Skykammer

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. august 2021; checks kræver 17 redigeringer .

Wilson-kammeret ( kondensationskammer , tågekammer ) er en detektor af spor af hurtigt ladede partikler, som bruger ioners evne til at fungere som kerner af vanddråber i underafkølet overmættet damp .

For at skabe superkølet damp anvendes hurtig adiabatisk ekspansion, ledsaget af et kraftigt fald i temperaturen.

En hurtigt ladet partikel, der bevæger sig gennem en sky af overmættet damp, ioniserer den. Processen med dampkondensation sker hurtigere på steder, hvor ioner dannes. Som følge heraf, hvor en ladet partikel er fløjet, dannes et spor af vanddråber, som kan fotograferes. Det er på grund af denne type spor, at kameraet fik sit engelske navn - cloud chamber . 

Skykamre er normalt placeret i et magnetfelt, hvori ladede partiklers baner er buede. Bestemmelse af kurvens krumningsradius gør det muligt at bestemme den specifikke elektriske ladning af partiklen og følgelig identificere den.

Kameraet blev opfundet i 1912 af den skotske fysiker Charles Wilson . For opfindelsen af ​​kameraet modtog Wilson 1927 Nobelprisen i fysik . I 1948 modtog Patrick Blackett Nobelprisen for forbedring af skykammeret og den forskning, der blev udført med det .

Historie

Så tidligt som i sidste fjerdedel af det 19. århundrede viste værker af Coulier, Kissling og Aitken, at støv spiller en vigtig rolle i dannelsen af ​​tåge . I et forsøg på at genskabe dette naturlige fænomen i laboratoriet fandt forskerne ud af, at der ikke dannes tåge i renset luft [1] . Det blev også fundet, at dråber dannes præcist omkring støvpartikler og har dimensioner i størrelsesordenen efter deres størrelse. Dette var løsningen på problemet , som Lord Kelvin bemærkede , ifølge hvilket, når en dråbe vand vokser, skal den gennemgå et stadium, hvor den har dimensioner, der kan sammenlignes med størrelsen af ​​molekyler, men en dråbe af sådanne dimensioner fordamper så hurtigt at den forsvinder.

I 1897 viste Wilson, at selv i støvfri luft dannes tåge ved ekspansion mere end 1,37 gange. I dette tilfælde, når der udvides fra 1,25 til 1,37 gange, dannes kun individuelle dråber. I 1899 opdagede han også, at hvis en vis mængde uran anbringes i et røntgenrør , så begynder tåge at dannes selv ved en udvidelse på 1,25 [1] . Joseph Thomson viste, at ioner bliver kondensationscentrene i disse tilfælde .

Wilson fandt også ud af, at vand er mere tilbøjelige til at kondensere på negativt ladede ioner. Thomas Lebe undersøgte dampe af andre stoffer og fandt ud af, at alle de stoffer han testede (eddikesyre, chloroform, ethylalkohol, chlorbenzen og andre) har den modsatte tendens - positive ioner forårsager kondensering hurtigere end negative [1] .

Den første ladede partikeldetektor, skabt af Wilson i 1912, lignede en glascylinder med en diameter på 16,5 cm og en højde på 3,5 cm. Inde i kammeret var der en beholder, hvori der var en træring dyppet i vand. På grund af fordampning fra ringens overflade blev kammeret mættet med damp. Kammeret var forbundet med et rør med en ventil til en kolbe, hvorfra luft blev evakueret. Når ventilen blev drejet, faldt trykket, luften afkølet, og dampen blev mættet , hvorved de ladede partikler efterlod tågestrimler bag sig [2] . Samtidig blev kamera og lys tændt.

Den største ulempe ved kameraet var den lange tid af dets forberedelse til arbejde. For at overvinde denne mangel skabte Takeo Shimizu [3] i 1921 en alternativ version af kameraet, som var udstyret med et stempel. Den bevægede sig kontinuerligt og komprimerede og udvidede luften, så der kunne tages et billede med få sekunders mellemrum. Shimizu-modellen kunne dog ikke altid give en god billedkvalitet, fordi luften i den udvidede sig for langsomt [1] .

I 1927 foreslog Pyotr Kapitsa og Dmitry Skobeltsin at placere kameraet i et stærkt magnetfelt . Dette gjorde det nemt at adskille sporene af positivt og negativt ladede partikler i billederne, samt at bestemme deres masse-til-ladning-forhold [4] .

I 1927, i et forsøg på at kombinere de bedste aspekter af hver model, modificerede Patrick Blackett Shimizu-kammeret ved at tilføje en fjeder til det, hvilket gav en skarp udvidelse. I 1929 tog hans forbedrede kameramodel mere end 1.200 billeder om dagen, der hver viste snesevis af spor af alfapartikler. Det var Blackett, der først tog billeder af spaltningen af ​​nitrogenkerner af alfapartikler.

I 1930 udførte L. V. Mysovsky og R. A. Eichelberger eksperimenter med rubidium , og emissionen af ​​β-partikler blev registreret i et skykammer . Senere blev den naturlige radioaktivitet af 87Rb isotopen opdaget [ 5 ] . I 1932  opdagede KD Anderson en positron i kosmiske stråler.

I 1933 foreslog Wilson et andet kammerdesign, der brugte en gummimembran i stedet for et stempel [1] .

