Кіріспе
Иондаушы сәулеленуді визуализациялауға арналған бөлшектер детекторы Бұлт камерасы, сондай-ақ Уилсон бұлт камерасы деп те аталады, иондаушы сәулеленудің өтуін визуализациялауға қолданылатын бөлшектер детекторы болып табылады. Бұлт камерасы – су немесе спирт буының қаныққан күйдегі жабық кеңістігі. Энергиялы зарядталған бөлшек (мысалы, альфа немесе бета бөлшегі) газ қоспасымен соқтығысқанда электростатикалық күштер арқылы газ молекулаларынан электрондарды бөліп шығарып, иондалған газ бөлшектерінің іздерін қалдырады. Газ қоспасы конденсация температурасында болса, пайда болған иондар конденсация орталықтары ретінде әрекет етеді, олардың айналасында ұсақ тамшылардан тұратын тұман тәрізді іздер қалыптасады. Бұл тамшылар будың ішінде бірнеше секундқа дейін сақталатын «із» ретінде көрінеді. Әрбір іздің өзіндік ерекше пішіні бар. Мысалы, альфа бөлшегінің іздері қалың әрі түзу, ал бета бөлшегінің іздері жұмсақ болып келіп, соқтығысулар нәтижесінде бұрылуға бейім. Бұлт камерасын 1900 жылдардың басында шотланд физигі Чарльз Томсон Рис Уилсон ойлап тапқан. Олар 1920-1950 жылдар аралығында эксперименталды бөлшектер физикасында маңызды рөл атқарды, дейін көпіршік камерасы пайда болғанша. Атап айтқанда, 1932 жылы позитронның (1-суретті қараңыз) және 1936 жылы Карл Андерсонның (1936 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын алған) ашқан мюоны бұлт камерасы арқылы табылды. 1947 жылы Джордж Рочестер мен Клиффорд Чарльз Батлер каонды ашқанда да бұлт камерасы детектор ретінде қолданылды. Бұл жағдайлардың барлығында иондаушы сәулеленудің көзі – ғарыш сәулелері болды. Бірақ олар жасанды бөлшектер көздерімен де қолданылды, мысалы, Манхэттен жобасының бір бөлігі ретінде рентгенографияда.
A cloud chamber, also known as a Wilson cloud chamber, is a particle detector used for visualizing the passage of ionizing radiation. A cloud chamber consists of a sealed environment containing a supersaturated vapor of water or alcohol. An energetic charged particle (for example, an alpha or beta particle) interacts with the gaseous mixture by knocking electrons off gas molecules via electrostatic forces during collisions, resulting in a trail of ionized gas particles. The resulting ions act as condensation centers around which a mist like trail of small droplets form if the gas mixture is at the point of condensation. These droplets are visible as a "cloud" track that persists for several seconds while the droplets fall through the vapor. These tracks have characteristic shapes. For example, an alpha particle track is thick and straight, while a beta particle track is wispy and shows more evidence of deflections by collisions. Cloud chambers were invented in the early 1900s by the Scottish physicist Charles Thomson Rees Wilson. They played a prominent role in experimental particle physics from the 1920s to the 1950s, until the advent of the bubble chamber. In particular, the discoveries of the positron in 1932 (see Fig. 1) and the muon in 1936, both by Carl Anderson (awarded a Nobel Prize in Physics in 1936), used cloud chambers. Discovery of the kaon by George Rochester and Clifford Charles Butler in 1947, also was made using a cloud chamber as the detector. In each of these cases, cosmic rays were the source of ionizing radiation. Yet they were also used with artificial sources of particles, for example in radiography applications as part of the Manhattan Project.
Өнертабыс
Шотланд физигі Чарльз Томсон Рис Уилсон (1869–1959) бұлт камерасын ойлап тапқан. 1894 жылы Бен-Невис тауының шаңырағында жұмыс істеп жатқанда Броккен спектрін көргеннен шабыттанған ол, ылғалды ауадағы бұлттардың қалыптасуын және оптикалық құбылыстарды зерттеу үшін кеңейту камераларын жасауға кірісті. Көп ұзамай ол иондардың мұндай камераларда су тамшыларының пайда болуына орталық болатынын анықтады. Ол осы жаңалықты пайдаланып, 1911 жылы алғашқы бұлт камерасын жетілдірді. Уилсонның алғашқы камерасында (2-суретті қараңыз) жабық құрылғының ішіндегі ауа су буымен толық қанықтырылды, содан кейін ауаны кеңейту үшін диафрагма қолданылды (адиабатикалық кеңейту), бұл ауаны салқындатып, су буын конденсациялау процесін бастады. Сондықтан бұл камера кеңейту камерасы деп аталады. Иондаушы бөлшек камерадан өткенде, су буы пайда болған иондарға конденсацияланады және бөлшектің іздері бу бұлтында көрінеді. Уилсон 1927 жылы бұлт камерасы бойынша жұмысы үшін физика саласындағы Нобель сыйлығының жартысын алды (сол жылы Артур Комптон Комптон эффектісі үшін сыйлықтың жартысын алды). Бұл типтегі камералар импульстік камералар деп те аталады, себебі олардың жұмыс істеу шарттары үнемі сақталмайды. Патрик Блэкетт камераны өте жылдам кеңейтіп, қысып, оны секундына бірнеше бөлшекке сезімтал ететін икемді серіппе қолданды. Кескіндерді жазу үшін кинолента пайдаланылды. 1936 жылы Александр Лангсдорф диффузиялық бұлт камерасын жасады. Бұл камера кеңейту камерасынан радиацияға үнемі сезімталдығымен және оның түбін салыстырмалы түрде төмен температураға дейін салқындату қажеттігімен ерекшеленеді. Су буының орнына спирт қолданылады, себебі оның қату температурасы төмен. Құрғақ мұзбен немесе Пельтье эффектісі арқылы термоэлектрлік салқындатумен салқындатылатын бұлт камералары әдетте демонстрациялық және хобби мақсатында қолданылады; оларда қолданылатын спирт көбінесе изопропил спирті немесе метилденген спирт болады.
Құрылымы мен жұмыс істеуі
Диффузиялық типтегі бұлт камералары туралы осы жерде талқыланады. Қарапайым бұлт камерасы жабық кеңістік, жылы жоғарғы пластина және суық төменгі пластинадан тұрады (Көр. сурет 3). Камераның жылы жағында сұйық спирттің болуы қажет, онда сұйық буланып, газ арқылы төмен түскенде суынып, суық төменгі пластинаға конденсацияланатын буды құрайды. Иондаушы сәулеленудің бір түрі қажет. Изопропанол, метанол немесе басқа спирт булары камераны қанықтырады. Спирт суыған сайын төмен түседі, ал суық конденсатор тік температура градиентін қамтамасыз етеді. Нәтижесінде, қаныққан орта пайда болады. Энергиясы жоғары зарядталған бөлшектер газ арқылы өтетін кезде иондану іздерін қалдырады. Спирт буы иондаушы бөлшектердің қалдырған газды иондар іздерінің айналасында конденсацияланады. Бұл спирт пен су молекулаларының полярлы болуына байланысты, жақын маңдағы бос зарядқа тартымды күш тудырады (Көр. сурет 4). Нәтижесінде, конденсаторға төмен түсетін тамшылар арқылы көрінетін бұлт тәрізді тұман пайда болады. Егер іздер бір көзден шықса, олардың бастапқы нүктесін анықтау оңай. Сурет 5 Pb 210 түйреуіш типіндегі көзден шыққан альфа бөлшегінің Разерфорд шашырауына түсуінің мысалын көрсетеді. Суық конденсатор пластинасының үстінде камераның иондану іздеріне сезімтал көлемі орналасқан. Радиоактивті бөлшектердің қалдырған иондық іздері конденсация мен бұлттың пайда болуына қолайлы жағдай жасайды. Бұл сезімтал көлемнің биіктігі тік температура градиентін және тұрақты жағдайларды қолдану арқылы арттырылады. Ұшқыр камера – бұл камерада оқшауланбаған электр сымдарының торы қолданылатын, сымдар арасында жоғары кернеу түсірілетін электр құрылғысы. Энергиялық зарядталған бөлшектер Уилсон бұлт камерасындағыдай газды иондайды, бірақ бұл жағдайда айналадағы электр өрістері бастапқы иондану орнындағы газдың толық ыдырауына, ұшқырлар түрінде жеткілікті. Бұл ұшқырлардың болуы мен орналасуы электрлік түрде тіркеледі, ал ақпарат кейін талдау үшін, мысалы, цифрлық компьютерде сақталады. Дәл осындай конденсация эффектілерін Вильсон бұлттары, сондай-ақ конденсация бұлттары деп те атайды, ылғалды ауадағы үлкен жарылыстарда және басқа да Прандтль-Глауэрт ерекшеліктерінде байқауға болады.