Пузырьковая камера. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Пузырьковая камера - прибор для регистрации следов (треков) заряж. частиц, действие к-рого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.

Историческая справка. Д. А. Глейзер (D. A. Glaser) в 1952 в поисках трекового детектора заряж. частиц, более эффективного, чем применявшиеся в то время (ядерные фотографические эмульсии, Вильсона камера и диффузионная камера), обратил внимание на работы К. Л. Висмара и др. (1922-24). Диэтиловый эфир (в нормальных условиях кипящий при температуре Т = 34,6 °С), нагретый под давлением 20 атм до +130 °С, расширяли до 1 атм. При этом он не кипел часами. После доведения температуры до 140 °С он закипал через произвольные промежутки времени. Глейзер установил, что частота закипания соответствует частоте прохождения космич. частиц на уровне моря. Он повторил эксперимент, расположив над и под колбой с эфиром счётчики Гейгера. Вскипание было мгновенным в присутствии радиоакт. источника. Скоростная киносъёмка установила, что закипание начинается вдоль траектории заряж. частицы.

Первая пузырьковая камера (1954) представляла собой металлич. камеру со стеклянными окнами для освещения и фотографирования, заполненную жидким водородом. В дальнейшем пузырьковые камеры создавались и совершенствовались во всех лабораториях мира, оснащённых ускорителями заряж. частиц. Начиная от колбочки объёмом в 3 см³, размер пузырьковой камеры достиг нескольких м³, напр. камера СКАТ (ИФВЭ, СССР) 8 м³, "Мирабель" (Франция - СССР) 12 м³, большая Европейская пузырьковая камера (ЦЕРН) более 30 м³, пузырьковая камера FNAL (Батавия, США) св. 40 м³. Большинство пузырьковых камер имеют объём ~ 1 м³. (За изобретение пузырьковой камеры Глейзеру в 1960 присуждена Нобелевская премия.)

Образование пузырьков. Быстрая заряж. частица выбивает на своём пути в веществе электроны разных энергий (s-электроны). Электроны достаточно больших энергий, удаляясь от траектории, в свою очередь, выбивают вторичные s-электроны и т. д. В результате многократных столкновений с атомами жидкости s-электроны тормозятся вблизи траектории и вызывают дополнит. нагрев жидкости в области радиусом r. Это приводит к образованию центров кипения - зародышей. Образовавшийся зародыш пузырька радиусом r больше нек-рого критич. r_кр будет расти за счёт испарения окружающей его жидкости во внутр. полости пузырька. Величина r_кр определяется соотношением

Здесь s - поверхностное натяжение жидкости на границе жидкость - пар при температуре Т;

- равновесное давление пара над бесконечно плоской поверхностью жидкости; р_н - давление, при к-ром находится перегретая жидкость; V_Ж, V_П - уд. объёмы жидкости и пара. Разность давлений, называемая перегревом жидкости, осуществляется изменением объёма на величину DV/V= (0,5-2)% для разных камер. Время расширения

, т. е. время изменения давления от верх. значения, к-рое на 1,5-2 атм и более превышает

, до

, равно 5-20 мс (рис. 1).

Рис. 1. Схема рабочих циклов пузырьковой камеры:

- задержка вспышки света на рост пузырьков;

- время между рабочими циклами;

- время расширения.

Экспериментально установлена зависимость числа пузырьков h на единице длины трека (плотность пузырьков) для однозарядной быстрой частоты от её скорости u: n = A/b², b = u/c. Число d-электронов

, выбиваемых частицей и способных создать пузырёк, равно

Здесь е - заряд электрона, т - его масса, r - плотность жидкости, N - число Авогадро, Z₀ - число электронов молекулы жидкости, Z - заряд частицы, m - мол. вес,

- энергия d-электрона, способного создать зародыш одного пузырька. Электроны больших энергий, удаляясь от траектории частицы и выбивая d-электроны, образуют след из цепочки пузырьков (рис. 2, 3). Электроны малых энергий не создадут пузырьков критич. размера; мин. энергия

, требующаяся для создания зародыша пузырька критич. размера в

Рис. 2. Фотографии следов частиц, полученные на водородной камере ОИЯИ "Людмила"; H = 2,6 Тл; облучение антипротонами 22,4 ГэВ/ с на ускорителе ИФВЭ. В точке А происходит аннигиляция p+

:4p⁺+4p^-. Быстрый p⁺взаимодействует вторично в точке В: p⁺+p:p+p⁺+p⁺+p^-, по пути образуя в точке Б энергичный d-электрон; p⁺, образовавшийся в точке В, закручиваясь магн. полем в спираль, тормозится до остановки и распадается по схеме p⁺:m⁺+е⁺.

пропане, равна 390 эВ, в водороде - 165 эВ. При этом в пропане пd = 100 см^-1, в водороде - 56 см^-1. В большинстве экспериментов получают на 1 см трека 15 пузырьков. Это означает, что n.пd, т. е. что не каждый d-электрон, способный создать зародышевый пузырёк, создаёт его и что не каждый зародыш вырастает до размеров пузырька, видимого при обычном фотографировании. В процессе формирования и роста пузырьков происходит их "охлопывание" увеличивающимся из-за закипания давлением, а также слияние близлежащих пузырьков. Фотографирование прецизионной оптикой или голографич. метод регистрации (см. Голография)на ранней стадии формирования пузырьков даёт n, близкие к nd. Плотность пузырьков растёт с увеличением Т и Dp, т. к. при этом для образования зародышей требуется меньшая энергия d-электронов.

Рис. 3. Фотографии следов частиц, полученные на пропановой камере (ОИЯИ); H = 1,55 Тл; облучение релятивистскими ядрами на синхрофазотроне (ОИЯИ). Ядро ²²Ne с импульсом 92,4 ГэВ/с в точке А взаимодействуете мишенью из Та (тёмные поперечные полоски-пластины Та), образуя св. 50 заряженных частиц. Плотные следы принадлежат останавливающимся протонам. Излучаемый g-квант (от А до Б) в точке Б конвертирует в е^- - е⁺-пару; в точке В излучается g-квант, давший в точке Г комптоновский электрон.

Рабочие жидкости. Наиб. широкое применение получили: жидкие водород, дейтерий, гелий и смесь водорода с неоном (криогенные пузырьковые камеры); пропан, фреоны, ксенон и их смеси (тяжеложидкостные пузырьковые камеры). Для изучения взаимодействий с протонами применяется жидкий водород (рис. 2), с нейтронами - дейтерий. Для изучения процессов, сопровождающихся образованием электронно-фотонных ливней, удобны Хе, пропан и др. тяжёлые жидкости (рис. 3). Смесь водорода с Ne - также хороший детектор g-квантов (см. Гамма-излучение ).Нек-рые характеристики рабочих жидкостей даны в табл.

Характеристики жидкостей, наиболее часто используемых в пузырьковых камерах

Измерения импульсов и определение знака заряда быстрых частиц осуществляются по кривизне траектории в пост. магн. поле Н (рис. 2, 3). Радиус кривизны R определяется соотношением

Здесь r - импульс частицы в МэВ/с; H - магн. поле, в Тл; q - угол между направлением импульса r и плоскостью, перпендикулярной Н (угол погружения). При движении в жидкости частица испытывает многократное кулоновское рассеяние и торможение (потери энергии на ионизацию), что искажает её траекторию (при больших энергиях, когда b:I, ионизац. потерями можно пренебречь). Ошибка в определении импульса из-за кулоновского рассеяния тем больше, чем меньше радиац. длина х₀:

В тяжёлых жидкостях х₀ мало (табл.) и кулоновское рассеяние существенно:

Поэтому ксеноновые пузырьковые камеры работают без магн. поля (рис. 4). Потери на ионизацию и выбивание электронов уменьшают импульс, в результате след заряж. частицы скручивается в спираль (рис. 2). Импульсы малоэнергичных, останавливающихся частиц определяют по длине пробега (следы протонов на рис. 3), что даёт более высокую точность.