Samme år udviklede Blackett og Giuseppe Occhialini en version af kammeret, der kun udvidede sig, når to tællere blev affyret, en over den og en under den. Denne ændring gjorde det muligt at øge effektiviteten af ​​kameraet betydeligt i tilfælde af, at det skulle fange sjældne begivenheder såsom kosmiske stråler . Blackett og Occhialini angiver, at 80 % af de fotografier, der blev opnået på denne måde, indeholdt spor af kosmiske stråler [1] .

I 1934 udførte L. V. Mysovsky sammen med M. S. Eigenson eksperimenter, hvor den påståede tilstedeværelse af neutroner i sammensætningen af ​​kosmiske stråler ved hjælp af et skykammer blev bevist [5] . (Bemærk: Frie neutroners levetid (ca. 17 minutter) tillader ikke, at de er en del af kosmiske stråler; de kan kun dannes i kernereaktioner, der involverer kosmiske stråler.)

I 1952 blev boblekammeret opfundet af Donald Glaser , hvorefter skykammeret aftog i betydning. Boblekammeret gjorde det muligt at optage begivenheder mere præcist og oftere, og blev derfor det vigtigste værktøj for ny forskning.

Bygning

Typisk består et skykammer af en cylinder indeholdende dampmættet luft og et stempel, der kan bevæge sig i denne cylinder. Når stemplet sænkes, afkøles luften kraftigt, og kammeret bliver egnet til arbejde. I en anden, mere moderne version blev der brugt en gummimembran i stedet for et stempel [1] . I dette tilfælde har kammeret en perforeret bund, under hvilken der er en membran, ind i hvilken luft pumpes under tryk. For at starte arbejdet behøver du kun at frigive luft fra membranen til atmosfæren eller en speciel beholder. Sådanne kamre er billigere, nemmere at bruge og opvarmes mindre under drift.

For lavenergipartikler reduceres lufttrykket i kammeret under atmosfærisk tryk, mens for at fiksere højenergipartikler pumpes der tværtimod luft ind i kammeret ved et tryk på snesevis af atmosfærer. Kammeret er fyldt med damp af vand og ethylalkohol, og kondensationskernerne fjernes for at undgå for tidlig kondensation, hvilket resulterer i en overmættet damp , klar til at danne spor på den. En sådan blanding bruges på grund af, at vanddamp kondenserer bedre på negative ioner, og ethanoldamp på positive ioner [2] .

Tiden for aktiv drift af kammeret varer fra hundrededele af et sekund til flere sekunder, der går fra udvidelsen af ​​luft og indtil kammeret er fyldt med tåge, hvorefter kammeret ryddes og kan genstartes. En fuld brugscyklus er normalt omkring et minut [2] . Strålingskilden kan placeres inde i kammeret eller udenfor det. I dette tilfælde kommer partikler ind i kammeret gennem en gennemsigtig skærm.

Brug

Skykammerets betydning for elementærpartikelfysik kan næppe overvurderes - i årtier var det den eneste effektive måde at observere sporene af elementarpartikler direkte. Med dens hjælp blev positronen og muonen opdaget , og alfapartiklernes nukleare reaktioner med nitrogenatomer blev også undersøgt [6] . Efter opfindelsen af ​​boble- og gnistkammeret begyndte betydningen af ​​skykammeret at falde, men på grund af dets betydeligt lavere omkostninger sammenlignet med mere avancerede detektorer, bruges det stadig i nogle industrier.

Specifik ionisering

Specifik ionisering er antallet af par ioner, der skabes af en partikel, når den flyver gennem et stof pr. afstandsenhed. I dette tilfælde kan elektronerne slået ud af atomerne have tilstrækkelig energi til at ionisere andre atomer. Dette fænomen kaldes sekundær ionisering. I et skykammer vil sådanne elektroner ligne en gren fra partiklens hovedbane eller blot som dampklumper (hvis elektronernes energi ikke er særlig høj). Mens specifik ionisering kan beregnes på mange måder (f.eks. ved hjælp af en geigertæller), er skykammer den enkleste metode til at adskille primær og sekundær ionisering [1] .

Kilometertal

Vejlængden af ​​en partikel i et stof er en vigtig indikator og skal være kendt for strålingsbeskyttelse. Skykammer giver dig mulighed for at måle både den gennemsnitlige kørsel og fordelingen af ​​kørsler [1] . Ved hjælp af disse data er det muligt nøjagtigt at bestemme både partiklens energi og tykkelsen af ​​det beskyttende lag, der blokerer for denne type stråling.

Noter

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 THE WILSON CHAMBER OG DETS APPLIKATIONER I FYSIK Arkiveret 11. august 2017 på Wayback Machine  (russisk)
  2. ↑ 1 2 3 Skykammer Arkiveret 27. januar 2021 på Wayback Machine  (russisk)
  3. ↑ Skykammeret og dets metamorfoser Arkiveret 1. maj 2021 på Wayback Machine 
  4. ↑ Skykammer Arkiveret 2. juli 2013 på Wayback Machine  (russisk)
  5. ↑ 1 2 Meshcheryakov M. G. , Perfilov N. A. Til minde om Lev Vladimirovich Mysovsky (i anledning af hans halvfjerdsindstyvende fødselsdag)  // Udgave af UFN: Samling af UFN. - M. , 1963. - Udgave. november .
  6. ↑ Grundlæggende om kernefysik. Nuclear Technology Arkiveret 1. maj 2021 på Wayback Machine  (russisk)

Litteratur

Eksterne links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger