§7.5 Вильсон камерасы және диффузиялық камера
Шапшаң қозғалатын зарядталған бөлшектерді тіркейтін ерекше әдістердің бірі Вильсон камерасы болып табылады. Санауыштар бөлшектің өздерінен өткенін тіркеп отыруға және оның кейбір өзгеріс сипаттарын анықтауға ғана мүмкіндік береді. Ал 1912 жылы жасап шығарылған Вильсон камерасына зарядталған шапшаң бөлшек енгенде ізін қалдырады, оны тікелей бақылауға және фотосуретін түсіруге болады. Бұл прибор шын мәніндегі микродүниеге шығатын «терезе», яғни қарапайым бөлшектер дүниесі немесе олардан құралған жүйелер деп айтуға да болады. Оның жұмыс істеу принципі, аса қаныққан будың иондары су тамшыларын түзіп конденсациялауына негізделген. Ол иондар зарядталған бөлшектің өз траекториясы бойымен қозғалысы кезінде пайда болады.
Камера іші судың қаныққан буымен, газбен немесе спирт буымен толтырылады да герметикалық жабылады. Егер камера көлемін тез ұлғайтсақ, онда ол адиабаттық түрде суыйды, бу конденсацияланып, оның ортасында майда тұман тамшылары пайда болады. Бұл - будың орнықсыз күйі; бу оңай конденсацияланады. Камераның жұмыстық кеңістігінде ұшып өткен бөлшектер түзетін иондар конденсация орталығы болып келеді. Егер бөлшек камераға ұлғаюдың алдында ғана немесе одан соң енсе, онда оның жолында су тамшылары пайда болады. Егер камераға бөлшек өткен кезде жарық түсірсек, онда бөлшектердің ізін көре аламыз. Яғни, су тамшылары ұшып, өткен бөлшектің ізін – тіректі түзеді (7.5-сурет).
7.5-сурет
Одан соң бастапқы күйіне қайта келтіріледі, ал электр өрісі иондардан арылтылады. Кезекті ұлғаю алдында бұл өріс жойылады. Камералардың өлшемдеріне байланысты жұмыстық режимнің қайта орнау уақыты бірнеше секундтан ондаған минутқа дейін созылады.
Вильсон камерасындағы тректер беретін ақпараттың толықтығынан санауыштың беруі мүмкін,өйткені ол тректер ақпараттананағұрлым көп болады. Тректің ұзындығы арқылы бөлшектің энергиясы, ал трек ұзындығының бір бірлігіне келетін тамшының саны бойынша оның жылдамдығының шамасы анықталады.
Бөлшектің трекі неғұрлым ұзын болса, оның энергиясы соғұрлым көп болады. Ал тректің ұзындық бірлігіне су тамшысы неғұрлым көбірек түзілсе, оның жылдамдығы соғұрлым аз болады. Үлкен бөлшек заряды жуанырақ трек қалдырады .
Вильсон камерасын бір текті магнит өрісіне орналастыруды, совет физиктері П. Л. Капица мен Д. В. Скобельцин ұсынды.
Егер камераны магнит өрісінде орналастырған болсақ, онда зарядталған бөлшектің қисық-қисық ізін көре аламыз, яғни оң зарядталған бөлшектер бір жағына, теріс зарядталған бөлшектер басқа жағына ауысады. Магнит өрісі, зарядталған қозғалушы бөлшекке белгілі бір күшпен (Лоренц күшімен) әсер етеді.
Бұл күш бөлшектің жылдамдығының модулін өзгертпестен, оның траекториясын қисайтып жібереді. Бөлшек заряды неғұрлым үлкен болса және неғұрлым оның массасы кіші болса, тректің қисықтығы соғұрлым көп болады. Тректің қисықтығына қарап бөлшек заряды мен оның массасының қатынасын анықтауға болады. Егер осы шамалардың бірі белгілі болса, онда екіншісін зерттеп шығаруға болады. Мысалы, бөлшектің заряды және оның трегінің қисықтығы бойынша массасын анықтауға болады.
Сонымен қатар осыларды анықтай отырып электроннан – пазийтронды, протонды- антипротоннан ажыратуға мүмкіндік береді. Вильсон камерасын магнит өрісінде зерттеу нәтижесінде ғарыштық сәуледегі позийтрондар мен мезондар тағы басқа бөлшектер анықталды.
Диффузиялық камера иондалған бөлшектердің тректерін бақылау үшін арналған құрал, оны алғаш 1936 жылы Лангадорф ұсынды.
Диффузиялық камера-Вильсон камерасының конструкциясын біршама өзгерген, барлық кезде тұрақты түрде жұмысшы күйде болатын құрал. Диффузиялық камераның жұмыс істеу принципі иондалған аса қаныққан бу арқылы траектория бойымен бөлшек ұшып шықса, онда камера ішінде тамшылар пайда болады.
Вильсон камерасын адиабаттық күйде ұлғайтқанда аз уақыт ішінде аса қаныққан бу күйіне жетеді. Осы уақыт ішінде камера сезімтал күйге келіп, ұшып өткен зарядталған бөлшектерді тіркейді. Бірақ Вильсон камерасының әрі қарай ұлғаю уақытымен, камераның сезімтал күйдегі уақыттарының қатынасы өте аз шама, яғни 10-3/10-2 тең. Вильсон камерасының осындай келістігін жұмысшы көлемінде ұлғаю және сығылу жүйесі жоқ диффузиялық камера түзеді. Диффузиялық камераның қақпағымен түбінің арасындағы кеңістікте температура тез өзгеру (ұдайы өзгеріп отыру) нәтижесінде аса қаныққан бу пайда болады. Камераның қақпағымен түбінің арасында пайда болған кеңістікте көлем аса қаныққан бу қабатында иондық тамшылар пайда болады. Температура градиентінің қажетті шамасын (шамамен 5-10град/см) таңдап алып осы аса қаныққан бу қабатының қалындығын (биіктігін) анықтай аламыз, иондардың иондалу кезінде сезімталдығын 50-70мм және одан жоғары етіп алуға болады. Диффузиялық камера үздіксіз жұмыс істейтін камера, камераның жұмысшы көлеміне кез келген уақытта зарядталған бөлшек келіп түссе, онда бөлшектің ізі қалғанын көреміз.
Камера герметикалық түрде жабылған цилиндр формалы ыдыс. Ыдыс іші Вильсон камерасындағыдай кез келген газбен толтырылады. Цилиндрдің бүйір қабырғасы шыныдан жасалады. Цилиндр қабырғасының жоғарғы бөлігін метил немесе этил спиртімен толтырылады да ыдыс қақпағы металл сақинамен жалғанып бекітіледі. Сақинаның жоғарғы жағы жазық шыны пластинкамен жабылады. Сақинамен спирт температурасын 20-400С температурада суытып тұрады. Бу ыдыстың жоғарғы бөлігінен төменгі бөлігіне диффузияланды.
Диффузиялық камера үздіксіз әсерлесуде болады, егер жұмыс көлемін суретке түсіретін болсақ, әрбір түсіру интервалы 3-5сек өткенше күту керек. Себебі алғашқы түсіргендегі бөлшектердің, іздерінің тамшылары камераның түбіне түсіп үлгеруі керек. Камераның жұмыс көлемін иондардан тазалау үшін, камераның сезімтал қабатына жіңішке сымен жасалған сетка (тор) қойылады. Ол тор камера ішін тазарту үшін электр өрісін тудырады.