Камера Вильсона.

Камера Вильсона (рис. 38.1) была изобретена шотландским физиком Ч.Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.

Рисунок 38.1.

Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S ~ 10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.

Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. В камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться (показатель перенасыщения 1 < S < 10). Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, то есть появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по-разному. Например, трек электрона выглядит тоньше и прерывистей, чем трек, полученный при пролете значительно более массивной альфа-частицы.

Камера Вильсона. Камера Вильсона один из первых в истории приборов для регистрации следов заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарльзом Вильсоном 1912 г. Чарльзом Вильсоном1912Чарльзом Вильсоном1912 Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится черная ткань. Благодаря тому, что ткань увлажнена смесью воды со спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей

Ядерная реакция 14N (×a, р) 17О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ×a-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции протона и ядра 17О. Ядерная реакция 14N (×a, р) 17О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ×a-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции протона и ядра 17О.

Вильсон установил! Вильсон установил. Что избыточная влага может конденсироваться не только на пылинках или других твердых частицах, но и на электрически заряженных атомах или молекулах газа, то есть на ионах. Это свойство ионов служить ядрами конденсации и использовал Вильсон для своего изобретения. Вильсон установил. Что избыточная влага может конденсироваться не только на пылинках или других твердых частицах, но и на электрически заряженных атомах или молекулах газа, то есть на ионах. Это свойство ионов служить ядрами конденсации и использовал Вильсон для своего изобретения. Вильсон установил, что влаге воздуха всегда нужно что - то, на чем она могла бы осесть. В воздухе ядрами конденсации для влаги являются крохотные пылинки. Если влажность воздуха слишком велика или если произошло внезапное охлаждение воздуха, то избыточная влага собирается на ядрах конденсации, и тогда образуется или туман, или дождь. Там, где в воздухе слишком много пыли, очень легко может возникать дождь или появляться туман. Если, конечно, в воздухе, кроме пыли, имеется еще достаточно много влаги. Вильсон установил, что влаге воздуха всегда нужно что - то, на чем она могла бы осесть. В воздухе ядрами конденсации для влаги являются крохотные пылинки. Если влажность воздуха слишком велика или если произошло внезапное охлаждение воздуха, то избыточная влага собирается на ядрах конденсации, и тогда образуется или туман, или дождь. Там, где в воздухе слишком много пыли, очень легко может возникать дождь или появляться туман. Если, конечно, в воздухе, кроме пыли, имеется еще достаточно много влаги.

Для регистрации альфа- и бета-частиц используют камеру Вильсона. Камера Вильсона - цилиндр со стеклянными боковыми стенками и крышкой, в котором перемещается поршень. Впускаемые в камеру через тонкое окошко частицы на своем пути ионизируют воздух. Образовавшиеся ионы становятся центрами конденсации перенасыщенного пара, и образованный на ионах по пути движения частиц туман от капелек сконденсированного пара позволяет при достаточно сильном освещении сфотографировать траектории частиц.

Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам1927 годуВильсонНобелевскую премию по физикепузырьковымискровым камерам1927 годуВильсонНобелевскую премию по физикепузырьковымискровым камерам

Назначение прибора

Камера Вии́льсона- один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Камеру Вильсона можно назвать “окном” в микромир. Она представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спиртами близкими к насыщению.

Изобретатель прибора

Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона

(1912).Она изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. За это изобретениеЧ. Вильсону в 1927 г.

присуждена Нобелевская премия.

Ч.Вильсон

Камера Вильсона.

Стеклянная пластина

Устройство.

Стеклянный

Стеклянная

Черная ткань

Насыщенный

Устройство.

Камера Вильсона. Емкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части заполнена насыщенными парами воды, спирта или эфира. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся пересыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.

Принцип роботы

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. пересыщенного пара Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа

результате которого образовались ядро кислорода и

Юрий Романов

“Это самый оригинальный и замечательный инструмент в истории науки”
(Эрнест Резерфорд)

14 февраля 1869 года , 145 лет назад, на ферме близ Эдинбурга (Шотландия) родился Чарльз Томсон Риз Вильсон. Учился он в одной из частных школ Манчестера, затем в тамошнем университете и мечтал стать врачом. Завершать образование он отправился в Кембридж, и тут вектор его интересов резко изменил направление. Его заинтересовали естественные науки.

