к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Пузырьковая камера

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. rкр будет расти за счёт испарения окружающей его жидкости во внутр. полости пузырька. Величина rкр определяется соотношением

4018-238.jpg

Здесь s - поверхностное натяжение жидкости на границе жидкость - пар при температуре Т; 4018-239.jpg- равновесное давление пара над бесконечно плоской поверхностью жидкости; рн - давление, при к-ром находится перегретая жидкость; VЖ, VП - уд. объёмы жидкости и пара. Разность давлений, называемая перегревом жидкости, осуществляется изменением объёма на величину DV/V= (0,5-2)% для разных камер. Время расширения4018-240.jpg, т. е. время изменения давления от верх. значения, к-рое на 1,5-2 атм и более превышает 4018-241.jpg , до 4018-242.jpg 4018-243.jpg, равно 5-20 мс (рис. 1).

Рис. 1. Схема рабочих циклов пузырьковой камеры: 4018-244.jpg - задержка вспышки света на рост пузырьков;4018-245.jpg- время между рабочими циклами; 4018-246.jpg- время расширения.


4018-247.jpg

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-электронов4018-248.jpg, выбиваемых частицей и способных создать пузырёк, равно

4018-249.jpg (2)

Здесь е - заряд электрона, т - его масса, r - плотность жидкости, N - число Авогадро, Z0 - число электронов молекулы жидкости, Z - заряд частицы, m - мол. вес, 4018-250.jpg- 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. энергия4018-251.jpg, требующаяся для создания зародыша пузырька критич. размера в

4018-252.jpg

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+4018-253.jpg: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++.

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.

4018-254.jpg

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

4018-255.jpg

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:

4018-256.jpg I и ха в см.

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

4018-257.jpg

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.

Жидкость

Т, °С

Р,, атм

r,г/см3

Радиационная длина х0, см

Вероятность конверсии g-квантов с 4018-258.jpg -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

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

4018-259.jpg

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:

4018-260.jpg l и х0 в см.

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

4018-261.jpg

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, отделяющие жидкость от газа, с помощью которого производятся расширение и сжатие.

4018-262.jpg

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:4018-263.jpg(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 4018-264.jpg 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

  1. Glaser D. A., Some effects of ionizing radiation on the formation of bubbles in liquids, "Phys. Rev.", 1952, v. 87, p. 665
  2. его же, The bubble chamber, "Handbuch der Phys.", 1958, Bd 45, S. 314;
  3. Блинов G. А., Kрестников Ю. С., Ломанов М. F., Измерение ионизирующей способности частиц в пузырьковой камере, "ЖЭТФ", 1956, т. 31, с. 762;
  4. Пузырьковые камеры, под ред. Н. Б. Делоне, М., 1963;
  5. Суп К., Пузырьковая камера. Измерение и обработка данных, пер. с англ., М., 1970;
  6. Hаrigе1 G. G., Holography in the Fermilab. 15-foot bubble chamber, "Nucl. Instr. and Methods", 1987, v. А257, p. 614.

М. И. Соловьёв

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 28.09.2020 - 07:37: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
28.09.2020 - 07:37: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
28.09.2020 - 07:35: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
28.09.2020 - 06:32: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
28.09.2020 - 06:31: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Амары Ельской - Карим_Хайдаров.
27.09.2020 - 18:27: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Проблема народного образования - Карим_Хайдаров.
27.09.2020 - 13:04: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
27.09.2020 - 13:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Игоря Алексеевича Гундарова - Карим_Хайдаров.
27.09.2020 - 10:32: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Алекса Джонса - Alex Jones INFO-WARS - Карим_Хайдаров.
27.09.2020 - 10:32: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
26.09.2020 - 13:50: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
25.09.2020 - 21:26: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Николаевича Боглаева - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution