больше времени частица взаимодействует с электроном. Величина \(
\frac<\Delta E><\Delta x>\) оказывается обратно пропорциональной квадрату скорости частицы. В первом приближении можно считать, что
Итак, мы видим, что по следам в пузырьковой камере можно измерить импульс частицы и ее скорость. А зная скорость и импульс, можно определить массу частицы.
Образование δ-частиц
Мы обращали внимание (см. рис.3, например) на спиральные следы частиц. Их скорость велика (тонкие следы), но энергия мала. Это либо следы электронов и позитронов, возникающих при распаде мюонов, либо следы так называемых δ-электронов, выбиваемых при ионизации атома жидкости. Обычно пробег таких электронов мал и не превышает размера пузырьков. Однако иногда (как видно на снимках) выбитый электрон имеет энергию, достаточную для того, чтобы самому начать ионизировать. В этом случае мы видим спираль, ответвляющуюся от основного следа.
Величина mec 2 — это энергия покоя электрона, равная 0,51 МэВ.
Из формулы следует, что даже при очень больших скоростях первичной частицы (близких к скорости света) энергия электрона не может превзойти 1 МэВ. Однако внимательно рассмотрев траектории δ-частиц, мы обнаруживаем, что энергия δ-электронов часто значительно больше. Например, для траектории на рисунке 3 она составляет приблизительно 14 МэВ. Причина расхождения очевидна: мы не приняли во внимание теорию относительности. Ведь при увеличении скорости вместо галилеевского закона сложения скоростей\[
\upsilon’ = \upsilon + \upsilon = 2\upsilon\] действует эйнштейновский закон:
Если учесть все это, мы получим следующую формулу для максимальной энергии δ-электрона:
Мы видим на этом примере, что поправки, связанные с теорией относительности, в корне меняют ситуацию: энергия δ-электронов в случае быстрых частиц может стать очень большой. Возможен даже такой редкий случай, когда при лобовом столкновении первичной частицы с электроном почти вся энергия частицы воспринимается электроном.
Почему следы электронов образуют спирали
Электроны, следы которых мы наблюдали в камере, имеют небольшую энергию, но большую скорость, близкую к скорости света. Так как их энергия мала, на каждом обороте в магнитном поле они теряют заметную часть своей энергии, и следующий оборот происходит при меньшем радиусе. Поэтому следы этих электронов — сворачивающиеся спирали.
Нетрудно оценить, какую энергию теряет быстрый (релятивистский) электрон на сантиметре пути в камере. Рассмотрим, например, след того же δ-электрона с энергией порядка 14 МэВ в жидком водороде. Он совершает около 3 оборотов спирали, так что весь его путь близок к 43 см. Таким образом, средняя потеря энергии на единицу пути равна
Теперь мы можем получить представление о том, сколько ионов создает быстрый электрон в жидком водороде. На создание пары ион — электрон тратится энергия порядка 20 эВ, поэтому число таких пар будет
Фотоны в камере создают вещество и антивещество
На рисунке 4 представлено событие возникновения в камере пары частиц разных знаков заряда — электрона и позитрона, т.е. частицы и античастицы, — из излучения. Условно его можно написать в виде реакции
Фотон не оставляет видимого следа в камере, и следы пары электрон — позитрон возникают как бы из ничего. Можно измерить радиусы этих следов и оценить энергию, уносимую обеими частицами. Для наших снимков энергия лежит в пределах 70-100 МэВ.
Очевидно, что в реакции рождения пары должно участвовать третье тело, которое примет на себя избыток импульса. Таким телом является ядро атома, в электромагнитном поле которого и возникает пара. В жидководородной камере это протон, так что реакцию рождения пары можно написать в таком виде:
\gamma + p \to e^- + e^+ + p.\)
Хотя импульс, получаемый протоном, может быть велик, его кинетическая энергия, равная \(
\frac
Каскадный ливень
Мы наблюдали образование электрон-позитронных пар фотонами. Но каким образом в камере, стоящей в пучке протонов, появились фотоны? Излучать фотоны при торможении в поле ядра — свойство электронов большой энергии. На этом, например, основано действие рентгеновской трубки: электроны, тормозясь в веществе антикатода трубки, излучают фотоны. В пучках тяжелых частиц, которые вводят в пузырьковую камеру, всегда в небольшом количестве присутствуют электроны и позитроны. Они возникают по многим причинам — от распадов тяжелых частиц, если они нестабильны, или при взаимодействиях пучка со стенками каналов, в которых он проходит. Вопрос о происхождении этих легких заряженных частиц нам сейчас не важен. Важно то, что электрон большой энергии, попадая в вещество, не только ионизует вещество, но и излучает фотоны. Причем, когда энергия электрона очень велика, излучение фотонов начинает преобладать над ионизацией. Фотоны большой энергии образуют электрон-позитронные пары, которые в свою очередь излучают фотоны, новые фотоны создают другие пары, и т.д. В результате в веществе возникает каскадный процесс, который сначала развивается, а потом затухает — по мере того как энергия электронов и фотонов уменьшается.
Для наблюдения таких ливней нужна камера с «тяжелой» жидкостью. Дело в том, что вероятность излучения фотона или образования пары пропорциональна квадрату заряда ядра, на котором эти процессы происходят. Поэтому каскадный ливень в жидком водороде разовьется на огромной длине — в несколько метров, тогда как в камере с тяжелой жидкостью для этого нужно всего лишь несколько сантиметров.
На рисунке 5 представлено развитие небольших электромагнитных ливней в пузырьковой камере, наполненной фреоном. Молекула фреона имеет формулу CF3Br, и ядра, входящие в эту молекулу, имеют заряды 6, 9 и 35. Камера находилась в пучке нейтрино высокой энергии. На снимке мы видим чрезвычайно редкое явление — «звезду», возникшую при взаимодействии нейтрино с одним из ядер фреона. Заметим, что такое взаимодействие относится к числу слабых, чем и объясняется редкость снимка. Из «звезды» исходит несколько тяжелых медленных частиц — скорее всего это протоны (плотные, короткие и жирные следы), и большое количество мелких электромагнитных ливней. Их источником являются фотоны, возникшие при распаде образовавшихся в «звезде» нейтральных пионов на два фотона:
Энергия этих ливней не слишком велика (порядка сотен МэВ), и они быстро затухают, образовав около десятка электронов (следы которых видны) и фотонов (не оставляющих следов).
