Наиболее часто используемыми рабочими жидкостями являются жидкий водород и понедельник (криогенная пузырьковая камера), а также пропан, различные флороны, посторонние вещества и смеси экзогенных жидкостей и пропана (тяжелая жидкая пена).
Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц: какие существуют
Первоначально изучение индивидов, ядер и фундаментальных частиц (ФЧ) не было разделено на разделы. По мере накопления знаний о микро-нанокосмах возникли различные разделы этой науки. Один изучает отдельные ядра, другой — «зоопарк» частиц. Толчком к их развитию послужили органы, способные регистрировать микрочастицы. Рассмотрим метод наблюдения и регистрации фундаментальных частиц, который широко используется физиками всего мира.
Функция детектора частиц схожа с функцией огнестрельного оружия. Эффект от выстрела часто превышает усилие, необходимое для нажатия на спусковой крючок. Она состоит из сложной макроскопической системы, которая является нестабильной и заранее регулируемой. Небольшие возмущения, вызванные мелкими частицами в поле зрения, переводят устройство в более стабильное состояние.
В зависимости от условий и конечной цели наблюдения используются различные записывающие устройства. Все они имеют различные технические характеристики, но принципы работы очень похожи.
Счётчик Гейгера (газоразрядный)
Измеритель Жигера — наиболее распространенный прибор для обнаружения элементарных частиц. Он состоит из стеклянной банки, покрытой изнутри металлическим слоем. Вдоль него проходит тонкая проводящая нить. Инертный газ вводится в организм. Частицы, летящие в газ, «отвлекают» электроны от его жителей.
В результате образуются свободные носители и положительно заряженные ионы. Поле между нисходящим и восходящим ускоряет электроны, вызывая лавинообразную ударную ионизацию. Это увеличивает ток, определяемый сопротивлением нагрузки R Генерируется импульс напряжения, который передается на журнал.
После этого эвакуация автоматически исчезает.
Камера Вильсона
Следующий метод наблюдения элементарных частиц основывается на образовании капель жидкости из ионов перенасыщенных паров. В герметичном сосуде посредством движения поршня образовывается перенасыщенный пар. Даже одна элементарная частица способна вызвать конденсацию на пути перемещения. Трек видим на протяжении ~0,1 с. После электрическое поле устраняет ионизацию. Камера предоставляет информацию об энергии и скорости ЭЧ
Метод обнаружения фундаментальных частиц основан на долговременной нестабильной системе, в которой пролетающие заряженные частицы вызывают стабильные переходы.
Счетчик Гейгера.
Gigger Meter — детектор частиц. Его действие основано на создании независимого электрического разряда в газе, когда частица попадает в его объем. Изобретен X. Гейгером и Э. Резерфордом в 1908 году и позже усовершенствован Гейгером и Мюллером.
Счетчик Гейгера состоит из цилиндра — нисходящего — вытянутого вдоль оси и тонкой проволоки. Восходящий. Они находятся в заполненном газом герметичном объеме (обычно медленном) под давлением около 100-260 GPA (100-260 мм. Hg). Во время спуска и подъема напряжение составляет около 200-1000 В. Заряженные частицы достигают метрового объема и образуют многочисленные парные маршруты (на пути к следующему претенденту), получая энергию, превышающую энергию ионизации, и ионизируя газ. Молекулы. Создается лавина, и ток в цепи увеличивается. Импульс напряжения передается с резистора нагрузки на журнал. Резкое увеличение напряжения на резисторе нагрузки между подъемом и спадом завершает эвакуацию, и трубка готова к регистрации следующей частицы.
Гигаметр регистрирует в основном электроны и лучи С (хотя последние вытесняются из него с помощью дополнительного материала на стенках контейнера).
Камера Вильсона.
Камера Вильсона представляет собой орбитальный детектор частиц. Он был создан К. Уилсоном в 1912 году. С помощью камеры Вильсона было сделано множество открытий в ядерной физике и физике частиц, включая открытие обширных атмосферных дождей (космических лучей) в 1929 году, позитронов в 1932 году, открытие мионских следов и обнаружение странных частиц. Затем камера Вильсона была практически заменена пузырьковой камерой с самой высокой скоростью. Камера Вильсона — это сосуд, заполненный водяным паром или почти полным спиртом (см. форму). Его действие основано на конденсации ионного суперпара (воды или спирта), образованного проходящими частицами. Избыточный пар создается на резкой нижней границе поршня (см. форму) (пар в камере расширяется адиабатически, что приводит к быстрому повышению температуры).
Капли, оседающие на ионах, создают видимый след частиц. Это дорожка, которая позволяет сделать фотографию. Энергию частиц можно определить по длине дорожки, а их скорость можно оценить по количеству капель на единицу длины дорожки. При помещении в магнитное поле кривизна трека позволяет определить голос заряженной частицы по массе (впервые предложено советскими физиками П.Л. Капицей и Д.В. Скобельцыным).
