Molnkammare

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 22 augusti 2021; kontroller kräver 17 redigeringar .

Wilson-kammaren ( kondenskammare , dimkammare ) är en detektor av spår av snabbladdade partiklar, som använder jonernas förmåga att fungera som kärnor av vattendroppar i underkyld övermättad ånga .

För att skapa underkyld ånga används snabb adiabatisk expansion, åtföljd av en kraftig temperaturminskning.

En snabbladdad partikel, som rör sig genom ett moln av övermättad ånga, joniserar den. Processen med ångkondensation sker snabbare på platser där joner bildas. Som ett resultat, där en laddad partikel har flugit, bildas ett spår av vattendroppar som kan fotograferas. Det är på grund av den här typen av spår som kameran fick sitt engelska namn - cloud chamber . 

Molnkammare är vanligtvis placerade i ett magnetfält där banorna för laddade partiklar är krökta. Bestämning av kurvans krökningsradie gör att man kan bestämma partikelns specifika elektriska laddning och följaktligen identifiera den.

Kameran uppfanns 1912 av den skotske fysikern Charles Wilson . För uppfinningen av kameran fick Wilson 1927 Nobelpriset i fysik . 1948 fick Patrick Blackett Nobelpriset för förbättringen av molnkammaren och den forskning som utfördes med den .

Historik

Redan under det sista kvartalet av 1800-talet visade verk av Coulier, Kissling och Aitken att damm spelar en viktig roll i bildandet av dimma . I ett försök att återskapa detta naturfenomen i laboratoriet fann forskarna att dimma inte bildas i renad luft [1] . Man fann också att droppar bildas exakt runt dammpartiklar och har dimensioner i storleksordningen. Detta var lösningen på problemet som Lord Kelvin uppmärksammade , enligt vilket, när en vattendroppe växer, måste den gå igenom ett stadium där den har dimensioner jämförbara med storleken på molekyler, men en droppe av sådana dimensioner avdunstar så snabbt att det försvinner.

1897 visade Wilson att även i dammfri luft bildas dimma vid expansion mer än 1,37 gånger. I det här fallet, när man expanderar från 1,25 till 1,37 gånger, bildas endast individuella droppar. 1899 upptäckte han också att om en viss mängd uran placeras i ett röntgenrör så börjar dimma bildas även vid en expansion på 1,25 [1] . Joseph Thomson visade att joner blir centrum för kondens i dessa fall .

Wilson fann också att vatten är mer benägna att kondensera på negativt laddade joner. Thomas Lebe undersökte ångor av andra ämnen och fann att alla ämnen han testade (ättiksyra, kloroform, etylalkohol, klorbensen och andra) har motsatt tendens - positiva joner orsakar kondens snabbare än negativa [1] .

Den första laddade partikeldetektorn, skapad av Wilson 1912, såg ut som en glascylinder med en diameter på 16,5 cm och en höjd av 3,5 cm.Inne i kammaren fanns en behållare i vilken det fanns en träring doppad i vatten. På grund av avdunstning från ringens yta var kammaren mättad med ånga. Kammaren var ansluten med ett rör med en ventil till en kolv från vilken luft evakuerades. När ventilen vreds sjönk trycket, luften kyldes och ångan blev mättad , vilket ledde till att de laddade partiklarna lämnade dimremsor efter sig [2] . Samtidigt tändes kameran och lamporna.

Den största nackdelen med kameran var den långa förberedelsetiden för arbetet. För att övervinna denna brist skapade Takeo Shimizu [3] 1921 en alternativ version av kameran, som var utrustad med en kolv. Den rörde sig kontinuerligt, komprimerade och expanderade luften, så att ett fotografi kunde tas med några sekunders mellanrum. Shimizu-modellen kunde dock inte alltid ge bra bildkvalitet, eftersom luften i den expanderade för långsamt [1] .

1927 föreslog Pyotr Kapitsa och Dmitry Skobeltsin att kameran skulle placeras i ett starkt magnetfält . Detta gjorde det enkelt att separera spåren av positivt och negativt laddade partiklar i bilderna, samt att bestämma deras massa-till-laddning-förhållande [4] .

1927, i ett försök att kombinera de bästa aspekterna av varje modell, modifierade Patrick Blackett Shimizu-kammaren genom att lägga till en fjäder till den, vilket gav en kraftig expansion. 1929 tog hans förbättrade kameramodell mer än 1 200 bilder om dagen, var och en visade dussintals spår av alfapartiklar. Det var Blackett som först tog fotografier av delning av kvävekärnor av alfapartiklar.

1930 genomförde L. V. Mysovsky och R. A. Eichelberger experiment med rubidium , och utsläppet av β-partiklar registrerades i en molnkammare . Senare upptäcktes den naturliga radioaktiviteten hos isotopen 87Rb [ 5 ] . 1932  upptäckte KD Anderson en positron i kosmisk strålning.

1933 föreslog Wilson en annan kammardesign som använde ett gummimembran istället för en kolv [1] .

Samma år utvecklade Blackett och Giuseppe Occhialini en version av kammaren som expanderade först när två diskar avfyrades, en ovanför den och en under den. Denna förändring gjorde det möjligt att avsevärt öka kamerans effektivitet i händelse av att den måste fånga sällsynta händelser som kosmisk strålning . Blackett och Occhialini indikerar att 80 % av fotografierna som tagits på detta sätt innehöll spår av kosmiska strålar [1] .

År 1934 genomförde L. V. Mysovsky tillsammans med M. S. Eigenson experiment där, med hjälp av en molnkammare, bevisades den påstådda närvaron av neutroner i sammansättningen av kosmiska strålar [5] . (Obs: Livslängden för fria neutroner (cirka 17 minuter) tillåter inte att de ingår i kosmiska strålar; de kan bara bildas i kärnreaktioner som involverar kosmisk strålning.)

1952 uppfanns bubbelkammaren av Donald Glaser , varefter molnkammaren minskade i betydelse. Bubbelkammaren gjorde det möjligt att spela in händelser mer exakt och oftare och blev därför det främsta verktyget för ny forskning.

Byggnad

Vanligtvis består en molnkammare av en cylinder som innehåller ångmättad luft och en kolv som kan röra sig i denna cylinder. När kolven sänks kyls luften kraftigt, och kammaren blir lämplig för arbete. I en annan, modernare version användes ett gummimembran istället för en kolv [1] . I detta fall har kammaren en perforerad botten, under vilken det finns ett membran, in i vilket luft pumpas under tryck. Sedan, för att börja arbeta, behöver du bara släppa ut luft från membranet till atmosfären eller en speciell behållare. Sådana kammare är billigare, enklare att använda och värms upp mindre under drift.

För lågenergipartiklar sänks lufttrycket i kammaren under atmosfärstryck, medan för att fixera högenergipartiklar, tvärtom, pumpas luft in i kammaren vid ett tryck av tiotals atmosfärer. Kammaren fylls med ånga av vatten och etylalkohol och kondensationskärnorna avlägsnas för att undvika för tidig kondensation, vilket resulterar i en övermättad ånga , redo att bilda spår på den. En sådan blandning används på grund av att vattenånga kondenserar bättre på negativa joner, och etanolånga på positiva joner [2] .

Tiden för aktiv drift av kammaren varar från hundradelar av en sekund till flera sekunder, från luftens expansion och tills kammaren är fylld med dimma, varefter kammaren rensas och kan startas om. En hel användningscykel är vanligtvis ungefär en minut [2] . Strålningskällan kan placeras inuti kammaren, eller utanför den. I detta fall kommer partiklar in i kammaren genom en transparent skärm.

Användning

Molnkammarens betydelse för elementarpartikelfysik kan knappast överskattas - i årtionden var det det enda effektiva sättet att direkt observera elementarpartiklarnas spår. Med dess hjälp upptäcktes positronen och myonen , och alfapartiklars kärnreaktioner med kväveatomer studerades också [6] . Efter uppfinningen av bubbel- och gnistkammaren började betydelsen av molnkammaren minska, men på grund av dess betydligt lägre kostnad jämfört med mer avancerade detektorer används den fortfarande i vissa industrier.

Specifik jonisering

Specifik jonisering är antalet par joner som skapas av en partikel när den flyger genom ett ämne per enhetssträcka. I det här fallet kan elektronerna som slås ut ur atomerna ha tillräcklig energi för att jonisera andra atomer. Detta fenomen kallas sekundär jonisering. I en molnkammare kommer sådana elektroner att se ut som en gren från partikelns huvudbana, eller helt enkelt som ånga (om elektronernas energi inte är särskilt hög). Även om specifik jonisering kan beräknas på många sätt (t.ex. med en Geigerräknare), är molnkammare den enklaste metoden för att separera primär och sekundär jonisering [1] .

Körsträcka

Banlängden för en partikel i ett ämne är en viktig indikator och måste vara känd för strålskydd. Molnkammare låter dig mäta både den genomsnittliga körningen och fördelningen av körningarna [1] . Med hjälp av dessa data är det möjligt att exakt bestämma både partikelns energi och tjockleken på det skyddande skiktet som blockerar denna typ av strålning.

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 THE WILSON CHAMBER OCH DESS APPLIKATIONER I FYSIK Arkiverad 11 augusti 2017 på Wayback Machine  (ryska)
  2. ↑ 1 2 3 Molnkammare Arkiverad 27 januari 2021 på Wayback Machine  (ryska)
  3. ↑ Molnkammaren och dess metamorfoser Arkiverade 1 maj 2021 på Wayback Machine 
  4. ↑ Molnkammare Arkiverad 2 juli 2013 på Wayback Machine  (ryska)
  5. ↑ 1 2 Meshcheryakov M. G. , Perfilov N. A. Till minne av Lev Vladimirovich Mysovsky (Med anledning av hans sjuttioårsdag)  // Utgåva av UFN: Samling av UFN. - M. , 1963. - Utgåva. november .
  6. ↑ Grunderna i kärnfysik. Kärnteknik arkiverad 1 maj 2021 på Wayback Machine  (ryska)

Litteratur

Externa länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger