Камера Вильсона – детектор частиц

Камера Вильсона представляет собой детектор заряженных частиц, таких как электроны, протоны, мюоны, позитроны и альфа частицы. Камера была изобретена Чарльзом Вильсоном в 1912 году, за это Вильсон получил Нобелевскую премию по физике. Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации пересыщенных паров спирта. Частица движущаяся в пересыщенном паре, ионизирует его атомы, что вызывает мгновенную конденсацию паров спирта, в результате возникает след из мельчайших капель спирта, который можно зарегистрировать невооруженным взглядом.

Частица в камере Вильсона оставляет след, толщина которого зависит от заряда частицы. Чем больше заряд, тем толще след, самые толстые треки оставляют альфа частицы (ядра атомов гелия). Толщина следа также зависит от скорости (энергии) частицы, чем выше скорость, тем тоньше след. Если один и тот же след имеет разную толщину, то можно установить направление движения частицы, обычно при замедлении частицы, след становится толще.

Для создания пересыщенного пара в камере Вильсона используется адиабатическое расширение, состояние перенасыщения длится всего лишь доли секунды, что не очень удобно для наблюдений.

В 1936 году Александр Лангсдорф разработал диффузионную камеру, которая обладала непрерывной чувствительностью, что позволяло вести наблюдения в реальном времени. Для создания пересыщенного пара в диффузионной камере используется резкое охлаждение паров спирта. Спирт подогревается в верхней части камеры, нижняя часть камеры охлаждается до отрицательных температур -40°…-35°. Насыщенные теплые пары спирта испаряясь, опускаются на охлаждаемую поверхность, где при резком охлаждении становятся пересыщенными. Таким образом, пока температура спирта и охлаждаемой поверхности поддерживается на заданном уровне, состояние пересыщенного пара не разрушается, и камера обладает непрерывной чувствительностью.

Я разработал и сконструировал свой вариант камеры Вильсона на основе холодильной установки. Активная поверхность имеет размеры 41х22 см, что вполне достаточно для комфортных наблюдений. Охлаждение активной поверхности осуществляется с помощью низкотемпературного холодильного компрессора, до температур -40°…-35°, в зависимости от температуры окружающей среды.

В качестве спирта используется абсолютированный изопропиловый спирт, который заливается в желоб, установленный по периметру активной поверхности. Спирт подогревается до температуры +20°, и поддерживается на этом уровне с помощью электронного термостата.

Время выхода на рабочий режим (охлаждение активной поверхности до -35°) составляет 15 минут. Стеклянная камера по бокам имеет отверстия (закрыты резиновыми заглушками), через которые, в камеру можно вносить радиоактивные материалы, прямо во время работы. В данной камере Вильсона используется одиночная стеклянная камера, во время работы стекло охлаждается и покрывается инеем. Чтобы избежать этого, требуется внешний обогрев с помощью инфракрасной лампы. Кроме устранения инея, обогрев стабилизирует и улучшает видимость следов внутри камеры. Обычно в диффузионных камерах используют две стеклянные камеры, между которыми циркулирует тёплый воздух, но это ухудшает видимость из-за двойного слоя стекла, и усложняет конструкцию.

В установке имеется встроенный источник альфа частиц на основе оксида тория-232. При необходимости в камеру можно подать слабый поток воздуха, содержащий радиоактивные атомы. Цепочка распада тория-232 содержит радиоактивный газ радон-220, который имеет интересную особенность. Радон при распаде излучает альфа частицу и превращается в полоний-216, который в свою очередь распадается за доли секунды, также с испусканием альфа частицы. В результате можно наблюдать почти одновременное появление сразу двух частиц из одной точки. Такие следы выглядят в виде латинской буквы V.

После запуска камеры Вильсона, над активной охлаждаемой поверхностью можно наблюдать естественную радиацию, это одиночные треки альфа частиц и множественные треки электронов различных энергий. Все наблюдаемые электроны образованы внутри стеклянной камеры, так как не могут пробить стекло толщиной 4 мм. Это электроны выбитые из электронных оболочек атомов в результате фотоэффекта. Альфа частицы же возникают в результате распада радиоактивного газа, радона-222, который присутствует повсеместно в воздухе и в воде, поднимаясь из недр Земли. Радон-222 образуется в результате распада урана-238, и составляет основную долю естественной радиации. Изредка в камере можно наблюдать пролет высокоэнергетических мюонов космического излучения, а также протонов.

Самый доступный источник ионизирующего излучения который можно наблюдать в диффузионной камере — это вольфрамовый электрод с примесью тория 232. Обладает очень слабой радиоактивностью в виде редких альфа частиц и электронов.

Также можно приобрести более активный источник альфа частиц на основе америция 241, который используется в специальных датчиках детекторов дыма. Такой источник обладает довольно интенсивным альфа излучением.

Под активной поверхностью, можно разместить неодимовый магнит, тем самым задействовав магнитное поле в камере Вильсона. Как известно, на заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Под действием этой силы, траектории частиц будут искривляться по дуге. Это явление можно с легкостью наблюдать в диффузионной камере, на примере электронов. В зависимости от направления магнитного поля под рабочей поверхностью, треки электронов испускаемые одним источником, будут искривляться по часовой стрелке, либо против. Также по радиусу кривизны траектории, можно вычислить энергию электрона.

В комплекте с камерой Вильсона могут поставляться дополнительные источники ионизирующего излучения. Контрольный источник бета излучения на основе стронция и иттрия, данное излучение представляет собой интенсивный поток быстрых электронов.