Камера Вильсона

«Облачная камера» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о разработчике видеоигр, см. Cloud Chamber (компания) . Чтобы узнать о видеоигре, см. Cloud Chamber (видеоигра) .

Источник радия-226 в камере Вильсона.

Камера Вильсона , также известная как камера Вильсона , представляет собой детектор частиц, используемый для визуализации прохождения ионизирующего излучения .

Камера Вильсона представляет собой герметичную среду, перенасыщенные пары воды спирта или содержащую . 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 из ионизированных частиц газа. Образующиеся ионы действуют как центры конденсации , вокруг которых образуется туманный 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 сквозь пар. Эти следы имеют характерную форму. Например, трек альфа-частицы толстый и прямой, а трек бета-частицы тонкий и демонстрирует больше свидетельств отклонений в результате столкновений.

Камеры Вильсона были изобретены в начале 1900-х годов шотландским физиком Чарльзом Томсоном Рисом Уилсоном . Они играли заметную роль в экспериментальной физике элементарных частиц с 1920-х по 1950-е годы, вплоть до появления пузырьковой камеры . В частности, при открытии позитрона в 1932 г. (см. рис. 1) и мюона в 1936 г., оба Карлом Андерсоном (лауреатом Нобелевской премии по физике в 1936 г.), использовались камеры Вильсона. Открытие каона Джорджем Рочестером и Клиффордом Чарльзом Батлером в 1947 году также было осуществлено с использованием камеры Вильсона в качестве детектора. В каждом из этих случаев космические лучи источником ионизирующего излучения были . Тем не менее, они также использовались с искусственными источниками частиц, например, в радиографии в рамках Манхэттенского проекта .

Изобретение

Рис. 1: Фотография камеры Вильсона, использованная для доказательства существования позитрона . Наблюдал К. Андерсон.

Чарльзу Томсону Рису Уилсону (1869–1959), шотландскому физику , приписывают изобретение камеры Вильсона. Вдохновленный наблюдениями призрака Брокена во время работы на вершине Бен-Невиса в 1894 году, он начал разрабатывать расширительные камеры для изучения образования облаков и оптических явлений во влажном воздухе. Очень быстро он обнаружил, что ионы могут выступать в качестве центров образования капель воды в таких камерах. Он продолжил применение этого открытия и усовершенствовал первую камеру Вильсона в 1911 году. В оригинальной камере Вильсона (см. рис. 2) воздух внутри герметичного устройства насыщался водяным паром, затем использовалась диафрагма для расширения воздуха внутри камеры. ( адиабатическое расширение), охлаждая воздух и начиная конденсировать водяной пар. Отсюда и название « камера Вильсона расширения» . Когда ионизирующая частица проходит через камеру, водяной пар конденсируется на образующихся ионах, и в облаке пара виден след частицы. Вильсон получил половину Нобелевской премии по физике в 1927 году за работу над камерой Вильсона (в том же году, когда Артур Комптон получил половину премии за эффект Комптона ). Такую камеру еще называют импульсной камерой , поскольку условия для работы не поддерживаются постоянно. Дальнейшие разработки были сделаны Патриком Блэкеттом, который использовал жесткую пружину для очень быстрого расширения и сжатия камеры, что сделало камеру чувствительной к частицам несколько раз в секунду. кинопленка Для записи изображений использовалась .

Рис. 2: Оригинальная камера Вильсона CTR Wilson в Кавендишской лаборатории, Кембридж, Англия.

Диффузионная камера Вильсона была разработана в 1936 году Александром Лангсдорфом . Эта камера отличается от расширительной камеры Вильсона тем, что она постоянно чувствительна к радиации и тем, что дно необходимо охлаждать до довольно низкой температуры, обычно ниже -26 ° C (-15 ° F). Вместо водяного пара спирт используется из-за его более низкой температуры замерзания . Камеры Вильсона, охлаждаемые сухим льдом на эффекте Пельтье или термоэлектрическим охлаждением , являются обычными демонстрационными устройствами и устройствами для любителей; в них обычно используется изопропиловый спирт или метиловый спирт .

