Камеры непрерывного действия (диффузионные камеры)

В некоторых случаях при исследованиях постоянного во времени поля излучений и невозможности управления камерами желательно иметь время чувствительности камер как можно больше. Поэтому представляют интерес камеры непрерывного действия (диффузионные камеры). На рис. 5.2 показана схема одного из вариантов диффузионной камеры низкого (нормального) давления.

Принцип работы: диффузия пара через газ, в котором создан большой температурный градиент. Диффузионная камера для исключения конвективных потоков всегда располагается так, чтобы температурный градиент был направлен против силы тяжести. В верхней части камеры находится желоб с испаряющейся жидкостью (например, спирт). Желоб имеет подогреватель. Верхняя и боковые стенки камеры – стеклянные. Основание камеры – массивная медная пластина, которая поддерживается при температурах около –70…40 °С. Такое устройство создает вертикальный температурный градиент в газе. Насыщенные пары спирта диффундируют вниз в область низких температур, и постепенно, по мере падения, они становятся все более пересыщенными. Следовательно, в некоторой области они будут иметь достаточное перенасыщение для образования капель на ионах, а затем будет область, где происходит конденсация пара. Глубина чувствительного слоя может достигать почти 10 см.

Рис. 5.2. Схема диффузионной камеры: 1 – желоб с испаряющейся жидкостью; 2 – стеклянные стенки камеры; 3 – массивная медная плита; 4 – холодильник.

Поскольку диффузионная камера имеет непрерывную чувствительность, то она не может работать при большом уровне мощности излучения. Ионизация в этом случае уменьшает количество пара, находящегося в пересыщенном состоянии, и это может привести к тому, что не будет образовываться треки. Если камеры регистрируют частицы от импульсных источников излучения, то поле каждой регистрации большого числа частиц необходимо время для диффузии пора в чувствительный объем. Это время составляет порядка нескольких секунд. По этим же причинам диффузионную камеру нельзя использовать в случаях большого постоянного фона ионизирующего излучения.

Пузырьковые камеры

Идея создания пузырьковой камеры возникла у Глейзера (1952 г.) во время работ с перегретыми жидкостями. Глейзер нагревал в небольшом объеме эфир, поддерживая его в жидком состоянии увеличением действующего на объем давления. Если давление внезапно снималось, то эфир оставался в перегретом жидком метастабильном состоянии. Поднесенный к объему радиоактивный препарат вызывал немедленное вскипание эфира, и кинокамера, регистрирующая кипение, показывала не вызывающие сомнений треки ионизирующих частиц. Глейзер установил, что длительное метастабильное состояние перегретой жидкости возможно только в том случае, если внутренняя поверхность колбы с жидкостью не имеет царапин, углов, является плавной. В противном случае происходит интенсивное самопроизвольное (без облучения) вскипание перегретой жидкости.

Подобного рода устройства стало известно как «чистая» пузырьковая камера. В такой камере перегретая жидкость не вскипала в течение 1 мин. и даже дольше; она, по-видимому, могла бы оставаться в этом метастабильном состоянии очень долго, если бы не действие космического излучения. Эти камеры не удалось применить для исследований, так как только из стекла изготовить камеру больших размеров (высокие давления перегретой жидкости) невозможно и, кроме того, через толстые искривленные стекла нельзя фотографировать треки частиц с достаточной точностью. В результате работ Глейзера было установлено, что перегретая жидкость вскипает (начинает вскипать) вдоль трека заряженной частицы и что паровые пузырьки, образованные вдоль пути частицы, и что паровые пузырьки, образованные вдоль пути частицы, успевают вырасти до приемлемых для фотографирования размеров прежде, чем вскипает вся жидкость.

По-видимому, пузырьковые камеры так бы и остались иллюстрацией интересного физического явления, если бы не получили развитие так называемые грязные камеры. Были изготовлены камеры из полированного металла с плоским стеклом, в которых удалось наблюдать треки заряженных частиц (рис. 5.3 показаны обе камеры). Опыты с грязной камерой показали, что при быстром сбросе давления происходит быстрое вскипание жидкости в основном вблизи уплотняющих прокладок между стеклом и корпусом камеры, вблизи поршня, изменяющего давление, но скорость распространения кипения оказывается ограниченной теплопроводностью жидкости и стенок камеры и повышением давления в жидкости при кипении у стенок.

Таким образом, центральная часть камеры после изменения давления в течение некоторого времени находится в метастабильном состоянии, где заряженные частицы могут образовать пузырьки пара.

Рис. 5.3 Устройство чистой и грязной пузырьковых камер: чистая (а) и грязная (б) пузырьковые камеры. 1 – поршень; 2 – рабочая жидкость; 3– жидкость с более высокой точкой кипения для защиты рабочей жидкости от соприкосновения с поршнем; 4 – металлический корпус; 5 – плоские стекла.

