пузырьковая камера

ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА - прибор для регистрации следов (треков) заряж. частиц, действие к-рого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы.

Историческая справка. Д. А. Глейзер (D. A. Glaser) в 1952 в поисках трекового детектора заряж. частиц, более эффективного, чем применявшиеся в то время (ядерные фотографические эмульсии, Вильсона камера и диффузионная камера), обратил внимание на работы К. Л. Висмара и др. (1922-24). Диэтиловый эфир (в нормальных условиях кипящий при темп-ре Т = 34,6 °С), нагретый под давлением 20 атм до +130 °С, расширяли до 1 атм. При этом он не кипел часами. После доведения темп-ры до 140 °С он закипал через произвольные промежутки времени. Глейзер установил, что частота закипания соответствует частоте прохождения космич. частиц на уровне моря. Он повторил эксперимент, расположив над и под колбой с эфиром счётчики Гейгера. Вскипание было мгновенным в присутствии радиоакт. источника. Скоростная киносъёмка установила, что закипание начинается вдоль траектории заряж. частицы.

Первая П. к. (1954) представляла собой металлич. камеру со стеклянными окнами для освещения и фотографирования, заполненную жидким водородом. В дальнейшем П. к. создавались и совершенствовались во всех лабораториях мира, оснащённых ускорителями заряж. частиц. Начиная от колбочки объёмом в 3 см³, размер П. к. достиг неск. м³, напр. камера СКАТ (ИФВЭ, СССР) 8 м³, "Мирабель" (Франция - СССР) 12 м³, большая Европейская П. к. (ЦЕРН) более 30 м³, П. к. FNAL (Батавия, США) св. 40 м³. Большинство П. к. имеют объём ~ 1 м³. (За изобретение П. к. Глейзеру в 1960 присуждена Нобелевская премия.)

Образование пузырьков. Быстрая заряж. частица выбивает на своём пути в веществе электроны разных энергий (s-электроны). Электроны достаточно больших энергий, удаляясь от траектории, в свою очередь, выбивают вторичные s-электроны и т. д. В результате многократных столкновений с атомами жидкости s-электроны тормозятся вблизи траектории и вызывают дополнит. нагрев жидкости в области радиусом r. Это приводит к образованию центров кипения - зародышей. Образовавшийся зародыш пузырька радиусом r больше нек-рого критич. r_кр будет расти за счёт испарения окружающей его жидкости во внутр. полости пузырька. Величина r_кр определяется соотношением

Здесь s - поверхностное натяжение жидкости на границе жидкость - пар при темп-ре Т; - равновесное давление пара над бесконечно плоской поверхностью жидкости; р_н - давление, при к-ром находится перегретая жидкость; V_Ж, V_П - уд. объёмы жидкости и пара. Разность давлений, называемая перегревом жидкости, осуществляется изменением объёма на величину DV/V= (0,5-2)% для разных камер. Время расширения, т. е. время изменения давления от верх. значения, к-рое на 1,5-2 атм и более превышает , до , равно 5-20 мс (рис. 1).

Рис. 1. Схема рабочих циклов пузырьковой камеры: - задержка вспышки света на рост пузырьков;- время между рабочими циклами; - время расширения.

Экспериментально установлена зависимость числа пузырьков h на единице длины трека (плотность пузырьков) для однозарядной быстрой частоты от её скорости u: n = A/b², b = u/c. Число d-электронов, выбиваемых частицей и способных создать пузырёк, равно

(2)

Здесь е - заряд электрона, т - его масса, r - плотность жидкости, N - число Авогадро, Z₀ - число электронов молекулы жидкости, Z - заряд частицы, m - мол. вес, - энергия d-электрона, способного создать зародыш одного пузырька. Электроны больших энергий, удаляясь от траектории частицы и выбивая d-электроны, образуют след из цепочки пузырьков (рис. 2, 3). Электроны малых энергий не создадут пузырьков критич. размера; мин. энергия, требующаяся для создания зародыша пузырька критич. размера в

Рис. 2. Фотографии следов частиц, полученные на водородной камере ОИЯИ "Людмила"; H = 2,6 Тл; облучение антипротонами 22,4 ГэВ/ с на ускорителе ИФВЭ. В точке А происходит аннигиляция p+:4p⁺+4p^-. Быстрый p⁺ взаимодействует вторично в точке В: p⁺+p:p+p⁺+p⁺+p^-, по пути образуя в точке Б энергичный d-электрон; p⁺, образовавшийся в точке В, закручиваясь магн. полем в спираль, тормозится до остановки и распадается по схеме p⁺:m⁺+е⁺.

пропане, равна 390 эВ, в водороде - 165 эВ. При этом в пропане пd = 100 см^-1, в водороде - 56 см^-1. В большинстве экспериментов получают на 1 см трека 15 пузырьков. Это означает, что n.пd, т. е. что не каждый d-электрон, способный создать зародышевый пузырёк, создаёт его и что не каждый зародыш вырастает до размеров пузырька, видимого при обычном фотографировании. В процессе формирования и роста пузырьков происходит их "охлопывание" увеличивающимся из-за закипания давлением, а также слияние близлежащих пузырьков. Фотографирование прецизионной оптикой или голографич. метод регистрации (см. Голография)на ранней стадии формирования пузырьков даёт n, близкие к nd. Плотность пузырьков растёт с увеличением Т и Dp, т. к. при этом для образования зародышей требуется меньшая энергия d-электронов.

Рис. 3. Фотографии следов частиц, полученные на пропановой камере (ОИЯИ); H = 1,55 Тл; облучение релятивистскими ядрами на синхрофазотроне (ОИЯИ). Ядро ²²Ne с импульсом 92,4 ГэВ/с в точке А взаимодействуете мишенью из Та (тёмные поперечные полоски-пластины Та), образуя св. 50 заряженных частиц. Плотные следы принадлежат останавливающимся протонам. Излучаемый g-квант (от А до Б) в точке Б конвертирует в е^- - е⁺-пару; в точке В излучается g-квант, давший в точке Г комптоновский электрон.

Рабочие жидкости. Наиб. широкое применение получили: жидкие водород, дейтерий, гелий и смесь водорода с неоном (криогенные П. к.); пропан, фреоны, ксенон и их смеси (тяжеложидкостные П. к.). Для изучения взаимодействий с протонами применяется жидкий водород (рис. 2), с нейтронами - дейтерий. Для изучения процессов, сопровождающихся образованием электронно-фотонных ливней, удобны Хе, пропан и др. тяжёлые жидкости (рис. 3). Смесь водорода с Ne - также хороший детектор g-квантов (см. Гамма-излучение ).Нек-рые характеристики рабочих жидкостей даны в табл.

Характеристики жидкостей, наиболее часто используемых в пузырьковых камерах

Измерения импульсов и определение знака заряда быстрых частиц осуществляются по кривизне траектории в пост. магн. поле Н (рис. 2, 3). Радиус кривизны R определяется соотношением

Здесь r - импульс частицы в МэВ/с; H - магн. поле, в Тл; q - угол между направлением импульса r и плоскостью, перпендикулярной Н (угол погружения). При движении в жидкости частица испытывает многократное кулоновское рассеяние и торможение (потери энергии на ионизацию), что искажает её траекторию (при больших энергиях, когда b:I, ионизац. потерями можно пренебречь). Ошибка в определении импульса из-за кулоновского рассеяния тем больше, чем меньше радиац. длина х₀:

I и х_а в см.

В тяжёлых жидкостях х₀ мало (табл.) и кулоновское рассеяние существенно:

Поэтому ксеноновые П. к. работают без магн. поля (рис. 4). Потери на ионизацию и выбивание электронов уменьшают импульс, в результате след заряж. частицы скручивается в спираль (рис. 2). Импульсы малоэнергичных, останавливающихся частиц определяют по длине пробега (следы протонов на рис. 3), что даёт более высокую точность.

Особенности криогенных и тяжеложидкостных пузырьковых камер проявляются в их конструкциях и системах освещения. В криогенных П. к. расширение осуществляется поршнем, к-рый находится в контакте с рабочей жидкостью. Для передачи давления от тёплой к холодной части П. к. служат штоки из материала с малой теплопроводностью (нержавеющая сталь). . В тяжеложидкостных П. к. применяются гибкие мемб-

Жидкость	Т, °С	Р,, атм	r,г/см3	Радиационная длина х0, см	Вероятность конверсии g-квантов с -500 МэВ на длине 50 см, %
H2,	-246	4,7	0,06	1047	4,6
C3H8	60	21,5	0,43	108	36
CF3Br	30	18	1,5	11,8	99
Хе	-19	26	2,3	3,5	100

Измерения импульсов и определение знака заряда быстрых частиц осуществляются по кривизне траектории в пост. магн. поле H (рис. 2, 3). Радиус кривизны R определяется соотношением

Здесь p - импульс частицы в МэВ/с; H - магн. поле, в Тл; q - угол между направлением импульса p и плоскостью, перпендикулярной H (угол погружения). При движении в жидкости частица испытывает многократное кулоновское рассеяние и торможение (потери энергии на ионизацию), что искажает её траекторию (при больших энергиях, когда b:1, ионизац. потерями можно пренебречь). Ошибка в определении импульса из-за кулоновского рассеяния тем больше, чем меньше радиац. длина х₀:

l и х₀ в см.

В тяжёлых жидкостях х₀ мало (табл.) и кулоновское рассеяние существенно:

Поэтому ксеноновые П. к. работают без магн. поля (рис. 4). Потери на ионизацию и выбивание электронов уменьшают импульс, в результате след заряж. частицы скручивается в спираль (рис. 2). Импульсы малоэнергичных, останавливающихся частиц определяют по длине пробега (следы протонов на рис. 3), что даёт более высокую точность.

Особенности криогенных и тяжеложидкостных пузырьковых камер проявляются в их конструкциях и системах освещения. В криогенных П. к. расширение осуществляется поршнем, к-рый находится в контакте с рабочей жидкостью. Для передачи давления от тёплой к холодной части П. к. служат штоки из материала с малой теплопроводностью (нержавеющая сталь). . В тяжеложидкостных П. к. применяются гибкие мембраны, отделяющие жидкость от газа, с помощью к-рого производятся расширение и сжатие.

Рис. 4. Схематическое изображение криогенной пузырьковой камеры: 1 - входное окно для пучка частиц; 2 - поршень расширителя; 3 - фотокамеры, объективы которых окружены кольцевыми импульсными лампами; 4 - поверхности, покрытые "скотчлайтом"; 5 - сверхпроводящий магнит и криостат; 6 - лазерный пучок; 7 - окно вакуумного кожуха; 8 - окно в корпусе камеры и расширяющая линза; 9 - освещаемый конус; 10 - голографическая фотокамера; 11 - голографичес-кая фотоплёнка; 12 - опорный пучок лазера.

Др. особенность состоит в соотношении показателей преломления жидкости и пара. У криогенных П. к. они близки. Это обусловливает узкую направленность света, рассеянного пузырьком. Фотографирование производится во встречном световом потоке. Широкие пучки света, освещающие рабочий объём П. к., сходятся в фокусе, смещённом в сторону от фотогр. объективов. Для формирования встречных пучков используются линзы, растры, толстые сферич. зеркала, зеркала с чередующимися тёмными полосами (для гашения мнимых изображений), отражат. системы из мелких стеклянных шариков ("скотчлайт").

У тяжёлых жидкостей различие в показателях преломления велико и световой пучок рассеивается на большие углы. Источник света при этом может располагаться под углом 90° к оси фотографирования.

Регистрация треков. Для стереофотографирования следов частиц в больших П. к. применяют неск. фотокамер и разл. оптич. системы, напр. объективы типа "рыбий глаз" (рис. 4). Передняя сферич. линза объектива выполняет ф-ции окна, выдерживающего давление жидкости. Вокруг объектива размещают кольцевую импульсную лампу. "Скотчлайт" наклеивается на донную часть корпуса камеры и головку поршня. После вспышки импульсной лампы свет отражается "скотчлайтом" обратно к источнику. Свет, рассеянный пузырьком, падает нормально на сферич. линзу объектива без преломления на границе жидкость - стекло. Для получения изображения пузырька, образовавшегося в ниж. части фотографируемого объёма, он должен вырасти до диаметра ~ 0,5 мм. У водородных камер размер пузырьков изменяется во времени:(t в мс, r в мм). Высокая скорость роста пузырьков по сравнению со скоростью их всплы-вания исключает искажение треков.

Ошибки измерения пространственных координат пузырька для большинства П. к.: Dx и Dy равны ОД мм, Dz = 0,3-1,5 мм. П. к. с малой глубиной фотографирования и небольшим уменьшением изображения пузырькового следа позволяют фотографировать пузырьки диаметром < 100 мкм. Такие системы реализуются в быстроциклирующих П. к., используемых в гибридных установках, как мишень и детектор вершин распада короткоживущих частиц вблизи точки взаимодействия. Импульсы и др. характеристики частиц определяются магн. спектрометром (см. Комбинированные системы детекторов ).В большой водородной П. к. FNAL ранняя стадия начала роста пузырьков осуществляется голографич. методом с помощью лазерного пучка через 1 мс после прохождения частиц. Это обеспечивает регистрацию пузырьков с r ~ 100 мкм. Далее, через 10 мс, когда пузырьки вырастают до диаметра ~0,5 мм, производится обычное фотографирование.

При обработке обычных фотографий с этой камеры, когда возникает потребность в обзоре области вблизи точки взаимодействия с целью поиска короткоживущих частиц, привлекается голография.

Пространственное разрешение П. к. определяется масштабом фотографирования, разрешающей способностью объективов и плёнки, относит. отверстием объективов (при фотографировании больших глубин с малого расстояния), мощностью источника света и его монохроматичностью, стереоскопич. углом, определяемым базой (расстоянием между оптич. осями фотографирования) и высотой. Требуется знание оптич. констант П. к., т. к. фотографирование производится через неск. разл. оптич. сред (стекло, жидкость, воздух). Голографич. метод регистрации позволяет получить изображение пузырьков в толстых слоях жидкости при их размерах 10 мкм. Пространственное разрешение П. к. приближается к разрешению в ядерных фотоэмульсиях.

Обработка результатов. Применение. Измерение координат точек на следах отобранных событий осуществляется с помощью микроскопов, полуавтоматич. или автоматич. измерит. устройств. По спец. программам на ЭВМ вычисляются геом. характеристики треков: углы вылета частиц, длины пробегов, импульсы, ошибки этих величин и т. д.

П. к. используются преимущественно в экспериментах на выведенных пучках заряженных и нейтральных частиц, получаемых на ускорителях. В исследованиях космич. излучения не применяются из-за отсутствия "памяти" [невозможность запуска рабочего цикла от проходящей частицы (см. Координатные детекторы)]. Нейтральные частицы регистрируются либо по продуктам взаимодействия с веществом в камере, либо по распадам на заряж. частицы.

Исследования, выполненные с помощью П. к., дали существ, вклад в изучение сильных и слабых взаимодействий. Были открыты антисигма-минус-гиперон (1960, Дубна), омега-минус-гиперон (1964, США), нейтральные токи (1973, ЦЕРН) и др. Обнаружены и изучены многочисл. частицы - резонансы и т. д.

С появлением ускорителей на всё более высокие энергии, с реализацией экспериментов на встречных пучках П. к. уступают место др. координатным детекторам. Однако небольшие быстрые П. к. (10-100 расширений в 1 с) используются в качестве мишеней и детекторов "вершин" событий, связанных с коротко-живущими частицами. При этом информацию о характеристиках частиц получают с помощью магн. спектрометров электронными методами.

Лит.: G1aser D. A., Some effects of ionizing radiation on the formation of bubbles in liquids, "Phys. Rev.", 1952, v. 87, p. 665 его же, The bubble chamber, "Handbuch der Phys.", 1958, Bd 45, S. 314; Блинов G. А., Kрестников Ю. С., Ломанов М. F., Измерение ионизирующей способности частиц в пузырьковой камере, "ЖЭТФ", 1956, т. 31, с. 762; Пузырьковые камеры, под ред. Н. Б. Делоне, М., 1963; Суп К., Пузырьковая камера. Измерение и обработка данных, пер. с англ., М., 1970; Hаrigе1 G. G., Holography in the Fermilab. 15-foot bubble chamber, "Nucl. Instr. and Methods", 1987, v. А257, p. 614. М. И. Соловьёв.

   <<      Предметный указатель      >>