Структура и работа

Рис. 3: Камера Вильсона диффузионного типа. Спирт (обычно изопропанол) испаряется нагревателем в воздуховоде в верхней части камеры. Охлаждающий пар спускается к черной охлаждаемой пластине, где конденсируется. Из-за температурного градиента над нижней пластиной образуется слой пересыщенного пара. В этой области радиационные частицы вызывают конденсацию и оставляют следы облаков.

Рис. 4: Как образуются конденсационные следы в диффузионной камере Вильсона.

Рис. 5: В диффузионной камере Вильсона трек альфа-частицы с энергией 5,3 МэВ от игольчатого источника Pb-210 вблизи точки (1) подвергается резерфордовскому рассеянию вблизи точки (2), отклоняясь на угол тета примерно 30 градусов. Он снова рассеивается возле точки (3) и, наконец, останавливается в газе. Ядром-мишенью в газе камеры могло быть ядро ​​азота, кислорода, углерода или водорода. При упругом столкновении он получил достаточно кинетической энергии, чтобы оставить короткий видимый след отдачи возле точки (2). (Масштаб указан в сантиметрах.)

Здесь будут обсуждаться камеры Вильсона диффузионного типа. Простая камера Вильсона состоит из герметичной среды, теплой верхней пластины и холодной нижней пластины (см. рис. 3). Для этого требуется источник жидкого спирта на теплой стороне камеры, где жидкость испаряется, образуя пар, который охлаждается по мере прохождения через газ и конденсируется на холодной нижней пластине. Необходимо какое-то ионизирующее излучение.

Пары изопропанола , метанола или другого спирта насыщают камеру. Спирт падает по мере охлаждения, а холодный конденсатор обеспечивает крутой градиент температуры. Результатом является перенасыщенная среда. Проходя через газ, энергичные заряженные частицы оставляют ионизационные следы. Пары спирта конденсируются вокруг следов газообразных ионов, оставленных ионизирующими частицами. Это происходит потому, что молекулы спирта и воды полярны, что приводит к возникновению суммарной силы притяжения к ближайшему свободному заряду (см. рис. 4). В результате образуется туманное облакообразное образование, о котором можно судить по наличию капель, падающих на конденсатор. Когда треки исходят из источника, их точку происхождения можно легко определить. На рис. 5 показан пример альфа-частицы из стержневого источника Pb-210, подвергающейся резерфордовскому рассеянию .

Прямо над пластиной холодного конденсатора находится объем камеры, чувствительный к следам ионизации. Ионный след, оставленный радиоактивными частицами, обеспечивает оптимальный пусковой механизм для конденсации и образования облаков. Этот чувствительный объем увеличивается по высоте за счет крутого градиента температуры и стабильных условий. Сильное электрическое поле часто используется для прорисовки следов облаков до чувствительной области камеры и повышения чувствительности камеры. Электрическое поле также может служить для предотвращения затемнения чувствительной области камеры большим количеством фонового «дождя», вызванного образованием конденсата над чувствительным объемом камеры, тем самым скрывая следы постоянными осадками. Черный фон облегчает наблюдение за облаками, и обычно требуется тангенциальный источник света для освещения белых капель на черном фоне. Часто следы не заметны до тех пор, пока на пластине конденсатора не образуется неглубокая лужа спирта.

Если магнитное поле к камере Вильсона приложено , положительно и отрицательно заряженные частицы будут изгибаться в противоположных направлениях в соответствии с законом силы Лоренца ; Однако достаточно сильные поля трудно достичь с помощью небольших любительских установок. Этот метод также был использован для доказательства существования позитрона в 1932 году в соответствии с Поля Дирака теоретическим доказательством , опубликованным в 1928 году.

