Бульбашкова камера: принцип дії, пристрій, схема. Перевага і недоліки бульбашкової камери

Ще в середині 20-го століття була винайдена бульбашкова камера - пристрій, який активно використовувалося для спостереження за мікрочастинками. Здебільшого застосовувалося воно фізиками, які спостерігали за мікросвітом. Навіть сьогодні, незважаючи на колосальний розвиток техніки і наявність різних електронних датчиків, школярам показують фотографії частинок, зроблені за допомогою бульбашок.

Про те, як з`явилася камера

Як вже було зазначено вище, в середині 20-го століття і з`явилося дане винахід. А все через те, що вченим-фізикам ніяк не вдавалося досліджувати заряджені частинки наявними детекторами. До того часу всі вже знали, що таке протон, нейтрон, електрон і позитрон. У 1950 році рішенням даного питання зайнявся Д. Глейзер. Вчений намагався використовувати як хімічні, так і фізичні реакції, електричні і рідкі, а також тверді перетворення. Але вирішив він зупинитися на рідинному явищі, а якщо бути точніше, на принципі перегріву робочої суміші. Основні вимоги, які Дональд висував до свого винаходу, - це висока швидкість спрацьовування, що дозволяє відобразити частинку на фотографії в потрібний момент. Безумовно, бульбашкова камера і камера Вільсона чимось схожі. Але тут є і ряд відмінностей, про що ми, власне, і поговоримо далі.

Бульбашкова камера: принцип дії

В якості робочої рідини використовувався діетиловий ефір, який володів таким перевагу, як низька ціна. Крім того, його без зусиль можна було отримувати в чистому вигляді. Суть полягала в тому, щоб нагріти дану рідину до температури закипання (1400 градусів за Цельсієм), а потім охолодити до кімнатної. У цей час підноситься радіоактивний матеріал, наприклад кобальт, після цього з проміжком приблизно в 60 секунд, робоча рідина закипає. Один раз на хвилину можна було відобразити рух частинок на фотографію.

Щоб все показати наочно, Глейзер використовував дві камери, виготовлені з тугоплавкого скла і наповнені діетиловим ефіром. Нагрівання здійснювалося в масляній ванні, а тиск можна було знизити за допомогою рукоятки. У цей час запускалася камера. У середньому частота кадрів становила близько 3000 в секунду. Це дозволяло зафіксувати рух частинок в судинах. Надалі бульбашкова камера була трохи автоматизована, але принцип дії залишився таким же. Найчастіше використовували лічильник Гейгера, який дозволяв відстежити появу радіації.

Бульбашкова камера: пристрій

Тепер давайте трохи поговоримо про те, що ж собою представляє цей винахід. У більшості випадків це посудина, яка має кілька невеликих віконець. Камери наповнювалися спеціальною рідиною і поміщалися в магнітне поле. Завжди використовувалося тиск вище атмосферного. Іноді застосовувався кріостат, який був необхідний для охолодження робочої рідини (РЖ), закипаючою при низьких температурах. Безпосередньо перед випуском радіоактивних елементів з прискорювача скидалося тиск в камерах, і виходила перегріта рідина. Все, що має заряд, на своєму шляху залишає бульбашки з киплячою рідиною. Для здійснення реакції достатньо всього частки мікросекунди. Вже за мить бульбашки ставали на порядок більше. Для підсвічування включалася лампа і три фотокамери, за допомогою яких виходило стереозображення.

Заключний етап експерименту

На заключному етапі проводився складний аналіз траєкторії і характеру руху заряджених радіоактивних частинок. Відомі випадки, коли фотографії для обробки робили по кілька днів, а ось обробляли їх цілими місяцями. Коли виходила спіраль, то це свідчило про проходження електрона. Так звані «вилки» говорили про наявність нейтральних частинок. У більшості випадків, виходячи з даних отриманих 3-х фотографій, ретельно вимірювалася траєкторія руху елементів. Якщо відновити картину вдавалося повністю, то можна було створити просторову картину. Спочатку цим займалися вчені, але на таке дослідження могли йти роки. Ситуація змінилася з появою комп`ютерів, які значно прискорили процес.

Про переваги використання камер даного типу

Як було зазначено вище, пристрій за принципом дії трохи схоже на винахід Вільсона. Але тут є ряд незаперечних переваг. Найвагомішим гідність можна вважати швидкість спрацьовування, яка з високою вірогідністю дозволяє зафіксувати на фотознімку гідне уваги явище.

Ще один плюс полягає в тому, що в якості робочої рідини використовуються плинні речовини, що володіють високою щільністю. Це набагато підвищує шанс того, що в даному середовищі станеться очікувана подія. У чому перевага бульбашкової камери, так це в тому, що цикл її роботи займає досить мало часу. Даний параметр є просто необхідною умовою для використання пристрою в прискорювачах різного типу. Перегріту рідину можна отримати досить швидко, для цього потрібно лише знизити тиск в системі. Ось, в принципі, всі основні переваги даного пристрою.

Трохи про недоліки

Як було помічено ще в самому початку цієї статті, в даний час існує просто величезна кількість різних електронних датчиків, що дозволяють з високою точністю знаходити потрібні об`єкти, з великою швидкістю відбирати потрібні елементи, визначати їх просторову картину. Саме в недостатній керованості полягають основні недоліки бульбашкової камери. Як правило, більша частина отриманих результатів не представляє ніякого наукового інтересу, але, щоб відкинути непотрібне на фотографії, може піти досить багато часу. Ще один мінус у тому, що пристрій просто неможливо моментально запустити, зокрема, це обумовлено інерційністю робочої рідини та іншими фізичними параметрами. В принципі, з недоліками ми розібралися, давайте підемо далі.

Про технічну сторону

За час використання даного методу виявлення заряджених частинок було зареєстровано трохи більше 100 екземплярів бульбашкових камер. За цей час використовувалися найрізноманітніші рідини, такі як гелій, водень, фреон, ксенон, пропан та інші. Це ж стосується і температур, які починалися зі наднизьких і закінчувалися кімнатними для ксенону. «Гаргамель» - остання бульбашкова камера, схема якої принципово не відрізняється від інших. Але в її камери було залито близько 18 тонн фреону. Цей пристрій дозволило зробити велике відкриття для тих часів - взаємодія між нейтральними точками. Найбільший екземпляр мав діаметр 4,5 метра. Призначалося пристрій для роботи з воднем. Але вся проблема полягала в тому, що винаходилися нові прискорювачі, які видавали пучки радіоактивних частинок з величезною швидкістю, тому ніякі бульбашкові камери вже не справлялися.

Кілька важливих моментів

Варто звернути увагу на те, що в даний час дані камери вже не використовуються. Практично всі списали їх з рахунків, але, як виявилося, це було передчасне рішення. У 2002 році за допомогою бульбашок були відкриті нові частинки під назвою пентакварти. Але знову ж таки це результат не досліджень цього ж року, а елементарної перевірки фотознімків, отриманих багато років тому. Це говорить про те, що можна знайти щось вартісне з того, що було зроблено в минулому.

Більше того, обчислювальна потужність сучасної техніки настільки велика, що на обробку кожного знімка буде йти дуже мало часу. В принципі, ефективність такого роду трекового детектора в даний час досить низька, тому їх використовувати вже не доцільно, проте колись отримані експериментальні дані можуть бути корисними і сьогодні.

Висновок

Ну, от і все, що можна сказати про те, що таке бульбашкова камера. Схема пристрою досить проста, як і все геніальне. Варто сказати кілька слів про те, що ефективність подібних приладів багато в чому залежить від їх розмірів. Чим більше камера, тим вище шанс виявити щось корисне. Проте зі збільшенням габаритів збільшується ціна на матеріали і робочу рідину, яка у великих розмірах має значну вартість. Тепер ви знаєте, що таке бульбашкова камера, принцип дії якої базується на перегрів рідини. Цей ефект досліджений вздовж і впоперек, тому в даний час більш актуальними вважаються електронні датчики, які виграють за всіма параметрами.