В 1912 ученый из Шотландии по имени Чарльз Вильсон изобрел прибор, необходимый для самостоятельной регистрации следов треков заряженных частиц. Изобретение камеры дало Вильсону в 1927 году возможность быть удостоенным высшей награды в области физики — Нобелевской премии.

Строение прибора

Туманной камерой , или как иначе называют камерой Вильсона, принято считать не большую по размеру емкость с крышкой, изготовленной из такого материала, как стекло, в самом низу камеры располагается поршень.

Наполнение прибора происходит вследствие впуска насыщенных паров эфира, спирта, либо обычной воды, они предварительно очищаются от пыли, в нее: это необходимо для того, чтобы частицы, пролетая, не задерживались центрами конденсации, находящихся в молекулах воды.

После заполнения камеры парами поршень опускается, далее вследствие возникновения адиабатического расширения происходит стремительное охлаждение паров, которые становятся перенасыщенными. Заряженные частицы, проходя по всей емкости камеры, оставляют за собой след из ионных цепочек. Пар в свою очередь, конденсируясь на ионах, оставляет треки – следы частиц.

Принцип работы прибора

Вследствие того что в исследуемом пространстве периодически происходит перенасыщение парами разнообразных центров конденсации (ионами, сопровождающими след стремительно перемещающейся частицы), на них происходит появление небольших по размеру капель жидкости. Объем этих капель со временем увеличивается, вместе с этим представляется возможность их зафиксировать, делают это при помощи их фотографирования.

Источник исследуемого материала находится либо в пределах камеры, либо же непосредственно за ее пределами. В том случае, когда он будет находиться вне емкости камеры, частицы в нее могут залетать в небольшое прозрачное окно, расположенное на ней. Чувствительность прибора по отношению к временному отрезку может изменяться от 0,01 доли секунды до 2-х – 3-х секунд, это время необходимо для нужного перенасыщения ионной конденсации.

Следом следует сразу же почистить рабочий объем камеры , это делается для восстановления ее чувствительности. Камера Вильсона работает только лишь в циклическом режиме. Один полный цикл примерно равен минуте.

Перемещение туманной камеры в магнитное поле может вызвать увеличение ее личных возможностей в несколько раз. Это связано с тем, что подобная среда способна искривлять траекторию полета заряженных частиц, что в свою очередь и определяет их импульс вместе со знаком заряда.

Наиболее известные применения прибора

Используя камеру Вильсона в 1932 году, физик-экспериментатор из США по имени Карл Дейвид Андерсон смог установить содержание в космических лучах позитрона.

Первым, кому пришло в голову поместить туманную камеру в область нахождения сильнейшего магнитного поля, стали советские ученые-физики Д. В. Скобельцин и П. Л. Капица, что они и совершили с огромным успехом в 1927 году, через 15 лет с момента создания знаменитого прибора. Советские исследователи определили вместе с импульсами знаки зарядов и такие количественные характеристики частиц, как масса и скорость, что стало сенсационным прорывом советской физики в рамках мирового масштаба.

Преобразование прибора

В 1948 году в области физики произошло усовершенствование камеры Вильсона, автором подобной разработки стал английский физик Патрик Блэккет, получивший за свое изобретение Нобелевскую премию. Ученый создал управляемую версию туманной камеры. Он установил в прибор специальные счетчики, регистрируемые самой камерой, они сами же «запускают» камеру для наблюдений действий подобного рода.

Новая усовершенствованная камера Вильсона, работающая в подобном режиме, становится более деятельной, происходит заметный рост ее эффективности.

Управляемость туманной камеры, созданная Блэккетом, способствует обеспечению высокой скорости в области расширения газовой среды, вследствие чего и появляется возможность отслеживания камерой сигнала внешних счетчиков и дальнейшего реагирования на него.

Вильсон дожил до того времени, когда произошло преобразование его детища, он назвал эксперимент удачным и признал всю важность использования варианта прибора, представленного Патриком Блэккетом.

Значение прибора

Камера Вильсона стала для первой половины XX века уникальным прибором, поднявшим престиж физики во всем научном мире. Она позволила физикам отследить следы заряженных частиц и представить это открытие обществу.

Плюсы

• Камера Вильсона стала первым в мире прибором, который смог отследить следы треков заряженных частиц.
• Данный прибор успешно применяется в магнитном поле.
• Камера Вильсона сыграла важную роль в исследовании строения огромного количества веществ (рубидий и так далее).
• С помощью применения туманной камеры физики смогли исследовать ядерные излучения и космические лучи.