Преимущества и функциональность

1. Визуализация частиц: камеры Вильсона позволяют ученым наблюдать за траекториями заряженных частиц, когда они проходят через камеру. Создавая среду перенасыщенного пара, частицы ионизируют молекулы пара, создавая видимый след из крошечных капель или облаков. Эта визуализация помогает исследователям изучать поведение, свойства и взаимодействия этих частиц.
2. Идентификация частиц. Камеры Вильсона можно использовать для идентификации различных типов частиц на основе их пути и характеристик. Анализируя кривизну, плотность и другие свойства треков частиц, ученые могут различать различные частицы, такие как электроны, мюоны, альфа-частицы и другие.
3. Изучение радиоактивности. Камеры Вильсона особенно полезны при изучении радиоактивного распада и радиации. Радиоактивные частицы, испускаемые радиоактивным источником, можно наблюдать и анализировать их свойства в камере Вильсона. Это помогает ученым понять природу радиоактивности, процессы распада и поведение радиоактивных частиц.
4. Образовательный инструмент:
5. Исследования и открытия. Камеры Вильсона сыграли важную роль в многочисленных научных открытиях на протяжении всей истории, включая идентификацию новых частиц и изучение взаимодействия частиц. Предоставляя средства для наблюдения и анализа треков частиц, камеры Вильсона внесли значительный вклад в расширение наших знаний о субатомном мире.

частиц

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 обнаруживает следы субатомных частиц, но в виде следов пузырьков в перегретая жидкость, обычно жидкий водород . Пузырьковые камеры можно сделать физически больше, чем камеры Вильсона, и, поскольку они заполнены гораздо более плотным жидким материалом, в них обнаруживаются следы гораздо более энергичных частиц. Эти факторы быстро сделали пузырьковую камеру преобладающим детектором частиц на протяжении ряда десятилетий, так что к началу 1960-х годов камеры Вильсона были фактически вытеснены в фундаментальных исследованиях.

Искровая камера — это электрическое устройство, в котором используется сетка из неизолированных электрических проводов в камере, между проводами которых подается высокое напряжение. Энергичные заряженные частицы вызывают ионизацию газа на пути частицы так же, как и в камере Вильсона, но в этом случае окружающие электрические поля достаточно велики, чтобы спровоцировать полномасштабный пробой газа в виде искр на положение начальной ионизации. Затем наличие и расположение этих искр регистрируется электрически, а информация сохраняется для последующего анализа, например, с помощью цифрового компьютера .

Подобные эффекты конденсации можно наблюдать в виде облаков Вильсона , также называемых конденсационными облаками, при больших взрывах во влажном воздухе и других сингулярности Прандтля-Глауэрта эффектов .

Галерея

• 
  Ториевый стержень в камере Вильсона.
• 
  Газ радон в камере Вильсона.
• Самодельная камера Вильсона.тонкая: β-частицы). См. также анимированную версию.
• 
  Пример термоэлектрической камеры Вильсона с водяным охлаждением
• 
  Радиоактивность минерала торита в камере Вильсона
• 
  Диффузионная камера Вильсона с ионным скруббером 4,6 кВ
• 
  Домашняя ТЭЦ/диффузионная камера Вильсона с водяным охлаждением (5 ступеней)
• Видео камеры Вильсона
• 
  Камера Вильсона во время Ночи европейских исследователей в ФЗУ .
• 
  Камера Вильсона с видимыми следами ионизирующего излучения (короткие, толстые: α-частицы; длинные,
• 
  Следы частиц радиоизотопов в расширительной камере Вильсона. (Слева) Альфа-следы от источника Am-241, один бета-трек, возможно, от его дочернего радионуклида Pa-233. (Справа) Бета-треки из источника Sr-90/Y-90.
• 
  Изображение сделано на Пике дю Миди на высоте 2877 м в камере Вильсона Phywe PJ45 (размер поверхности 45 × 45 см). На этом редком снимке на одном снимке показаны 4 частицы, которые можно обнаружить в камере Вильсона: протон, электрон, мюон (вероятно) и альфа.

См. также

• Ядерная эмульсия - также используется для регистрации и исследования быстрых заряженных частиц.
• Пузырьковая камера
• Искровая камера
• Научный набор для детей Лаборатории атомной энергии Gilbert U-238 (1950–1951)
• След

Ссылки

• Дас Гупта, штат Нью-Йорк; Гош С.К. (1946). «Отчет о камере Вильсона и ее применении в физике». Обзоры современной физики . 18 (2): 225–365. Бибкод : 1946РвМП...18..225Г . дои : 10.1103/RevModPhys.18.225 .

Внешние ссылки

• Архивировано 14 сентября 2014 г. в Wayback Machine , Питер Уотерс , Королевский институт , декабрь 2012 г.]