Камера Вильсона.

Камера Вильсона (рис. 38.1) была изобретена шотландским физиком Ч.Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.

Рисунок 38.1.

Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S ~ 10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.

Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. В камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться (показатель перенасыщения 1 < S < 10). Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, то есть появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по-разному. Например, трек электрона выглядит тоньше и прерывистей, чем трек, полученный при пролете значительно более массивной альфа-частицы.

В 1912 ученый из Шотландии по имени Чарльз Вильсон изобрел прибор, необходимый для самостоятельной регистрации следов треков заряженных частиц. Изобретение камеры дало Вильсону в 1927 году возможность быть удостоенным высшей награды в области физики — Нобелевской премии.

Строение прибора

Туманной камерой , или как иначе называют камерой Вильсона, принято считать не большую по размеру емкость с крышкой, изготовленной из такого материала, как стекло, в самом низу камеры располагается поршень.

Наполнение прибора происходит вследствие впуска насыщенных паров эфира, спирта, либо обычной воды, они предварительно очищаются от пыли, в нее: это необходимо для того, чтобы частицы, пролетая, не задерживались центрами конденсации, находящихся в молекулах воды.

После заполнения камеры парами поршень опускается, далее вследствие возникновения адиабатического расширения происходит стремительное охлаждение паров, которые становятся перенасыщенными. Заряженные частицы, проходя по всей емкости камеры, оставляют за собой след из ионных цепочек. Пар в свою очередь, конденсируясь на ионах, оставляет треки – следы частиц.

Принцип работы прибора

Вследствие того что в исследуемом пространстве периодически происходит перенасыщение парами разнообразных центров конденсации (ионами, сопровождающими след стремительно перемещающейся частицы), на них происходит появление небольших по размеру капель жидкости. Объем этих капель со временем увеличивается, вместе с этим представляется возможность их зафиксировать, делают это при помощи их фотографирования.

Источник исследуемого материала находится либо в пределах камеры, либо же непосредственно за ее пределами. В том случае, когда он будет находиться вне емкости камеры, частицы в нее могут залетать в небольшое прозрачное окно, расположенное на ней. Чувствительность прибора по отношению к временному отрезку может изменяться от 0,01 доли секунды до 2-х – 3-х секунд, это время необходимо для нужного перенасыщения ионной конденсации.

Следом следует сразу же почистить рабочий объем камеры , это делается для восстановления ее чувствительности. Камера Вильсона работает только лишь в циклическом режиме. Один полный цикл примерно равен минуте.

Перемещение туманной камеры в магнитное поле может вызвать увеличение ее личных возможностей в несколько раз. Это связано с тем, что подобная среда способна искривлять траекторию полета заряженных частиц, что в свою очередь и определяет их импульс вместе со знаком заряда.

Наиболее известные применения прибора

Используя камеру Вильсона в 1932 году, физик-экспериментатор из США по имени Карл Дейвид Андерсон смог установить содержание в космических лучах позитрона.

Первым, кому пришло в голову поместить туманную камеру в область нахождения сильнейшего магнитного поля, стали советские ученые-физики Д. В. Скобельцин и П. Л. Капица, что они и совершили с огромным успехом в 1927 году, через 15 лет с момента создания знаменитого прибора. Советские исследователи определили вместе с импульсами знаки зарядов и такие количественные характеристики частиц, как масса и скорость, что стало сенсационным прорывом советской физики в рамках мирового масштаба.

Преобразование прибора

В 1948 году в области физики произошло усовершенствование камеры Вильсона, автором подобной разработки стал английский физик Патрик Блэккет, получивший за свое изобретение Нобелевскую премию. Ученый создал управляемую версию туманной камеры. Он установил в прибор специальные счетчики, регистрируемые самой камерой, они сами же «запускают» камеру для наблюдений действий подобного рода.

Новая усовершенствованная камера Вильсона, работающая в подобном режиме, становится более деятельной, происходит заметный рост ее эффективности.

Управляемость туманной камеры, созданная Блэккетом, способствует обеспечению высокой скорости в области расширения газовой среды, вследствие чего и появляется возможность отслеживания камерой сигнала внешних счетчиков и дальнейшего реагирования на него.

Вильсон дожил до того времени, когда произошло преобразование его детища, он назвал эксперимент удачным и признал всю важность использования варианта прибора, представленного Патриком Блэккетом.

Значение прибора

Камера Вильсона стала для первой половины XX века уникальным прибором, поднявшим престиж физики во всем научном мире. Она позволила физикам отследить следы заряженных частиц и представить это открытие обществу.

Плюсы

• Камера Вильсона стала первым в мире прибором, который смог отследить следы треков заряженных частиц.
• Данный прибор успешно применяется в магнитном поле.
• Камера Вильсона сыграла важную роль в исследовании строения огромного количества веществ (рубидий и так далее).
• С помощью применения туманной камеры физики смогли исследовать ядерные излучения и космические лучи.

Минусы

• С учетом роста давления в камере, одновременно также увеличивается и временной отрезок, необходимый для измерения нечувствительности прибора, его физики называют мертвым временем.
• Работа камеры Вильсона требует давления от 0,1 до 2-х атмосфер, если появляется более высокое давление, то в таком случае работа прибора становится затрудненной, что напрямую связано с запотеванием стекла камеры, его нужно постоянно очищать.
• Камера не дает совершить полноценную автоматизацию данных.

М. Новикова

Крохотные неуловимые частицы, испускаемые радиоактивными элементами! Масса их ничтожна; какими весами взвесить их! Скорость их колоссальна - до 10 тыс, км в сек, - разве можно уследить за их полетом! И все-таки это сделано: микрочастицы взвешены, измерены, «увидены». С помощью несложного в изготовлении прибора - так называемой камеры Вильсона - может «увидеть» их каждый.

Устройство этого прибора показано на рисунке.

Стенки камеры шириной 150 и высотой 80 мм делаются из стекла или плексигласа толщиной от 4 до 6 мм. Чтобы камера была герметична, стенки

должны быть хорошо склеены и притерты ко дну (2) и крышке (3). Между стенками и дном и между стенками и крышкой желательно поставить резиновые прокладки толщиной 1 - 2 мм (4). Дно камеры - это ровная плита из меди, латуни или дюралюминия размером 190 х 190 мм и толщиной 5-6 мм. Она привинчивается двенадцатью винтами к обойме (5), сделанной из гетинакса или текстолита. Крышка камеры размером 170 х 170 мм сделана из того же материала, что и дно. Посередине крышки делается окно 70x70 мм, через которое производится наблюдение. Это окно закрывается стеклом (6), которое через резиновую

кладку прижимается к крышке винтами. С помощью текстолитовой рамы (7) и стержней (8) стенки камеры прижимаются ко дну и к крышке. Внутри камеры к крышке прикрепляется корытце (9), сделанное из тонкой меди или жести. В стенке камеры и в крышке нужно просверлить небольшие отверстия для ввода в камеру радиоактивного излучения. Отверстия закрываются пробками «а».

Как работает камера?

Из физики известно, что давление насыщенных паров жидкости уменьшается с понижением температуры. Если температуру насыщенных паров понизить, они перейдут в пересыщенное состояние. Когда в пересыщенных парах находятся мелкие пылинки, то на них будет конденсироваться пар, и на пылинках вырастут капельки видимого размера. При значительном пересыщении паров центрами конденсации могут быть не только такие крупные «частички», как пылинки, но даже ионы газов, а каждая о-частица на своем пути ионизирует до 100 тыс. атомов. След л частицы становится видимым, - он отмечен мгновенно возникающей нитью тумана.

Рабочей жидкостью в данной камере может служить метиловый или этиловый спирт (метиловый спирт - только для стеклянной камеры: плексиглас не годится). Пересыщение достигается за счет непрерывной диффузии пара в вертикальном направлении от нагретой крышки к охлажденному дну. Чтобы получить следы частиц хорошего качества, дно камеры должно быть охлаждено до - 50^- 80° С, а крышка должна находиться при обычной комнатной температуре.

Охлаждение дна камеры производится твердой углекислотой («сухим льдом»), которая в количестве 2 -3 кг загружается в деревянный ящик (10). Твердая углекислота поджимается ко дну пружинами (11). к -г- 3 кг «сухого льда» хватает примерно на два часа работы.

Для запуска камеры пружины сжимаются и фиксируются стержнями (12). В ящик засыпаются кусочки твердой углекислоты. Затем дно ставится в обойме и привинчивается к ящику с помощью четырех коротких стержней (13) и гаек (14) по углам. На дно кладется бархат, прокладка и ставятся стенки, на стенки - крышка. Вся эта система стягивается рамой и четырьмя длинными стержнями. Через отверстие для наблюдения в крышке в камеру заливается спирт, чтобы на дне оказался слой его высотой 2 -т- 3 мм. При заливке надо следить, чтобы камера стояла горизонтально и уровень спирта на дне был бы везде одинаков. В корытце (9) спирт заливается через отверстие «а» в крышке (3) камеры.

Фиксирующие стержни одновременно вынимаются, и с"ухой лед" поджимается пружинами ко дну. После этого примерно через 20 мин. около дна камеры можно наблюдать следы частиц. Высота слоя, в котором видны следы частиц (чувствительного слоя), в данной камере составляет примерно 20 мм. Освещение чувствительного слоя производится сбоку. Для этой цели может быть использован осветитель с лампой накаливания мощностью 100 ~ 300 вт и дающий более или менее параллельный пучок света (эпидиаскоп, например).

Боковые стенки камеры в процессе работы обмерзают. Поэтому стенку камеры, через которую производится освещение, следует время от времени протирать тряпочкой, смоченной в спирте. Перед сборкой камеры внутренние поверхности стенок, дна и крышки, а также и корытце должны быть промыты спиртом. Наблюдение надо вести в темной комнате.

В качестве источника a - частиц могут быть использованы часы со светящимся циферблатом, которые подносятся вплотную к камере. Можно радиоактивное вещество нанести на кончик проволоки и ввести его в чувствительный слой. Однако источник частиц не должен находиться длительное время в чувствительном слое, так как на нем конденсируются пары спирта и вылет частиц прекращается.

Конструкция камеры не обязательно должна быть прямоугольной. Если найдется круглая стеклянная байка подходящего диаметра, можно использовать и ее.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц. Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью с взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием, - выстрел.

Регистрирующий прибор - это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется множество различных методов регистрации частиц.

В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.

Газоразрядный счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера - один из важнейших приборов для автоматического подсчета частиц.

Счетчик (рис. 13.1) состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, -частица и т. д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный paзряд, необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается - настолько, что разряд прекращается.

Счетчик Гейгера применяется в основном для регистрации электронов и -квантов (фотонов большой энергии).

В настоящее время созданы счетчики, работающие на и пых принципах.

Камера Вильсона. Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона, созданной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать окном в микромир, т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем.

Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению (рис. 13.2). При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это -неустойчивое состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами

конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру сразу после расширения пара, то на ее пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - трек (рис. 13.3). Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима варьируется от нескольких секунд до десятков минут.

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека - ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше ее энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше ее скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины. Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле.

Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу с определенной силой (силой Лоренца). Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля ее скорости. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее масса. По кривизне трека можно определить отношение заряда частицы к ее массе. Если известна одна из этих величин, то можно вычислить другую. Например, по заряду частицы и кривизне ее трека можно найти массу частицы.

Пузырьковая камера. В 1952 г. американским ученым Д. Глейзером было предложено использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Камеры данного типа были названы пузырьковыми.

