Введение
Облачная камера, также известная как камера Вильсона, является детектором частиц, используемым для визуализации траекторий ионизирующего излучения. Облачная камера состоит из герметичной среды, содержащей пересыщенный пар воды или спирта. Энергетическая заряженная частица (например, альфа- или бета-частица) взаимодействует с газовой смесью, выбивая электроны из газовых молекул посредством электростатических сил при столкновениях, что приводит к образованию шлейфа ионизированных частиц газа. Образующиеся ионы служат центрами конденсации, вокруг которых формируется туманный след из мелких капель, если газовая смесь находится в точке насыщения. Эти капли видны как "облачный" трек, который сохраняется в течение нескольких секунд, пока капли опускаются в паре. Эти треки имеют характерные формы. Например, трек альфа-частицы толстый и прямой, в то время как трек бета-частицы тонкий и демонстрирует больше признаков отклонений от столкновений. Облачные камеры были изобретены в начале 1900-х годов шотландским физиком Чарльзом Томсоном Рисом Уилсоном. Они играли важную роль в экспериментальной физике частиц с 1920-х по 1950-е годы, до появления пузырьковых камер. В частности, открытия позитрона в 1932 году (см. рис. 1) и мюона в 1936 году, оба осуществленные Карлом Андерсоном (удостоенным Нобелевской премии по физике в 1936 году), были сделаны с использованием облачных камер. Открытие каона Джорджем Рочестером и Клиффордом Чарльзом Батлером в 1947 году также было осуществлено с использованием облачной камеры в качестве детектора. В каждом из этих случаев источником ионизирующего излучения были космические лучи. Однако они также использовались с искусственными источниками частиц, например, в радиографических приложениях в рамках Манхэттенского проекта.
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.
Изобретение
Чарльзу Томсону Рису Уилсону (1869–1959), шотландскому физику, приписывают изобретение облачной камеры. Вдохновленный наблюдениями спектра 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 служить центрами для образования капель воды в таких камерах. Он продолжил применение этого открытия и усовершенствовал первую облачную камеру в 1911 году. В первоначальной камере Уилсона (см. рис. 2) воздух внутри герметичного устройства был насыщен водяным паром, после чего диафрагма использовалась для расширения воздуха внутри камеры (адиабатическое расширение), что приводило к охлаждению воздуха и началу конденсации водяного пара. Отсюда и название – облачная камера расширения. Когда ионизирующая частица проходит через камеру, водяной пар конденсируется на образовавшихся ионах, и след частицы становится виден в облаке пара. Уилсон получил половину Нобелевской премии по физике в 1927 году за работу над облачной камерой (в том же году, когда Артур Комптон получил половину премии за эффект Комптона). Этот тип камеры также называют импульсной, поскольку условия для работы не поддерживаются непрерывно. Дальнейшие разработки были сделаны Патриком Блэкеттом, который использовал жесткую пружину для очень быстрого расширения и сжатия камеры, что позволило сделать камеру чувствительной к частицам несколько раз в секунду. Для записи изображений использовалась кинопленка. Диффузионная облачная камера была разработана в 1936 году Александром Лангсдорфом. Эта камера отличается от камеры расширения тем, что она постоянно чувствительна к излучению, и тем, что ее дно необходимо охлаждать до довольно низкой температуры, как правило, ниже нуля. Вместо водяного пара используется спирт из-за его более низкой температуры замерзания. Облачные камеры, охлаждаемые сухим льдом или термоэлектрическим охлаждением эффекта Пельтье, являются распространенными демонстрационными и любительскими устройствами; в них обычно используется изопропиловый спирт или денатурированный спирт.
Структура и функционирование
Об облачных камерах диффузионного типа пойдет речь в данной работе. Простая облачная камера состоит из герметичной среды, теплой верхней пластины и холодной нижней пластины (см. рис. 3). Для ее работы требуется источник жидкого спирта на теплой стороне камеры, где жидкость испаряется, образуя пар, который охлаждается при движении вниз через газ и конденсируется на холодной нижней пластине. Необходимо наличие ионизирующего излучения. Изопропанол, метанол или другие пары спирта насыщают камеру. Спирт оседает по мере охлаждения, а холодный конденсатор обеспечивает крутой температурный градиент. В результате создается пересыщенная среда. Когда энергетические заряженные частицы проходят через газ, они оставляют за собой ионизационные треки. Пары спирта конденсируются вокруг газообразных ионных треков, оставленных ионизирующими частицами. Это происходит потому, что молекулы спирта и воды являются полярными, что приводит к возникновению результирующей силы притяжения к ближайшему свободному заряду (см. рис. 4). В результате образуется туманное облаковидное образование, которое проявляется в виде капель, оседающих на конденсаторе. Если треки исходят из источника, их точку начала можно легко определить. На рис. 5 представлен пример альфа-частицы из штыревого источника Pb 210, подвергающейся рассеянию Резерфорда. Непосредственно над холодной конденсаторной пластиной находится объем камеры, чувствительный к ионизационным трекам. Ионные треки, оставленные радиоактивными частицами, обеспечивают оптимальный импульс для конденсации и образования облаков. Высота этого чувствительного объема увеличивается за счет использования крутого температурного градиента и стабильных условий. Исковая камера – это электрическое устройство, использующее сетку неизолированных электрических проводов в камере, к которым приложено высокое напряжение. Энергетические заряженные частицы ионизируют газ вдоль своего пути, как и в облачной камере Вильсона, но в данном случае окружающие электрические поля достаточно сильны, чтобы вызвать полный пробой газа в виде искр в месте начальной ионизации. Наличие и положение этих искр регистрируется электрическим способом, а информация сохраняется для последующего анализа, например, с помощью цифрового компьютера. Аналогичные эффекты конденсации можно наблюдать в виде облаков Вильсона, также называемых конденсационными облаками, при мощных взрывах во влажном воздухе и других эффектах сингулярности Прандтля — Глауэрта.