В перегретом состоянии жидкость находится в неустойчивом состоянии, поскольку с энергетической точки зрения перегретой жидкости выгодно расслоение на две фазы – жидкую и газообразную.

Однако для такого расслоения необходимо образование по­лостей в жидкости, что требует затрат энергии.

Пусть жидкость перегрета, т.е. давление насыщенных паров при данной температуре выше гидростатического. Пусть, далее, в жидкости каким-либо путем образовался пузырек пара. Оказывается, что дальнейшая судьба пузырька существенно зависит от его радиуса, так как на него действуют силы поверхностного натяжения. Когда температура жидкости далека от критической, то равновесие пузырька пара (постоянство его радиуса) в принципе возможно при следующих условиях. Если давление пара внутри пузырька уравновешено внешним давлением и давлением, обусловленным поверхностным натяжением, то равновесие возможно только при критическом радиусе полости. Но это равновесие неустойчиво. Для большинства жидкостей критический радиус пузырька имеет величину около 10^-6 см.

Перегретая жидкость может начать кипеть, если в ней образуются пузырьки пара с радиусом больше критического. Такие пузырьки могут возникать на стенках камеры за счет неплотного контакта жидкости с поверхностью камеры. Кроме того, в жидкости в результате термодинамических флуктуации непрерывно образуются пузырьки различных радиусов. Вероятность образования пузырьков в результате флуктуации плотности жидкости очень сильно зависит от температуры и перегрева.

Пузырьки, образующиеся в результате флуктуации плотности жидкости, создают фон в камере, который по аналогии с камерами Вильсона называют туманом. Чем больше перегрев жидкости, тем выше плотность тумана. Для пузырьковых камер, таким образом, имеется максимальное значение перегрева. Если перегрев жидкости выше максимального, то жидкость практически мгновенно вскипает по всему объему и образующийся туман не позволяет регистрировать ионизирующие частицы.

Согласно тепловой модели образование пузырьков происходит в результате локального выделения тепла, в которое преобразуется кинети­ческая энергия электронов, созданных заряженной частицей при прохождении в жидкости. Эта модель подтверждается тем, что число пузырьков на единице пути заряженной частицы пропорционально z² /β² (z – заряд частицы, β – ее скорость в единицах скорости света).

Длительность рабочего цикла камеры во многом определяется временем, в течение которого камера выдерживается со сброшен­ным давлением. Если это время велико, то пузырьки успевают вырасти до значительных размеров и переместиться в верхнюю часть камеры, где и произойдет их конденсация после повышения давления в камере. Таким образом, будет происходить охлаждение нижней части камеры (поглощение тепла при образовании пара) и нагрев ее верхней части (выделение тепла при конденсации пузырьков). Это создаст нежелательный температурный градиент в камере, выравнивание которого может потребовать несколько минут из-за малой теплопроводности жидкости.

Жидкость для пузырьковой камеры определяется содержанием проектируемого физического эксперимента. Для изучения взаимодействия элементарных частиц наилучшей рабочей средой является жидкий водород – идеальная мишень для исследования элементарных столкновений. Большой интерес для изучения элементарных взаимодействий представляет и дейтерий, поскольку опыты, проведенные на дейтерии, в совокупности с опытами, проведенными на протонах, в некоторых случаях позволяют сделать заключения о взаимодействии частиц с нейтронами.

Пузырьковые камеры с жидким водородом и дейтерием, имею­щие исключительные свойства как мишени, оказываются не очень хорошими детекторами частиц из-за малой плотности наполнителя, когда возникает необходимость в изучении закономерностей распада и продуктов распада нестабильных частиц. Вероятность наблюдения таких распадов тем больше, чем меньше пробеги частиц в камере, т.е. для этого необходимы камеры, наполненные жидкостями с большими плотностями. Малая плотность жидкого водорода и дейтерия и их малый атомный номер не позволяют регистрировать распады нестабильных частиц с большой эффективностью. С этой точки зрения представляют большой интерес такие вещества, как пропан, фреон, йодистый метил, шестифтористый вольфрам, ксенон. Все эти вещества в жидком состоянии имеют гораздо большие плотности, чем жидкий водород. Кроме того, создание пузырьковых камер с жидким водородом и дейтерием представляет собой более сложную задачу, поскольку они работают при низких температурах (~ 30 °К). Для регистрации и исследования γ-квантов, сопровождающих элементарные взаимодействия, представляют особый интерес пузырьковые камеры, наполненные ксеноном или шестифтористым вольфрамом.

Современные пузырьковые камеры представляют собой сложные инженерные сооружения. Основные узлы пузырьковых камер: камера с рабочей жидкостью, механизм изменения давления, система импульсного освещения камеры и фотографирования треков, система, обеспечивающая поддержание в камере постоянной температуры. Пузырьковые камеры обычно помещают между полюсными наконечниками магнитов. Вес таких магнитов достигает нескольких сот тонн.

Механизмы изменения давления, системы освещения и термостатирования камер очень разнообразны. Ограничимся кратким описанием пузырьковой водородной камеры объемом 500 л (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Пузырьковая водородная камера

Жидкий водород заполняет ванну из нержавеющей стали размерами 183´35´50 см. Ванна сверху закрыта стеклом толщиной около 5 см. Водород охлаждается с помощью теплообменников, расположенных в корпусе камеры. В теплообменники поступает водород при температуре около 20 °К. Для уменьшения теплообмена, используют металлические экраны, находящиеся при низкой температуре. Радиационные экраны представляют собой тонкие металлические полированные листы, имеющие хороший тепловой контакт со змеевиками с жидким азотом или водородом. В рассматриваемой камере радиационный экран 3 имеет температуру жидкого водорода, а экран 4 – температуру жидкого азота. Камера с экранами размещена внутри вакуумного кожуха 5, имеющего комнатную температуру. Радиационный экран 3 одновременно является и предохранительным кожухом. Он отделяет пространство над стеклом камеры от остального вакуумного пространства и имеет специальный аварийный отвод для водорода на случай нарушения герметичности камеры или нарушения ее теплового режима. В водородных камерах применяются и другие меры предосторожности, поскольку водород образует взрывоопасную смесь с воздухом в весьма широком диапазоне концентраций. Фотоаппараты 6 расположены вне вакуумного кожуха. В вакуумном кожухе и экране 3 имеются окна 7 для освещения камеры и фотографирования. В кожухе камеры имеется специальное окно 8 для ввода в камеру пучка частиц. Изменение давления в камере осуществляется с помощью изменения давления в объеме 9, который специальными пневматическими клапанами 10 соединяется с объемами 11 и 12, в которых поддерживаются давления 1,5 и 7 атм.

Для приведения камеры в рабочее состояние всю систему вначале откачивают, затем охлаждают с помощью жидкого азота, а затем жидкого водорода. Весь этот процесс занимает около трех суток. Скорость охлаждения вначале лимитируется материалами с плохой теплопроводностью (стекла), а затем мощностью водородного ожижителя.

Траекторию пути частицы в пузырьковой камере можно определить с точностью не большей, чем поперечный размер трека (10^-2 см). Идентификация частиц в пузырьковых камерах происходит по радиусу кривизны трека р в магнитном поле Н, по величине пробега R, по среднеквадратичному углу многократного рассеяния (θ²), по плотности пузырьков на единице длины трека и, наконец, по числу δ-электронов с пробегами порядка и больше 1 мм.

Радиус кривизны траекторий частиц в пузырьковых камерах не остается постоянным, поскольку частицы при движении теряют свою энергию. Поэтому радиус кривизны траектории имеет смысл определять на таком отрезке траектории, где потери энергии приводят к незначительным изменениям ρ в сравнении с возможной точностью измерения радиуса кривизны траектории. Точность измерения ρ ограничена главным образом многократным рассеянием заряженных частиц. В результате многократного рассеяния траектории частиц (даже при отсутствии магнитного поля) на выбранном участке можно представить кривой с радиусом кривизны, прямо пропорциональным длине этого участка и обратно пропорциональным среднеквадратичному углу рассеяния на этом участке. Величина угла среднеквадратичного отклонения на заданной длине пробега частицы тем больше, чем больше атомный номер среды. Для протонов с β = 0,5 в магнитном поле с напряженностью порядка 10³ эрст относительная ошибка при определении ρ на участке траектории порядка 10 см в камерах, наполненных водородом, составляет около 4%, в пропановой камере – 15%, а в ксеноновой – 70%.

Точность определения средней величины пробега ограничена:

• во-первых, флуктуациями величины пробега (около 2% для прото­нов высоких энергий),

• во-вторых, точностью, с которой известна плотность рабочей среды камеры в момент прохождения частицы (около 3% для водородных камер).

Измерение среднеквадратичного угла рассеяния в пузырьковых камерах имеет небольшую точность по сравнению, например, с измерениями аналогичных величин в ядерной фотоэмульсии. Сравнительно небольшая точность определения среднеквадратичного угла рассеяния (25% в жидкостях с малыми атомными номерами и около 10% в ксеноне) связана с тем, что сфотографированный след частиц состоит из объектов, имеющих большие размеры и расположенных менее плотно, чем в эмульсиях.

Плотность трека в пузырьковой камере (число пузырьков на единице длины следа) зависит не только от скорости и заряда частиц, но и сильно зависит от термодинамического состояния рабочей жидкости. Так в пропановой камере плотность трека изменяется на 10% при изменении давления на 1% или рабочей температуры на 0,3 °С. Поэтому при измерениях плотности пузырь­ков необходимы камеры с высокой стабильностью температуры и величины перегрева жидкости. С другой стороны, необходима оптимальная плотность, поскольку при малой плотности трека (малый перегрев жидкости) велика статистическая ошибка, определяемая числом подсчитанных пузырьков на выбранном участке траектории частицы.