В конце лета 1894 года Вильсон приехал в Шотландию и совершил восхождение на Бен-Невис, самую высокую из местных гор. Это была не научная экспедиция, Вильсон был спортсмен, альпинист и решил прогуляться по родным местам. С этой прогулки, как мы теперь можем судить, и началась новая жизнь Вильсона-учёного. Там, на вершине, он был просто очарован великолепной игрой света в окружающих его облаках; он любовался цветными гало вокруг теней, отбрасываемых скалами. В общем, там, на вершине Бен-Невис, ему страшно захотелось все увиденные им явления воспроизвести в лаборатории. Физика атмосферы - вот как теперь называется его новое увлечение.

Нобелевская премия 1927 года. Частицы в тумане

В 1895 году Чарльз Вильсон, будучи аспирантом в Кембриджской лаборатории Дж. Дж. Томпсона, начинает цикл экспериментов, чтобы понять процессы образования облаков. Он придумывает аппарат в виде прозрачного цилиндра, дно у которого может перемещаться. Быстрое движение поршня вниз приводило к увеличению объёма камеры и падению давления и температуры в ней. При этом сквозь прозрачное окно цилиндра Вильсон наблюдал в камере сгущающийся туман. Явление это было уже хорошо известно: на мельчайших частичках пыли конденсировалась влага, ничего нового, всё как обычно… Почему Вильсон решил повторить этот опыт, наполнив свой аппарат максимально очищенным от пыли воздухом, - вот где загадка. Что-то подсказывала интуиция учёного? Или просто решил убедиться, что в «обеспыленном» воздухе конденсации не будет, да и закрыть этот вопрос?

Так или иначе, но опыт дал неожиданный результат: в чистом воздухе туман всё равно образуется. Почему? Что в этом случае может являться центрами конденсации? Много лет спустя Вильсон так описывал эмоциональное состояние, в котором находился в те дни: «Я был очень возбуждён, ведь почти сразу же я наткнулся на нечто, обещающее быть значительно более интересным, чем те оптические явления, ради которых я всё это начинал». Вильсон делает гениальное предположение, что влага конденсируется на ионах - заряженных частицах, каким-то образом возникающих в воздухе.

Чтобы проверить эту догадку, Вильсон берёт взаймы у профессора Томпсона одну из его драгоценных рентгеновских трубок (ему пришлось постоянно бороться со страхом повредить или ненароком разбить прибор). Изучением ионизирующих свойств рентгеновских лучей в это время как раз и занимался Томпсон, ставший поэтому заинтересованным участником опытов своего аспиранта. Вот как он описывал творческие муки молодого Вильсона: «Создание туманной камеры [так назывался этот прибор до момента присвоения ему имени изобретателя. - Ю. Р. ] оказалось чрезвычайно трудоёмким процессом. Для неё потребовалось несколько очень сложных стеклянных деталей, которые Вильсон изготовил сам, освоив профессию стеклодува. Пол лаборатории был устлан осколками, колбы лопались вновь и вновь. Вильсон не расстраивался, начинал всё сначала, только приговаривал, пристраивая к аппарату очередную колбу: “Милая, милая, ты же потерпишь немного?”»

Прибор, который нам знаком как «камера Вильсона» и который на 40 лет станет самым важным инструментом в арсенале физики элементарных частиц, был изготовлен в 1910 году. Через год ему удаётся сделать первые фотографии туманных треков (следов) заряженных частиц, пролетавших через камеру. В 1959-м, в возрасте 90 лет, он не забыл эти события и описал их такими словами: «Я до сих пор хорошо помню моё восхищение от полученных результатов. Эти следы были великолепны. Они напоминали волоски или огоньки, возникающие то тут, то там… Это было потрясающе».

В 1927 году ему присуждают Нобелевскую премию по физике «за метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара». Заниматься дальнейшими усовершенствованиями своей камеры он не стал: проблемы электрофизики атмосферы его интересовали значительно больше. В конце жизни он переселился с семьёй в деревушку Карлопс. Бывший депутат парламента Тэм Дэлиелл, проживавший с ним по соседству, так вспоминает первую встречу с Вильсоном: «Шёл дождь. В мою дверь постучали, я открыл. На пороге стоял сосед, и он спросил, не хочу ли я прийти к нему выпить чашечку чаю. Пока он занимался чайником, я заметил на стене фотографию, которая заставила меня замереть. На ней были 15 мужчин и одна женщина. Альберт Эйнштейн, Мария Кюри и все великие физики того времени. Среди них был мужчина, он был моложе на 40 лет, чем сейчас, но это был пригласивший меня на чай сосед. Я чуть не упал. Оказывается, он и есть тот самый великий Вильсон, который помог человечеству вступить в ядерный век».

Нобелевская премия 1948 года. Туман под контролем

Принципиально улучшить камеру Вильсона удалось Патрику Мейнарду Стюарту барону Блэкетту. Кадровый офицер ВМФ принимал участие в боях Первой мировой войны на Фолклендских островах и в Ютландии. После войны ушёл в отставку и занялся физикой под руководством Эрнеста Резерфорда в Кембридже.

Позднее он добьётся замечательных научных результатов и сделает несколько выдающихся открытий, но всё это - тема отдельного разговора. Сейчас важно другое. В 1932 году, работая с молодым итальянским физиком Джузеппе Очиалини (на фото ниже), он разработал изящную комбинацию камеры Вильсона и двух счётчиков Гейгера - Мюллера, один из которых помещался над камерой, а второй - под нею. Специальная электронная схема запускала камеру Вильсона в работу, только если оба счётчика срабатывали одновременно.

Благодаря изобретению Блэкетта камера Вильсона приобрела «диаграмму направленности»; её теперь можно было настраивать на фиксацию частиц, прилетающих с заданного направления. Более того, устанавливая порог срабатывания счётчиков Гейгера, оказалось возможным фильтровать наблюдаемые частицы по энергиям. Оба эти фактора привели к колоссальному прогрессу в области исследований космических лучей, астрофизики и физики элементарных частиц в целом. В 1948 году Блэкетт был удостоен Нобелевской премии по физике «за усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации».

Нобелевская премия 1960 года. Пузыри и туман

Если в камере Вильсона треки заряженных частиц образовывались за счёт конденсации переохлаждённого пара на ионах, то в приборе, который изобрёл в 1953 году и назвал «пузырьковой камерой» Дональд Артур Глейзер, следы частиц возникали в перегретой жидкости при понижении давления. В этом случае возникал как бы «туман наоборот»: по ходу движения частицы в жидкости образовывались цепочки пузырьков, наполненных паром.

Глейзер провёл множество экспериментов с различными жидкостями, включая даже пиво (сначала он утверждал, что сама идея пузырьковой камеры пришла ему в голову, когда он наблюдал «вскипание» пива при откупоривании бутылки; позже признался, что «пивного вдохновения» не было, но факт остаётся фактом: в первые модели пузырьковой камеры он заливал светлое пиво, и камера отлично работала!)

Пузырьковая камера Глейзера оказалась настолько удачным прибором, что с 60-х годов она полностью вытесняет камеры Вильсона. И Нобелевская премия по физике 1960 года досталась Дональду Глейзеру именно «за изобретение пузырьковой камеры». Эксперименты на ускорителях во всём мире начинают проводиться с использованием всё более крупных криогенных пузырьковых камер, которые превращаются в сложнейшие инженерные комплексы, нафаршированные электроникой.

Сейчас «эпоха тумана и пара» в экспериментальной физике частиц завершается, и на смену пузырьковым камерам приходят новые типы детекторов. Но это уже совсем другая история…

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена
Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).
Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона (1912 г.). За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г. присуждена Нобелевская премия. В камере Вильсона (см. рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10 -3 -10 -4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно ≈ 0.3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.

Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.
Наблюдение позитрона в камере Вильсона (рис. 2) , помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек посредине, слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.

Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.