Пузырьковая камера

В камере Вильсона нельзя было наблюдать ядерные реакции с участием релятивистских тяжёлых частиц (например, протонов), так как они практически не тормозятся в газах. Для решения данной проблемы 1952 году американским учёным Д. А. Глейзером было предложено использовать перегретую жидкость. А камера, которую он придумал, получила название пузырьковая.

Принцип её действия основан на вскипании перегретой жидкости вдоль трека заряженной частицы. В качестве рабочей жидкости используется сжиженный газ (водород, пропан или ксенон) под высоким давление, предохраняющим её от закипания, несмотря на то, что температура жидкости выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость жидкость становится перегретой. В этом состоянии она может находиться течении небольшого промежутка времени, так как оно является неустойчивым. Прохождение через такую жидкость заряженной частицы вызовет вскипание жидкости вдоль её траектории, а на образовавшихся ионах  сформируется цепочка пузырьков пара (т. е. трек частицы). След частицы обычно фотографируют, когда пузырьки пара достигают больших размеров. После процесса фотографирования давление в камере опять поднимается, до прежних значений, пузырьки пропадают, и камера снова может работать. Весь цикл работы пузырьковой камеры составляет менее одной секунды, время чувствительности прибора от 10 до 40 миллисекунд. 

Для того, чтобы определить тип частицы, её энергию и импульс, пузырьковую камеру так же как и камеру Вильсона помещают во внешнее магнитное поле.

Старая пузырьковая камера Лаборатории им. Э. Ферми

Схема пузырьковой камеры: 1-входное окно; 2-поршень; 3-фотокамеры; 4-поверхности, покрытые "скотчлайтом"; 5-магнит; 6-лазер; 7-окно вакуумного кожуха; 8-расширяющая линза; 9-осветитель

Размеры пузырьковых камер от десятков сантиметров до двух и более метров. Их эффективный объем на 2—3 порядка больше, чем у камеры Вильсона, так как жидкости гораздо плотнее газов.    

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона обусловлено большей плотностью рабочего вещества. В ней застревают частицы даже больших энергий, поэтому пробеги частиц в основном короткие. Это позволяет наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции. Главное её преимущество состоит в том, что она позволяет получить точные измерения импульсов быстрых ионизирующих частиц.

Из недостатков одним из самых значимых является её слабая управляемость, которая нужна для отбора нужных актов распада частиц либо их взаимодействия. Устройство невозможно моментально запустить по сигналам внешних детекторов из-за инерционности рабочей жидкости и других физических параметров. Поэтому пузырьковые камеры, будучи синхронизованы с работой ускорителя, регистрируют все события, инициируемые в камере пучком частиц. И, к сожалению, значительная часть этих событий не представляет интереса. Обработка снимков проходит в два этапа: сначала отбираются снимки с интересующими событиями, а затем проводятся измерения координат точек на следах отобранных событий с помощью микроскопов, полуавтоматических или автоматических измерительных устройств. По специальным программам на компьютерах вычисляются геометрические характеристики треков: углы вылета частиц, длины пробегов, импульсы, ошибки этих величин и т. д.

С помощью пузырьковых камер было сделано ряд открытий в физике высоких энергий: были открыты антисигма-минус-гиперон (1960, Дубна), омега-минус-гиперон (1964, США), нейтральные токи (1973, ЦЕРН) и другие. Обнаружены и изучены многочисленные частицы - резонансы и т. д.

Фотографии треков заряженных частиц в пузырьковой камере Для просмотра фотографий кликните по их миниатюрным изображениям

За свое изобретение в 1960 году Д. А. Глейзер получил Нобелевскую премию по физике.