Камера Вильсона.

Камера Вильсона (рис. 38.1) была изобретена шотландским физиком Ч.Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.

Рисунок 38.1.

Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S ~ 10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S.

Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. В камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться (показатель перенасыщения 1 < S < 10). Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, то есть появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по-разному. Например, трек электрона выглядит тоньше и прерывистей, чем трек, полученный при пролете значительно более массивной альфа-частицы.

Атомным прибором огромной важности явилась ионизационная камера, сконструированная английским физиком . Это знаменитое изобретение принесло Вильсону Нобелевскую премию 1937 г., а созданная им камера Вильсона навсегда увековечила имя своего создателя. Камера возникла из наблюдения, сделанного в 1897 г., заключающегося в том, что ионы являются центрами конденсации водяных паров. Основываясь на этом наблюдении, Г. А. Вильсон предложил метод определения заряда электрона, из которого, как мы видели, развились методы Милликена. Статья Чарлза Томаса Риса Вильсона , описывающая это наблюдение, называлась "Конденсация водяного пара в присутствии обеспыленного воздуха и других газов". В истории лаборатории Кавендиша, вышедшей в 1910 г., Д. Д. Томсон , бывший в это время руководителем лаборатории, писал об открытии Вильсона: "Мы должны теперь рассмотреть замечательную серию исследований Ч. Т. Р. Вильсона об условиях конденсации воды в обеспыленных газах, насыщенных водяным паром. Эти исследования не только значительно увеличили наши знания по исследуемой проблеме, но и открыли новый и поразительный метод исследования свойств ионизационного газа".

Томсон был прав, назвав новый метод "поразительным", однако вряд ли он в то время, когда писал эти строки, представлял себе все могущество этого метода. В работах 1897 г. Вильсон показал, что центрами конденсации в обеспыленном воздухе являются ионы, производимые рентгеновскими или беккерелевыми лучами. При этом для образования капель на отрицательных ионах требовалось внезапное расширение до 1,252 первоначального объема, для образования же капель на положительных ионах требовалось расширение до 1,375 первоначального объема. Через год-два после того, как Томсон написал выше процитированные строки, Вильсон сделал сообщение (1911), в котором описал "метод обнаружения путей ионизирующих частиц во влажных газах, основанный на конденсации пара на ионах, непосредственно после образования этих ионов".

Первые результаты не удовлетворили Вильсона и в 1912 г. он окончательно нашел конструкцию прибора, получившего позже название камеры Вильсона.

Приведем первые вильсоновские фотографии с его пояснениями.

"Эти рисунки представляют собою снимки с фотографий облачков, конденсировавшихся на ионах, которые освобождаются при прохождении лучей разного рода сквозь влажный газ. В последующем 1 обозначает плотность воздуха перед расширением (по отношению к насыщенному водяным паром воздуху при 15° С и 760 мм рт. ст. ), 2 - плотность после расширения, v 2 / v 1 - величину расширения, V - разность потенциалов между крышкой и дном ионизационной камеры в вольтах, М - увеличение фотографического аппарата. Во всех случаях крышка камеры была положительна, так что отрицательные ионы двигались вверх, положительные же - вниз.

Ионизация α-лучами.

Ось фотографической камеры вертикальна; горизонтальный слой глубиной в 2 см освещается ртутной искрой.

Рис. 1 (табл. I). α-лучи радия. Одни из α-частиц прошли сквозь воздух до расширения, другие - после него.

1 = 0,98, v 2 / v 1 = 1,36, 2 = 0,72, V = 40 в, М = 1 / 2,18 .

Рис. 2 (табл. I). α-лучи радия. Все α-частицы прошли сквозь воздух после расширения.

1 = 0,97, v 2 / v 1 = 1,33, 2 = 0,73, V = 40 в, М = 1,05.

Рис. 3 (табл. I). α-лучи радия. Увеличение части рис. 2.

1 = 0,97, v 2 / v 1 = 1,33, 2 = 0,73, V = 40 в, М = 2,57.

Рис. 4 (табл. I). α-лучи радиевой эманации и активного осадка.

1 = 1,00, v 2 / v 1 = 1,36, 2 = 0,74, V = 40 в, М = 1 / 124 .

Рис. 5 (табл. I). Полный путь α-частицы, выброшенной радиевой эманацией.

Всегда невидимой остаётся фоновая радиация, неизменно присутствующая в атмосфере. Естественные источники излучения включают космические лучи, радиоактивный распад элементов горных пород или даже радиоактивный распад элементов живых организмов. Инструмент — облачная камера Вильсона это относительно несложное устройство, благодаря которому есть возможность наблюдать и фиксировать прохождение ионизирующего излучения. По сути, устройство допускает косвенное наблюдение за излучением радиации в границах окружающей среды. Своё название облачной камеры Вильсона конструкция получила в честь её изобретателя — шотландского физика Чарльза Томсона Риза Вильсона.

