Туманная камера

Камера Вильсона , также известный как камера Вильсона , представляет собой детектор частиц используется для визуализации прохождения ионизирующего излучения .

Рис. 1: Фотография камеры Вильсона, использованная для доказательства существования позитрона . Наблюдал К. Андерсон.

Камера Вильсона представляет собой герметичную среду, содержащую перенасыщенный пар воды или спирта . Энергичная заряженная частица (например, альфа- или бета-частица ) взаимодействует с газовой смесью, выбивая электроны из молекул газа за счет электростатических сил во время столкновений, что приводит к образованию следов ионизированных частиц газа. Образующиеся ионы действуют как центры конденсации.вокруг которого образуется туманный след из мелких капель, если газовая смесь находится в точке конденсации. Эти капли видны как «облачный» след, который сохраняется в течение нескольких секунд, пока капли падают через пар. Эти следы имеют характерные формы. Например, дорожка альфа-частицы толстая и прямая, а дорожка электрона тонкая и показывает больше свидетельств отклонений от столкновений.

Туманные камеры играли видную роль в экспериментальной физике элементарных частиц с 1920-х по 1950-е годы до появления пузырьковой камеры . В частности, при открытии позитрона в 1932 году (см. Рис. 1) и мюона в 1936 году Карлом Андерсоном ( лауреатом Нобелевской премии по физике в 1936 году) использовались камеры Вильсона. Открытие каонного по Джордж Рочестер и Клиффорд Чарльз Батлер в 1947 году, также было сделано с использованием камеры Вильсона в качестве детектора. ^[1] В каждом случае источником ионизирующего излучения были космические лучи .

Изобретение [ править ]

Оригинальная камера Вильсона CTR Wilson

Чарльзу Томсону Рису Уилсону (1869–1959), шотландскому физику , приписывают изобретение камеры Вильсона. Вдохновленный наблюдениями за призраком Броккена во время работы на вершине Бен-Невиса в 1894 году, он начал разрабатывать камеры расширения для изучения образования облаков и оптических явлений во влажном воздухе. Очень быстро он обнаружил, что ионы могут действовать как центры образования капель воды в таких камерах. Он продолжил применение этого открытия и усовершенствовал первую камеру Вильсона в 1911 году. В исходной камере Вильсона воздух внутри герметичного устройства был насыщен водяным паром, затем использовалась диафрагма для расширения воздуха внутри камеры ( адиабатическийрасширение), охлаждая воздух и начиная конденсировать водяной пар. Отсюда и используется название « камера расширения расширения» . Когда ионизирующая частица проходит через камеру, водяной пар конденсируется на образующихся ионах, и след частицы виден в облаке пара. Уилсон вместе с Артуром Комптоном получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году за работу над камерой Вильсона. ^[2] Этот вид камеры также называют импульсной камерой, потому что условия для работы не поддерживаются постоянно. Дальнейшие разработки были сделаны Патриком Блэкеттом.который использовал жесткую пружину для очень быстрого расширения и сжатия камеры, что делало камеру чувствительной к частицам несколько раз в секунду. Для записи изображений использовался кинофильм .

Камера диффузионного Вильсона была разработана в 1936 году Александром Лангсдорфом . ^[3] Эта камера отличается от камеры Вильсона расширения тем, что она постоянно чувствительна к излучению и тем, что дно необходимо охлаждать до довольно низкой температуры, обычно ниже –26 ° C (–15 ° F). Вместо водяного пара используется спирт из-за его более низкой точки замерзания . Камеры с охлаждением сухим льдом или термоэлектрическое охлаждение с эффектом Пельтье - обычные демонстрационные устройства и устройства для любителей; спирт, используемый в них, обычно представляет собой изопропиловый спирт или метилированный спирт .

Структура и работа [ править ]

Здесь и пойдет речь о камерах диффузионного типа. Простая камера Вильсона состоит из герметичной среды, теплой верхней пластины и холодной нижней пластины (см. Рис. 2). Для этого требуется источник жидкого спирта на теплой стороне камеры, где жидкость испаряется, образуя пар, который охлаждается при падении через газ и конденсируется на холодной нижней пластине. Нужна какая-то ионизирующая радиация.

Пары метанола , изопропанола или другого спирта насыщают камеру. Спирт падает, когда он остывает, и холодный конденсатор обеспечивает крутой температурный градиент. В результате получается перенасыщенная среда. Когда энергичные заряженные частицы проходят через газ, они оставляют следы ионизации. Пары спирта конденсируются вокруг газовых ионных следов, оставленных ионизирующими частицами. Это происходит потому, что молекулы спирта и воды полярны, что приводит к чистой силе притяжения по отношению к находящемуся поблизости бесплатному заряду. В результате образуется туманное облако, которое видно по каплям, падающим в конденсатор. Когда следы излучаются радиально наружу от источника, их исходную точку можно легко определить. ^[4] (См., Например, рис. 3).