Особенности криогенных и тяжеложидкостных пузырьковых камер проявляются в их конструкциях и системах освещения. В криогенных пузырьковых камерах расширение осуществляется поршнем, к-рый находится в контакте с рабочей жидкостью. Для передачи давления от тёплой к холодной части пузырьковой камеры служат штоки из материала с малой теплопроводностью (нержавеющая сталь). . В тяжеложидкостных пузырьковых камерах применяются гибкие мембраны.

Измерения импульсов и определение знака заряда быстрых частиц осуществляются по кривизне траектории в пост. магн. поле H (рис. 2, 3). Радиус кривизны R определяется соотношением

Здесь p - импульс частицы в МэВ/с; H - магн. поле, в Тл; q - угол между направлением импульса p и плоскостью, перпендикулярной H (угол погружения). При движении в жидкости частица испытывает многократное кулоновское рассеяние и торможение (потери энергии на ионизацию), что искажает её траекторию (при больших энергиях, когда b:1, ионизац. потерями можно пренебречь). Ошибка в определении импульса из-за кулоновского рассеяния тем больше, чем меньше радиац. длина х₀:

В тяжёлых жидкостях х₀ мало (табл.) и кулоновское рассеяние существенно:

Рис. 4. Схематическое изображение криогенной пузырьковой камеры: 1 - входное окно для пучка частиц; 2 - поршень расширителя; 3 - фотокамеры, объективы которых окружены кольцевыми импульсными лампами; 4 - поверхности, покрытые "скотчлайтом"; 5 - сверхпроводящий магнит и криостат; 6 - лазерный пучок; 7 - окно вакуумного кожуха; 8 - окно в корпусе камеры и расширяющая линза; 9 - освещаемый конус; 10 - голографическая фотокамера; 11 - голографичес-кая фотоплёнка; 12 - опорный пучок лазера.

Др. особенность состоит в соотношении показателей преломления жидкости и пара. У криогенных пузырьковых камер они близки. Это обусловливает узкую направленность света, рассеянного пузырьком. Фотографирование производится во встречном световом потоке. Широкие пучки света, освещающие рабочий объём пузырьковой камеры, сходятся в фокусе, смещённом в сторону от фотогр. объективов. Для формирования встречных пучков используются линзы, растры, толстые сферич. зеркала, зеркала с чередующимися тёмными полосами (для гашения мнимых изображений), отражат. системы из мелких стеклянных шариков ("скотчлайт").

У тяжёлых жидкостей различие в показателях преломления велико и световой пучок рассеивается на большие углы. Источник света при этом может располагаться под углом 90° к оси фотографирования.

Регистрация треков. Для стереофотографирования следов частиц в больших пузырьковых камерах применяют неск. фотокамер и разл. оптич. системы, напр. объективы типа "рыбий глаз" (рис. 4). Передняя сферич. линза объектива выполняет функции окна, выдерживающего давление жидкости. Вокруг объектива размещают кольцевую импульсную лампу. "Скотчлайт" наклеивается на донную часть корпуса камеры и головку поршня. После вспышки импульсной лампы свет отражается "скотчлайтом" обратно к источнику. Свет, рассеянный пузырьком, падает нормально на сферич. линзу объектива без преломления на границе жидкость - стекло. Для получения изображения пузырька, образовавшегося в ниж. части фотографируемого объёма, он должен вырасти до диаметра ~ 0,5 мм. У водородных камер размер пузырьков изменяется во времени:

(t в мс, r в мм). Высокая скорость роста пузырьков по сравнению со скоростью их всплы-вания исключает искажение треков.

Ошибки измерения пространственных координат пузырька для большинства пузырьковых камер: Dx и Dy равны ОД мм, Dz = 0,3-1,5 мм. Пузырьковая камера с малой глубиной фотографирования и небольшим уменьшением изображения пузырькового следа позволяют фотографировать пузырьки диаметром < 100 мкм. Такие системы реализуются в быстроциклирующих пузырьковых камерах, используемых в гибридных установках, как мишень и детектор вершин распада короткоживущих частиц вблизи точки взаимодействия. Импульсы и др. характеристики частиц определяются магн. спектрометром (см. Комбинированные системы детекторов ).В большой водородной пузырьковой камере FNAL ранняя стадия начала роста пузырьков осуществляется голографич. методом с помощью лазерного пучка через

1 мс после прохождения частиц. Это обеспечивает регистрацию пузырьков с r ~ 100 мкм. Далее, через 10 мс, когда пузырьки вырастают до диаметра ~0,5 мм, производится обычное фотографирование.

При обработке обычных фотографий с этой камеры, когда возникает потребность в обзоре области вблизи точки взаимодействия с целью поиска короткоживущих частиц, привлекается голография.

Пространственное разрешение пузырьковой камеры определяется масштабом фотографирования, разрешающей способностью объективов и плёнки, относит. отверстием объективов (при фотографировании больших глубин с малого расстояния), мощностью источника света и его монохроматичностью, стереоскопич. углом, определяемым базой (расстоянием между оптич. осями фотографирования) и высотой. Требуется знание оптич. констант пузырьковой камеры, т. к. фотографирование производится через неск. разл. оптич. сред (стекло, жидкость, воздух). Голографич. метод регистрации позволяет получить изображение пузырьков в толстых слоях жидкости при их размерах 10 мкм. Пространственное разрешение пузырьковой камеры приближается к разрешению в ядерных фотоэмульсиях.

Обработка результатов. Применение. Измерение координат точек на следах отобранных событий осуществляется с помощью микроскопов, полуавтоматич. или автоматич. измерит. устройств. По спец. программам на ЭВМ вычисляются геом. характеристики треков: углы вылета частиц, длины пробегов, импульсы, ошибки этих величин и т. д.

Пузырьковые камеры используются преимущественно в экспериментах на выведенных пучках заряженных и нейтральных частиц, получаемых на ускорителях. В исследованиях космич. излучения не применяются из-за отсутствия "памяти" [невозможность запуска рабочего цикла от проходящей частицы (см. Координатные детекторы)]. Нейтральные частицы регистрируются либо по продуктам взаимодействия с веществом в камере, либо по распадам на заряж. частицы.

Исследования, выполненные с помощью пузырьковых камер, дали существенный вклад в изучение сильных и слабых взаимодействий. Были открыты антисигма-минус-гиперон (1960, Дубна), омега-минус-гиперон (1964, США), нейтральные токи (1973, ЦЕРН) и др. Обнаружены и изучены многочисл. частицы - резонансы и т. д.

С появлением ускорителей на всё более высокие энергии, с реализацией экспериментов на встречных пучках пузырьковые камеры уступают место др. координатным детекторам. Однако небольшие быстрые пузырьковые камеры (10-100 расширений в 1 с) используются в качестве мишеней и детекторов "вершин" событий, связанных с коротко-живущими частицами. При этом информацию о характеристиках частиц получают с помощью магн. спектрометров электронными методами.

Литература по пузырьковым камерам

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Жидкость	Т, °С	Р,, атм	r,г/см³	Радиационная длина х₀, см	Вероятность конверсии g-квантов с -500 МэВ на длине 50 см, %

H₂,	-246	4,7	0,06	1047	4,6
C₃H₈	60	21,5	0,43	108	36
CF₃Br	30	18	1,5	11,8	99
Хе	-19	26	2,3	3,5	100