Исследования начала 20 века, проведённые с участием облачной камеры Вильсона, завершились открытием элементарных частиц:

• Позитрона
• Нейтрона
• Мюона
• Каона (К-мезона)

Существуют различные виды облачных камер. Прибор диффузионного типа в домашних условиях изготовить проще, чем другие виды. Конструкция диффузионного типа содержит герметичный контейнер, верхняя область которого нагревается, а нижняя охлаждается.

Прибор Вильсона в оригинальном конструктивном исполнении. Совсем несложная конструкция, но сколько чудных открытий свершилось благодаря этому аппарату

Облако внутри контейнера формируется из спиртового пара (метанола, и т.п.). Нагретая верхняя область камеры создаёт условия для испарения спирта.

Образовавшийся пар охлаждается, опускается вниз и конденсируется, оказавшись в холодной донной области контейнера.

Объем пространства между вершиной и дном контейнера заполнен облаком пересыщенного пара. Когда энергетическая заряженная частица (излучение) проходит сквозь пар, эта частица неизбежно оставляет ионизационный след.

Молекулы спирта и воды обладают свойствами полярных элементов, поэтому притягиваются к ионизованным частицам.

Когда в области пересыщенного пара молекулы спирта и воды сближаются с ионами, образуется капельный конденсат. Путь прохождения конденсата остаётся видимым до источника излучения.

Как сделать камеру Вильсона своими руками

Изготовление облачной самодельной камеры требует наличия следующих материалов и аксессуаров:

1. Прозрачный стеклянный (пластиковый) контейнер с крышкой.
2. Изопропиловый спирт (медицинский 99% спирт).
3. Сухой лед и поддон для льда.
4. Абсорбирующий материал.
5. Плотная бумага чёрного цвета.
6. Фонарь с высокой яркостью свечения.
7. Грелка медицинская малоразмерная.

Удачным контейнером вполне может выступить обычная пустая стеклянная баночка. Изопропиловый спирт доступен из ассортимента большинства аптек в виде аналога — медицинского спирта.

Схема прибора Вильсона: 1 — цилиндрический контейнер; 2 — водяной лоток; 3 — латунный плунжер; 4 — лабораторный зажим; 5 — от калибратора; 6 — от насоса; 7 — деревянный блок; 8 — подвижная база; 9 -источник питания; 10 — сферический вакуумный контейнер

Главное, чтобы медицинский спирт был не мене 99% плотности. Метанол также может применяться для домашнего проекта, но следует иметь в виду — это вещество имеет высокий уровень токсичности.

Абсорбирующий материал удачно заменяет губка или кусочек войлока. В качестве подсветки подойдёт светодиодный фонарик.

Не исключается даже использование функции фонаря . Кстати, телефонная камера пригодится для фотографирования следов присутствия радиации.

Устройство инструментария исследований дома

Начинают процесс сборки оборудования с куска губки, который закладывают в нижнюю часть банки. Рекомендуется аккуратно подогнать материал по размеру диаметра банки, чтобы губка упиралась в стенки и не выпадала, если банку перевернуть.

Гарантированное крепление губки или войлока обеспечит добавление небольшого количества пластилина или смолы на дно банки. Не следует использовать клейкую ленту или клей, потому как пары спирта легко растворяют подобные материалы.

Устройство самоделки: 1 — тёмное помещение; 2 — стеклянный контейнер; 3 — медицинская грелка; 4 — сухой лёд; 5 — луч света фонарика; 6 — поддон для сухого льда; 7 — губчатый материал; 8 — пары спирта

Следующим шагом нужно вырезать из плотной бумаги чёрного цвета круг, аналогичный форме круга внутренней области крышки, которой закрывается банка. Вырезанным бумажным кругом необходимо закрыть внутреннюю часть крышки.

Бумажная вставка нужна для того, чтобы исключить эффект отражения. К тому же бумага тоже в некоторой степени работает как абсорбер.

Для гарантированного крепления бумажную вставку тоже разумно прикрепить с помощью пластилина или смолы. Модернизированную таким образом крышку можно надевать на горловину банки.

Однако прежде следует (банку) изопропиловый спирт. Заливка делается с учётом полной пропитки губки (или войлока), но без явного избытка жидкости.

Самый простой способ достичь точного уровня — заливать спирт до тех пор, пока жидкость полностью не закроет губчатый материал. Затем излишки слить.