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением, предохраняющим ее от закипания, несмотря на то, что температура жидкости несколько выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой, и в течение небольшого времени она будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженые частицы, пролетающие именно в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара (рис. 1.4.4). И качестве жидкости используются главным образом жидкий водород и пропан. Длительность рабочего цикла пузырьковой камеры невелика - около 0,1 с.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими, и частицы даже больших энергий застревают в камере. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Треки в камере Вильсона и пузырьковой камере - один из главных источников информации о поведении и свойствах частиц.

Наблюдение следов элементарных частиц производит сильное впечатление, создает ощущение непосредственного соприкосновения с микромиром.

ЧЕРЕНКОВСКИЙ СЧЁТЧИК детектор для регистрации заряж. ч-ц, в к-ром используется Черенкова Вавилова излучение. При движении заряж. ч-цы в среде со скоростью v, превышающей фазовую скорость света c/n в данной среде (n - показатель преломления среды), ч-ца излучает в направлении, составляющем угол q с её траекторией. Угол q связан со скоростью ч-цы v и показателем преломления среды га соотношением: cosq=c/vn=1/bn, b=v/c. (1) Интенсивность W черенковского излучения на 1 см пути заряж. ч-цы в интервале длин волн от l1 до l2 выражается соотношением:

Похожая информация.

ом в 1912. Действие В. к. основано на явлении конденсации пересыщенного пара, т. e. на образовании мелких капелек жидкости на каких-либо центрах конденсации, например на ионах, образующихся вдоль следа быстрой заряженной частицы. Капельки достигают видимых размеров и могут быть сфотографированы. Исследуемые частицы могут либо испускаться помещаемым внутри камеры источником, либо попадать в камеру извне через прозрачное для них окно. В. к. обычно помещают в магнитное поле. Природу и свойства исследуемых частиц можно установить по величине пробега и импульса частиц. Величина импульса измеряется по искривлению следов частиц под действием магнитного поля.

Для исследования частиц с малой энергией камеры заполняют газом при давлении меньше атмосферного; для исследования частиц высоких энергий камеру наполняют газом до давлений в десятки атм. Широко варьируются размеры и форма камер, материалы их стенок. На рис. 1 и 2 приведены снимки ядерных процессов, наблюдавшихся при помощи В. к.

В. к. сыграла важную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий метод В. к. был практически единственным визуальным методом регистрации ядерных излучений. Однако в последние годы В. к. уступила место пузырьковым камерам (См. Пузырьковая камера) и искровым камерам (См. Искровая камера).

Лит.: Принципы и методы регистрации элементарных частиц, пер. с англ., М., 1963.

Е. М. Лейкин.

Рис. 1. Ядерная реакция 14 N (․α, р) 17 О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ․α-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции - протона и ядра 17 О.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Вильсона камера" в других словарях:

Прибор для наблюдения следов (треков) заряж. ч ц. Основан на конденсации пересыщенного пара на ионах, образующихся вдоль траектории заряж. ч цы. Ч цы могут либо испускаться источником, помещённым внутри камеры, либо попадать в неё извне. Треки… … Физическая энциклопедия

Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В… … Большой Энциклопедический словарь

Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие камеры Вильсона основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы.… … Энциклопедический словарь

Камера Вильсона один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарлзом Вильсоном между 1910 и 1912 гг. Принцип действия камеры использует явление конденсации перенасыщенного… … Википедия

Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие В. к. осн. на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряж. частицы. В дальнейшем… … Естествознание. Энциклопедический словарь

- (туманная камера), прибор, служащий для идентификации заряженных частиц. Камера была изобретена в 1880 х гг. английским физиком Чарльзом Вильсоном с целью изучения атомной радиации и усовершенствовалась на протяжении нескольких десятилетий.… … Научно-технический энциклопедический словарь

- (позднелат. camera комната, келья) какая либо закрывающаяся комната либо замкнутое пространство либо устройство, важной частью которого является замкнутая полость: Камера кессон, изолированный от окружающего водоема герметичными… … Википедия

камера Вильсона - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN Wilson chambercloud chamber … Справочник технического переводчика