Фотография напамять: пузырьковая камера

      Комментарии к записи Фотография напамять: пузырьковая камера отключены

Фотография напамять: пузырьковая камера

    Фотоальбом из судьбы микромира — богатое наследство от эры пузырьковых камер О пользе пива в науке Существует легенда, что Глейзер придумал пузырьковую камеру, сидя в баре c сотрудниками и глядя на всплывающие в кружке с пивом пузырьки. Пузырьки образовывали ровную линию, которая напомнила ученым трек (след частицы). Вероятнее, это легко прекрасная легенда, базу которой заложил в собственной нобелевской лекции сам Дональд Глейзер.
    В том месте он приводит юмористическое пояснение, что перед тем, как проводить сложные опыты с перегретым эфиром, он решил разглядеть более простые варианты. Он забрал пара бутылок с пивом, имбирным элем и содовой, нагревал их, как это было быть может, а позже открывал их без и в присутствии радиоактивного излучения. И в том и другом случае было большое количество пены, причем отличия в ее количестве Глейзер наряду с этим не увидел.
    Ну и, помимо этого, вода не хорошо доходила — по обстоятельству большого высокого давления и поверхностного натяжения насыщенных паров.

Прослужив науке практически 30 лет, камеры уступили место электронным детекторам, каковые смогут регистрировать значительно больше событий с намного большей энергией и с большей точностью. Но все превращения и столкновения частиц, детектируемые современными электронными способами, надежно запрятаны в толще сотен полупроводниковых элементов, калориметров, счетчиков и предстают перед нами уже в виртуальном виде, пересчитанные, отобранные по заблаговременно смоделированным схемам.

Так в отечественной простой жизни компьютерная анимация приходит на смену фильмам с настоящими артистами. И не смотря на то, что экспериментальные способы достигли сейчас фантастических высот, школьникам и студентам учители говорят про необычный мир частиц по фотографиям, взятым десятки лет назад посредством устройств, о которых мы именно и планируем рассказать.

От капелек к пузырькам

Главными средствами детектирования заряженных частиц к середине XX столетия были камеры Вильсона и ядерные эмульсии. В ядерных эмульсиях при пролете частицы происходила химическая реакция, а в камере Вильсона, действующий при давлении в 300 воздухов, перенасыщенный пар конденсировался в жидкость.

К тому времени было уже открыто множество частиц: электроны, позитроны, протоны, нейтроны, мюоны в космических лучах, пи-мезоны. Но попадались и такие таинственные экземпляры, каковые никак не получалось изучить посредством имеющихся детекторов. Дабы с ними разобраться, экспериментаторам необходимы были новые способы регистрации частиц.

В первой половине 50-ых годов двадцатого века поисками новых способов детектирования занялся в Мичиганском университете Дональд Глейзер. Требования к детектору были следующие. Он должен был срабатывать и возвращаться в исходное состояние за пара секунд, потому, что в то время уже подготавливался к запуску новый ускоритель, талантливый выдавать пучки протонов с этими маленькими промежутками.

Более того, в течение этих секунд трансформации, вызванные пролетающими частицами, должны были становиться такими заметными, дабы их возможно было запечатлеть на фотографии, и все это при давлениях и разумных температурах. Глейзер перебрал множество вариантов, которые связаны с химическими и электрическими превращениями, жидкими и жёсткими телами, и остановил собственный выбор на перегретой жидкости.

Перегретая жидкость

Сделаем маленькое отступление и кратко поведаем о физическом явлении перегрева, на котором основан принцип действия пузырьковой камеры и предшествовавшей ей камеры Вильсона. Как мы знаем, что вода, к примеру, кипит в простых условиях при температуре 1000С. Но те, кто когда-нибудь поднимался высоко в горы, где давление меньше, чем на уровне моря, подтвердят, что в том месте для закипания воды достаточно и 900С.

А вот при увеличении давления температура кипения, напротив, возрастает. Но самое увлекательное — то, что в случае если жидкость, нагретую при большом давлении, внезапно вернуть в простые условия (снизить давление при помощи поршня), она закипит не сходу, а будет некое время пребывать в неустойчивом состоянии, пока ее не потревожат. Такая жидкость и именуется перегретой. Нарушить ее неустойчивое равновесие может заряженная частица.