Пузырьковая камера.
Пузырьковая камера — регистрирующее устройство, работающее на основе кипения перегретой жидкости вдоль траектории движения частиц.
Первая пузырьковая камера (1954 год) представляла собой металлическую камеру со стеклянным окном для освещения и фотографирования, заполненную жидким водородом. Впоследствии он был изготовлен и усовершенствован во всех лабораториях мира с использованием ускорителя заряженных частиц. Из колб объемом 3 см3 пузырьковые камеры достигали размеров в несколько кубических метров. Большинство пузырьковых камер имеют объем 1 м 3. Глейзер был удостоен Нобелевской премии за изобретение пузырьковой камеры в 1960 году.
Время цикла пузырьковой камеры составляет 0,1 с. Его преимущество перед камерой Вильсона заключается в самой высокой плотности рабочего материала, что позволяет регистрировать частицы с более высокой энергией.
К тому времени уже было найдено множество частиц: электроны, позитроны, протоны, нейтроны, космические лучи и пи-медиум. Однако были и загадочные примеры, которые не удалось исследовать с помощью имеющихся детекторов. Чтобы справиться с ними, эксперименту потребовались новые методы обнаружения частиц.
Перегретая жидкость
Давайте немного вмешаемся и вкратце поговорим о природном явлении перегрева. Он основан на принципах работы пузырьковой камеры и предыдущей камеры Вильсона. Например, известно, что при нормальных условиях вода закипает при температуре 1000c. Однако любой, кто поднимался высоко в горы, где давление ниже, чем на уровне моря, подтвердит, что 900c достаточно, чтобы вода там закипела. Температура кипения, с другой стороны, повышается с увеличением давления. Однако, что самое интересное, жидкость, нагретая до высокого давления, не закипит сразу же при внезапном возвращении к нормальному состоянию (снижение давления с помощью плунжера), а останется нестабильной до тех пор, пока ее не потревожат. Такая жидкость называется суперконсолидированной жидкостью. Заряженные частицы могут нарушить неустойчивое равновесие. По мере движения частиц в жидкости образуются ионы, вокруг них возникают пузырьки, и начинается кипение.
Но вернемся еще раз к Глейзеру. Для своего первого эксперимента он выбрал Диатирасара. Он был относительно дешев, легко выделялся в чистом виде и не требовал сверхъестественных температур и давления. Однако, сделав собственные расчеты, Глейзер решил поискать данные в научной литературе и нашел интересную статью об эксперименте с диаметром в одном из крупных журналов по естественной химии в 1924 году. Основным экспериментальным событием, о котором идет речь, было спонтанное кипение через случайные промежутки времени диабета сверхвысокой степени обработки при температуре 1400c при нормальном атмосферном давлении. Здесь следует восхититься настойчивостью и интуицией Глейзера. Анализируя эту таблицу через эти случайные промежутки времени, он обнаружил, что среднее время закипания составляет 60 секунд. Затем он взял известные данные о секулярном и радиационном фоне, учел описанную автором конструкцию эфирного резервуара и подсчитал, что в среднем частицы должны лететь в среднем!
Похоже, он на правильном пути. Первое устройство, созданное Глейзером, состояло из двух соединенных между собой труб, наполненных жидкостью и мукой. Они были длиной 10 см и имели внутренний диаметр 3 мм. Первоначально обе трубы нагревались до 1600 c и 1400 c, после чего нагретая труба охлаждалась до комнатной температуры. Вторая трубка была одновременно сверхинтенсивной, и как только ее подносили к источнику радиоактивного излучения (Глейзер использовал радиоактивный кобальт), дисиала закипала. Таким образом, существовала возможность обнаружить использование перегретой жидкости, но оставался другой, менее важный вопрос — можно ли таким образом получить точные следы частиц?
Чтобы доказать это, Глейзер подготовил несколько небольших камер из борного стекла (Pyrex), заполненных на несколько кубических сантиметров. Высокая температура поддерживалась с помощью масляной бани, а давление сбрасывалось вручную с помощью специальной ручки. Как только ручка открывалась, активировалась кинокамера, которая заполнялась всем, что происходило на лодке со скоростью 3000 кадров в секунду. Процесс декомпрессии и последующего сжатия был автоматизирован и синхронизирован с кинокамерой и счетчиком Гейгера, который ссылался на внешний вид частиц. Фильм оказался захватывающим. Пузырьки, образовавшиеся при прохождении заряженных частиц, выросли на 1 мм за 300 мс. Во многих случаях следы частиц были хорошо видны, и было очевидно, что оборудование было адекватным для проведения измерений.
