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 τ, после чего она вскипает. Если в интервал времени τ в камеру попадёт ионизирующая частица, то её траектория будет отмечена цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирована. П. к. можно представить как Вильсона камеру (См. Вильсона камера) «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:

        

         Здесь r_kp — критический радиус пузырька, σ — 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 Пузырьковая камера (порядка) нескольких сот эв в объёме радиусом Пузырьковая камера 10^-6 см за время Пузырьковая камера 10^-6 сек. Эта энергия выделяется при торможении электронов, выбиваемых из атомов жидкости регистрируемой частицей (δ-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 Пузырьковая камера 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 Пузырьковая камера 10—40 мсек.

         П. к. (кроме ксеноновых) размещаются в сильных магнитных полях. Это позволяет определить импульсы заряженных частиц по измерению радиусов кривизны ρ их траекторий:

         kc = 300 Hρ/cos φ. (2)

         Здесь φ — 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

        --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

        | Жидкости              | Рабочие условия                                 | Вероятность     | Вероятность     |

        |                              |------------------------------------------------------------ | регистрации γ-  | регистрации      |

        |                              | давление,     | темпера-      | плот-       | кванта с            | нейтрона с        |

        |                              | атм              | тура, ºС        | ность,      | энергией 500     | энергией 1 Гэв  |

        |                              |                     |                     | г/см³        | Мэв на длине    | на длине 50 см  |

        |                              |                     |                     |                | 50 см                |                          |

        |                              |                     |                     |                |                          |                          |

        |-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

        | 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 (γ-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 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. 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.

        

        Рис. 2. Регистрация в жидководородной камере ядерной реакции:

        

        .

        

        Антипротон

        

         2π^-

        (здесь π^- и π⁺ — пионы).