Пузырьковая камера
Пузырьковая камера, прибор для регистрации следов (треков) быстрых заряженных частиц, действие которого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Изобретена Д. Глейзером (США) в 1952. Перегретая жидкость может существовать некоторое время t, после чего она вскипает. Если в интервал времени t в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована. П. к. можно представить как Вильсона камеру "наоборот" (вместо капелек жидкости в пересыщенном паре пузырьки пара в перегретой жидкости). Эта аналогия, однако, чисто внешняя, т.к. механизмы образования капель в камере Вильсона и пузырьков в П. к. различны.
Действие П. к. объясняется образованием на пути частицы центров кипения - зародышевых пузырьков и их ростом до размеров, превышающих критическое значение: ???? (1)
Здесь rkp - критический радиус пузырька, s - поверхностное натяжение жидкости, p0 - давление насыщенного пара, ркр - критическое давление, р - давление пара в перегретой жидкости, V - удельный объём жидкости, V' - пара. Для образования сверхкритического пузырька необходимо выделение энергии ~ (порядка) нескольких сот эв в объёме радиусом ~ 10-6 см за время ~ 10-6 сек. Эта энергия выделяется при торможении электронов, выбиваемых из атомов жидкости регистрируемой частицей (d-электронов). Время роста пузырьков до размеров, пригодных для фотографирования (0,1-0,3 мм),для разных П. к. колеблется в пределах от нескольких мсек до десятков мсек.
В качестве рабочей жидкости П. к. наиболее часто применяют жидкие водород и дейтерий (криогенные П. к.), а также пропан C3H8, различные фреоны, Хе, смесь Xe с пропаном (тяжеложидкостные П. к.).
Перегрев жидкости в П. к. достигается быстрым понижением давления от начального значения рн > p0 до значения р < p0. Понижение давления осуществляется за время ~ 5-15 мсек перемещением поршня (в жидководородных камерах, рис. 1) либо сбросом внешнего давления из объёма, ограниченного гибкой мембраной (в тяжеложидкостных камерах).
Частицы впускаются в П. к. в момент её максимальной чувствительности. Спустя время, необходимое для достижения пузырьками достаточно больших размеров, камера освещается и следы фотографируются (стереофотосъёмка с помощью 2-4 объективов). После фотографирования давление поднимается до прежней величины, пузырьки исчезают, и П. к. снова оказывается готовой к действию. Весь цикл работы П. к. составляет величину менее 1 сек, время чувствительности ~ 10-40 мсек.
П. к. (кроме ксеноновых) размещаются в сильных магнитных полях. Это позволяет определить импульсы заряженных частиц по измерению радиусов кривизны r их траекторий: kc =300 Hr/cos j.??? ?(2)
Здесь j - угол между направлением магнитного поля Н и импульсом k частицы, с - скорость света. Искажения следов в П. к. невелики и связаны главным образом с многократным рассеянием частиц. Используя прецизионную измерительную аппаратуру, можно определять пространственное положение следов и их кривизны с большей степенью точности. Характеристики жидкостей, наиболее часто используемых в пузырьковых камерах Жидкости Рабочие условия
Вероятность регистрации g-кванта с энергией 500 Мэв на длине 50 см Вероятность регистрации нейтрона с энергией 1 Гэв на длине 50 см давление, атм темпера-
тура, ºС плот-
ность, г/см3
Водород
Дейтерий
Гелий
Пропан
Ксенон 4,7 5,2 0,3 21 26 -246 -240 -270 58 -19 0,07 0,13 0,124 0,44 2,2 0,046 0,055 0,053 0,36 1,00 0,1 0,185 0,113 0,340 0,950
П. к., как правило, используются для регистрации актов взаимодействия частиц высоких энергий с ядрами рабочей жидкости или актов распада частиц. В первом случае рабочая жидкость исполняет роли и регистрирующей среды, и среды-мишени (рис. 2). Эффективность регистрации П. к. различных процессов взаимодействия или распада определяется в основном размерами П. к. Регистрация нейтральных частиц (g-квантов, нейтронов) производится по актам их взаимодействия с рабочей жидкостью (см. табл.). Наиболее распространены П. к. с объёмом в несколько сот л, но существуют П. к. гораздо большего размера, например водородная камера "Мирабель" на ускорителе Института физики высоких энергий АН СССР имеет объём 10 м3; водородная камера на ускорителе Национальной ускорительной лаборатории США - объём 25 м3.
Основное преимущество П. к. - изотропная пространственная чувствительность к регистрации частиц и высокая точность измерения их импульсов. Недостаток П. к. - слабая управляемость, необходимая для отбора нужных актов взаимодействия частиц или их распада.
Лит.: Glaser D. A., Some effects of ionizing radiation on the formation of bubbles in liquids, "The Physical Review", 1952, v. 87, ? 4; Пузырьковые камеры, М., 1963; Труды Международной конференции по аппаратуре в физике высоких энергий, т. 2, Дубна, 1971.
? С. Я. Никитин.