Прямо над пластиной холодного конденсатора находится объем камеры, чувствительный к ионизационным трекам. Ионный след, оставленный радиоактивными частицами, обеспечивает оптимальный спусковой механизм для конденсации и образования облаков. Высота этого чувствительного объема увеличивается за счет крутого температурного градиента и стабильных условий. ^[4] Сильное электрическое поле часто используется, чтобы провести следы облаков вниз к чувствительной области камеры и повысить чувствительность камеры. Электрическое поле может также служить для предотвращения больших количеств фонового «дождя», закрывающего чувствительную область камеры, вызванного конденсацией, образующейся над чувствительным объемом камеры, тем самым закрывая дорожки из-за постоянного осаждения. Черный фон облегчает наблюдение за облачными следами. ^[4] Обычно требуется тангенциальный источник света. Это высвечивает белые капли на черном фоне. Часто следы не видны, пока на пластине конденсатора не образуется мелкая лужа спирта.

Если магнитное поле приложено к камере Вильсона, положительно и отрицательно заряженные частицы будут изгибаться в противоположных направлениях в соответствии с законом силы Лоренца ; Однако достаточно сильные поля трудно достичь с помощью небольших установок для любителей.

Другие детекторы частиц [ править ]

Пузырьковая камера была изобретена Donald A. Glaser Соединенных Штатов в 1952 году, и за это он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1960 г. пузырьковой камеры аналогично показывает следы элементарных частиц, но и как следы пузырьков в перегретая жидкость, обычно жидкий водород . Пузырьковые камеры могут быть физически больше, чем камеры Вильсона, и, поскольку они заполнены гораздо более плотным жидким материалом, они обнаруживают следы гораздо более энергичных частиц. Эти факторы быстро сделали пузырьковую камеру преобладающим детектором частиц на несколько десятилетий, так что к началу 60-х годов прошлого века камеры Вильсона были полностью вытеснены в фундаментальных исследованиях. ^[5]

Искровая камера представляет собой электрическое устройство , которое использует сетку из неизолированных электрических проводов в камере с высоким напряжением , приложенным между проводами. Энергичные заряженные частицы вызывают ионизацию газа на пути частицы таким же образом, как и в камере Вильсона, но в этом случае окружающие электрические поля достаточно высоки, чтобы вызвать полномасштабный пробой газа в виде искр на положение начальной ионизации. Присутствие и местоположение этих искр затем регистрируется электрически, и информация сохраняется для последующего анализа, например, с помощью цифрового компьютера .

Подобные эффекты конденсации можно наблюдать в виде облаков Вильсона , также называемых облаками конденсации, при больших взрывах во влажном воздухе и других эффектах сингулярности Прандтля – Глауэрта .

См. Также [ править ]

• Ядерная эмульсия - также используется для регистрации и исследования быстрых заряженных частиц.
• Пузырьковая камера
• Искровая камера
• Gilbert U-238 Лабораторный научный комплект для детей по атомной энергии (1950–1951)
• Инверсионный след

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

• Дас Гупта, Н. Н.; Гош С.К. (1946). «Отчет о камере Вильсона и ее приложениях в физике». Обзоры современной физики . 18 (2): 225–365. Bibcode : 1946RvMP ... 18..225G . DOI : 10.1103 / RevModPhys.18.225 .

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме облачных камер .

• YouTube: "Камера диффузионного облака"
• Множество фотографий ядерного взаимодействия и опыта ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
• Видео камеры Вильсона с радиоактивными источниками
• Видеодемонстрация камеры Вильсона , Питер Уотерс , Королевский институт , декабрь 2012 г.
• «Облачные камеры» . Архивировано из оригинала на 30 июня 2008 года.
• Инструкции по диффузионной камере
• «Туманная камера, используемая в преподавании физики»
• Камера диффузионного облака с термоэлектрическим охлаждением

• Воспроизвести медиа

  Самодельная облачная камера.

• Снимок сделан в Пик-дю-Миди на высоте 2877 м в камере Вильсона Phywe PJ45 (размер поверхности 45 x 45 см). На этой редкой фотографии за один снимок показаны 4 частицы, которые можно обнаружить в камере Вильсона: протон, электрон, мюон (вероятно) и альфа.

• Камера Вильсона с видимыми следами ионизирующего излучения (короткие, толстые: α-частицы; длинные, тонкие: β-частицы). См. Также Анимированную версию

• Воспроизвести медиа

  Видео Туманной камеры в действии

• Пример термоэлектрической камеры Вильсона с водяным охлаждением

• Камера сгорания с облачными следами, созданными частицами ионизирующего излучения (изображение, полученное после впрыска радона )

• Альфа-частицы из источника радия в камере Вильсона

• Распад радона-220 в камере Вильсона

• Альфа-частицы и электроны (отклоненные магнитным полем) от ториевого стержня в камере Вильсона

• Радиоактивность минерала торита в камере Вильсона

• Камера диффузионного облака с ионным скруббером 4,6 кВ

• Домашний ТЭО / 5-ступенчатая диффузионная камера с водяным охлаждением