Пузырьковые детекторы

Длительность рабочего цикла камеры во многом определяется временем, в течение которого камера выдерживается со сброшенным давлением. Если это время велико, то пузырьки успевают вырасти до значительных размеров и переместиться в верхнюю часть камеры, где и произойдет их конденсация после повышения давления в камере. Таким образом, будет происходить охлаждение нижней части камеры (поглощение тепла при образовании пара) и нагрев ее верхней части (выделение тепла при конденсации пузырьков). Это создаст нежелательный температурный градиент в камере, выравнивание которого может потребовать несколько минут из-за малой теплопроводности жидкости.

Жидкость для пузырьковой камеры   определяется содержанием проектируемого физического эксперимента. Для изучения взаимодействия элементарных частиц наилучшей рабочей средой является жидкий водород – идеальная мишень для исследования элементарных столкновений. Большой интерес для изучения элементарных взаимодействий представляет и дейтерий, поскольку опыты, проведенные на дейтерии, в совокупности с опытами, проведенными на протонах, в некоторых случаях позволяют сделать заключения о взаимодействии частиц с нейтронами.

         Пузырьковые камеры с жидким водородом и дейтерием, имеющие исключительные свойства как мишени, оказываются не очень хорошими детекторами частиц из-за малой плотности наполнителя, когда возникает необходимость в изучении закономерностей распада и продуктов распада нестабильных частиц. Вероятность наблюдения таких распадов тем больше, чем меньше пробеги частиц в камере, т.е. для этого необходимы камеры, наполненные жидкостями с большими плотностями. Малая плотность жидкого водорода и дейтерия и их малый атомный номер не позволяют регистрировать распады нестабильных частиц с большой эффективностью. С этой точки зрения представляют большой интерес такие вещества, как пропан, фреон, йодистый метил, шестифтористый вольфрам, ксенон. Все эти вещества в жидком состоянии имеют гораздо большие плотности, чем жидкий водород. Кроме того, создание пузырьковых камер с жидким водородом и дейтерием представляет собой более сложную задачу, поскольку они работают при низких температурах (~ 30 °К). Для регистрации и исследования γ-квантов, сопровождающих элементарные взаимодействия, представляют особый интерес пузырьковые камеры, наполненные ксеноном или шестифтористым вольфрамом. Основные характеристики жидкостей используемых в пузырьковых камерах, приведены в табл. 1.

Таблица.1.

Характеристики веществ, применимых для заполнения пузырьковых камер

Вещество	Траб, °С	Р¥, атм	Плотность, г/см3	Х0, см	Средний пробег g-кваита с энергией 100 Мэв, см
Водород	—246	5	0,058	1150	2470
Дейтерий	—240	7,5	0,13	950	—
Пропан	+ 60	22	0,43	110	220
Ксенон	— 20	27	2,3	3,5	6,4
Шестифтористый вольфрам	+ 149	30	2,4	3,8	7,0

 

         Современные пузырьковые камеры представляют собой сложные инженерные сооружения. Основные узлы пузырьковых камер: камера с рабочей жидкостью, механизм изменения давления, система импульсного освещения камеры и фотографирования треков, система, обеспечивающая поддержание в камере постоянной температуры. Пузырьковые камеры обычно помещают между полюсными наконечниками магнитов. Вес таких магнитов достигает нескольких сот тонн.

Механизмы изменения  давления, системы освещения и  термостатирования камер очень разнообразны. Ограничимся кратким описанием пузырьковой водородной камеры объемом 500 л (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Пузырьковая водородная камера

Жидкий водород заполняет  ванну из нержавеющей стали размерами 183´35´50 см. Ванна сверху закрыта стеклом толщиной около 5 см. Водород охлаждается с помощью теплообменников, расположенных в корпусе камеры. В теплообменники поступает водород при температуре около 20 °К. Для уменьшения теплообмена, используют металлические экраны, находящиеся при низкой температуре. Радиационные экраны представляют собой тонкие металлические полированные листы, имеющие хороший тепловой контакт со змеевиками с жидким азотом или водородом. В рассматриваемой камере радиационный экран 3 имеет температуру жидкого водорода, а экран 4 – температуру жидкого азота. Камера с экранами размещена внутри вакуумного кожуха 5, имеющего комнатную температуру. Радиационный экран 3 одновременно является и предохранительным кожухом. Он отделяет пространство над стеклом камеры от остального вакуумного пространства и имеет специальный аварийный отвод для водорода на случай нарушения герметичности камеры или нарушения ее теплового режима. В водородных камерах применяются и другие меры предосторожности, поскольку водород образует взрывоопасную смесь с воздухом в весьма широком диапазоне концентраций. Фотоаппараты 6 расположены вне вакуумного кожуха. В вакуумном кожухе и экране 3 имеются окна 7 для освещения камеры и фотографирования. В кожухе камеры имеется специальное окно 8 для ввода в камеру пучка частиц. Изменение давления в камере осуществляется с помощью изменения давления в объеме 9, который специальными пневматическими клапанами 10 соединяется с объемами 11 и 12, в которых поддерживаются давления 1,5 и 7 атм.

Для приведения камеры в  рабочее состояние всю систему  вначале откачивают, затем охлаждают с помощью жидкого азота, а затем жидкого водорода. Весь этот процесс занимает около трех суток. Скорость охлаждения вначале лимитируется материалами с плохой теплопроводностью (стекла), а затем мощностью водородного ожижителя.

Траекторию пути частицы в пузырьковой камере  можно определить с точностью не большей, чем поперечный размер трека (10^-2 см). Идентификация частиц в пузырьковых камерах происходит по радиусу кривизны трека р в магнитном поле Н, по величине пробега R, по среднеквадратичному углу многократного рассеяния (θ²), по плотности пузырьков на единице длины трека и, наконец, по числу δ-электронов с пробегами порядка и больше 1 мм.

Радиус кривизны траекторий частиц в пузырьковых камерах  не остается постоянным, поскольку  частицы при движении теряют свою энергию. Поэтому радиус кривизны траектории имеет смысл определять на таком отрезке траектории, где потери энергии приводят к незначительным изменениям ρ в сравнении с возможной точностью измерения радиуса кривизны траектории. Точность измерения ρ ограничена главным образом многократным рассеянием заряженных частиц. В результате многократного рассеяния траектории частиц (даже при отсутствии магнитного поля) на выбранном участке можно представить кривой с радиусом кривизны, прямо пропорциональным длине этого участка и обратно пропорциональным среднеквадратичному углу рассеяния на этом участке. Величина угла среднеквадратичного отклонения на заданной длине пробега частицы тем больше, чем больше атомный номер среды. Для протонов с β = 0,5 в магнитном поле с напряженностью порядка 10³ эрст относительная ошибка при определении ρ на участке траектории порядка 10 см в камерах, наполненных водородом, составляет около 4%, в пропановой камере – 15%, а в ксеноновой – 70%.

Точность определения  средней величины пробега ограничена:

• во-первых, флуктуациями величины пробега (около 2% для протонов высоких энергий),
• во-вторых, точностью, с которой известна плотность рабочей среды камеры в момент прохождения частицы (около 3% для водородных камер).

Измерение среднеквадратичного угла рассеяния в пузырьковых камерах имеет небольшую точность по сравнению, например, с измерениями аналогичных величин в ядерной фотоэмульсии. Сравнительно небольшая точность определения среднеквадратичного угла рассеяния (25% в жидкостях с малыми атомными номерами и около 10% в ксеноне) связана с тем, что сфотографированный след частиц состоит из объектов, имеющих большие размеры и расположенных менее плотно, чем в эмульсиях.

Плотность трека в  пузырьковой камере (число пузырьков  на единице длины следа) зависит не только от скорости и заряда частиц, но и сильно зависит от термодинамического состояния рабочей жидкости. Так в пропановой камере плотность трека изменяется на 10% при изменении давления на 1% или рабочей температуры на 0,3 °С. Поэтому при измерениях плотности пузырьков необходимы камеры с высокой стабильностью температуры и величины перегрева жидкости. С другой стороны, необходима оптимальная плотность, поскольку при малой плотности трека (малый перегрев жидкости) велика статистическая ошибка, определяемая числом подсчитанных пузырьков на выбранном участке траектории частицы.

При большой плотности пузырьки начинают сливаться, что увеличивает погрешность. Считая, что размер регистрируемых пузырьков 10^-2 см, на отрезке трека в 10 см плотность трека можно определить с погрешностью не меньше 5%.

d-Электроны с энергиями выше десятка килоэлектронвольт образуют короткие треки, расположенные вдоль пути заряженной частицы. Число таких треков на единице пути обратно пропорционально квадрату скорости частицы. Правда, таких треков не очень много (около одного на 1 см при скорости частицы b≈ 0,5 в пропане), и поэтому это позволяет лишь сделать оценки скорости частицы по порядку величин.

 

Вывод:

Пузырьковая камера, прибор для регистрации следов (треков) быстрых заряженных частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Изобретена Д. Глейзером (США) в 1952. Перегретая жидкость может существовать некоторое время t, после чего она вскипает. Если в интервал времени t в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована. П. к. можно представить как Вильсона камеру «наоборот» (вместо капелек жидкости в пересыщенном паре пузырьки пара в перегретой жидкости). Эта аналогия, однако, чисто внешняя, т.к. механизмы образования капель в камере Вильсона и пузырьков в П. к. различны.

 

  Действие П. к.  объясняется образованием на  пути частицы центров кипения  — зародышевых пузырьков и  их ростом до размеров, превышающих критическое значение:

 

(1)

 

  Здесь r_kp — критический радиус пузырька, s — поверхностное натяжение жидкости, p₀ — давление насыщенного пара, р_кр — критическое давление, р — давление пара в перегретой жидкости, V — удельный объём жидкости, V' — пара. Для образования сверхкритического пузырька необходимо выделение энергии ~ (порядка) нескольких сот эв в объёме радиусом ~ 10-6 см за время ~ 10-6 сек. Эта энергия выделяется при торможении электронов, выбиваемых из атомов жидкости регистрируемой частицей (d-электронов). Время роста пузырьков до размеров, пригодных для фотографирования (0,1—0,3 мм), для разных П. к. колеблется в пределах от нескольких мсек до десятков мсек.

 

  В качестве рабочей  жидкости П. к. наиболее часто  применяют жидкие водород и дейтерий (криогенные П. к.), а также пропан C3H8, различные фреоны, Хе, смесь Xe с пропаном (тяжеложидкостные П. к.).

 

  Перегрев жидкости  в П. к. достигается быстрым  понижением давления от начального  значения рн > p0 до значения р  < p0. Понижение давления осуществляется за время ~ 5—15 мсек перемещением поршня (в жидководородных камерах, рис. 1) либо сбросом внешнего давления из объёма, ограниченного гибкой мембраной (в тяжеложидкостных камерах).

 

  Частицы впускаются  в П. к. в момент её максимальной  чувствительности. Спустя время, необходимое для достижения пузырьками достаточно больших размеров, камера освещается и следы фотографируются (стереофотосъёмка с помощью 2—4 объективов). После фотографирования давление поднимается до прежней величины, пузырьки исчезают, и П. к. снова оказывается готовой к действию. Весь цикл работы П. к. составляет величину менее 1 сек, время чувствительности ~ 10—40 мсек.

 

  П. к. (кроме ксеноновых) размещаются в сильных магнитных  полях. Это позволяет определить  импульсы заряженных частиц по измерению радиусов кривизны r их траекторий:

 

kc = 300 Hr/cos j.     (2)

 

  Здесь j — угол  между направлением магнитного  поля Н и импульсом k частицы,  с — скорость света. Искажения  следов в П. к. невелики и  связаны главным образом с  многократным рассеянием частиц. Используя прецизионную измерительную аппаратуру, можно определять пространственное положение следов и их кривизны с большей степенью точности.

 

 

  П. к., как правило,  используются для регистрации  актов взаимодействия частиц  высоких энергий с ядрами рабочей жидкости или актов распада частиц. В первом случае рабочая жидкость исполняет роли и регистрирующей среды, и среды-мишени (рис. 2). Эффективность регистрации П. к. различных процессов взаимодействия или распада определяется в основном размерами П. к. Регистрация нейтральных частиц (g-квантов, нейтронов) производится по актам их взаимодействия с рабочей жидкостью (см. табл.). Наиболее распространены П. к. с объёмом в несколько сот л, но существуют П. к. гораздо большего размера, например водородная камера «Мирабель» на ускорителе Института физики высоких энергий АН СССР имеет объём 10 м3; водородная камера на ускорителе Национальной ускорительной лаборатории США — объём 25 м3.

 

Основное преимущество П. к. — изотропная пространственная чувствительность к регистрации частиц и высокая точность измерения их импульсов. Недостаток П. к. — слабая управляемость, необходимая для отбора нужных актов взаимодействия частиц или их распада.

 

Список литературы:

1. Пузырьковые камеры / Под ред. Н.Б. Делоне.-М: Госатомиздат,1963.-340 c.
2. Википедия
3. Абрамов А[1].И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. - Основы экспериментальных методов ядерной физики (1977)(2-e, перер. и доп.)(ru)
4. http://nuclphys.sinp.msu.ru/. ( Ядерная физика в Интернете)