Еще в середине 20-го века была изобретена пузырьковая камера - устройство, которое активно использовалось для наблюдения за микрочастицами. По большей части применялось оно физиками, которые наблюдали за микромиром. Даже сегодня, несмотря на колоссальное развитие техники и наличие различных электронных датчиков, школьникам показывают фотографии частиц, сделанные при помощи пузырьков.
О том, как появилась камера
Как уже было отмечено выше, в середине 20-го столетия и появилось данное изобретение. А все из-за того, что ученым-физикам никак не удавалось исследовать заряженные частицы имеющимися детекторами. К тому времени все уже знали, что такое протон, нейтрон, электрон и позитрон. В 1950 году решением данного вопроса занялся Д. Глейзер. Ученый пытался использовать как химические, так и физические реакции, электрические и жидкие, а также твердые превращения. Но решил он остановиться на жидкостном явлении, а если быть точнее, на принципе перегрева рабочей смеси. Основные требования, которые Дональд выдвигал к своему изобретению, - это высокая скорость срабатывания, позволяющая запечатлеть частицу на фотографии в нужный момент. Безусловно, пузырьковая камера и камера Вильсона чем-то похожи. Но тут есть и ряд отличий, о чем мы, собственно, и поговорим далее.
Пузырьковая камера: принцип действия
В качестве рабочей жидкости использовался диэтиловый эфир, который обладал таким преимущество, как низкая цена. Кроме того, его без труда можно было получать в чистом виде. Суть заключалась в том, чтобы нагреть данную жидкость до температуры закипания (1400 градусов по Цельсию), а затем охладить до комнатной. В это время подносится радиоактивный материал, например кобальт, после этого с промежутком примерно в 60 секунд, рабочая жидкость закипает. Один раз в минуту можно было запечатлеть движение частиц на фотографию.
Чтобы все показать наглядно, Глейзер использовал две камеры, изготовленные из тугоплавкого стекла и наполненные диэтиловым эфиром. Нагревание осуществлялось в масляной ванне, а давление можно было понизить при помощи рукоятки. В это время запускалась камера. В среднем частота кадров составляла порядка 3000 в секунду. Это позволяло запечатлеть движение частиц в сосудах. В дальнейшем пузырьковая камера была немного автоматизирована, но принцип действия остался таким же. Чаще всего использовали счетчик Гейгера, который позволял отследить появление радиации.
Пузырьковая камера: устройство
Заключительный этап эксперимента
На заключительном этапе проводился сложный анализ траектории и характера движения заряженных радиоактивных частиц. Известны случаи, когда фотографии для обработки делали по несколько дней, а вот обрабатывали их целыми месяцами. Когда получалась спираль, то это свидетельствовало о прохождении электрона. Так называемые «вилки» говорили о наличии нейтральных частиц. В большинстве случаев, исходя из данных полученных 3-х фотографий, тщательно измерялась траектория движения элементов. Если восстановить картину удавалось полностью, то можно было создать пространственную картину. Поначалу этим занимались ученые, но на такое исследование могли уходить годы. Ситуация изменилась с появлением компьютеров, которые значительно ускорили процесс.
О преимуществах использования камер данного типа
Как было отмечено выше, устройство по принципу действия немного похоже на изобретение Вильсона. Но тут есть ряд неоспоримых преимуществ. Самым весомым достоинство можно считать скорость срабатывания, которая с высокой вероятностью позволяет зафиксировать на фотоснимке достойное внимания явление.
Еще один плюс заключается в том, что в качестве рабочей жидкости используются текучие вещества, обладающие высокой плотностью. Это гораздо повышает шанс того, что в данной среде произойдет ожидаемое событие. В чем преимущество пузырьковой камеры, так это в том, что цикл ее работы занимает достаточно мало времени. Данный параметр является просто необходимым условием для использования устройства в ускорителях разного типа. Перегретую жидкость можно получить достаточно быстро, для этого нужно только снизить давление в системе. Вот, в принципе, все основные преимущества данного устройства.
Немного о недостатках
Как было замечено еще в самом начале данной статьи, в настоящее время существует просто огромное количество различных электронных датчиков, позволяющих с высокой точностью находить нужные объекты, с большой скоростью отбирать нужные элементы, определять их пространственную картину. Именно в недостаточной управляемости заключаются основные недостатки пузырьковой камеры. Как правило, большая часть полученных результатов не представляет никакого научного интереса, но, чтобы отбросить ненужное на фотографии, может уйти довольно много времени. Еще один минус в том, что устройство просто невозможно моментально запустить, в частности, это обусловлено инерционностью рабочей жидкости и другими физическими параметрами. В принципе, с недостатками мы разобрались, давайте пойдем дальше.
О технической стороне
За время использования данного метода обнаружения заряженных частиц было зарегистрировано немногим более 100 экземпляров пузырьковых камер. За это время использовались самые разнообразные жидкости, такие как гелий, водород, фреон, ксенон, пропан и другие. Это же касается и температур, которые начинались со сверхнизких и заканчивались комнатными для ксенона. «Гаргамель» - последняя пузырьковая камера, схема которой принципиально не отличается от других. Но в ее камеры было залито порядка 18 тонн фреона. Данное устройство позволило совершить большое открытие для тех времен – взаимодействие между нейтральными точками. Самый большой экземпляр имел диаметр 4,5 метра. Предназначалось устройство для работы с водородом. Но вся проблема заключалась в том, что изобретались новые ускорители, которые выдавали пучки радиоактивных частиц с огромной скоростью, поэтому никакие пузырьковые камеры уже не справлялись.
Несколько важных моментов
Стоит обратить внимание на то, что в настоящее время данные камеры уже не используются. Практически все списали их со счетов, но, как оказалось, это было преждевременное решение. В 2002 году при помощи пузырьков были открыты новые частицы под названием пентакварты. Но опять же это результат не исследований этого же года, а элементарной проверки фотоснимков, полученных много лет назад. Это говорит о том, что можно найти нечто стоящее из того, что было сделано в прошлом.
Более того, вычислительная мощность современной техники настолько велика, что на обработку каждого снимка будет уходить очень мало времени. В принципе, эффективность такого рода трекового детектора в настоящее время достаточно низкая, поэтому их использовать уже не целесообразно, однако когда-то полученные экспериментальные данные могут быть полезными и сегодня.
Заключение
Ну, вот и все, что можно сказать о том, что такое пузырьковая камера. Схема устройства достаточно простая, как и все гениальное. Стоит сказать несколько слов о том, что эффективность подобных приборов во многом зависит от их размеров. Чем больше камера, тем выше шанс обнаружить что-то полезное. Тем не менее с увеличением габаритов увеличивается цена на материалы и рабочую жидкость, которая в больших размерах имеет внушительную стоимость. Теперь вы знаете, что такое пузырьковая камера, принцип действия которой основан на перегреве жидкости. Этот эффект исследован вдоль и поперек, поэтому в настоящее время более актуальными считаются электронные датчики, которые выигрывают по всем параметрам.
