Балонна камера - Физическа енциклопедия
БАБЛОЧНА КАМЕРА - устройство за записване на следи от заряд (тракове). частици, чието действие се основава на кипене на прегрята течност по траекторията на частицата.
Историческа справка. Д. А. Глейзър (D. A. Glaser) през 1952 г. в търсене на заряд за детектор на писти. частици, по-ефективни от използваните по това време (ядрени фотографски емулсии, облачна камера и дифузионна камера), привлече вниманието към работата на K. L. Wismar и др. (1922-24). Диетилов етер (при нормални условия, кипене при температура T = 34,6 ° C), нагрят под налягане от 20 atm до +130 ° C, се разширява до 1 atm. Той обаче не кипна с часове. След довеждане на температурата до 140 ° C, тя кипи на произволни интервали. Глейзър установи, че честотата на кипене съответства на честотата на преминаване на пространството. частици на морското равнище. Той повтори експеримента, като постави броячи на Гайгер над и под колбата с етер. Ефервесценцията е мигновена в присъствието на радиоактивния акт. източник. Високоскоростното заснемане установи, че кипенето започва по траекторията на заряда. частици.
Първият P. до (1954) е металик. камера със стъклени прозорци за осветление и снимане, пълна с течен водород. В бъдеще P. to създаде и усъвършенства във всички лаборатории по света, оборудвани с ускорители на заряда. частици. Започвайки от конус с обем 3 cm 3, размерът на P. до достига няколко. m 3, например. Камера SKAT (IHEP, СССР) 8 m 3, "Mirabel" (Франция - СССР) 12 m 3, голям европейски P. to (CERN) повече от 30 m 3, FNAL P. to. (Батавия, САЩ) St. 40 м 3. Повечето П. до. имат обем
1 м 3. (За изобретението P. to. Glaser е удостоен с Нобелова награда през 1960 г.)
Образуване на мехурчета. Бързо зареждане. частицата избива по пътя си в веществотоелектрони с различни енергии (s-електрони). Електроните с достатъчно високи енергии, отдалечавайки се от траекторията, на свой ред избиват вторични s-електрони и т.н. В резултат на множество сблъсъци с течни атоми, s-електроните се забавят близо до траекторията и причиняват допълнителни. нагряване на течност в област с радиус r. Това води до образуването на центрове на кипене - ядра. Полученото балонно ядро с радиус r е по-голям от някакъв критичен. rcr ще нарасне поради изпарението на течността около него във вътрешността. мехурчеста кухина. Стойността на rcr се определя от отношението
Тук s е повърхностното напрежение на течността на границата течност-пара при температура T; - равновесно налягане на парите върху безкрайно плоска течна повърхност; pH - налягане, при което се намира прегрята течност; VZh, VP - бие. обеми течност и пара. Разликата в налягането, наречена прегряване на течността, се осъществява чрез промяна на обема със стойността DV / V \u003d (0,5-2)% за различни камери. Времето за разширяване, т.е. времето за промяна на налягането отгоре. стойности, които са с 1,5–2 atm или повече по-високи от , до , равни на 5–20 ms (фиг. 1).
Ориз. 1. Схема на работните циклина мехурчестата камера : - забавяне на светкавицата за растеж на мехурчетата - време между работните цикли; - време за разширяване.
Експериментално е установена зависимостта на броя мехурчета h на единица дължина на писта (плътност на мехурчета) за еднократно заредена бърза честота от нейната скорост u: n = A/b 2 , b = u/c. Броят на d-електроните, нокаутирани от частицата и способни да създадат балон, е
(2)
Тук e е зарядът на електрона, m е неговата маса, r е плътността на течността, N е числото на Авогадро, Z0 е броят на електроните в молекулата на течността, Z е зарядът на частицата, m е молът. тегло, е енергията на d-електрон, способен да създаде ядрото на един мехур.Високоенергийните електрони, отдалечавайки се от траекторията на частицата и избивайки d-електрони, образуват следа от верига от мехурчета (фиг. 2, 3). Електроните с ниска енергия няма да създадат критични мехурчета. размер; мин. енергията, необходима за създаване на критично балонно ядро. размер в
Ориз. 2. Снимки на следи от частици, получени във водородната камера на ОИЯИ "Людмила"; Н = 2.6 Т; облъчване с антипротони 22,4 GeV/s на ускорителя на IHEP. В точка А, p+:4p + +4p - настъпва анихилация. Бързият p + взаимодейства втори път в точка C: p + +p:p+p + +p + +p - , образувайки енергичен d-електрон в точка B по пътя; p + , образувана в точка B, усукваща магнет. поле в спирала, забавя се до спиране и се разпада по схемата p + :m + +е + .
