Диффузионная камера
Камера Вильсона (конденсационная камера, туманная камера) — координатный детектор быстрых заряженных частиц, в котором используется способность ионов выполнять роль зародышей капель жидкости в переохлажденном перенасыщенном паре.
Для создания переохлаждённого пара используется быстрое адиабатическое расширение, сопровождающееся резким понижением температуры.
Быстрая заряженная частица, двигаясь сквозь облако перенасыщенного пара, ионизирует его. Процесс конденсации пара происходит быстрее в местах образования ионов. Как следствие, там, где пролетела заряженная частица, образуется след из капелек воды, который можно сфотографировать. Именно из-за такого вида треков камера получила свое английское название — облачная камера (англ. cloud chamber).
Камеры Вильсона обычно помещают в магнитное поле, в котором траектории заряженных частиц искривляются. Определение радиуса кривизны траектории позволяет определить частицы, а, следовательно, идентифицировать её.
Камеру изобрел в 1912 году шотландский физик Чарльз Вильсон. За изобретение камеры Вильсон получил Нобелевскую премию по физике 1927 года. В 1948 за совершенствование камеры Вильсона и проведенные с ней исследования Нобелевскую премию получил Патрик Блэкетт.
История
Ещё в последней четверти XIX века в работах Кулье, Кисслинга и Айткена было показано, что пыль играет важную роль в образовании тумана. Пытаясь воссоздать в лаборатории это естественное явление, исследователи обнаружили, что в очищенном воздухе туман не образуется. Также было установлено, что капельки образуются именно вокруг пылинок и имеют размеры порядка их размеров. Это стало решением проблемы, подмеченной лордом Кельвином, согласно которой капля воды при росте должна проходить стадию, на которой она имеет размеры, сопоставимые с размерами молекул, однако капля таких размеров испаряется так быстро, что исчезает.
В 1897 году Вильсон показал, что даже в воздухе, очищенном от пыли, туман образуется при расширении большем, чем в 1,37 раз. При этом, при расширении от 1,25 до 1,37 раз образуются только отдельные капельки. В 1899 году он же обнаружил, что если поместить в рентгеновскую трубку некоторое количество урана, то туман начинает образовываться и при расширении 1,25. Джозеф Томсон показал, что центрами конденсации в этих случаях становятся ионы.
Также Вильсон выяснил, что вода охотнее конденсируется на отрицательно заряженных ионах. Томас Лебе исследовал пары других веществ и выяснил, что все вещества, которые он проверил (уксусная кислота, хлороформ, этиловый спирт, хлорбензол и другие), имеют противоположную тенденцию — положительные ионы вызывают конденсацию быстрее, чем отрицательные.
Первый детектор заряженных частиц, созданный Вильсоном в 1912 году, имел вид стеклянного цилиндра диаметром 16,5 см и высотой 3,5 см. Внутри камеры была ёмкость, в которой находилось деревянное кольцо, опущенное в воду. Благодаря испарению с поверхности кольца камера насыщалась паром. Камера была соединена трубкой с вентилем с колбой, из которой был откачан воздух. При повороте вентиля давление падало, воздух охлаждался и пар становился насыщенным, благодаря чему заряженные частицы оставляли за собой полоски тумана. В то же время включались камера и свет.
Основным недостатком камеры было большое время её подготовки к работе. Для того чтобы побороть этот недостаток, Такэо Симидзу в 1921 году создал альтернативный вариант камеры, которая была оснащена поршнем. Он непрерывно двигался, сжимая и расширяя воздух, благодаря чему фотографию можно было делать каждые несколько секунд. Однако модель Симидзу не всегда могла обеспечить хорошее качество снимков, потому что воздух в ней расширялся слишком медленно.
В 1927 году Пётр Капица и Дмитрий Скобельцин предложили помещать камеру в сильное магнитное поле. Это позволило легко разделять на снимках треки положительно и отрицательно заряженных частиц, а также определять их соотношение массы к заряду.
В 1927 году, стремясь совместить лучшие стороны каждой из моделей, Патрик Блэкетт видоизменил камеру Симидзу, добавив туда пружину, которая обеспечивала резкое расширение. В 1929 году его улучшенная модель камеры ежедневно делала более 1200 снимков, на каждом из которых были изображены десятки треков альфа-частиц. Именно Блэкетт первый получил фотографии расщепления ядер азота альфа-частицами.
В 1930 году Л. В. Мысовский с проводили опыты с рубидием, и в камере Вильсона было зарегистрировано испускание β-частиц. Позже была открыта естественная радиоактивность изотопа 87Rb. В 1932 г. К. Д. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.
В 1933 году Вильсон предложил другую конструкцию камеры, которая использовала резиновую диафрагму вместо поршня.
В том же году Блэкетт и Джузеппе Оккиалини разработали вариант камеры, которая расширялась, только когда срабатывали два счётчика, один из которых находится над ней, а другой под ней. Это изменение позволило значительно повысить эффективность работы камеры в случае, если она должна фиксировать редкие события, такие как космические лучи. Блэкетт и Оккиалини указывают, что на 80 % фотографий, полученных таким образом, присутствовали следы космических лучей.
В 1934 году Л. В. Мысовский с М. С. Эйгенсоном проводили эксперименты, в которых при помощи камеры Вильсона было доказано якобы присутствие нейтронов в составе космических лучей. (Примечание: Время жизни свободных нейтронов (около 17 минут) не позволяет им быть в составе космических лучей, они могут лишь образовываться при ядерных реакциях с участием космических лучей.)
В 1952 году Дональдом Глазером была изобретена пузырьковая камера, после чего значение камеры Вильсона уменьшилось. Пузырьковая камера позволяла фиксировать события точнее и чаще, а потому стала основным инструментом новых исследований.
Строение
Обычно, камера Вильсона состоит из цилиндра, содержащего насыщенный паром воздух, и поршня, который может двигаться в этом цилиндре. При опускании поршня воздух резко охлаждается, и камера становится пригодной для работы. В другом, более современном варианте вместо поршня использовалась резиновая диафрагма. В этом случае камера имеет перфорированное дно, под которым расположена диафрагма, в которую закачан воздух под давлением. Тогда для начала работы нужно только выпустить воздух из диафрагмы в атмосферу или специальную ёмкость. Такие камеры дешевле, проще в использовании, а также меньше нагреваются в процессе работы.
Для частиц низких энергий давление воздуха в камере снижают ниже атмосферного, тогда как для фиксации высокоэнергетических частиц, наоборот, воздух в камеру закачивают под давлением в десятки атмосфер. Камеру заполняют паром воды и этилового спирта и удаляют ядра конденсации во избежание преждевременной конденсации, в результате чего образуется пересыщенный пар, готовый к образованию треков на нем. Такая смесь используется из-за того, что водяной пар лучше конденсируется на отрицательных ионах, а пары этилового спирта — на положительных ионах.
Время активной работы камеры длится от сотых долей секунды до нескольких секунд, проходящих от расширения воздуха и до тех пор, пока камера не заполнится туманом, после чего камера очищается и может запускаться повторно. Полный цикл использования обычно составляет около минуты. Источник излучения может помещаться внутрь камеры, или находиться извне её. В этом случае частицы попадают в камеру через прозрачный экран.
Использование
Значение камеры Вильсона для физики элементарных частиц трудно переоценить — в течение десятков лет она была единственным эффективным способом непосредственно наблюдать треки элементарных частиц. С её помощью были открыты позитрон и мюон, а также исследованы ядерные реакции альфа-частиц с атомами азота. После изобретения пузырьковой и искровой камеры значение камеры Вильсона начало уменьшаться, однако, из-за значительно меньшей стоимости по сравнению с более прогрессивными детекторами, она всё ещё используется в некоторых отраслях.
