Пузырьковые детекторы

 

 

 

 

Министерство образования  Республики Беларусь

 

Учреждение образования

"Международный государственный  экологический университет

имени А.Д. Сахарова"

 

Факультет ядерной и радиационной безопасности

 

 

Реферат по дисциплине

«Измерения характеристик  ионизирующего излучения»

 

 

 

 

 

 

Тема:

Пузырьковые детекторы

 

 

 

 

Выполнила

Студентка 3-го курса

Гр. 307-2

Колесникова Екатерина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск

27.04.2011

Оглавление:

 

Пузырьковые камеры

Идея создания пузырьковой  камеры возникла у Глейзера (1952 г.) во время работ с перегретыми жидкостями.

Перегрев жидкости. Если температура жидкости выше температуры кипения при данном давлении и жидкость не вскипает, т. е. не происходит расслоение жидкости на две фазы: жидкую и газообразную, то такую жидкость называют перегретой. Такое состояние не является стабильным и обусловлено тем, что для начала кипения необходимо образование центров кипения (пузырьков пара). Перегретое состояние жидкости можно получить следующим образом. Пусть жидкость нагрета до температуры T_раб и поддерживается в жидком состоянии (без кипения) давлением р_н > р_¥ (р_¥—давление насыщенных паров жидкости при температуре T_раб)- Если резко сбросить давление с р_в до р_н, то жидкость окажется перегретой. Это состояние характеризуют перегревом , равным разности температуры начальной  и температуры насыщенных паров, соответствующих давлению р_н.

 Глейзер нагревал в небольшом объеме эфир, поддерживая его в жидком состоянии увеличением действующего на объем давления. Если давление внезапно снималось, то эфир оставался в перегретом жидком метастабильном состоянии. Поднесенный к объему радиоактивный препарат вызывал немедленное вскипание эфира, и кинокамера, регистрирующая кипение, показывала не вызывающие сомнений треки ионизирующих частиц. Глейзер установил, что длительное метастабильное состояние перегретой жидкости возможно только в том случае, если внутренняя поверхность колбы с жидкостью не имеет царапин, углов, является плавной. В противном случае происходит интенсивное самопроизвольное (без облучения) вскипание перегретой жидкости.

Подобного рода устройства стало известно как «чистая» пузырьковая камера. В такой камере перегретая жидкость не вскипала в течение 1 мин. и даже дольше; она, по-видимому, могла бы оставаться в этом метастабильном состоянии очень долго, если бы не действие космического излучения. Эти камеры не удалось применить для исследований, так как только из стекла изготовить камеру больших размеров (высокие давления перегретой жидкости) невозможно и, кроме того, через толстые искривленные стекла нельзя фотографировать треки частиц с достаточной точностью. В результате работ Глейзера было установлено, что перегретая жидкость вскипает (начинает вскипать) вдоль трека заряженной частицы и что паровые пузырьки, образованные вдоль пути частицы, и что паровые пузырьки, образованные вдоль пути частицы, успевают вырасти до приемлемых для фотографирования размеров прежде, чем вскипает вся жидкость.

По-видимому, пузырьковые камеры так  бы и остались иллюстрацией интересного физического явления, если бы не получили развитие так называемые грязные камеры. Были изготовлены камеры из полированного металла с плоским стеклом, в которых удалось наблюдать треки заряженных частиц (рис. 5.3 показаны обе камеры). Опыты с грязной камерой показали, что при быстром сбросе давления происходит быстрое вскипание жидкости в основном вблизи уплотняющих прокладок между стеклом и корпусом камеры, вблизи поршня, изменяющего давление, но скорость распространения кипения оказывается ограниченной теплопроводностью жидкости и стенок камеры и повышением давления в жидкости при кипении у стенок.

Таким образом, центральная часть  камеры после изменения давления в течение некоторого времени находится в метастабильном состоянии, где заряженные частицы могут образовать пузырьки пара.

Рис. 5.3 Устройство чистой и грязной пузырьковых камер: чистая (а) и грязная (б) пузырьковые камеры. 1 – поршень; 2 – рабочая жидкость; 3– жидкость с более высокой точкой кипения для защиты рабочей жидкости от соприкосновения с поршнем; 
4 – металлический корпус; 5 – плоские стекла.

В перегретом состоянии  жидкость находится в неустойчивом состоянии, поскольку с энергетической точки зрения перегретой жидкости выгодно расслоение на две фазы – жидкую и газообразную.

Однако для такого расслоения необходимо образование  полостей в жидкости, что требует затрат энергии.

Пусть жидкость перегрета, т.е. давление насыщенных паров при данной температуре выше гидростатического. Пусть, далее, в жидкости каким-либо путем образовался пузырек пара. Оказывается, что дальнейшая судьба пузырька существенно зависит от его радиуса, так как на него действуют силы поверхностного натяжения. Когда температура жидкости далека от критической, то равновесие пузырька пара (постоянство его радиуса) в принципе возможно при следующих условиях. Если давление пара внутри пузырька уравновешено внешним давлением и давлением, обусловленным поверхностным натяжением, то равновесие возможно только при критическом радиусе полости. Но это равновесие неустойчиво. Для большинства жидкостей критический радиус пузырька имеет величину около 10^-6 см.

Перегретая жидкость может начать кипеть, если в ней  образуются пузырьки пара с радиусом больше критического. Такие пузырьки могут возникать на стенках камеры за счет неплотного контакта жидкости с поверхностью камеры. Кроме того, в жидкости в результате термодинамических флуктуации непрерывно образуются пузырьки различных радиусов. Вероятность образования пузырьков в результате флуктуации плотности жидкости очень сильно зависит от температуры и перегрева.

Пузырьки, образующиеся в результате флуктуации плотности  жидкости, создают фон в камере, который по аналогии с камерами Вильсона называют туманом. Чем больше перегрев жидкости, тем выше плотность тумана. Для пузырьковых камер, таким образом, имеется максимальное значение перегрева. Если перегрев жидкости выше максимального, то жидкость практически мгновенно вскипает по всему объему и образующийся туман не позволяет регистрировать ионизирующие частицы.

 Согласно тепловой модели образование пузырьков происходит в результате локального выделения тепла, в которое преобразуется кинетическая энергия электронов, созданных заряженной частицей при прохождении в жидкости. Эта модель подтверждается тем, что число пузырьков на единице пути заряженной частицы пропорционально z² /β² (z – заряд частицы, β – ее скорость в единицах скорости света).

      Оценим минимальную энергию, необходимую для создания газовой полости радиусом r_к, и сравним ее с удельными потерями энергии d-электронами. Чтобы создать пузырек критического радиуса, необходима, во-первых, энергия для испарения жидкости объемом 4πr³_к/3, т. е. 4πr³_кE_и /3 (E_и — энергия, нужная для испарения единицы объема жидкости), во-вторых, энергия для создания поверхности газовой полости, т. е. 4πr²_кσ, и, в-третьих, энергия для расширения пузырька до критического радиуса, т. е. необходимо преодолеть сопротивление гидростатического давления. Эта часть энергии равна 4πr³_кρ/3. Итак, минимальная энергия

Eмин = 4πr³_к {Е_и + 3σ/r_к + р}/3,

или, получаем

E_мин = 32 πσ³ [Е_и + 3 (p_¥ - р) /2 + р] /[3 (p_¥ - р)³]

Видно, что минимальное значение необходимой энергии для создания пузырька пара критического радиуса очень сильно зависит от перепада давлений (р_¥ — р) и коэффициента поверхностного натяжения σ. Энергия Е_мин по порядку величин составляет; около сотни электронвольт в области рабочих значений (р_¥ — р).Эту энергию d-электроны должны потерять на расстояниях порядка 10^-6 см, т. е. электроны для создания пузырьков газа должны иметь удельные потери энергии dE/dx ≈ 100 Мэв/см. Электроны с энергиями ниже нескольких килоэлектронвольт обладают большими значениями dE/dx. Следовательно, d-электроны с энергией, большей Е_мин, могут передавать жидкости достаточную энергию для создания пузырьков с r >~ r_к. Энергия передается молекулам жидкости за очень малые (около 10 ¹⁴ сек) времена. Передача энергии возбуждения молекул в тепловую энергию (возбуждение вибрационных уровней) происходит за время порядка 10^-11 — 10^-12 сек. Таким образом, кинетическая энергия электронов может перейти в тепловую за время порядка 10^-11 — 10~¹² сек.

После прохождения заряженной частицы в жидкости остается след, состоящий из пузырьков размером 10^-6cм. Чтобы сделать снимок этого следа, пузырьки должны вырасти до размера примерно 10^-2см. Скорость роста пузырька ограничивается в основном скоростью притока тепла от окружающей жидкости к стенке пузырька. Расчеты показывают, что радиус пузырька растет пропорционально корню t. Коэффициент пропорциональности тем больше, чем больше коэффициент теплопроводности жидкости, больше перегрев жидкости и меньше удельная теплота испарения. В грязных камерах время роста пузырька до размеров примерно 10^-2 см. составляет 10^-3 сек.

Экспериментально было установлено, что время жизни пузырьков пара радиусом около 10^-6 см., отсчитываемое от момента прохождения заряженной частицы, очень мало ( меньше 10^-7 сек). Этот факт находит объяснение в рамках тепловой модели возникновения зародышевых пузырьков. Время диффузии тепла из перегретой области радиусом около 10^-6 см. оценивают для большинства жидкостей примерно в 10^-10 сек. Время диффузии тепла значительно больше времени перехода кинетической энергии электронов в тепловую, что позволяет образоваться зародышевым пузырькам. Малое время жизни таких пузырьков не позволяет управлять работой пузырьковых камер проходящими частицами. Чтобы создать перегрев жидкости механическим расширением, необходимо время порядка 10^-3 сек.

Образующиеся в жидкости пузырьки пара всплывают. Скорость всплывания маленьких пузырьков пропорциональна квадрату радиуса пузырька. При больших радиусах (~ 10^-2 см) скорость всплывания уже не зависит от радиуса и составляет 10 см/сек. Если принять время роста пузырьков равным примерно 10^-3 сек, то за время роста пузырек сместится примерно на 10^-2 см, т. е. на расстояние порядка своего радиуса.

Выбор рабочих характеристик пузырьковой камеры.   Работу пузырьковых камер можно качественно описать с помощью диаграмм давление—температура и давление—время ( рис. 1). На первой диаграмме показана зависимость давления насыщенных паров жидкости от ее температуры. Если жидкость находится в устойчивом состоянии, то точка, характеризующая ее состояние, должна находиться на этой диаграмме выше равновесной кривой ρ_¥(Т). Если же жидкость находится в метастабильном состоянии, то точка, характеризующая это состояние, расположена ниже равновесной кривой. В этом метастабильном состоянии жидкость может находиться ограниченное время, после чего происходит спонтанное вскипание и жидкость переходит в равновесное состояние в результате уменьшения температуры и (или) возрастания давления. Перевод жидкости из равновесного состояния в метастабильное производят быстрым понижением давления, т. е. изменяют давление от р_в до р_н при заданной температуре1. Поскольку при быстром изменении давления температура жидкости изменяется очень мало, то состояние жидкости после сброса давления можно характеризовать температурой Т_раб и перегревом ..

Чем ниже давление р_н, тем больше перегрев жидкости. При заданной начальной температуре Т_раб необходимо выбрать такое значение р_н, чтобы в жидкости был достаточный перегрев для образования зародышевых пузырьков заряженной частицей, но, с другой стороны, р_н должно быть больше некоторого минимального значения р_мин, при котором жидкость вскипает из-за флуктуации плотности. На диаграмме р — Т показаны кривые р_мин и р_гр. Кривая р_гр соответствует граничным значениям перегрева, ниже которых заряженные частицы не образуют зародышевых пузырьков.

В грязных камерах максимальное значение перегрева меньше, чем в чистых камерах, и ограничивается паразитным пристеночным кипением. Это связано с тем, что чем больше перегрев жидкости, тем быстрее происходит вскипание жидкости у стенок и тем быстрее в центральной области камеры повышается давление и, следовательно, исчезает необходимый для образования зародышевых пузырьков перегрев жидкости. На диаграмме для грязных камер проведена кривая р'мин. Заштрихованная область между кривыми р_гр и р'мин соответствует области чувствительности перегретой жидкости к ионизирующему излучению. Видно, что существует довольно узкая область давлений р_н и температур Т_раб, при которых жидкость оказывается чувствительной к ионизирующему излучению. Экспериментально было установлено, что наилучшую начальную температуру для многих жидкостей можно определить из следующего соотношения:

Tраб ≈ Ткип+ 2 (Т_\кр – Т_кип)/3

где Т_кр — критическая температура; Т_кип — температура кипения жидкости при атмосферном давлении. Верхнее давление в камере р_в выбирают обычно более высоким, чем р_¥, так как конденсация паровых полостей начинается при р = р_¥. Чем больше давление р_в, тем меньше время конденсации пузырьков и тем короче рабочий цикл камеры.

Выбор нижнего давления р_н зависит от необходимой чувствительности камеры, которую определяют по числу пузырьков на единице длины трека заряженной частицы. Чувствительность камер очень сильно зависит от перегрева жидкости или от (р_¥ — р_н). Так, для камеры, наполненной пропаном при Т_раб = 60° С, релятивистские электроны образуют в среднем пять пузырьков на 1 см при (р_¥— р_н) = 9 атм, а при (р_¥— р_н) = 11 атм число пузырьков на 1 см трека достигает 30.

На второй диаграмме (см. рис. 2) показана зависимость давления в камере от времени. Жидкость в камере имеет давление насыщенных паров p_¥ и температуру Т_раб. В начальный момент жидкость находится при давлении р_в> р_¥. В момент t₀ в камере уменьшается давление (происходит расширение). Время расширения t_p определяется механизмом, изменяющим давление в камере, и пристеночным кипением. Время t_р обычно составляет около 10 мсек. За время t_р давление в камере снижается до р_н. Как только давление оказывается ниже р_гр, жидкость в камере становится чувствительной к ионизирующему излучению. После расширения жидкость в камере остается практически при постоянном перегреве в течение нескольких миллисекунд t_n. В течение времени t_п попавшие в камеру заряженные частицы образуют паровые пузырьки, которые фотографируются при импульсном освещении. После этого в камере повышают давление до первоначального р_в за время примерно 10 мсек. Если после расширения давление в камере не изменять, то в результате пристеночного кипения за время порядка десятых долей секунды давление в камере вырастет до р_¥ (этот процесс изображен на диаграмме пунктирной кривой). Время чувствительности камеры τ определяется временем, в течение которого давление в камере ниже р_гр