Минусы

• С учетом роста давления в камере, одновременно также увеличивается и временной отрезок, необходимый для измерения нечувствительности прибора, его физики называют мертвым временем.
• Работа камеры Вильсона требует давления от 0,1 до 2-х атмосфер, если появляется более высокое давление, то в таком случае работа прибора становится затрудненной, что напрямую связано с запотеванием стекла камеры, его нужно постоянно очищать.
• Камера не дает совершить полноценную автоматизацию данных.

Камера Вильсона. Камера Вильсона один из первых в истории приборов для регистрации следов заряженных частиц. Изобретена шотландским физиком Чарльзом Вильсоном 1912 г. Чарльзом Вильсоном1912Чарльзом Вильсоном1912 Камера Вильсона состоит из невысокого стеклянного цилиндра со стеклянной крышкой. Внутри цилиндра может двигаться поршень. На дне камеры находится черная ткань. Благодаря тому, что ткань увлажнена смесью воды со спиртом, воздух в камере насыщен парами этих жидкостей

Ядерная реакция 14N (×a, р) 17О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ×a-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции протона и ядра 17О. Ядерная реакция 14N (×a, р) 17О, зарегистрированная в камере Вильсона. На снимке видны следы бомбардирующих ×a-частиц (линии, направленные снизу вверх), а также образующие вилку следы продуктов реакции протона и ядра 17О.

Вильсон установил! Вильсон установил. Что избыточная влага может конденсироваться не только на пылинках или других твердых частицах, но и на электрически заряженных атомах или молекулах газа, то есть на ионах. Это свойство ионов служить ядрами конденсации и использовал Вильсон для своего изобретения. Вильсон установил. Что избыточная влага может конденсироваться не только на пылинках или других твердых частицах, но и на электрически заряженных атомах или молекулах газа, то есть на ионах. Это свойство ионов служить ядрами конденсации и использовал Вильсон для своего изобретения. Вильсон установил, что влаге воздуха всегда нужно что - то, на чем она могла бы осесть. В воздухе ядрами конденсации для влаги являются крохотные пылинки. Если влажность воздуха слишком велика или если произошло внезапное охлаждение воздуха, то избыточная влага собирается на ядрах конденсации, и тогда образуется или туман, или дождь. Там, где в воздухе слишком много пыли, очень легко может возникать дождь или появляться туман. Если, конечно, в воздухе, кроме пыли, имеется еще достаточно много влаги. Вильсон установил, что влаге воздуха всегда нужно что - то, на чем она могла бы осесть. В воздухе ядрами конденсации для влаги являются крохотные пылинки. Если влажность воздуха слишком велика или если произошло внезапное охлаждение воздуха, то избыточная влага собирается на ядрах конденсации, и тогда образуется или туман, или дождь. Там, где в воздухе слишком много пыли, очень легко может возникать дождь или появляться туман. Если, конечно, в воздухе, кроме пыли, имеется еще достаточно много влаги.

Для регистрации альфа- и бета-частиц используют камеру Вильсона. Камера Вильсона - цилиндр со стеклянными боковыми стенками и крышкой, в котором перемещается поршень. Впускаемые в камеру через тонкое окошко частицы на своем пути ионизируют воздух. Образовавшиеся ионы становятся центрами конденсации перенасыщенного пара, и образованный на ионах по пути движения частиц туман от капелек сконденсированного пара позволяет при достаточно сильном освещении сфотографировать траектории частиц.

Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам Камера Вильсона сыграла огромную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий она оставалась практически единственным инструментом для визуального исследования ядерных излучений. В 1927 году Вильсон получил за свое изобретение Нобелевскую премию по физике. Впоследствии камера Вильсона в качестве основного средства исследования радиации уступила место пузырьковым и искровым камерам1927 годуВильсонНобелевскую премию по физикепузырьковымискровым камерам1927 годуВильсонНобелевскую премию по физикепузырьковымискровым камерам

Назначение прибора

Камера Вии́льсона- один из первых в истории приборов для регистрации следов (треков) заряженных частиц. Камеру Вильсона можно назвать “окном” в микромир. Она представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спиртами близкими к насыщению.

Изобретатель прибора

Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона

(1912).Она изобретена Ч. Вильсоном в 1912 г. За это изобретениеЧ. Вильсону в 1927 г.

присуждена Нобелевская премия.

Ч.Вильсон

Камера Вильсона.

Стеклянная пластина

Устройство.

Стеклянный

Стеклянная

Черная ткань

Насыщенный

Устройство.

Камера Вильсона. Емкость со стеклянной крышкой и поршнем в нижней части заполнена насыщенными парами воды, спирта или эфира. Когда поршень опускается, то за счет адиабатического расширения пары охлаждаются и становятся пересыщенными. Заряженная частица, проходя сквозь камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. Пар конденсируется на ионах, делая видимым след частицы.

Принцип роботы

Принцип работы камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. пересыщенного пара Для создания пересыщенного пара происходит быстрое адиабатическое расширение газа с помощью механического поршня. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа Вильсона основан на конденсации пересыщенного пара и образовании видимых капель жидкости на ионах вдоль следа пролетевшей через камеру заряженной частицы. После фотографирования трека, газ в камере снова сжимается, капельки на ионах испаряются. Электрическое поле в камере служит для “очистки” камеры от ионов образовавшихся при предыдущей ионизации газа

результате которого образовались ядро кислорода и

М. Новикова

Крохотные неуловимые частицы, испускаемые радиоактивными элементами! Масса их ничтожна; какими весами взвесить их! Скорость их колоссальна - до 10 тыс, км в сек, - разве можно уследить за их полетом! И все-таки это сделано: микрочастицы взвешены, измерены, «увидены». С помощью несложного в изготовлении прибора - так называемой камеры Вильсона - может «увидеть» их каждый.

Устройство этого прибора показано на рисунке.

Стенки камеры шириной 150 и высотой 80 мм делаются из стекла или плексигласа толщиной от 4 до 6 мм. Чтобы камера была герметична, стенки

должны быть хорошо склеены и притерты ко дну (2) и крышке (3). Между стенками и дном и между стенками и крышкой желательно поставить резиновые прокладки толщиной 1 - 2 мм (4). Дно камеры - это ровная плита из меди, латуни или дюралюминия размером 190 х 190 мм и толщиной 5-6 мм. Она привинчивается двенадцатью винтами к обойме (5), сделанной из гетинакса или текстолита. Крышка камеры размером 170 х 170 мм сделана из того же материала, что и дно. Посередине крышки делается окно 70x70 мм, через которое производится наблюдение. Это окно закрывается стеклом (6), которое через резиновую

кладку прижимается к крышке винтами. С помощью текстолитовой рамы (7) и стержней (8) стенки камеры прижимаются ко дну и к крышке. Внутри камеры к крышке прикрепляется корытце (9), сделанное из тонкой меди или жести. В стенке камеры и в крышке нужно просверлить небольшие отверстия для ввода в камеру радиоактивного излучения. Отверстия закрываются пробками «а».

Как работает камера?

Из физики известно, что давление насыщенных паров жидкости уменьшается с понижением температуры. Если температуру насыщенных паров понизить, они перейдут в пересыщенное состояние. Когда в пересыщенных парах находятся мелкие пылинки, то на них будет конденсироваться пар, и на пылинках вырастут капельки видимого размера. При значительном пересыщении паров центрами конденсации могут быть не только такие крупные «частички», как пылинки, но даже ионы газов, а каждая о-частица на своем пути ионизирует до 100 тыс. атомов. След л частицы становится видимым, - он отмечен мгновенно возникающей нитью тумана.

Рабочей жидкостью в данной камере может служить метиловый или этиловый спирт (метиловый спирт - только для стеклянной камеры: плексиглас не годится). Пересыщение достигается за счет непрерывной диффузии пара в вертикальном направлении от нагретой крышки к охлажденному дну. Чтобы получить следы частиц хорошего качества, дно камеры должно быть охлаждено до - 50^- 80° С, а крышка должна находиться при обычной комнатной температуре.

Охлаждение дна камеры производится твердой углекислотой («сухим льдом»), которая в количестве 2 -3 кг загружается в деревянный ящик (10). Твердая углекислота поджимается ко дну пружинами (11). к -г- 3 кг «сухого льда» хватает примерно на два часа работы.

Для запуска камеры пружины сжимаются и фиксируются стержнями (12). В ящик засыпаются кусочки твердой углекислоты. Затем дно ставится в обойме и привинчивается к ящику с помощью четырех коротких стержней (13) и гаек (14) по углам. На дно кладется бархат, прокладка и ставятся стенки, на стенки - крышка. Вся эта система стягивается рамой и четырьмя длинными стержнями. Через отверстие для наблюдения в крышке в камеру заливается спирт, чтобы на дне оказался слой его высотой 2 -т- 3 мм. При заливке надо следить, чтобы камера стояла горизонтально и уровень спирта на дне был бы везде одинаков. В корытце (9) спирт заливается через отверстие «а» в крышке (3) камеры.

Фиксирующие стержни одновременно вынимаются, и с"ухой лед" поджимается пружинами ко дну. После этого примерно через 20 мин. около дна камеры можно наблюдать следы частиц. Высота слоя, в котором видны следы частиц (чувствительного слоя), в данной камере составляет примерно 20 мм. Освещение чувствительного слоя производится сбоку. Для этой цели может быть использован осветитель с лампой накаливания мощностью 100 ~ 300 вт и дающий более или менее параллельный пучок света (эпидиаскоп, например).

Боковые стенки камеры в процессе работы обмерзают. Поэтому стенку камеры, через которую производится освещение, следует время от времени протирать тряпочкой, смоченной в спирте. Перед сборкой камеры внутренние поверхности стенок, дна и крышки, а также и корытце должны быть промыты спиртом. Наблюдение надо вести в темной комнате.

В качестве источника a - частиц могут быть использованы часы со светящимся циферблатом, которые подносятся вплотную к камере. Можно радиоактивное вещество нанести на кончик проволоки и ввести его в чувствительный слой. Однако источник частиц не должен находиться длительное время в чувствительном слое, так как на нем конденсируются пары спирта и вылет частиц прекращается.

Конструкция камеры не обязательно должна быть прямоугольной. Если найдется круглая стеклянная байка подходящего диаметра, можно использовать и ее.

Этот прибор был сконструирован в 1911 г. английским физиком Ч.Вильсоном. Он основан на способности быстро летящих частиц ионизировать молекулы вещества, находящегося в парообразном состоянии.

Схема камеры Вильсона изображена на рис. 22.2.

Рабочий объем камеры 1 заполнен воздухом или другим газом и содержит в себе насыщенный пар воды или спирта. При быстром передвижении поршня 2 вниз пар или газ в объеме 1 адиабатно расширяется и охлаждается, при этом пар становится перенасыщенным. Когда через объем камеры пролетает заряженная частица, то на своем пути она создает ионы, на которых при расширении объема 1 образуются капельки сконденсировавшегося пара. Таким образом, частица оставляет за собой видимый след (трек) в виде узкой полоски тумана. Этот трек можно наблюдать или сфотографировать.

Альфа-частицы вызывают сильную ионизацию газа и поэтому оставляют в камере Вильсона жирные следы. Бета-частицы после себя оставляют очень тонкие треки (рис. 22.3).

Гамма-кванты могут быть обнаружены с помощью камеры Вильсона по фотоэлектронам, которые они выбивают из молекул газа, заполняющего рабочий объем камеры.

Камеру Вильсона часто помещают в сильное магнитное поле, что позволяет по искривлению треков частиц определять их энергию и знак заряда, а по толщине треков - заряд и массу частиц.

Газоразрядные счетчики

В исследованиях по ядерной физике часто используют счетчики заряженных частиц, которые служат для регистрации отдельных частиц. Рассмотрим принцип действия одного из видов счетчиков - пропорционального

(рис. 22.4).

Счетчик состоит из наполненного газом цилиндра 1, в который введены два электрода: анод 3 представляет собой тонкую металлическую нить, оба ее конца укреплены на изоляторах. Катод 2 выполнен в виде токопроводящего металлического слоя, нанесенного на внутреннюю поверхность цилиндра.

Между катодом и анодом прикладывается напряжение порядка нескольких сотен вольт, вследствие чего внутри счетчика создается электрическое поле. При попадании в счетчик частица ионизует молекулы газа и в электрическом поле между катодом и анодом возникает направленное движение ионов, т. е. происходит газовый разряд. Разрядный ток создает большое падение напряжения на сопротивлении R н , и напряжение между электродами сильно уменьшается, поэтому разряд прекращается. После прекращения тока между катодом и анодом вновь восстанавливается большое напряжение и счетчик готов к регистрации, следующей частицы. Импульс напряжения, возникающий на сопротивлении R н , усиливается и регистрируется специальным счетным устройством. Пропорциональными счетчики называют потому, что сила тока газового разряда, возникающего после прохождения ионизирующей частицы, пропорциональна числу образованных ею ионов.

Одна из разновидностей пропорциональных счетчиков была предложена Э. Резерфордом и Г.Гейгером в 1908 г. Впоследствии в 1928 г. счетчик был усовершенствован Э. Мюллером и получил название счетчика Гейгера-Мюллера.

Радиоактивность - это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров .

Явление радиоактивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана, засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.