Удельная ионизация
Удельной ионизацией называют количество пар ионов, создаваемых частицей при пролёте через вещество на единицу расстояния. При этом, электроны, выбиваемые из атомов, могут иметь достаточную энергию для того, чтобы ионизировать другие атомы. Это явление называют вторичной ионизацией. В камере Вильсона такие электроны будут выглядеть как ответвление от основной траектории полета частицы, или же просто как сгустки пара (если энергия электронов не очень большая). В то время как подсчитать удельную ионизацию можно многими способами (например, с помощью счетчика Гейгера), для разделения первичной и вторичной ионизации камера Вильсона является наиболее простым методом.
Пробег
Длина пробега частицы в веществе является важным показателем, и должна быть известной для защиты от излучения. Камера Вильсона позволяет измерять как средний пробег, так и распределение пробегов. С помощью этих данных можно достаточно точно определить как энергию частицы, так и толщину защитного слоя, который блокирует этот тип излучения.
Примечания
- КАМЕРА ВИЛЬСОНА и ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ В ФИЗИКЕ Архивная копия от 11 августа 2017 на Wayback Machine (рус.)
- Камера Вильсона Архивная копия от 27 января 2021 на Wayback Machine (рус.)
- The cloud chamber and its metamorphoses Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (англ.)
- Камера Вильсона Архивная копия от 2 июля 2013 на Wayback Machine (рус.)
- Мещеряков М. Г., Перфилов Н. А. Памяти Льва Владимировича Мысовского (К семидесятипятилетию со дня рождения) // Выпуск УФН : Сборник УФН. — М., 1963. — Вып. Ноябрь. Архивировано 10 августа 2017 года.
- Основы физики атомного ядра. Ядерные технологии Архивная копия от 1 мая 2021 на Wayback Machine (рус.)
Литература
- І. М. Кучерук, І. Т. Горбачук, П. П. Луцик. Загальний курс фізики: Навчальний посібник у 3-х т.. — Техніка, 2006.
Ссылки
- How to Build a Cloud Chamber
- Diffusion cloud chamber instructions
- Wilson’s Original Apparatus Архивная копия от 30 июня 2008 на Wayback Machine
- Richard A. Muller demonstrates a cloud chamber in lecture (26 minutes into film) Архивная копия от 25 апреля 2016 на Wayback Machine
- Radiation tracks in Cloud Chambers Архивная копия от 4 июля 2013 на Wayback Machine
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Диффузионная камера, Что такое Диффузионная камера? Что означает Диффузионная камера?
Kamera Vilsona kondensacionnaya kamera tumannaya kamera koordinatnyj detektor bystryh zaryazhennyh chastic v kotorom ispolzuetsya sposobnost ionov vypolnyat rol zarodyshej kapel zhidkosti v pereohlazhdennom perenasyshennom pare Sledy radioaktivnyh chastic v tumannoj kamereSledy radioaktivnyh chastic voznikayut blagodarya specificheskim usloviyam vnutri kamery v osnovnom blagodarya sloyu nasyshennyh parov izopropilovogo spirtaFotografiya trekov ot ioniziruyushego izlucheniya v kamere Vilsona korotkie ot a chastic dlinnye ot b chastic Animacionnaya versiya Dlya sozdaniya pereohlazhdyonnogo para ispolzuetsya bystroe adiabaticheskoe rasshirenie soprovozhdayusheesya rezkim ponizheniem temperatury Bystraya zaryazhennaya chastica dvigayas skvoz oblako perenasyshennogo para ioniziruet ego Process kondensacii para proishodit bystree v mestah obrazovaniya ionov Kak sledstvie tam gde proletela zaryazhennaya chastica obrazuetsya sled iz kapelek vody kotoryj mozhno sfotografirovat Imenno iz za takogo vida trekov kamera poluchila svoe anglijskoe nazvanie oblachnaya kamera angl cloud chamber Kamery Vilsona obychno pomeshayut v magnitnoe pole v kotorom traektorii zaryazhennyh chastic iskrivlyayutsya Opredelenie radiusa krivizny traektorii pozvolyaet opredelit chasticy a sledovatelno identificirovat eyo Kameru izobrel v 1912 godu shotlandskij fizik Charlz Vilson Za izobretenie kamery Vilson poluchil Nobelevskuyu premiyu po fizike 1927 goda V 1948 za sovershenstvovanie kamery Vilsona i provedennye s nej issledovaniya Nobelevskuyu premiyu poluchil Patrik Blekett IstoriyaEshyo v poslednej chetverti XIX veka v rabotah Kule Kisslinga i Ajtkena bylo pokazano chto pyl igraet vazhnuyu rol v obrazovanii tumana Pytayas vossozdat v laboratorii eto estestvennoe yavlenie issledovateli obnaruzhili chto v ochishennom vozduhe tuman ne obrazuetsya Takzhe bylo ustanovleno chto kapelki obrazuyutsya imenno vokrug pylinok i imeyut razmery poryadka ih razmerov Eto stalo resheniem problemy podmechennoj lordom Kelvinom soglasno kotoroj kaplya vody pri roste dolzhna prohodit stadiyu na kotoroj ona imeet razmery sopostavimye s razmerami molekul odnako kaplya takih razmerov isparyaetsya tak bystro chto ischezaet V 1897 godu Vilson pokazal chto dazhe v vozduhe ochishennom ot pyli tuman obrazuetsya pri rasshirenii bolshem chem v 1 37 raz Pri etom pri rasshirenii ot 1 25 do 1 37 raz obrazuyutsya tolko otdelnye kapelki V 1899 godu on zhe obnaruzhil chto esli pomestit v rentgenovskuyu trubku nekotoroe kolichestvo urana to tuman nachinaet obrazovyvatsya i pri rasshirenii 1 25 Dzhozef Tomson pokazal chto centrami kondensacii v etih sluchayah stanovyatsya iony Takzhe Vilson vyyasnil chto voda ohotnee kondensiruetsya na otricatelno zaryazhennyh ionah Tomas Lebe issledoval pary drugih veshestv i vyyasnil chto vse veshestva kotorye on proveril uksusnaya kislota hloroform etilovyj spirt hlorbenzol i drugie imeyut protivopolozhnuyu tendenciyu polozhitelnye iony vyzyvayut kondensaciyu bystree chem otricatelnye Kusochek radioaktivnogo torita v kamere Vilsona i treki izluchaemyh im chastic Pervyj detektor zaryazhennyh chastic sozdannyj Vilsonom v 1912 godu imel vid steklyannogo cilindra diametrom 16 5 sm i vysotoj 3 5 sm Vnutri kamery byla yomkost v kotoroj nahodilos derevyannoe kolco opushennoe v vodu Blagodarya ispareniyu s poverhnosti kolca kamera nasyshalas parom Kamera byla soedinena trubkoj s ventilem s kolboj iz kotoroj byl otkachan vozduh Pri povorote ventilya davlenie padalo vozduh ohlazhdalsya i par stanovilsya nasyshennym blagodarya chemu zaryazhennye chasticy ostavlyali za soboj poloski tumana V to zhe vremya vklyuchalis kamera i svet Osnovnym nedostatkom kamery bylo bolshoe vremya eyo podgotovki k rabote Dlya togo chtoby poborot etot nedostatok Takeo Simidzu v 1921 godu sozdal alternativnyj variant kamery kotoraya byla osnashena porshnem On nepreryvno dvigalsya szhimaya i rasshiryaya vozduh blagodarya chemu fotografiyu mozhno bylo delat kazhdye neskolko sekund Odnako model Simidzu ne vsegda mogla obespechit horoshee kachestvo snimkov potomu chto vozduh v nej rasshiryalsya slishkom medlenno V 1927 godu Pyotr Kapica i Dmitrij Skobelcin predlozhili pomeshat kameru v silnoe magnitnoe pole Eto pozvolilo legko razdelyat na snimkah treki polozhitelno i otricatelno zaryazhennyh chastic a takzhe opredelyat ih sootnoshenie massy k zaryadu Pervaya fotografiya na kotoroj zafiksirovan trek pozitrona V 1927 godu stremyas sovmestit luchshie storony kazhdoj iz modelej Patrik Blekett vidoizmenil kameru Simidzu dobaviv tuda pruzhinu kotoraya obespechivala rezkoe rasshirenie V 1929 godu ego uluchshennaya model kamery ezhednevno delala bolee 1200 snimkov na kazhdom iz kotoryh byli izobrazheny desyatki trekov alfa chastic Imenno Blekett pervyj poluchil fotografii rasshepleniya yader azota alfa chasticami V 1930 godu L V Mysovskij s provodili opyty s rubidiem i v kamere Vilsona bylo zaregistrirovano ispuskanie b chastic Pozzhe byla otkryta estestvennaya radioaktivnost izotopa 87Rb V 1932 g K D Anderson obnaruzhil v kosmicheskih luchah pozitron V 1933 godu Vilson predlozhil druguyu konstrukciyu kamery kotoraya ispolzovala rezinovuyu diafragmu vmesto porshnya V tom zhe godu Blekett i Dzhuzeppe Okkialini razrabotali variant kamery kotoraya rasshiryalas tolko kogda srabatyvali dva schyotchika odin iz kotoryh nahoditsya nad nej a drugoj pod nej Eto izmenenie pozvolilo znachitelno povysit effektivnost raboty kamery v sluchae esli ona dolzhna fiksirovat redkie sobytiya takie kak kosmicheskie luchi Blekett i Okkialini ukazyvayut chto na 80 fotografij poluchennyh takim obrazom prisutstvovali sledy kosmicheskih luchej V 1934 godu L V Mysovskij s M S Ejgensonom provodili eksperimenty v kotoryh pri pomoshi kamery Vilsona bylo dokazano yakoby prisutstvie nejtronov v sostave kosmicheskih luchej Primechanie Vremya zhizni svobodnyh nejtronov okolo 17 minut ne pozvolyaet im byt v sostave kosmicheskih luchej oni mogut lish obrazovyvatsya pri yadernyh reakciyah s uchastiem kosmicheskih luchej V 1952 godu Donaldom Glazerom byla izobretena puzyrkovaya kamera posle chego znachenie kamery Vilsona umenshilos Puzyrkovaya kamera pozvolyala fiksirovat sobytiya tochnee i chashe a potomu stala osnovnym instrumentom novyh issledovanij StroenieKamera Vilsona v Brukhejvenskoj nacionalnoj laboratorii Obychno kamera Vilsona sostoit iz cilindra soderzhashego nasyshennyj parom vozduh i porshnya kotoryj mozhet dvigatsya v etom cilindre Pri opuskanii porshnya vozduh rezko ohlazhdaetsya i kamera stanovitsya prigodnoj dlya raboty V drugom bolee sovremennom variante vmesto porshnya ispolzovalas rezinovaya diafragma V etom sluchae kamera imeet perforirovannoe dno pod kotorym raspolozhena diafragma v kotoruyu zakachan vozduh pod davleniem Togda dlya nachala raboty nuzhno tolko vypustit vozduh iz diafragmy v atmosferu ili specialnuyu yomkost Takie kamery deshevle proshe v ispolzovanii a takzhe menshe nagrevayutsya v processe raboty Dlya chastic nizkih energij davlenie vozduha v kamere snizhayut nizhe atmosfernogo togda kak dlya fiksacii vysokoenergeticheskih chastic naoborot vozduh v kameru zakachivayut pod davleniem v desyatki atmosfer Kameru zapolnyayut parom vody i etilovogo spirta i udalyayut yadra kondensacii vo izbezhanie prezhdevremennoj kondensacii v rezultate chego obrazuetsya peresyshennyj par gotovyj k obrazovaniyu trekov na nem Takaya smes ispolzuetsya iz za togo chto vodyanoj par luchshe kondensiruetsya na otricatelnyh ionah a pary etilovogo spirta na polozhitelnyh ionah Vremya aktivnoj raboty kamery dlitsya ot sotyh dolej sekundy do neskolkih sekund prohodyashih ot rasshireniya vozduha i do teh por poka kamera ne zapolnitsya tumanom posle chego kamera ochishaetsya i mozhet zapuskatsya povtorno Polnyj cikl ispolzovaniya obychno sostavlyaet okolo minuty Istochnik izlucheniya mozhet pomeshatsya vnutr kamery ili nahoditsya izvne eyo V etom sluchae chasticy popadayut v kameru cherez prozrachnyj ekran IspolzovanieZnachenie kamery Vilsona dlya fiziki elementarnyh chastic trudno pereocenit v techenie desyatkov let ona byla edinstvennym effektivnym sposobom neposredstvenno nablyudat treki elementarnyh chastic S eyo pomoshyu byli otkryty pozitron i myuon a takzhe issledovany yadernye reakcii alfa chastic s atomami azota Posle izobreteniya puzyrkovoj i iskrovoj kamery znachenie kamery Vilsona nachalo umenshatsya odnako iz za znachitelno menshej stoimosti po sravneniyu s bolee progressivnymi detektorami ona vsyo eshyo ispolzuetsya v nekotoryh otraslyah Udelnaya ionizaciya Udelnoj ionizaciej nazyvayut kolichestvo par ionov sozdavaemyh chasticej pri prolyote cherez veshestvo na edinicu rasstoyaniya Pri etom elektrony vybivaemye iz atomov mogut imet dostatochnuyu energiyu dlya togo chtoby ionizirovat drugie atomy Eto yavlenie nazyvayut vtorichnoj ionizaciej V kamere Vilsona takie elektrony budut vyglyadet kak otvetvlenie ot osnovnoj traektorii poleta chasticy ili zhe prosto kak sgustki para esli energiya elektronov ne ochen bolshaya V to vremya kak podschitat udelnuyu ionizaciyu mozhno mnogimi sposobami naprimer s pomoshyu schetchika Gejgera dlya razdeleniya pervichnoj i vtorichnoj ionizacii kamera Vilsona yavlyaetsya naibolee prostym metodom Probeg Dlina probega chasticy v veshestve yavlyaetsya vazhnym pokazatelem i dolzhna byt izvestnoj dlya zashity ot izlucheniya Kamera Vilsona pozvolyaet izmeryat kak srednij probeg tak i raspredelenie probegov S pomoshyu etih dannyh mozhno dostatochno tochno opredelit kak energiyu chasticy tak i tolshinu zashitnogo sloya kotoryj blokiruet etot tip izlucheniya PrimechaniyaKAMERA VILSONA i EE PRIMENENIYa V FIZIKE Arhivnaya kopiya ot 11 avgusta 2017 na Wayback Machine rus Kamera Vilsona Arhivnaya kopiya ot 27 yanvarya 2021 na Wayback Machine rus The cloud chamber and its metamorphoses Arhivnaya kopiya ot 1 maya 2021 na Wayback Machine angl Kamera Vilsona Arhivnaya kopiya ot 2 iyulya 2013 na Wayback Machine rus Mesheryakov M G Perfilov N A Pamyati Lva Vladimirovicha Mysovskogo K semidesyatipyatiletiyu so dnya rozhdeniya Vypusk UFN Sbornik UFN M 1963 Vyp Noyabr Arhivirovano 10 avgusta 2017 goda Osnovy fiziki atomnogo yadra Yadernye tehnologii Arhivnaya kopiya ot 1 maya 2021 na Wayback Machine rus LiteraturaI M Kucheruk I T Gorbachuk P P Lucik Zagalnij kurs fiziki Navchalnij posibnik u 3 h t Tehnika 2006 SsylkiHow to Build a Cloud Chamber Diffusion cloud chamber instructions Wilson s Original Apparatus Arhivnaya kopiya ot 30 iyunya 2008 na Wayback Machine Richard A Muller demonstrates a cloud chamber in lecture 26 minutes into film Arhivnaya kopiya ot 25 aprelya 2016 na Wayback Machine Radiation tracks in Cloud Chambers Arhivnaya kopiya ot 4 iyulya 2013 na Wayback Machine
