На чому ґрунтується принцип роботи камери вільсона. Камера Вільсона

Атомним приладом величезної важливості стала іонізаційна камера, сконструйована англійським фізиком . Цей знаменитий винахід приніс Вільсону Нобелівську премію 1937, а створена ним камера Вільсона назавжди увічнила ім'я свого творця. Камера виникла зі спостереження, зробленого 1897 р., у тому, що іони є центрами конденсації водяної пари. Грунтуючись на цьому спостереженні, Г. А. Вільсонзапропонував метод визначення заряду електрона, з якого, як ми бачили, розвинулися методи Міллікена. Стаття Чарлза Томаса Ріса Вільсона, Яка описує це спостереження, називалася "Конденсація водяної пари в присутності знепиленого повітря та інших газів". В історії лабораторії Кавендіша, що вийшла 1910 р., Д. Д. Томсон, який у цей час був керівником лабораторії, писав про відкриття Вільсона: "Ми повинні тепер розглянути чудову серіюдосліджень Ч. Т. Р. Вільсона про умови конденсації води в знепилених газах, насичених водяною парою. Ці дослідження не лише значно збільшили наші знання з досліджуваної проблеми, а й відкрили новий та разючий метод дослідження властивостей іонізаційного газу”.

Томсон мав рацію, назвавши новий метод"вражаючим", проте навряд чи він у той час, коли писав ці рядки, уявляв собі всю могутність цього методу. У роботах 1897 р. Вільсон показав, що центрами конденсації в знеспиленому повітрі є іони, вироблені рентгенівськими або беккерелевими променями. При цьому для утворення крапель на негативних іонахпотрібно раптове розширення до 1,252 початкового обсягу, для утворення ж крапель на позитивних іонах потрібно розширення до 1,375 початкового обсягу. Через рік-два після того, як Томсон написав вище процитовані рядки, Вільсон зробив повідомлення (1911), в якому описав "метод виявлення шляхів іонізуючих частинок у вологих газах, заснований на конденсації пари на іонах, безпосередньо після утворення цих іонів".

Перші результати не задовольнили Вільсона і в 1912 р. він остаточно знайшов конструкцію приладу, який пізніше отримав назву камери Вільсона.

Наведемо перші вільсонівські фотографії із його поясненнями.

"Ці малюнки є знімками з фотографій хмаринок, що конденсувалися на іонах, які звільняються при проходженні променів різного родукрізь вологий газ. Надалі 1 позначає щільність повітря перед розширенням (по відношенню до насиченого водяною парою повітря при 15° С і 760 мм рт. ст.), 2 - щільність після розширення, v 2 / v 1 - величину розширення, V - різниця потенціалів між кришкою та дном іонізаційної камериу вольтах, М – збільшення фотографічного апарату. У всіх випадках кришка камери була позитивна, так що негативні іони рухалися вгору, а позитивні - вниз.

Іонізація α-променями.

Вісь фотографічної камери вертикальна; горизонтальний шар глибиною в 2 смвисвітлюється ртутною іскрою.

Рис. 1 (табл. I). α-промені радію. Одні з α-часток пройшли крізь повітря до розширення, інші – після нього.

1 = 0,98, v 2 / v 1 = 1,36, 2 = 0,72, V = 40 в, М = 1 / 2,18.

Рис. 2 (табл. I). α-промені радію. Усі α-частки пройшли крізь повітря після розширення.

1 = 0,97, v 2 / v 1 = 1,33, 2 = 0,73, V = 40 в, М = 1,05.

Рис. 3 (табл. I). α-промені радію. Збільшення частини рис. 2.

1 = 0,97, v 2 / v 1 = 1,33, 2 = 0,73, V = 40 в, М = 2,57.

Рис. 4 (табл. I). α-промені радієвої еманації та активного осаду.

1 = 1,00, v 2 / v 1 = 1,36, 2 = 0,74, V = 40 в, М = 1/124.

Рис. 5 (табл. I). Повний шляхα-частки, викинутої радієвою еманацією.

М. Новікова

Крихітні невловимі частинки, що випускаються радіоактивними елементами! Маса їх мізерна; якими вагами зважити їх! Швидкість їхня колосальна - до 10 тис, км в сек, - хіба можна встежити за їх польотом! І все-таки це зроблено: мікрочастинки зважені, виміряні, «побачені». За допомогою нескладного у виготовленні приладу – так званої камери Вільсона – може побачити їх кожен.

Пристрій цього приладу показано малюнку.

Стінки камери шириною 150 і висотою 80 мм виготовляються зі скла або плексигласу товщиною від 4 до 6 мм. Щоб камера була герметична, стінки

повинні бути добре склеєні та притерті до дна (2) та кришці (3). Між стінками і дном між стінками і кришкою бажано поставити гумові прокладки товщиною 1 - 2 мм (4). Дно камери - це рівна плита з міді, латуні або дюралюмінію розміром 190 х 190 мм та товщиною 5-6 мм. Вона пригвинчується дванадцятьма гвинтами до обойми (5), зробленої з гетинаксу або текстоліту. Кришка камери розміром 170х170 мм зроблена з того ж матеріалу, що і дно. Посередині кришки робиться вікно 70x70 мм, через яке проводиться спостереження. Це вікно закривається склом (6), яке через гумову.

кладку притискається до кришки гвинтами. За допомогою текстолітової рами (7) і стрижнів (8) стінки камери притискаються до дна та кришки. Всередині камери до кришки прикріплюється коритце (9), виготовлене з тонкої міді або жерсті. У стінці камери і кришці потрібно просвердлити невеликі отвори для введення в камеру радіоактивного випромінювання. Отвори закриваються пробками "а".

Як працює камера?

З фізики відомо, що тиск насиченої парирідини зменшується зі зниженням температури. Якщо температуру насиченої пари знизити, вони перейдуть у пересичений стан. Коли в пересичених парах знаходяться дрібні порошинки, то на них конденсуватиметься пара, і на порошинках виростуть крапельки. видимого розміру. При значному пересиченні пар центрами конденсації можуть бути не тільки такі великі «частинки», як порошинки, але навіть іони газів, а кожна про-частка на своєму шляху іонізує до 100 тис. атомів. Слід л частки стає видимим, - він відзначений ниткою туману, що миттєво виникає.

Робочою рідиною в даній камері може бути метиловий або етиловий спирт (метиловий спирт - тільки для скляної камери: плексиглас не годиться). Пересичення досягається за рахунок безперервної дифузії пари у вертикальному напрямку від нагрітої кришки до охолодженого дна. Щоб отримати сліди частинок хорошої якості, дно камери повинно бути охолоджене до - 50 - 80 ° С, а кришка повинна знаходитися при звичайній кімнатній температурі.

Охолодження дна камери виконується твердою вуглекислотою (« сухим льодом»), яка у кількості 2 -3 кг завантажується у дерев'яну скриньку (10). Тверда вуглекислота підтискається на дно пружинами (11). до -г-3 кг «сухого льоду» вистачає приблизно дві години роботи.

Для запуску камери пружини стискаються та фіксуються стрижнями (12). У ящик засипаються шматочки твердої вуглекислоти. Потім дно ставиться в обоймі і пригвинчується до ящика за допомогою чотирьох коротких стрижнів (13) та гайок (14) по кутах. На дно кладеться оксамит, прокладка і ставляться стінки, на стінки - кришка. Вся ця система стягується рамою та чотирма довгими стрижнями. Через отвір для спостереження в кришці в камеру заливається спирт, щоб на дні виявився шар його висотою 2-т-3 мм. При заливці слід стежити, щоб камера стояла горизонтально і рівень спирту на дні був скрізь однаковий. У коритці (9) спирт заливається через отвір «а» у кришці (3) камери.

Фіксуючі стрижні одночасно виймаються, і з "юшкою крига" підтискається пружинами до дна. Після цього приблизно через 20 хв. біля дна камери можна спостерігати сліди частинок. Висота шару, у якому видно сліди частинок (чутливого шару), у цій камері становить приблизно 20 мм. Висвітлення чутливого шару провадиться збоку. Для цієї мети може бути використаний освітлювач з лампою розжарювання потужністю 100 ~ 300 вт і дає більш менш паралельний пучок світла (епідіаскоп, наприклад).

Бічні стінкикамери у процесі роботи обмерзають. Тому стінку камери, через яку проводиться освітлення, слід час від часу протирати ганчірочкою, змоченою у спирті. Перед збиранням камери внутрішні поверхністінок, дна та кришки, а також і коритце повинні бути промиті спиртом. Спостереження треба проводити у темній кімнаті.

Як джерело a - частинок може бути використаний годинник з циферблатом, що світиться, який підноситься впритул до камери. Можна нанести радіоактивну речовину на кінчик дроту і ввести його в чутливий шар. Однак джерело частинок не повинно перебувати довгий часу чутливому шарі, тому що на ньому конденсуються пари спирту та виліт частинок припиняється.

Конструкція камери не обов'язково має бути прямокутною. Якщо знайдеться кругла скляна байка відповідного діаметра, можна використовувати її.

ВІЛЬСОНА КАМЕРА, трековий детектор частинок. Створена Ч. Т. Р. Вільсоном у 1912 році. У Вільсона камері сліди (треки) заряджених частинок стають видимими завдяки конденсації пересиченої пари на іонах, утворених зарядженої частинкою в газі, що рухається. Краплі рідини, що виникли на іонах, виростають до великих розмірів, і за досить сильному освітленні їх можна сфотографувати. Пересичення досягається швидким (майже адіабатичним) розширенням суміші газу і пари і визначається відношенням тиску р 1 пари до тиску р 2 насичених пар при температурі, що встановлюється після розширення. Величина пересичення, необхідна освіти крапель на іонах, залежить від природи пари і знака заряду іона. Так, водяна пара конденсується переважно на негативних іонах, пари етилового спирту- На позитивних. У Вільсона камері частіше використовують суміш води та спирту, у цьому випадку необхідне пересичення р 1 /р 2 ≈1,62, що є мінімальним із усіх можливих значень.

Досліджувані частинки можуть або випускатися джерелом, що поміщається всередині камери, або потрапляти в камеру через прозоре для них вікно. Природу та властивості досліджуваних частинок можна встановити по довжині пробігу та імпульсу частинок. Для вимірювання імпульсів частинок Вільсона камеру поміщають магнітне поле; Для утворення вторинних частинок у Вільсона камері розташовують пластини із щільного матеріалу, залишаючи між ними зазори для спостереження слідів частинок.

Вільсон камера може використовуватися в так званому керованому режимі, коли вона приводиться в дію пусковим пристроєм, що спрацьовує при попаданні в неї досліджуваної частки. Повний часциклу звичайної камери Вільсона ≥ 1 хв. Воно складається з часу, необхідного для повільного (очищаючого) розширення, часу, необхідного для припинення руху газу, часу дифузії пари в газі. Як джерела світла при фотографуванні треків частинок використовують імпульсні лампи великої потужності.

За допомогою Вільсона камери зроблено низку відкриттів у ядерній фізиці, фізиці. елементарних частинок. Найбільш яскраві з них пов'язані з дослідженнями космічних променів: відкриття широких атмосферних злив (1929), позитрон (1932), виявлення слідів мюонів, відкриття дивних частинок. У 1950-60-х роках Вільсона камера була практично повністю витіснена бульбашковою камерою, що має велику швидкодію і тому більш придатною до роботи на сучасних прискорювачах заряджених частинок.

