ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА

ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА, прибор для регистрации следов (треков) быстрых заряженных частиц, действие к-рого основано на вскипании перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Изобретена Д. Глейзером (США) в 1952. Перегретая жидкость может существовать нек-рое время т, 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:

r_кр = 2о[p_oexp(-V/V‘ p_o - p/p_o) - p]^-1.

Здесь r_кр - критич. радиус пузырька, а - поверхностное натяжение жидкости, р_о - давление насыщенного пара, Ркр - критическое давление, р - давление пара в перегретой жидкости, V - удельный объём жидкости, V‘ - пара. Для образования сверхкритич. пузырька необходимо выделение энергии ~ (порядка) неск. 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 (5-электронов). Время роста пузырьков до размеров, пригодных для фотографирования (0,1-0,3 мм), для разных П. к. колеблется в пределах от неск. мсек до десятков мсек.

В качестве рабочей жидкости П. к. наиболее часто применяют жидкие водород и дейтерий (криогенные П. к.), а также пропан С₃Н₈, различные фреоны, Хе, смесь Хе с пропаном (тяжеложидкостные П. к.).

Перегрев жидкости в П. к. достигается быстрым понижением давления от начального значения р_н>р_одо значения р<р_о. 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).

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 конденсор К; свет, рассеянный пузырьками, фиксируется с помощью фотографических объективов О₁ и О₂ на фотоплёнках Ф₁ и Ф₂.

Частицы впускаются в П. к. в момент её макс. 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 р их траекторий:

kc = 300 Hp/cosф (2)

Здесь ф-угол между направлением магнитного поля Н и импульсом k частицы, с - скорость света. Искажения следов в П. к. невелики и связаны гл. обр. с многократным рассеянием частиц. Используя прецизионную измерит. аппаратуру, можно определять пространств. положение следов и их кривизны с большей степенью точности.

Характеристики жидкостей, наиболее часто используемых в пузырьковых камерах

Жидкости

Рабочие условия

Вероятность регистрации у-кванта с энергией 500 Мэв на длине 50 см

Вероятность регистрации нейтрона с энергией 1 Гэв на длине 50 см

давление, атм

температура, ^оС

плотность, г/см³

Водород

4,7

-246

0,07

0,046

0,1

Дейтерий

5,2

-240

0,13

0,055

0,185

Гелий

0,3

-270

0,124

0,053

0,113

Пропан

21

58

0,44

0,36

0,340

Ксенон

26

-19

2,2

1,00

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 (у-квантов, нейтронов) производится по актам их взаимодействия с рабочей жидкостью (см. табл.). Наиболее распространены П. к. с объёмом в неск. сот л, но существуют П. к. гораздо большего размера, напр. водородная камера "Мирабель" на ускорителе Института физики высоких энергий АН СССР имеет объём 10 м³; водородная камера на ускорителе Национальной ускорит, лаборатории США - объём 25 м³.

Рис. 2. Регистрация в жидководородной камере ядерной реакции:

Антипротон р, рождённый при распаде антилямбдагиперона Л°, сталкивается с протоном р и аннигилирует в результате реакции:

р + р ^_> 2 Пи⁺ + 2 Пи^-(здесьЛ⁰-лямбдагиперон, Пи^- и Пи⁺ - пионы).

Основное преимущество П. к.- изотропная пространств. 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. А., 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.