Камера Вильсона , также известная как камера Вильсона , представляет собой детектор частиц, используемый для визуализации прохождения ионизирующего излучения .
Камера Вильсона представляет собой герметичную среду, содержащую пересыщенный пар воды или спирта . Энергичная заряженная частица (например, альфа- или бета-частица ) взаимодействует с газовой смесью, выбивая электроны из молекул газа посредством электростатических сил во время столкновений, в результате чего образуется след ионизированных газовых частиц. Образующиеся ионы действуют как центры конденсации , вокруг которых образуется туманообразный след из мелких капель, если газовая смесь находится в точке конденсации. Эти капли видны как «облачный» след, который сохраняется в течение нескольких секунд, пока капли падают через пар. Эти следы имеют характерные формы. Например, след альфа-частицы толстый и прямой, в то время как след бета-частицы тонкий и показывает больше свидетельств отклонений из-за столкновений.
Камеры Вильсона были изобретены в начале 1900-х годов шотландским физиком Чарльзом Томсоном Рисом Уилсоном . Они играли видную роль в экспериментальной физике элементарных частиц с 1920-х по 1950-е годы, до появления пузырьковой камеры . В частности, открытия позитрона в 1932 году (см. рис. 1) и мюона в 1936 году, оба сделанные Карлом Андерсоном (награжденным Нобелевской премией по физике в 1936 году), использовали камеры Вильсона. Открытие каона Джорджем Рочестером и Клиффордом Чарльзом Батлером в 1947 году было сделано с использованием камеры Вильсона в качестве детектора. [1] В каждом из этих случаев источником ионизирующего излучения были космические лучи . Однако они также использовались с искусственными источниками частиц, например, в радиографии в рамках Манхэттенского проекта . [2]
Чарльз Томсон Рис Уилсон (1869–1959), шотландский физик , считается изобретателем камеры Вильсона. Вдохновленный наблюдениями призрака Брокена во время работы на вершине Бен-Невис 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 выступать в качестве центров для образования капель воды в таких камерах. Он продолжил применение этого открытия и усовершенствовал первую камеру Вильсона в 1911 году.
В оригинальной камере Вильсона воздух внутри герметичного устройства насыщался водяным паром, затем использовалась диафрагма для расширения воздуха внутри камеры ( адиабатическое расширение), охлаждения воздуха и начала конденсации водяного пара. Отсюда и название — расширительная камера Вильсона . [3] Когда ионизирующая частица проходит через камеру, водяной пар конденсируется на полученных ионах, и след частицы виден в облаке пара. Для записи изображений использовалась кинопленка .
Дальнейшие разработки были сделаны Патриком Блэкеттом, который использовал жесткую пружину для очень быстрого расширения и сжатия камеры, делая камеру чувствительной к частицам несколько раз в секунду. Этот тип камеры также называется импульсной камерой, поскольку условия для работы не поддерживаются непрерывно.
В 1927 году Уилсон получил половину Нобелевской премии по физике за работу над камерой Вильсона (в том же году, когда Артур Комптон получил половину премии за эффект Комптона ). [4]
Диффузионная камера Вильсона была разработана в 1936 году Александром Лангсдорфом . [5] Эта камера отличается от расширительной камеры Вильсона тем, что она непрерывно сенсибилизирована к излучению, и тем, что дно должно быть охлаждено до довольно низкой температуры, как правило, ниже −26 °C (−15 °F). Вместо водяного пара используется спирт из-за его более низкой точки замерзания . Камеры Вильсона, охлаждаемые сухим льдом или термоэлектрическим охлаждением на эффекте Пельтье, являются распространенными демонстрационными и любительскими устройствами; спирт, используемый в них, обычно представляет собой изопропиловый спирт или метилированный спирт . [6]
Здесь будут обсуждаться диффузионные камеры Вильсона. Простая камера Вильсона состоит из герметичной среды, теплой верхней пластины и холодной нижней пластины (см. рис. 3). Для нее требуется источник жидкого спирта на теплой стороне камеры, где жидкость испаряется, образуя пар, который охлаждается, падая через газ, и конденсируется на холодной нижней пластине. Необходимо какое-то ионизирующее излучение.
Изопропанол , метанол или другие пары спирта насыщают камеру. Спирт падает по мере охлаждения, а холодный конденсатор обеспечивает крутой градиент температуры. Результатом является перенасыщенная среда. Когда энергичные заряженные частицы проходят через газ, они оставляют ионизационные следы. Пары спирта конденсируются вокруг газообразных ионных следов, оставленных ионизирующими частицами. Это происходит потому, что молекулы спирта и воды полярны, что приводит к чистой силе притяжения по направлению к близлежащему свободному заряду (см. рис. 4). Результатом является туманное облакообразное образование, видимое по наличию капель, падающих на конденсатор. Когда следы испускаются из источника, их точку происхождения можно легко определить. [7] На рис. 5 показан пример альфа-частицы из источника типа Pb-210, подвергающейся резерфордовскому рассеянию .
Чуть выше холодной пластины конденсатора находится объем камеры, который чувствителен к ионизационным следам. Ионный след, оставленный радиоактивными частицами, обеспечивает оптимальный триггер для конденсации и образования облаков. Этот чувствительный объем увеличивается по высоте за счет использования крутого градиента температуры и стабильных условий. [7] Сильное электрическое поле часто используется для того, чтобы притянуть следы облаков к чувствительной области камеры и повысить чувствительность камеры. Электрическое поле также может служить для предотвращения затенения чувствительной области камеры большим количеством фонового «дождя», вызванного конденсацией, образующейся над чувствительным объемом камеры, тем самым затеняя следы постоянными осадками. Черный фон облегчает наблюдение следов облаков, и обычно необходим тангенциальный источник света для освещения белых капель на черном фоне. Часто следы не видны, пока на пластине конденсатора не образуется неглубокая лужа спирта.
Если магнитное поле приложено к камере Вильсона, положительно и отрицательно заряженные частицы будут изгибаться в противоположных направлениях, согласно закону силы Лоренца ; однако достаточно сильные поля трудно достичь с помощью небольших любительских установок. Этот метод также использовался для доказательства существования позитрона в 1932 году, в соответствии с теоретическим доказательством Поля Дирака , опубликованным в 1928 году . [8]
Пузырьковая камера была изобретена Дональдом А. Глейзером из США в 1952 году, и за это он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1960 году. Пузырьковая камера аналогичным образом выявляет следы субатомных частиц, но как следы пузырьков в перегретой жидкости, обычно жидком водороде . Пузырьковые камеры могут быть сделаны физически больше, чем камеры Вильсона, и поскольку они заполнены гораздо более плотным жидким материалом, они выявляют следы гораздо более энергичных частиц. Эти факторы быстро сделали пузырьковую камеру преобладающим детектором частиц на несколько десятилетий, так что камеры Вильсона были фактически вытеснены в фундаментальных исследованиях к началу 1960-х годов. [9]
Искровая камера — это электрическое устройство, которое использует сетку неизолированных электрических проводов в камере, между проводами которой подано высокое напряжение. Энергичные заряженные частицы вызывают ионизацию газа вдоль пути частицы таким же образом, как в камере Вильсона, но в этом случае окружающие электрические поля достаточно сильны, чтобы вызвать полномасштабный пробой газа в виде искр в месте начальной ионизации. Затем наличие и местоположение этих искр регистрируется электрически, и информация сохраняется для последующего анализа, например, с помощью цифрового компьютера .
Похожие эффекты конденсации можно наблюдать в виде облаков Вильсона , также называемых конденсационными облаками, при крупных взрывах во влажном воздухе и других эффектах сингулярности Прандтля-Глауэрта .