Літ.: Дас Гупта Н., Гош С. Камера Вільсона та її застосування у фізиці. М., 1947; Вільсон Дж. Камера Вільсон. М., 1954; Принципи та методи реєстрації елементарних частинок. М., 1963.

У наприкінці XIXстоліття вчені відкрили радіоактивне випромінюванняурану і встановили, що воно є потік різноманітних швидких частинок. Чи можна простежити за їх рухом та взаємодією з різними мішенями? Адже ці частки менше атома, А їх швидкість можна порівняти зі швидкістю світла: навіть відносно важкі і повільні альфа-частинки вже рухаються зі швидкістю близько 5% від світлової і є лише крихітним ядром одного з найлегших елементів — гелію.

1. Як корпус камери ми взяли прозору акрилову коробку від цукерок. Можна використовувати будь-яку іншу прозору прямокутну або циліндричну ємність (навіть цілий акваріум). Головне, щоб матеріал стінок не лопався від сильних перепадів температури, так що пластик краще скла.

Камера Вільсона

У 1912 році Чарльз Вільсон, який досліджував до цього далекі від ядерної фізикипроцеси утворення туманів та дощів, сконструював камеру, за яку у 1927 році отримав Нобелівську премію. У ній різкий рухпоршня на частки секунди створювало перенасичену пару будь-якої летючої рідини. Перенасичена пара нестійка, найменші обурення змушують її сконденсуватися в краплі. Пролітають через об'єм камери альфа-і бета-частинки залишають за собою слід іонів повітря, який негайно викликає конденсацію рідини, створюючи видимий неозброєним оком трек (слід), що точно повторює траєкторію частинки. По довжині і товщині треку можна судити про енергію, швидкість і масу частинки. Товсті треки залишаються за важкими повільними частинками, а легкі та швидкі дають тонкий, ледь помітний слід.

2. До верхньої кришки звичайним канцелярським скотчем або суперклеєм кріпиться марлевий джгут з ватою всередині, просочений спиртом (етиловим або ізопропіловим). Дно заклеюється чорною ізолентою, щоб білі треки частинок були кращими (можна пофарбувати дно чорною матовою фарбою або приклеїти лист чорного паперу). Як джерело частинок ми взяли зварювальний електрод марки WT-20, що складається з вольфраму з добавкою 2% торію (попри радіоактивний торій електроди безпечні, якщо їх не ковтати).

Камера Вільсона, особливо вміщена на пропозицію радянських фізиків Петра Капиці та Дмитра Скобельцина у сильне магнітне поле, виявилася феноменально ефективним інструментом, який дозволив зробити безліч відкриттів — зокрема, виявити позитрони та мюони. Однак вона мала серйозний недолік — перебувала у чутливому до часток стані найкращому випадкусекунди. Це робило її зовсім непридатною для вивчення поодиноких випадкових подій.

3. Конструкція охолоджувача теж дуже проста: у пластиковий харчовий контейнер насипаються гранули сухого льоду, зверху кладеться міліметровий лист алюмінію, що дозволяє зробити охолодження максимально рівномірним.

Дифузійна камера

У другій половині 1930-х років американський фізикОлександр Лангсдорф-молодший вирішив цю проблему. Замість того, щоб створювати перенасичену пару різким зниженнямтиску, він створив у камері постійний градієнт температури. В області високої температуривипаровувалася летюча рідина, пари дифундували в область низької температури і там безперервно перебували в перенасиченому стані, завжди готові показати дослідникам траєкторії частинок. Крім безперервності роботи, дифузійна камера Лангсдорфа має ще одну перевагу: її дуже просто зробити. Вона складається з ємності з прозорими стінками та нагрівачем вгорі та/або охолоджувачем внизу. Вгорі також розташовується тканина, вата або пористе сховище для рідини. Ось, власне, і вся конструкція. Саме таку камеру ми вирішили зібрати у редакції «Популярної механіки».

