Камера Вільсона та дослідження треків частинок.
Камера Вільсона – слідовий детектор, що дозволяє спостерігати треки частинок. Робочою речовиною камери є переохолоджена пара води (в суміші з етиловим спиртом), що знаходиться в нестійкому агрегатному стані. Заряджена частинка конденсує пару на своєму шляху, лишаючи слід (трек), що фотографується.
У переохолодженій парі через випадкові флуктуації утворюються краплі малого розміру. Тиск пари над краплею відрізняється від тиску над плоскою поверхнею на величину тиску поверхневого натягу, обернено пропорційно радіусу краплі. Цей додатковий поверхневий натяг намагається випарити краплю та перешкоджає конденсації при невеликих пересиченнях за умови виключення інших центрів конденсації. Якщо крапля заряджена, то на її поверхні діють ще й електростатичні сили відштовхування, що зменшують тиск. При досить малому радіусі краплі тиск пари над зарядженою краплею може стати меншим, ніж над плоскою поверхнею. Тому, змінюючи тиск, перисичення в камері можна підібрати так, що краплі будуть утворюватись тільки там, де є іони. Останні ж утворюються за рахунок іонізаційних втрат при проходженні частинки крізь пару.
|
|
|
Рис. 1. |
В камері Вільсона відбуваються наступні процеси. До вмикання робочого циклу пара в камері не перенасичена, але близька до насичення. Перед початком циклу відсмоктуюче поле вимикається, інакше воно розмаже трек. Робочий цикл починається адіабатичним розширенням газу приблизно на 20 %, в результаті чого пара стає пересиченою. На траєкторіях частинок, що пройшли
крізь камеру, утворюються треки товщиною близько 1 мм з конденсованих крапель, які освітлюються та фотографуються. Після цього камера вертається в вихідний стан. Вона може робити 1-6 розширень на 1 хв., причому в робочому стані може знаходитись лише від 1% до 0,1% загального часу. Фотографуються
треки всіх частинок, що пройшли через робочий об’єм за час після зняття відсмоктуючого поля.
Обробка треків дозволяє отримати наступну інформацію про ядерні реакції.
1. Насамперед за геометрією треків встановлюється кількість заряджених частинок, що приймають участь в реакціях, та напрямки їх руху.
2. Якщо весь трек вміщується в камері, то за величиною пробігу можна встановити енергію частинки.
3. Підрахувавши кількість крапель на одиницю довжини трека, можна визначити густину іонізації, тобто величину іонізаційних втрат.
4. За втратами можна визначити швидкість частинки, тобто масу за відомою енергією (або навпаки, енергію за відомою масою).
5.Помістивши камеру в сильне магнітне поле, за кривизною трека частинки згідно з формулою
(12)
можна визначити знак заряду та імпульс частинки. Це дозволяє визначити (за підрахунком крапель та зміною кривизни) енергію та масу частинки навіть тоді, коли трек не вміщується в камері, тобто до енергій в сотні МеВ.
Перевагою камери Вільсона є її керованість, оскільки її можна привести до дії сигналом з іншого детектора, наприклад від лічильника Гейгера, коли той зафіксує проходження частинки. Утворені мікрокраплі живуть досить довго і не відсмоктуються електричним полем, що дозволяє реєструвати рідкісні події, наприклад, в космічних променях. Необхідність керованості пов’язана з тим, що час чутливості камери (~ 0,1-1с) набагато менший за мертвий час (у 100-1000 разів), впродовж якого камера готується до наступного робочого циклу. Відтак доводиться робити тисячі знімків, поки не буде зареєстрована яка-небудь подія. Щоб збільшити імовірність спостереження насамперед рідкісних подій, роботою розширювального механізма камери керує лічильник частинок, ввімкнений до електронної схеми.
Недоліком є малий розмір камери (20-180 см), що набагато менше пробігів частинок у газі. Великий об’єм неприпустимий, тому що в ньому при швидкому розширенні виникає сильна турбулентність, яка змазує трекову картину. Для спостереження довгопробігових частинок в камері встановлюються металеві пластини, що різко зменшують пробіг.
Камера Вільсона вперше дозволила спостерігати сліди елементарних частинок. З її допомогою було виконано ряд фундаментальних робіт (відкриті позитрон, мюон, гіперони, каони).
Для ідентифікації частинок за їх треками в камері Вільсона необхідно враховувати наступне.
Як вказано вище, заряджена частинка істотно взаємодіє з речовиною, і тому швидше втрачає свою енергію, тобто довжина її трека буде меншою, а товщина – більшою. Тим самим, за довжиною та товщиною трека можна оцінити енергію та масу частинки. Одним з факторів, що впливають на іонізаційну здатність частинки, є її питомий заряд (він найбільший у електрона, однак маса електрона замала). Спостерігаються насамперед треки важких
заряджених частинок. Електрони та нейтральні частинки не утворюють треків в слідових детекторах типу камери Вільсона та бульбашкової камери. Зокрема, β-частинки утворюють на одиницю довжини шляху в газі менше іонів, ніж протони або α-частинки, тому їх треки набагато тонкіші.
Згідно з (12), на кривизну траєкторії частинки в магнітному полі впливає її питомий заряд. Тому ідентифікація невідомої частинки здійснюється шляхом порівняння її питомого заряду з питомим зарядом протона. Це можна зробити, вимірюючи та порівнюючи радіуси треків частинок на початкових ділянках треків. Якщо частинка нерелятивістська, то з (12) маємо
(13)
тобто співвідношення між кінетичною енергією та радіусом кривизни траєкторії частинки:
|
|
|
Рис. 2. |
Радіус кривизни визначають так.
На фотографії трека частинки (на його початкових ділянках) проводять дві хорди, а через їх середини – перпендикуляри до них (рис. 2). Точка їх перетину є центром кола, радіус якого можна виміряти. Знаючи цей радіус та індукцію В, можна визначити питомий заряд частинки, тобто ідентифікувати її.