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 r_kp — критический радиус пузырька, s — поверхностное натяжение жидкости, p₀ — давление насыщенного пара, р_кр — 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 р_н > 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

  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(Академия наук) 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.

Рис. 2. Регистрация в жидководородной камере ядерной реакции:

.

Антипротон , рожденный при распаде антилямбдагиперона , сталкивается с протоном p и аннигилирует в результате реакции:

 2 + 2^-

(здесь  — лямбдагиперон, ^- и ⁺ — пионы).

Рис. 1. Схема водородной пузырьковой камеры; корпус камеры заполнен жидким водородом (Н₂); расширение производится с помощью поршня П; освещение камеры на просвет осуществляется импульсным источником света Л через стеклянные иллюминаторы И и конденсатор К; свет, рассеянный пузырьками, фиксируется с помощью фотографических объективов О₁ и О₂ на фотопленках Ф₁ и Ф₂.