4. Далі встановлюємо камеру на алюмінієвий лист охолоджувача та підсвічуємо її збоку ліхтариком. Через кілька хвилин, коли в коробці встановиться градієнт температур і поблизу дна утворюються перенасичені пари спирту, можна милуватися медитативним видовищем треків альфа-часток - туманних слідів, які народжуються в об'ємі камери і опускаються на дно плавно.

Антисвіт на власні очі

Використовуючи неодимові магніти, можна змусити частинки рухатися викривленою траєкторією. А якщо замість електрода з торієм помістити в камеру невелику кількість калійних добрив (природний калій містить бета-активний калій-40) і набратися терпіння, можна буде особисто спостерігати античастинки — позитрони. Калій-40, хай і дуже рідко, випускає їх замість звичайних електронів. У магнітному полі треки рідкісних позитронів відхиляються в протилежну до електронів сторону.

Принцип дії пристроїв для реєстрації елементарних частинок.Будь-який пристрій, що реєструє елементарні частинки або рухомі атомні ядра, подібно до зарядженої рушниці зі зведеним курком. Невелике зусилля при натисканні на спусковий гачок рушниці викликає ефект, не порівнянний із витраченим зусиллям - постріл.

Реєструючий прилад - це більш менш складна макроскопічна система, яка може знаходитися в нестійкому стані. При невеликому обуренні, викликаному частинкою, що пролетіла, починається процес переходу системи в новий, більш стійкий стан. Цей процес дозволяє реєструвати частинку. В даний час використовується безліч різних методівреєстрації частинок.

Залежно від цілей експерименту та умов, у яких він проводиться, застосовуються ті чи інші реєструючі пристрої, що відрізняються один від одного за основними характеристиками.

Газорозрядний лічильникГейгер.Лічильник Гейгера - один із найважливіших приладів для автоматичного підрахунку частинок.

Лічильник (рис. 13.1) складається зі скляної трубки, покритої зсередини металевим шаром (катод), і тонкої металевої нитки, що йде вздовж осі трубки (анод). Трубка заповнюється газом, зазвичай аргоном. Дія лічильника ґрунтується на ударній іонізації. Заряджена частка (електрон, -частка і т. д.), пролітаючи в газі, відриває від атомів електрони та створює позитивні іониі вільні електрони. Електричне поле між анодом та катодом (до них підводиться висока напруга) прискорює електрони до енергій, за яких починається ударна іонізація. Виникає лавина іонів, і струм через лічильник різко зростає. При цьому на навантажувальному резистори R утворюється імпульс напруги, який подається в реєструючий пристрій.

Для того щоб лічильник міг реєструвати наступну частинку, що потрапила в нього, лавинний розряд, необхідно погасити. Це відбувається автоматично. Так як у момент появи імпульсу струму падіння напруги на навантажувальному резистори R велике, то напруга між анодом і катодом різко зменшується - настільки, що розряд припиняється.

Лічильник Гейгера застосовується в основному для реєстрації електронів і квантів (фотонів великої енергії).

В даний час створені лічильники, що працюють на і пих принципах.

Камера Вільсон.Лічильники дозволяють лише реєструвати факт проходження через них частинки та фіксувати деякі її характеристики. У камері Вільсона, створеної в 1912 р., швидка заряджена частка залишає слід, який можна спостерігати безпосередньо або сфотографувати. Цей прилад можна назвати вікном в мікросвіт, тобто світ елементарних частинок і систем, що складаються з них.

Принцип дії камери Вільсона заснований на конденсації перенасиченої пари на іонах з утворенням крапельок води. Ці іони створює вздовж своєї траєкторії заряджена частка, що рухається.

Камера Вільсона є герметично закритою посудиною, заповненою парами води або спирту, близькими до насичення (рис. 13.2). При різкому опусканні поршня, викликаному зменшенням тиску під ним, пара в камері розширюється адіабатно. Внаслідок цього відбувається охолодження, і пара стає перенасиченою. Це нестійкий стан пари: він легко конденсується, якщо в посудині з'являються центри конденсації. Центрами

конденсації стають іони, які утворює в робочому просторі камери частинка, що пролетіла. Якщо частка проникає в камеру відразу після розширення пари, то на її шляху з'являються крапельки води. Ці крапельки утворюють видимий слідчастки, що пролетіла - трек (рис. 13.3). Потім камера повертається у вихідний стан, і іони видаляються електричним полем. Залежно від розміру камери, час відновлення робочого режиму варіюється від кількох секунд до десятків хвилин.

Інформація, яку дають треки в камері Вільсона, значно багатша за ту, яку можуть дати лічильники. По довжині треку можна визначити енергію частки, а за кількістю крапельок на одиницю довжини треку – її швидкість. Чим довше трек частки, тим більша її енергія. А чим більше крапельок води утворюється на одиницю довжини треку, тим менша її швидкість. Частинки із великим зарядом залишають трек більшої товщини. Радянські фізикиП. Л. Капіца та Д. В. Скобельцин запропонували поміщати камеру Вільсона в однорідне магнітне поле.

Магнітне поле діє на заряджену частинку, що рухається, з певною силою (силою Лоренца). Ця сила викривляє траєкторію частки, не змінюючи модуль її швидкості. Трек має тим більшу кривизну, що більший заряд частки і що менше її маса. По кривизні треку можна визначити ставлення заряду частки до її маси. Якщо відома одна з цих величин, можна обчислити іншу. Наприклад, за зарядом частинки та кривизні її треку можна знайти масу частинки.

Пухирцева камера.У 1952 р. американським ученим Д. Глейзер було запропоновано використовувати для виявлення треків частинок перегріту рідину. У такій рідині на іонах (центрах пароутворення), що утворюються під час руху швидкої зарядженої частинки, з'являються бульбашки пари, що дають видимий трек. Камери даного типубули названі пухирцевими.

У вихідному стані рідина в камері знаходиться під високим тиском, що оберігає її від закипання, незважаючи на те, що температура рідини трохи вище температури кипіння при атмосферному тиску. При різкому зниженні тиску рідина виявляється перегрітою, і протягом невеликого часу вона перебуватиме у нестійкому стані. Заряджені частинки, що пролітають саме в цей час, викликають появу треків, що складаються з бульбашок пари (рис. 1.4.4). І як рідина використовується головним чином рідкий воденьта пропан. Тривалість робочого циклу бульбашкової камери невелика – близько 0,1 с.

Перевага бульбашкової камери перед камерою Вільсона обумовлена більшою щільністюробочої речовини. Пробіги часток внаслідок цього виявляються досить короткими, і частки навіть більших енергій застряють у камері. Це дозволяє спостерігати серію послідовних перетворень частки і викликані нею реакції.

Треки в камері Вільсона та бульбашковій камері - одне з головних джерел інформації про поведінку та властивості частинок.

Спостереження слідів елементарних частинок справляє сильне враження, створює відчуття безпосереднього зіткнення з мікросвітом.

ЧЕРЕНКІВСЬКИЙ ЛІЧИЛЬНИКдетектор для реєстрації заряд. ч-ц, в якому використовується Черенкова Вавилова випромінювання. Під час руху заряд. ч-ци у середовищі зі швидкістю v, перевищує фазову швидкість світла c/n у цьому середовищі (n - показник заломлення середовища), ч-ца випромінює у бік, що становить кут q з її траєкторією. Кут q пов'язаний зі швидкістю ч-ци v та показником заломлення середовища га співвідношенням: cosq=c/vn=1/bn, b=v/c. (1) Інтенсивність W черенківського випромінюванняна 1 см шляху заряд. ч-ци в інтервалі довжин хвиль від l1 до l2 виражається співвідношенням:

Подібна інформація.