Donald glaser for the invention of the bubble chamber

В пузырьковой камере используется свойство чистой перегретой жидкости вскипать (образовывать пузырьки пара) вдоль пути пролёта заряженной частицы. Это как камера Вильсона «наоборот» (вместо капелек жидкости в пересыщенном паре пузырьки пара в перегретой жидкости). Перегретая жидкость – это жидкость, нагретая до температуры большей температуры кипения для данных условий. Вскипание такой жидкости происходит при появлении центров парообразования, например, ионов. Перегретое состояние достигается быстрым (5-20 мс) уменьшением внешнего давления. На несколько миллисекунд камера становится чувствительной и способна зарегистрировать заряженную частицу. После фотографирования треков давление поднимается до прежней величины (иначе произойдет закипание жидкости во всем объеме), пузырьки “схлопываются” и камера вновь готова к работе. Цикл занимает примерно 1 с.

Рис.13 Камера "Мирабель" в Протвино

Первая камера имела объем ~5 см³, современные - м³. В качестве рабочей среды в камерах используются жидкости: жидкие водород, гелий, неон, ксенон, фреон, пропан и их смеси. Жидкость одновременно и мишень для пролетающих частиц и среда детектирования. Камеры помещают в магнитное поле. Пространственное разрешение пузырьковых камер ~ 0.1 мм.

Современные камеры - это солидные сооружения (см. рис.13): водородная камера «Мирабель» на ускорителе Института физики высоких энергий РАН имеет объём 10 м³, весит примерно 2000 т, охлаждается жидким гелием. Камера освещается, и следы фотографируются (стереофотосъёмка с помощью 2—4 объективов).

Пузырьковая камера неуправляема - ее нельзя включить внешними счетчиками, зарегистрировавшими факт пролета частицы. Причина - слишком быстрое (10^-7 с) рассасывание зародышей пузырьков в невключенной камере. Поэтому камеры используют только на ускорителях, включают так, чтобы импульс частиц ускорителя приходился на время чувствительности камеры. И, к сожалению, большинство снимков не представляет интереса. Обработка снимков проходит в два этапа: сначала отбирают снимки с интересующими событиями, а затем проводят измерение координат точек на следах отобранных событий с помощью микроскопов, полуавтоматических или автоматических измерительных устройств. По специальным программам на ЭВМ вычисляются геометрические характеристики треков: углы вылета частиц, длины пробегов, импульсы, ошибки этих величин и т. д.

С помощью пузырьковых камер сделан ряд открытий в физике высоких энергий: были открыты антисигма-минус-гиперон (1960, Дубна), омега-минус-гиперон (1964, США), нейтральные токи (1973, ЦЕРН) и другие. Обнаружены и изучены многочисленные частицы - резонансы и т. д.

Искровая камера

К управляемым следовым детекторам высокоэнергетичных частиц относится искровая камера. В ней трек (след) частицы образует цепочка искровых электрических разрядов вдоль траектории её движения.

Рис.14 Искровая камера

Искровая камера (рис. 14) обычно представляет собой систему параллельных металлических электродов площадью до 1 м², пространство между которыми заполнено инертным газом. Внешние управляющие счётчики фиксируют факт попадания заряженной частицы в искровую камеру и инициируют подачу на её электроды короткого (10 – 100 нс) высоковольтного импульса так, что между двумя соседними электродами появляется разность потенциалов ~10 кВ. В местах прохождения заряженной частицы между пластинами за счёт ионизации ею атомов

Рис.15 Распад пиона в стримерной камере

среды возникают свободные носители зарядов (электроны, ионы). Электроны ускорятся полем, ионизируют и возбуждают атомы газа (ударная ионизация). В результате на очень коротком пути образуются электронно-фотонные лавины, которые в зависимости от амплитуды и длительности импульса перерастают в видимый глазом искровой разряд или создают в газе локально светящиеся области небольшого объема (стримеры). Отдельные искровые разряды, направлены вдоль электрического поля (перпендикулярно электродам). Совокупность этих последовательных разрядов формирует трек частицы. Этот трек может быть зафиксирован либо оптическими методами (например, сфотографирован), либо электронными. Сигналы подаются на вход ЭВМ, запрограммированной на отбор нужных событий с последующим расчетом необходимых характеристик исследуемых реакций.

Электроды искровой камеры могут состоять из проволочек. Искровой разряд идет на отдельные проволочки, что облегчает электронный съем информации. Пространственное разрешение обычной искровой камеры ~0.3 мм. Частота срабатывания 10 – 100 Гц.

Разновидностью искровой камеры является стримерная камера, изобретенная в Советском Союзе (1963г.). В ней расстояние между электродами составляет несколько десятков сантиметров, а длительность высоковольтного импульса ~20 нс. За это время успевают развиться только зародыши искры - стримеры. След частицы обозначается слабо светящимися треками. Стримерные камеры часто используют совместно с магнитным полем (рис.15). В них хорошо воспроизводятся треки в любых направлениях.