При перемещении частицы, в жидкости образуются ионы, около которых появляются пузырьки, и начинается кипение.

Начало пузырьковой эры

Но возвратимся опять к Глейзеру. Для первых собственных опытов он выбрал диэтиловый эфир, что был относительно недорог и легко выделялся в чистом виде, а при работе с ним не требовалось никаких давлений и сверхъестественных температур. Совершив личные расчеты, Глейзер, однако, решил поискать данные в научной литературе и в одном из ведущих изданий физической химии за 1924 год отыскал-таки занимательную статью об опытах с диэтиловым эфиром.

Основной изложенный в том месте экспериментальный факт был следующим: перегретый до температуры 1400С диэтиловый эфир при простом давлении в одну воздух самопроизвольно закипал через случайные промежутки времени. В этот самый момент направляться дать интуиции и должное настойчивости Глейзера. Он проанализировал приведенную табличку с этими случайными промежутками и узнал, что в среднем время, через которое происходит закипание, образовывает 60 с. Дальше он забрал узнаваемые информацию о космическом и радиоактивном фоне, учел обрисованную авторами конструкцию емкости с эфиром и вычислил, что через нее в среднем каждые 60 с обязана пролетать одна частица!

Похоже, он был на верном пути. Первое устройство, сделанное Глейзером, складывалось из двух соединенных между собой трубочек, наполненных жидким и газообразным диэтиловым эфиром. Они имели длину 10 см и внутренний диаметр 3 мм.

Сперва обе трубочки нагревались до 1600С и 1400С, а после этого более нагретая охлаждалась до комнатной температуры. Во второй трубке наряду с этим образовывалось перегретое состояние, и когда к ней подносили источник радиоактивного излучения (Глейзер применял радиоактивный кобальт), диэтиловый эфир закипал. Итак, сама возможность детектирования посредством перегретой жидкости была доказана, но оставался второй, не меньше ответственный вопрос — возможно ли таким методом приобретать правильные следы частиц?

Дабы это продемонстрировать, Глейзер приготовил пара мелких камер из тугоплавкого борного стекла (пирекса), наполненных несколькими кубическими сантиметрами диэтилового эфира. Высокая температура поддерживалась посредством масляной ванны, а для сброса давления вручную употреблялась особая рукоятка. В один момент с открытием рукоятки включалась кинокамера и со скоростью 3000 кадров в секунду снимала все, что происходило в сосудах.

После этого процесс последующего сжатия и снятия давления был автоматизирован и синхронизован с счётчиком и кинокамерой Гейгера, что информировал о появлении частицы. Фильм оказался захватывающий. Пузырьки, появившиеся при пролете заряженной частицы, вырастали до 1 мм за 300 мкс.

Во многих случаях следы частиц были четко видны, и стало ясно, что прибор в полной мере пригоден для измерений.

В 1955 году в Брукхейвене в Соединенных Штатах 15-сантиметровая пузырьковая камера, наполненная пропаном, была в первый раз использована в опыте на ускорителе. А уже через год другую камеру, вдвое большего размера, диаметром 30 см, поместили в магнитное поле и взяли 60 тыс. стереоснимков с изображениями следов частиц.

На них сейчас возможно было различить хорошие и отрицательные частицы, поскольку они под действием магнитного поля отклоняются в различные стороны, и по кривизне траектории вычислить их скорость. Так началась эра пузырьковых камер, а в первой половине 60-ых годов двадцатого века Дональд Глейзер взял за собственный изобретение Нобелевскую премию в области физики.

Чудо инженерной мысли

Устройство, именуемое пузырьковой камерой, является сосудом с окнами, наполненный прозрачной жидкостью под давлением в пара воздухов и помещенный в магнитное поле. В случае если рабочая жидкость кипит при низкой температуре, как, к примеру, водород, все это еще помещается в криостат и охлаждается. Перед вбросом частиц из ускорителя происходит расширение рабочего количества посредством особого поршня, давление понижается и образуется перегретая жидкость.

Кое-какие частицы пролетают полностью, кое-какие взаимодействуют с веществом камеры, но наряду с этим все, имеющие заряд, оставляют за собой следы в виде пузырьков закипающей жидкости. Все это происходит за сотые доли микросекунды. Через пара миллисекунд пузырьки вырастают до видимых размеров, для освещения включается импульсная лампа, и пара фотокамер (в большинстве случаев их три) в один момент фотографируют рабочий количество камеры.

Они жестко закреплены в различных местах одного и того же окна, соответственно, разрешают взять стереоизображение. В то время, когда снимки сделаны, давление опять увеличивают, пузырьки исчезают, и камера снова готова к измерениям. Целый цикл занимает пара десятков миллисекунд.

Но сами по себе фотографии — еще полдела. Дальше начинается идентификации анализа частиц и процесс траекторий. И в случае если накопление снимков при совместной работе пузырьковой ускорителя и камеры может продолжаться пара дней либо недель, то обработка взятой информации может занять месяцы, в противном случае и годы. Непосвященному человеку покажется, что на фотографиях с пузырьковой камеры отпечатаны ничего не росчерки и значащие закорючки. Но для физика это кладезь информации.

Тугие спирали соответствуют электронам (либо позитронам, в случае если закручены в другую сторону). Так именуемые «вилки» означают, что в этом месте влетевшая частица столкнулась с ядром вещества, заполняющего камеру, и в следствии появились еще какие-то частицы. А вдруг вилка начинается «ниоткуда» — значит, распалась какая-то нейтральная частица.

В случае если все траектории (либо треки) шепетильно измерить на всех трех в один момент сделанных снимках, то возможно вернуть пространственную картину события и вычислить характеристики всех участвовавших в нем частиц. Сперва этим вручную занимались сами физики, но позже, в то время, когда счет отправился на много тысяч кадров, положение спасли показавшиеся к тому времени компьютеры и полуавтоматические сканирующие устройства. Без них совладать с таковой горой информации было бы легко нереально.

Неспециализированное число стереоснимков, взятых в опытах на пузырьковых камерах, превышает 100 млн!

Последние из могикан

За 30-летний период в мире было выстроено чуть больше много пузырьковых камер, разрешивших рассмотреть целую плеяду новых частиц, предсказанных теорией, и подтвердить существование «очарованного» кварка. Какие конкретно лишь жидкости (вернее, сжиженные газы) в них не употреблялись: водород, дейтерий, пропан, ксенон, неон, фреон а также гелий. Рабочие температуры также были разнообразны: от сверхнизкой для гелия либо водорода до практически комнатной для ксенона, пропана либо фреона.

Начав с маленьких размеров, в пара десятков сантиметров, камеры в итоге купили воистину огромные масштабы. Последняя пузырьковая камера в Европейском центре ядерных изучений была выстроена к 1971 году и именовалась «Гаргамель». Это был цилиндр диаметром 1,85 м и длиной 4,85 м, наполненный 18 т фреона.

Как раз с ней связано последнее достижение камерной эры — открытие необыкновенных сотрудничеств элементарных частиц, названных нейтральными токами. В том же году в Соединенных Штатах была изготовлена и самая громадная в мире пузырьковая камера практически сферической формы диаметром 4,5 м для работы с дейтерием и жидким водородом.

Но никакие инженерные успехи уже не могли принципиально поменять обстановку: эти детекторы не могли трудиться с новыми ускорителями, каковые выдавали пучки частиц с интенсивностью и огромной энергией. Эра пузырьковых камер доходила к концу.

Новое — не до конца забытое старое

Но фотографии с пузырьковых камер еще рано списывать в архив иллюстраций. Не потом как в 2002 году две экспериментальные группы (одна, трудящаяся на синхротроне Spring-8 в Японии, а вторая из Университета теоретической и экспериментальной физики в Москве) практически в один момент сказали об обнаружении новых частиц, названных пентакварками. Русские ученые наткнулись на это явление при анализе собственных экспериментальных данных, взятых много лет назад на ксеноновой пузырьковой камере «Диана»!

Может, среди 100 млн снимков обнаружится и еще что-нибудь занимательное?

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№15, январь 2004).

Солнечная энергия и пузырьковая камера


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: