Юрий Романов
“Это самый оригинальный и замечательный инструмент в истории науки”
(Эрнест Резерфорд)
14 февраля 1869 года , 145 лет назад, на ферме близ Эдинбурга (Шотландия) родился Чарльз Томсон Риз Вильсон. Учился он в одной из частных школ Манчестера, затем в тамошнем университете и мечтал стать врачом. Завершать образование он отправился в Кембридж, и тут вектор его интересов резко изменил направление. Его заинтересовали естественные науки.
В конце лета 1894 года Вильсон приехал в Шотландию и совершил восхождение на Бен-Невис, самую высокую из местных гор. Это была не научная экспедиция, Вильсон был спортсмен, альпинист и решил прогуляться по родным местам. С этой прогулки, как мы теперь можем судить, и началась новая жизнь Вильсона-учёного. Там, на вершине, он был просто очарован великолепной игрой света в окружающих его облаках; он любовался цветными гало вокруг теней, отбрасываемых скалами. В общем, там, на вершине Бен-Невис, ему страшно захотелось все увиденные им явления воспроизвести в лаборатории. Физика атмосферы - вот как теперь называется его новое увлечение.
Нобелевская премия 1927 года. Частицы в тумане
В 1895 году Чарльз Вильсон, будучи аспирантом в Кембриджской лаборатории Дж. Дж. Томпсона, начинает цикл экспериментов, чтобы понять процессы образования облаков. Он придумывает аппарат в виде прозрачного цилиндра, дно у которого может перемещаться. Быстрое движение поршня вниз приводило к увеличению объёма камеры и падению давления и температуры в ней. При этом сквозь прозрачное окно цилиндра Вильсон наблюдал в камере сгущающийся туман. Явление это было уже хорошо известно: на мельчайших частичках пыли конденсировалась влага, ничего нового, всё как обычно… Почему Вильсон решил повторить этот опыт, наполнив свой аппарат максимально очищенным от пыли воздухом, - вот где загадка. Что-то подсказывала интуиция учёного? Или просто решил убедиться, что в «обеспыленном» воздухе конденсации не будет, да и закрыть этот вопрос?
Так или иначе, но опыт дал неожиданный результат: в чистом воздухе туман всё равно образуется. Почему? Что в этом случае может являться центрами конденсации? Много лет спустя Вильсон так описывал эмоциональное состояние, в котором находился в те дни: «Я был очень возбуждён, ведь почти сразу же я наткнулся на нечто, обещающее быть значительно более интересным, чем те оптические явления, ради которых я всё это начинал». Вильсон делает гениальное предположение, что влага конденсируется на ионах - заряженных частицах, каким-то образом возникающих в воздухе.
Чтобы проверить эту догадку, Вильсон берёт взаймы у профессора Томпсона одну из его драгоценных рентгеновских трубок (ему пришлось постоянно бороться со страхом повредить или ненароком разбить прибор). Изучением ионизирующих свойств рентгеновских лучей в это время как раз и занимался Томпсон, ставший поэтому заинтересованным участником опытов своего аспиранта. Вот как он описывал творческие муки молодого Вильсона: «Создание туманной камеры [так назывался этот прибор до момента присвоения ему имени изобретателя. - Ю. Р.
] оказалось чрезвычайно трудоёмким процессом. Для неё потребовалось несколько очень сложных стеклянных деталей, которые Вильсон изготовил сам, освоив профессию стеклодува. Пол лаборатории был устлан осколками, колбы лопались вновь и вновь. Вильсон не расстраивался, начинал всё сначала, только приговаривал, пристраивая к аппарату очередную колбу: “Милая, милая, ты же потерпишь немного?”»
Прибор, который нам знаком как «камера Вильсона» и который на 40 лет станет самым важным инструментом в арсенале физики элементарных частиц, был изготовлен в 1910 году. Через год ему удаётся сделать первые фотографии туманных треков (следов) заряженных частиц, пролетавших через камеру. В 1959-м, в возрасте 90 лет, он не забыл эти события и описал их такими словами: «Я до сих пор хорошо помню моё восхищение от полученных результатов. Эти следы были великолепны. Они напоминали волоски или огоньки, возникающие то тут, то там… Это было потрясающе».
В 1927 году ему присуждают Нобелевскую премию по физике «за метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара». Заниматься дальнейшими усовершенствованиями своей камеры он не стал: проблемы электрофизики атмосферы его интересовали значительно больше. В конце жизни он переселился с семьёй в деревушку Карлопс. Бывший депутат парламента Тэм Дэлиелл, проживавший с ним по соседству, так вспоминает первую встречу с Вильсоном: «Шёл дождь. В мою дверь постучали, я открыл. На пороге стоял сосед, и он спросил, не хочу ли я прийти к нему выпить чашечку чаю. Пока он занимался чайником, я заметил на стене фотографию, которая заставила меня замереть. На ней были 15 мужчин и одна женщина. Альберт Эйнштейн, Мария Кюри и все великие физики того времени. Среди них был мужчина, он был моложе на 40 лет, чем сейчас, но это был пригласивший меня на чай сосед. Я чуть не упал. Оказывается, он и есть тот самый великий Вильсон, который помог человечеству вступить в ядерный век».
Нобелевская премия 1948 года. Туман под контролем
Принципиально улучшить камеру Вильсона удалось Патрику Мейнарду Стюарту барону Блэкетту. Кадровый офицер ВМФ принимал участие в боях Первой мировой войны на Фолклендских островах и в Ютландии. После войны ушёл в отставку и занялся физикой под руководством Эрнеста Резерфорда в Кембридже.
Позднее он добьётся замечательных научных результатов и сделает несколько выдающихся открытий, но всё это - тема отдельного разговора. Сейчас важно другое. В 1932 году, работая с молодым итальянским физиком Джузеппе Очиалини (на фото ниже), он разработал изящную комбинацию камеры Вильсона и двух счётчиков Гейгера - Мюллера, один из которых помещался над камерой, а второй - под нею. Специальная электронная схема запускала камеру Вильсона в работу, только если оба счётчика срабатывали одновременно.
Благодаря изобретению Блэкетта камера Вильсона приобрела «диаграмму направленности»; её теперь можно было настраивать на фиксацию частиц, прилетающих с заданного направления. Более того, устанавливая порог срабатывания счётчиков Гейгера, оказалось возможным фильтровать наблюдаемые частицы по энергиям. Оба эти фактора привели к колоссальному прогрессу в области исследований космических лучей, астрофизики и физики элементарных частиц в целом. В 1948 году Блэкетт был удостоен Нобелевской премии по физике «за усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации».
Нобелевская премия 1960 года. Пузыри и туман
Если в камере Вильсона треки заряженных частиц образовывались за счёт конденсации переохлаждённого пара на ионах, то в приборе, который изобрёл в 1953 году и назвал «пузырьковой камерой» Дональд Артур Глейзер, следы частиц возникали в перегретой жидкости при понижении давления. В этом случае возникал как бы «туман наоборот»: по ходу движения частицы в жидкости образовывались цепочки пузырьков, наполненных паром.
Глейзер провёл множество экспериментов с различными жидкостями, включая даже пиво (сначала он утверждал, что сама идея пузырьковой камеры пришла ему в голову, когда он наблюдал «вскипание» пива при откупоривании бутылки; позже признался, что «пивного вдохновения» не было, но факт остаётся фактом: в первые модели пузырьковой камеры он заливал светлое пиво, и камера отлично работала!)
Пузырьковая камера Глейзера оказалась настолько удачным прибором, что с 60-х годов она полностью вытесняет камеры Вильсона. И Нобелевская премия по физике 1960 года досталась Дональду Глейзеру именно «за изобретение пузырьковой камеры». Эксперименты на ускорителях во всём мире начинают проводиться с использованием всё более крупных криогенных пузырьковых камер, которые превращаются в сложнейшие инженерные комплексы, нафаршированные электроникой.
Сейчас «эпоха тумана и пара» в экспериментальной физике частиц завершается, и на смену пузырьковым камерам приходят новые типы детекторов. Но это уже совсем другая история…
Камера Вильсона - трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения.
Принцип работы первой камеры Вильсона. На нитке 1 подвешены шарики 2 и 3. Нитку пережигали, одновременно открывая вентиль 4. Шарики, падая, замыкали последовательно контакты 5 и 6, подключенные к источникам высокого напряжения - батареям лейденских банок. Включалась рентгеновская трубка 7, ионизирующая своим излучением газ в камере, и спустя сотые доли секунды в разряднике 8 возникала искра, освещающая треки. Их снимал фотоаппарат 9. Так без малого сто лет назад начались исследования микромира.
Действие камеры Вильсона основано на явлении конденсации пересыщенного пара, т.e. на образовании мелких капелек жидкости на каких-либо центрах конденсации, например на ионах, образующихся вдоль следа быстрой заряженной частицы. Капли жидкости вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10-3 -10-4 см) и фотографирования при хорошем освещении.
Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно 0.3 мм.
Рис. 3.
Для исследования частиц с малой энергией камеры заполняют газом при давлении меньше атмосферного. Для исследования частиц высоких энергий камеру наполняют газом до давлений в десятки атм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1-2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта - на положительных ионах). Широко варьируются размеры и форма камер, материалы их стенок.
Камера Вильсона сыграла важную роль в изучении строения вещества. На протяжении нескольких десятилетий этот детектор был практически единственным визуальным методом регистрации ядерных излучений. Однако в последние годы камера Вильсона уступила место пузырьковым и искровым камерам.
Д.В. Скобельцын усовершенствовал камеру Вильсона, поместив её в мощное магнитное поле, параллельно оси камеры. По искривлению траектории можно судить о знаке заряда, а если известны заряд и масса частицы, то по радиусу кривизны траектории можно определить скорость и энергию частицы. Если температура жидкости выше температуры кипения при данном давлении, а жидкость не вскипает, то такую жидкость называют перегретой. Это состояние не стабильно, оно разрушается, если создать в жидкости центры парообразования. Идея создания пузырьковой камеры принадлежит английскому ученому Глезеру (1952 год). Если через камеру, содержащую перегретую жидкость, пролетает частица большой энергии, то на ионах, образовавшихся на пути этой частицы, возникают пузырьки пара и дают след траектории частицы, который можно сфотографировать.
Рис. 4.
Быстрые заряженные частицы производят на зерна фотоэмульсии такое же воздействие, как и кванты света. Так как плотность вещества эмульсии во много раз превышает плотность воздуха, то след, оставленный быстрой частицей в эмульсии в тысячи раз короче, чем в воздухе. Поэтому для исследования частиц очень большой энергии применяются стопки, состоящие из листков эмульсии. Метод толстослойных фотоэмульсий был предложен советскими учеными Мысовским и Ждановым.
Для исследования распределения заряженных частиц по скоростям используются черенковские счетчики, основанные регистрации излучения Вавилова-Черенкова, возникающего при движении в среде заряженной частицы, имеющей скорость, большую скорости света в данной среде.
Биологические методы регистрации излучений.
Для регистрации ионизирующих излучений используют также биологические методы. Величину дозы оценивают по уровню летальности живых организмов, степени лейкомии, количеству хромосомных аберраций, изменению окраски и гиперемии кожи, выпадению волос, появлению в выделениях дезоксицитидина и др. Биологические методы не очень точны и менее чувствительны по сравнению с физическими методами. Однако они незаменимы в случае определения относительной биологической эффективности тяжелых частиц с большой энергией, а также при учете индивидуальных различий радиочувствительности.
Расчетные методы регистрации излучений.
В расчетных методах дозу излучения определяют путем математических вычислений. Это единственно возможный метод для определения дозы от инкорпорированных радионуклидов. Математический метод широко применяют для определения поглощенной и интегральной доз, исходя из экспозиционной и терапевтической доз от закрытых радиоактивных препаратов.