Технологический процесс с камерой

Потребуется место, где есть условия создания полной темноты (например, просторный шкаф или ванная комната без окон). Нужно разложить сухой лёд в заранее подготовленный поддон.

Стеклянную банку (облачную самодельную камеру Вильсона) перевернуть горловиной вниз и поставить на лёд. Выдержать в таком положении примерно 10 минут.

Вот такие завораживающие картины появляются внутри облачной камеры. Радиация не только способна убивать всё живое. Она способна ещё и классно рисовать

После десятиминутного охлаждения, взять медицинскую грелку, наполнить горячей водой и разместить на верхней части самодельной облачной камеры Вильсона (т.е. положить на дно банки).

Грелка активизирует процесс испарения спирта. В результате образуется облако насыщенного спиртом пара. Самое время полностью затемнить комнату (или шкаф) где проводятся исследования.

Останется включить фонарик и направить луч света сквозь стенки созданной облачной камеры. На фоне спиртового облака, внутри банки будут явно заметны следы ионизирующего излучения.

Их можно без труда сфотографировать. А если сделать ряд снимков, в последующем можно выполнить по ним соответствующий анализ уровня радиации.

О безопасности технологического процесса

Несмотря на тот факт, что изопропиловый спирт считается безопасным по сравнению с метанолом, это вещество вызывает токсикоз при внутреннем употреблении. Также спирт относится к веществам легко воспламеняющимся.

Об этих свойствах изопропилового спирта следует помнить. Выполняя исследования, рекомендуется держать вещество вдали от источников тепла или открытого пламени.

Сухой лёд в процессе сублимации — красочное явление. Однако если такой процесс проходит в герметичном контейнере, не исключается взрыв контейнера по причине образования высокого давления

Сухой лед тоже обладает опасными свойствами. Этот, в некотором роде , способен вызвать обморожение при непосредственном длительном контакте. Рекомендуется применять перчатки, работая с сухим льдом.

Кроме того, нельзя хранить сухой лед в герметичном контейнере. Процесс сублимации твёрдого сухого льда в газ сопровождается ростом давления. Если это происходит в закрытой герметичной ёмкости, вполне возможен разрыв сосуда.

Практические занятия с камерой Вильсона

Если есть радиоактивный источник, можно поместить его рядом с облачной камерой, чтобы увидеть эффект чёткого излучения.

Исследования уровня радиации в домашних условиях — процесс интересный и познавательный. Можно увидеть массу интересных явлений, которые невозможно увидеть обычным образом

Некоторые продукты и материалы из повседневного быта являются радиоактивными. Например:

• бразильский орех,
• бананы,
• наполнитель для кошачьего туалета,
• урановое стекло.

Облачная камера Вильсона, сделанная своими руками, позволяет исследовать методы защиты от радиации. Можно размещать всякие материалы между радиоактивным источником и облачной самодельной камерой, определяя тем самым их сопротивляемость излучению.

Можно, к примеру, исследовать эффект магнитного поля, создав таковое в границах расположения облачной камеры.

Положительно заряженные и отрицательно заряженные частицы образуют криволинейные следы в противоположных направлениях под действием поля.

Облачная и пузырьковая камеры

Пузырьковая камера — это фактически родственная конструкция из группы детекторов излучения. Действие прибора основано на тех же принципах, что использует облачная камера Вильсона.

Конструкция пузырьковой камеры: 1 — водяной буфер; 2 — фторуглерод C3F8; 3 — гидравлическая жидкость (пропиленгликоль); 4 — акустические сенсоры; 5 — сильфон; 6 — видеокамеры; 7 — сосуд под давлением

Разница заключается лишь в том, что для работы с пузырьковой камерой используется перегретая жидкость, а не пересыщенный пар. Прибор имеет цилиндр, который заполняется жидкостью, подогретой до температуры чуть выше ее точки кипения.

Наиболее распространенным веществом выступает жидкий водород. Обычно к пузырьковой камере прикладывается магнитное поле.

За счёт этого дополнения ионизирующее излучение перемещается по спиральному пути, в соответствии с его скоростью, отношением заряда и массы.

Пузырьковые камеры обычно больше по размерам, чем облачные. Этот вид приборов более сложный для изготовления, но открывает широкие возможности отслеживания более энергичных элементарных частиц.

Видео-дополнение к теме исследования элементарных частиц

М. Новикова

Крохотные неуловимые частицы, испускаемые радиоактивными элементами! Масса их ничтожна; какими весами взвесить их! Скорость их колоссальна - до 10 тыс, км в сек, - разве можно уследить за их полетом! И все-таки это сделано: микрочастицы взвешены, измерены, «увидены». С помощью несложного в изготовлении прибора - так называемой камеры Вильсона - может «увидеть» их каждый.

Устройство этого прибора показано на рисунке.

Стенки камеры шириной 150 и высотой 80 мм делаются из стекла или плексигласа толщиной от 4 до 6 мм. Чтобы камера была герметична, стенки

должны быть хорошо склеены и притерты ко дну (2) и крышке (3). Между стенками и дном и между стенками и крышкой желательно поставить резиновые прокладки толщиной 1 - 2 мм (4). Дно камеры - это ровная плита из меди, латуни или дюралюминия размером 190 х 190 мм и толщиной 5-6 мм. Она привинчивается двенадцатью винтами к обойме (5), сделанной из гетинакса или текстолита. Крышка камеры размером 170 х 170 мм сделана из того же материала, что и дно. Посередине крышки делается окно 70x70 мм, через которое производится наблюдение. Это окно закрывается стеклом (6), которое через резиновую

кладку прижимается к крышке винтами. С помощью текстолитовой рамы (7) и стержней (8) стенки камеры прижимаются ко дну и к крышке. Внутри камеры к крышке прикрепляется корытце (9), сделанное из тонкой меди или жести. В стенке камеры и в крышке нужно просверлить небольшие отверстия для ввода в камеру радиоактивного излучения. Отверстия закрываются пробками «а».

Как работает камера?

Из физики известно, что давление насыщенных паров жидкости уменьшается с понижением температуры. Если температуру насыщенных паров понизить, они перейдут в пересыщенное состояние. Когда в пересыщенных парах находятся мелкие пылинки, то на них будет конденсироваться пар, и на пылинках вырастут капельки видимого размера. При значительном пересыщении паров центрами конденсации могут быть не только такие крупные «частички», как пылинки, но даже ионы газов, а каждая о-частица на своем пути ионизирует до 100 тыс. атомов. След л частицы становится видимым, - он отмечен мгновенно возникающей нитью тумана.

Рабочей жидкостью в данной камере может служить метиловый или этиловый спирт (метиловый спирт - только для стеклянной камеры: плексиглас не годится). Пересыщение достигается за счет непрерывной диффузии пара в вертикальном направлении от нагретой крышки к охлажденному дну. Чтобы получить следы частиц хорошего качества, дно камеры должно быть охлаждено до - 50^- 80° С, а крышка должна находиться при обычной комнатной температуре.

Охлаждение дна камеры производится твердой углекислотой («сухим льдом»), которая в количестве 2 -3 кг загружается в деревянный ящик (10). Твердая углекислота поджимается ко дну пружинами (11). к -г- 3 кг «сухого льда» хватает примерно на два часа работы.

Для запуска камеры пружины сжимаются и фиксируются стержнями (12). В ящик засыпаются кусочки твердой углекислоты. Затем дно ставится в обойме и привинчивается к ящику с помощью четырех коротких стержней (13) и гаек (14) по углам. На дно кладется бархат, прокладка и ставятся стенки, на стенки - крышка. Вся эта система стягивается рамой и четырьмя длинными стержнями. Через отверстие для наблюдения в крышке в камеру заливается спирт, чтобы на дне оказался слой его высотой 2 -т- 3 мм. При заливке надо следить, чтобы камера стояла горизонтально и уровень спирта на дне был бы везде одинаков. В корытце (9) спирт заливается через отверстие «а» в крышке (3) камеры.

Фиксирующие стержни одновременно вынимаются, и с"ухой лед" поджимается пружинами ко дну. После этого примерно через 20 мин. около дна камеры можно наблюдать следы частиц. Высота слоя, в котором видны следы частиц (чувствительного слоя), в данной камере составляет примерно 20 мм. Освещение чувствительного слоя производится сбоку. Для этой цели может быть использован осветитель с лампой накаливания мощностью 100 ~ 300 вт и дающий более или менее параллельный пучок света (эпидиаскоп, например).

Боковые стенки камеры в процессе работы обмерзают. Поэтому стенку камеры, через которую производится освещение, следует время от времени протирать тряпочкой, смоченной в спирте. Перед сборкой камеры внутренние поверхности стенок, дна и крышки, а также и корытце должны быть промыты спиртом. Наблюдение надо вести в темной комнате.

В качестве источника a - частиц могут быть использованы часы со светящимся циферблатом, которые подносятся вплотную к камере. Можно радиоактивное вещество нанести на кончик проволоки и ввести его в чувствительный слой. Однако источник частиц не должен находиться длительное время в чувствительном слое, так как на нем конденсируются пары спирта и вылет частиц прекращается.

Конструкция камеры не обязательно должна быть прямоугольной. Если найдется круглая стеклянная байка подходящего диаметра, можно использовать и ее.