Камера Вильсона

Ещё в последней четверти XIX века в работах Кулье, Кисслинга и Айткена было показано, что пыль играет важную роль в образовании тумана. Пытаясь воссоздать в лаборатории это естественное явление, исследователи обнаружили, что в очищенном воздухе туман не образуется^[2]. Также было установлено, что капельки образуются именно вокруг пылинок и имеют размеры порядка их размеров. Это стало решением проблемы, подмеченной лордом Кельвином, согласно которой капля воды при росте должна проходить стадию, на которой она имеет размеры, сопоставимые с размерами молекул, однако капля таких размеров испаряется так быстро, что почти мгновенно исчезает.

В 1897 году Вильсон показал, что даже в воздухе, очищенном от пыли, туман образуется при расширении большем, чем в 1,37 раз. При этом, при расширении от 1,25 до 1,37 раз образуются только отдельные капельки. В 1899 году он же обнаружил, что если поместить в рентгеновскую трубку некоторое количество урана, то туман начинает образовываться и при расширении в 1,25^[2] раза. Джозеф Томсон показал, что центрами конденсации в этих случаях становятся ионы.

Также Вильсон выяснил, что вода охотнее конденсируется на отрицательно заряженных ионах. Томас Лебе исследовал пары других веществ и обнаружил, что все вещества, которые он проверил (уксусная кислота, хлороформ, этиловый спирт, хлорбензол и другие), имеют противоположную тенденцию — положительные ионы вызывают конденсацию быстрее, чем отрицательные^[2].

Первый детектор заряженных частиц, созданный Вильсоном в 1912 году, имел вид стеклянного цилиндра диаметром 16,5 см и высотой 3,5 см. Внутри камеры располагалась ёмкость, в которой находилось деревянное кольцо, опущенное в воду. Благодаря испарению с поверхности кольца камера насыщалась паром. Камера была соединена трубкой с вентилем колбы, из которой был откачан воздух. При повороте вентиля давление падало, воздух охлаждался и пар становился насыщенным, благодаря чему заряженные частицы оставляли за собой полоски тумана^[3]. В то же время включались камера и свет.

Основным недостатком камеры было большое время её подготовки к работе. Для того чтобы побороть этот недостаток, Такэо Симидзу^[4] в 1921 году создал альтернативный вариант камеры, которая была оснащена поршнем. Он непрерывно двигался, сжимая и расширяя воздух, благодаря чему фотографию можно было делать каждые несколько секунд. Однако модель Симидзу не всегда могла обеспечить хорошее качество снимков, потому что воздух в ней расширялся слишком медленно^[2].

В 1927 году Пётр Капица и Дмитрий Скобельцин предложили помещать камеру в сильное магнитное поле. Это позволило легко разделять на снимках треки положительно и отрицательно заряженных частиц, а также определять их отношения массы к заряду^[5].

В 1927 году, стремясь совместить лучшие стороны каждой из существовавших моделей, Патрик Блэкетт видоизменил камеру Симидзу, добавив туда пружину, которая обеспечивала более резкое расширение. В 1929 году его улучшенная модель камеры ежедневно делала более 1200 снимков, на каждом из которых были изображены десятки треков альфа-частиц. Именно Блэкетт первый получил фотографии расщепления ядер азота альфа-частицами.

В 1930 году Л. В. Мысовский с Р. А. Эйхельбергером проводили опыты с рубидием, и в камере Вильсона было зарегистрировано испускание β-частиц. Позже была открыта естественная радиоактивность изотопа ⁸⁷Rb^[6]. В 1932 г. К. Д. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

В 1933 году Вильсон предложил другую конструкцию камеры, которая использовала резиновую диафрагму вместо поршня^[2].

В том же году Блэкетт и Джузеппе Оккиалини разработали вариант камеры, которая расширялась, только когда срабатывали два счётчика, один из которых находится над ней, а другой под ней. Это изменение позволило значительно повысить эффективность работы камеры в случае, если она должна фиксировать редкие события, такие как космические лучи. Блэкетт и Оккиалини указывают, что на 80 % фотографий, полученных таким образом, присутствовали следы космических лучей^[2].

В 1934 году Л. В. Мысовский с М. С. Эйгенсоном проводили эксперименты, в которых при помощи камеры Вильсона было доказано якобы присутствие нейтронов в составе космических лучей^[6]. (Примечание: Время жизни свободных нейтронов (около 17 минут) не позволяет им быть в составе космических лучей, они могут лишь образовываться при ядерных реакциях с участием космических лучей.)

В 1952 году Дональдом Глазером была изобретена пузырьковая камера, после чего значение камеры Вильсона уменьшилось. Пузырьковая камера позволяла фиксировать события точнее и чаще, а потому стала основным инструментом новых исследований.

Обычно, камера Вильсона состоит из цилиндра, содержащего насыщенный паром воздух, и поршня, который может двигаться в этом цилиндре. При опускании поршня воздух резко охлаждается, и камера становится пригодной для работы. В другом, более современном варианте вместо поршня использовалась резиновая диафрагма^[2]. В этом случае камера имеет перфорированное дно, под которым расположена диафрагма, в которую закачан воздух под давлением. Тогда для начала работы нужно только выпустить воздух из диафрагмы в атмосферу или специальную ёмкость. Такие камеры дешевле, проще в использовании, а также меньше нагреваются в процессе работы.

Для частиц низких энергий давление воздуха в камере понижают ниже атмосферного, тогда как для фиксации высокоэнергетических частиц, наоборот, в камеру закачивают воздух под давлением в десятки атмосфер. Камеру заполняют паром воды и этилового спирта и удаляют ядра конденсации во избежание преждевременной конденсации, в результате чего образуется пересыщенный пар, готовый к образованию треков на нем. Такая смесь используется из-за того, что водяной пар лучше конденсируется на отрицательных ионах, а пары этилового спирта — на положительных ионах^[3].

Время активной работы камеры длится от сотых долей секунды до нескольких секунд, проходящих от расширения воздуха и до тех пор, пока камера не заполнится туманом, после чего камера очищается и может запускаться повторно. Полный цикл использования обычно составляет около минуты^[3]. Источник излучения может помещаться внутрь камеры, или находиться извне её. В этом случае частицы попадают в камеру через прозрачный экран.

Значение камеры Вильсона для физики элементарных частиц трудно переоценить — в течение десятков лет она была единственным эффективным способом непосредственно наблюдать треки элементарных частиц. С её помощью были открыты позитрон и мюон, а также исследованы ядерные реакции альфа-частиц с атомами азота^[7]. После изобретения пузырьковой и искровой камеры значение камеры Вильсона начало уменьшаться, однако, из-за значительно меньшей стоимости по сравнению с более прогрессивными детекторами, она всё ещё используется в некоторых отраслях.

Удельной ионизацией называют количество пар ионов, создаваемых частицей при пролёте через вещество на единицу расстояния. При этом, электроны, выбиваемые из атомов, могут иметь достаточную энергию для того, чтобы ионизировать другие атомы. Это явление называют вторичной ионизацией. В камере Вильсона такие электроны будут выглядеть как ответвление от основной траектории полёта частицы, или же просто как сгустки пара (если энергия электронов не очень большая). В то время как подсчитать удельную ионизацию можно многими способами (например, с помощью счётчика Гейгера), для разделения первичной и вторичной ионизации камера Вильсона является наиболее простым методом^[2].

Длина пробега частицы в веществе является важным показателем, и должна быть известной для защиты от излучения. Камера Вильсона позволяет измерять как средний пробег, так и распределение пробегов частиц^[2]. С помощью этих данных можно достаточно точно определить как энергию частицы, так и толщину защитного слоя, который блокирует этот тип излучения.