пропан е 390 eV, във водород - 165 eV. В този случай в пропан pd \u003d 100 cm -1, във водород - 56 cm -1. В повечето експерименти се получават 15 мехурчета на 1 см от пистата. Това означава, че n.pd, т.е. че не всеки d-електрон, способен да създаде зародишен балон, създава такъв и че не всяко зародишно семе расте до размера на балон, видим на конвенционалната фотография. В процеса на образуване и растеж на мехурчетата, те се "свиват" от нарастващото налягане поради кипене, както и сливането на близките мехурчета. Фотографиране с прецизна оптика или холографско. методът на регистриране (виж Холография) на ранен етап от образуването на мехурчета дава n близо до nd. Плътността на мехурчетата се увеличава с увеличаване на T и Dp, тъй като в този случай образуването на ядра изисква по-ниска енергия на d-електрони.
Ориз. 3. Снимки на следи от частици, получени с пропанова камера (ОИЯИ); Н = 1.55 Т; облъчване с релативистични ядра на синхрофазотрона (ОИЯИ). Ядрото 22 Ne с импулс от 92,4 GeV/c в точка А взаимодейства с цел отTa (тъмни напречни ивици-плочи Ta), образуващи St. 50 заредени частици. Плътните следи принадлежат на спиращите протони. Излъченият g-квант (от A до B) в точка B се преобразува в e - - e + -двойка; в точка B се излъчва g-квант, пораждайки комптънов електрон в точка G.
работни течности. Наиб. широко използвани: течен водород, деутерий, хелий и смес от водород и неон (криогенен P. to.); пропан, фреони, ксенон и техните смеси (тежки течни P. to.). За изследване на взаимодействията с протони се използва течен водород (фиг. 2), а с неутрони – деутерий. Xe, пропан и други тежки течности са удобни за изучаване на процеси, придружени от образуването на електронно-фотонни душове (фиг. 3). Смес от водород и Ne също е добър g-квантов детектор (вижте Гама-лъчение) Някои характеристики на работните течности са дадени в табл.
Характеристики на течностите, които най-често се използват в балонни камери
Измерванията на импулса и определянето на знака на заряда на бързите частици се извършват по кривината на траекторията в DC. магн. поле Н (фиг. 2, 3). Радиусът на кривина R се определя от съотношението
Тук r е импулсът на частицата в MeV/c; H - магн. поле, в Т; q е ъгълът между посоката на импулса r и равнината, перпендикулярна на H (ъгълът на потапяне). Когато се движи в течност, частицата изпитва многократно кулоново разсейване и забавяне (загуби на енергия за йонизация), което изкривява нейната траектория (при високи енергии, когато b: I, йонизационните загуби могат да бъдат пренебрегнати). Грешката при определяне на импулса поради кулоновото разсейване е толкова по-голяма, колкото по-малко е излъчването. дължина x0:
Аз и ха в вижте
В тежки течности x0 е малък (Таблица) и кулоновото разсейване е значително:
Следователно ксенонови P. до работят без магн.полета (фиг. 4). Загубите от йонизация и нокаутите на електрони намаляват инерцията, което води до следа от заряд. частиците са усукани в спирала (фиг. 2). Импулсите на нискоенергийни, спиращи частици се определят от дължината на пътя (протонни следи на фиг. 3), което дава по-висока точност.
Характеристиките на криогенните камери и камерите с балончета с тежки течности се проявяват в техните дизайни и системи за осветление. В криогенния П. к.. Разширяването се извършва от буталото, което е в контакт с работната течност. Пръти, изработени от материал с ниска топлопроводимост (неръждаема стомана), се използват за прехвърляне на налягане от топлата към студената част на P. to. . При тежки течности се използват гъвкави мембрани -