Чудо инженерной мысли
Устройство, называемое пузырьковой камерой, представляет собой сосуд с окном, заполненный прозрачной жидкостью при атмосферном давлении и прикрепленный к магнитному полю. Когда рабочая жидкость закипает при очень низкой температуре, например, водород, набор помещают в кристаллы и охлаждают. Перед тем, как частицы выстреливаются ускорителем, объем расширяется с помощью специального поршня, давление падает, и образуется сверхтекучая жидкость. Некоторые частицы улетают, другие взаимодействуют с сущностью камеры, но все имеют багаж и оставляют за собой след из пузырьков кипящей жидкости. Все это происходит в сантиметрах микроволокна. Через несколько миллисекунд пузырьки увеличиваются в видимом размере, включаются и загораются импульсные лампы, и несколько камер (обычно три) одновременно фотографируют объем камеры. Они жестко расположены в разных частях одного окна. Это означает, что создается стереоизображение. После получения изображения давление снова повышается, пузырьки исчезают, и камеры снова готовы к измерению. Весь цикл длится несколько десятков миллисекунд.
Однако само изображение — это половина всего. Далее идет процесс анализа траектории и распознавания частиц. Накопление изображений пузырьковой камерой и ускорителем может занимать дни или недели, а обработка полученной информации — месяцы или годы. Новичок может подумать, что картинки в пузырьковой камере напечатаны бессмысленными штрихами и мазками. Но для природы это кладезь информации. Узкие спирали соответствуют электронам (или позитронам, если они закручены в противоположном направлении). Ветвь» в слове So -Called означает, что в этот момент входящая частица сталкивается с ядром материи, заполняющим камеру, в результате чего образуется несколько других частиц. И если вилка начинается с «нигде», это означает, что нейтральная частица откололась.
Если все траектории (или следы) тщательно измерены на всех трех изображениях, сделанных одновременно, можно восстановить пространственный образ события и рассчитать свойства всех частиц, участвующих в нем. Сначала это делалось вручную самими физиками, но когда были подсчитаны сотни тысяч кадров, ситуацию спасли появившиеся к тому времени компьютеры и полуавтоматические сканирующие устройства. Без них было бы невозможно справиться с такой горой информации. Общее количество стереоизображений, полученных в ходе экспериментов в пузырьковой камере, превысило 100 миллионов!
Последние из могикан
За 30 лет в мире было построено более 100 пузырьковых камер, в которых можно увидеть множество новых теоретических частиц, подтверждающих наличие «заколдованных» кварков. Жидкости (точнее, сжиженные газы), используемые для них: водород, дейтерий, пропан, эмбиент, неон, фреон и даже гелий. Рабочие температуры также различаются. Очень низкая для солнечных батарей и водорода, и почти комнатная температура для иностранных, пропана и фреона. Начиная с нескольких десятков сантиметров, камера в итоге достигла действительно огромных размеров. Последняя пузырьковая камера в Европейском центре ядерных исследований была построена в 1971 году и названа Гаргамель. Это был цилиндр диаметром 1,85 м и длиной 4,85 м, заполненный 18 тоннами фреона. Оно было связано с последним достижением камерной эры — открытием необычного взаимодействия элементарных частиц, называемого нейтральными токами. В том же году в США была построена крупнейшая в мире сферическая пузырьковая камера диаметром 4,5 метра для управления жидким водородом и дейтерием. Однако технический прогресс не изменил ситуацию коренным образом. Эти детекторы не работали с новыми ускорителями, производящими пучки частиц высокой энергии и интенсивности. Дни будки с пузырьками подходили к концу.
Однако было слишком рано удалять изображения пузырьковой кабинки из файлов иллюстраций. Только в 2002 году две экспериментальные группы (одна работала над синхронизацией Spring-8 в Японии, а другая — в Институте теоретической и экспериментальной физики в Москве) почти одновременно сообщили об открытии новой частицы, названной пентакварком. Российские ученые столкнулись с этим явлением много лет назад при анализе экспериментальных данных, полученных с помощью пузырьковой камеры «Дианаксенон». Возможно, вы видите что-то интересное среди 100 миллионов изображений?
Пузырьковая камера — это устройство или прибор для регистрации траекторий быстро заряженных ионных частиц на основе кипения перегретой жидкости вдоль траекторий частиц.
Применение
Пузырьковые камеры обычно используются для регистрации взаимодействия энергичных частиц с ядром рабочей жидкости или распада частиц. В первом случае технологическая жидкость также служит в качестве носителя записи.
Эффективность регистрации различных процессов взаимодействия или разложения в пузырьковой камере зависит в первую очередь от ее размера. Наиболее распространенные емкости составляют несколько сотен литров, но существуют камеры гораздо больших размеров. Объем водородной камеры «Мирабель» в ускорителе Института физики высоких энергий Российской академии наук составляет 10 м³. Объем водородной камеры в ускорителе в Национальной ускорительной лаборатории США составляет 25 м³.
Основными преимуществами пузырьковых камер являются изотропная пространственная чувствительность при регистрации частиц и высокая точность при измерении импульсов частиц.
Недостатками пузырьковых камер по сравнению с камерами Уилсона являются недостаточный контроль, необходимый для выбора желаемых взаимодействий или разрушений частиц, и короткие пути частиц.