Дозиметрические приборы позволяют определять экспозиционную или поглощенную дозы излучения или мощность доз. Они предназначены для оценки радиационной обстановки в жилых, рабочих помещениях и на местности. Эти приборы просты в эксплуатации. К такому типу приборов относятся сигнализаторы-индикаторы, позволяющие выявить и оценивать мощность гамма-излучений с помощью световой и звуковой индикации. Измерители-индикаторы позволяют выявить радиоактивное загрязнение и одновременно измерять мощность гамма излучения. В общем случае оценку мощности гамма-излучения проводят на высоте 1 метр от поверхности земли и в 30 метрах от строений. Если снять заднюю крышку дозиметра можно измерить плотность потока бета-излучения, пользуясь пересчетной формулой, указанной в техническом описании прибора.
При своей простоте дозиметры позволяют определять уровень загрязнения лишь качественно.
Например, если дозиметр показывает 10 мкР/ч (0,1 мкЗв/ч) на расстоянии 5 см от одного килограмма продукта, это соответствует удельной активности 3500 Бк/кг, что свидетельствует об очень высоком уровне радиоактивного загрязнения.
Для более точных измерений применяют радиометры. Исследуемые пробы (продукты, почва, вода) помещают в отдельный сосуд, который изолирован от внешнего излучения, что позволяет зафиксировать даже незначительную величину излучения. Одним из наиболее удобных радиометров является Беккерель-монитор "Berthold", который позволяет определить загрязненность продуктов питания с точностью до 2 %.
К наиболее распространенным отечественным приборам радиационного контроля, которыми пользуется население, относятся:
Дозиметр "Сосна" - позволяет определить мощность экспозиционной дозы гамма-излучения и плотность потока бета-излучения. Имеет звуковую сигнализацию. Схожие характеристики имеет дозиметр "Белла".
Дозиметр-радиометр "Припять" измеряет степень радиоактивного загрязнения поверхностей продуктов.
Дозиметр-радиометр РКСБ-104 также измеряет уровень радиации и загрязненность объектов радионуклидами.
Существуют и другие приборы с подобными функциями.
ионизирующий детектор гейгер пузырьковый
Табл. 1. Единицы дозиметрии
ВИЛЬСОНА КАМЕРА, трековый детектор частиц. Создана Ч. Т. Р. Вильсоном в 1912 году. В Вильсона камере следы (треки) заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации пересыщенного пара на ионах, образованных движущейся заряженной частицей в газе. Возникшие на ионах капли жидкости вырастают до больших размеров, и при достаточно сильном освещении их можно сфотографировать. Пересыщение достигается быстрым (почти адиабатическим) расширением смеси газа и пара и определяется отношением давления р 1 пара к давлению р 2 насыщенных паров при температуре, устанавливающейся после расширения. Величина пересыщения, необходимая для образования капель на ионах, зависит от природы пара и знака заряда иона. Так, водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта - на положительных. В Вильсона камере чаще используют смесь воды и спирта, в этом случае требуемое пересыщение р 1 /р 2 ≈1,62, что является минимальным из всех возможных значений.
Исследуемые частицы могут либо испускаться помещаемым внутри камеры источником, либо попадать в камеру через прозрачное для них окно. Природу и свойства исследуемых частиц можно установить по длине пробега и импульсу частиц. Для измерения импульсов частиц Вильсона камеру помещают в магнитное поле; для образования вторичных частиц в Вильсона камере располагают пластины из плотного материала, оставляя между ними зазоры для наблюдения следов частиц.
Вильсона камера может использоваться в так называемом управляемом режиме, когда она приводится в действие пусковым устройством, срабатывающим при попадании в неё исследуемой частицы. Полное время цикла обычной Вильсона камеры ≥ 1 мин. Оно складывается из времени, нужного для медленного (очищающего) расширения, времени, необходимого для прекращения движения газа, и времени диффузии пара в газе. В качестве источников света при фотографировании треков частиц используют импульсные лампы большой мощности.
С помощью Вильсона камеры сделан ряд открытий в ядерной физике, физике элементарных частиц. Наиболее яркие из них связаны с исследованиями космических лучей: открытие широких атмосферных ливней (1929), позитрона (1932), обнаружение следов мюонов, открытие странных частиц. В 1950-60-х годах Вильсона камера была практически полностью вытеснена пузырьковой камерой, обладающей большим быстродействием и поэтому более пригодной к работе на современных ускорителях заряженных частиц.
Лит.: Дас Гупта Н., Гош С. Камера Вильсона и ее применения в физике. М., 1947; Вильсон Дж. Камера Вильсона. М., 1954; Принципы и методы регистрации элементарных частиц. М., 1963.
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.
В конце XIX века ученые открыли радиоактивное излучение урана и установили, что оно представляет собой поток разнообразных быстрых частиц. Можно ли проследить за их движением и взаимодействием с различными мишенями? Ведь эти частицы меньше атома, а их скорость соизмерима со скоростью света: даже относительно тяжелые и медленные альфа-частицы уже движутся со скоростью около 5% от световой и представляют собой лишь крохотное ядро одного из самых легких элементов — гелия.
1. В качестве корпуса камеры мы взяли прозрачную акриловую коробку от конфет. Можно использовать и любую другую прозрачную прямоугольную или цилиндрическую емкость (даже целый аквариум). Главное, чтобы материал стенок не лопался от сильных перепадов температуры, так что пластик предпочтительнее стекла.
Камера Вильсона
В 1912 году Чарльз Вильсон, исследовавший до этого далекие от ядерной физики процессы образования туманов и дождей, сконструировал камеру, за которую в 1927 году получил Нобелевскую премию. В ней резкое движение поршня на доли секунды создавало перенасыщенный пар какой-либо летучей жидкости. Перенасыщенный пар неустойчив, малейшие возмущения заставляют его сконденсироваться в капли. Пролетающие через объем камеры альфа- и бета-частицы оставляют за собой след ионов воздуха, который немедленно вызывает конденсацию жидкости, создавая видимый невооруженным глазом трек (след), в точности повторяющий траекторию частицы. По длине и толщине трека можно судить об энергии, скорости и массе частицы. Толстые треки остаются за тяжелыми медленными частицами, а легкие и быстрые дают тонкий, едва заметный след.
Камера Вильсона, особенно помещенная по предложению советских физиков Петра Капицы и Дмитрия Скобельцына в сильное магнитное поле, оказалась феноменально эффективным инструментом, позволившим сделать множество открытий — в частности, обнаружить позитроны и мюоны. Однако она имела серьезный недостаток — находилась в чувствительном к частицам состоянии в лучшем случае секунды. Это делало ее совершенно непригодной для исследования редких случайных событий.
Диффузионная камера
Во второй половине 1930-х годов американский физик Александр Лангсдорф-младший решил эту проблему. Вместо того чтобы создавать перенасыщенный пар резким снижением давления, он создал в камере постоянный градиент температуры. В области высокой температуры испарялась летучая жидкость, пары диффундировали в область низкой температуры и там непрерывно находились в перенасыщенном состоянии, всегда готовые показать исследователям траектории частиц. Кроме непрерывности работы, диффузионная камера Лангсдорфа имеет еще одно достоинство: ее предельно просто сделать. Она состоит из емкости с прозрачными стенками и нагревателем вверху и/или охладителем внизу. Вверху также располагается ткань, вата или иное пористое хранилище для жидкости. Вот, собственно, и вся конструкция. Именно такую камеру мы решили собрать в редакции «Популярной механики».
Антимир своими глазами
Используя неодимовые магниты, можно заставить частицы двигаться по искривленной траектории. А если вместо электрода с торием поместить в камеру небольшое количество калийных удобрений (природный калий содержит бета-активный калий-40) и набраться терпения, то можно будет лично наблюдать античастицы — позитроны. Калий-40, пусть и очень редко, испускает их вместо обычных электронов. В магнитном поле треки редких позитронов отклоняются в противоположную по отношению к электронам сторону.
