Самое интересное о камере вильсона. Облачная камера Вильсона: как сделать своими руками. Наиболее известные применения прибора

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

Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории её движения. Изобретена
Ч. Вильсоном в 1912 г. (Нобелевская премия 1927 г.).
Важным этапом в методике наблюдения следов частиц явилось создание камеры Вильсона (1912 г.). За это изобретение Ч. Вильсону в 1927 г. присуждена Нобелевская премия. В камере Вильсона (см. рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10 -3 -10 -4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно ≈ 0.3 мм. 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). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.

Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.
Наблюдение позитрона в камере Вильсона (рис. 2) , помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек посредине, слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии, и по выходе из которого двигается с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлён сильнее.

Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Эффективность камеры Вильсона, работающей в таком режиме, многократно возрастает. “Управляемость” камеры Вильсона объясняется тем, что можно обеспечить очень высокую скорость расширения газовой среды и камера успевает отреагировать на запускающий сигнал внешних счётчиков.

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.

2. К верхней крышке обычным канцелярским скотчем или суперклеем крепится марлевый жгут с ватой внутри, пропитанный спиртом (этиловым или изопропиловым). Дно заклеивается черной изолентой, чтобы белые треки частиц были лучше видны (можно покрасить дно черной матовой краской или приклеить лист черной бумаги). В качестве источника частиц мы взяли сварочный электрод марки WT-20, состоящий из вольфрама с добавкой 2% тория (несмотря на радиоактивный торий, электроды безопасны, если их не глотать).

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.

3. Конструкция охладителя тоже предельно проста: в пластиковый пищевой контейнер насыпаются гранулы сухого льда, сверху кладется миллиметровый лист алюминия, позволяющий сделать охлаждение максимально равномерным.

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».

4. Далее устанавливаем камеру на алюминиевый лист охладителя и подсвечиваем ее сбоку фонариком. Через несколько минут, когда в коробке установится градиент температур и вблизи дна образуются перенасыщенные пары спирта, можно любоваться медитативным зрелищем треков альфа-частиц — туманных следов, которые рождаются в объеме камеры и плавно опускаются на дно.

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.

Как мы видели, радиоактивные излучения обладают ионизационным и фотографическим действием. Оба эти действия свойственны как быстрым заряженным частицам, так и рентгеновскому излучению, представляющим собой электромагнитные волны. Чтобы выяснить, обладает ли радиоактивное излучение зарядом, достаточно подвергнуть его действию электрического или магнитного поля.

Рассмотрим следующий опыт. В откачанную коробку (рис. 377, а) перед узкой щелью в свинцовой перегородке 2 помещен радиоактивный препарат 1 (например, крупинка радия). Установим по другую сторону щели фотографическую пластинку 3. После проявления мы увидим на ней черную полоску - теневое изображение щели. Свинцовая перегородка, следовательно, задерживает радиоактивные лучи; и они проходят в виде узкого пучка через щель. Поместим теперь коробку между полюсами сильного магнита (рис. 377, б) и снова установим в положение 3 фотопластинку. Проявив пластинку, обнаружим на ней уже не одну, а три полоски, из которых средняя соответствует прямолинейному распространению пучка из препарата через щель.

Рис. 377. Отклонение радиоактивного излучения магнитным полем: а) траектории лучей в магнитном поле (штриховой круг – проекция полюсов магнита; линии поля направлены из-за плоскости чертежа на нас); в) лист бумаги толщиной полностью поглощает излучение, 1 - радиоактивный препарат, 2 - свинцовый экран, 3 - фотопластинка, 4 - лист бумаги толщины

Таким образом, в магнитном поле пучок радиоактивного излучения разделился на три составляющие, из которых две отклоняются полем в противоположные стороны, а третья не испытывает отклонения. Первые две составляющие представляют собой потоки противоположно заряженных частиц. Положительно заряженные частицы получили название частиц или излучения. Отрицательно заряженные частицы называют частицами или излучением. Магнитное поле отклоняет частицы несравненно слабее, чем частицы. Нейтральная компонента, не испытывающая отклонения в магнитном поле, получила название излучения.

излучения сильно отличаются друг от друга по свойствам, в частности по способности проникать сквозь вещество. Для исследования проникающей способности радиоактивного излучения можно использовать тот же прибор (рис. 377, в). Будем помещать между препаратом 1 и щелью экраны возрастающей толщины, производить снимки в присутствии магнитного поля и отмечать, начиная с какой толщины экрана исчезнут следы лучей каждого рода.

Оказывается, первым исчезает след частиц. частицы полностью поглощаются уже листом бумаги толщины около (рис. 377, в; 378, а). Поток частиц постепенно ослабляется с увеличением толщины экрана и поглощается полностью при толщине алюминиевого экрана в несколько миллиметров (рис. 378, 6). Наиболее проникающим является излучение. Слой алюминия толщины почти не ослабляет интенсивности излучения.

Рис. 378. Поглощение радиактивных излучений веществом

Вещества с большим атомным номером обладают значительно большим поглощающим действием для излучения; в этом отношении излучение сходно с рентгеновским. Так, свинца ослабляет пучок излучения примерно в два раза (рис. 378, в).

Различие в свойствах излучений наглядно проявляется в так называемой камере Вильсона - приборе для наблюдения путей быстрых заряженных частиц. Камера Вильсона (рис. 379) представляет собой стеклянный цилиндр 1 со стеклянной крышкой, в котором может перемещаться поршень 2. Объем цилиндра над поршнем заполнен воздухом, насыщенным паром воды (или спирта). При резком опускании поршня воздух в камере охлаждается вследствие быстрого расширения. Пар воды становится пересыщенным, т. е. создаются условия для конденсации пара на ядрах конденсации (см. том I, § 300). В качестве ядер конденсации могут служить продукты ионизации воздуха. Ионы поляризуют молекулы воды и притягивают их к себе, облегчая этим конденсацию. Ядрами конденсации могут служить также частички пыли, но при работе с камерой Вильсона воздух в ней тщательно очищают.

Рис. 379. Камера Вильсона (упрощенная схема): 1 – стеклянный цилиндр, 2 - поршень, 3 - осветитель, 4 – фотоаппарат. Воздух над поршнем насыщен паром воды

Пусть пар в камере находится в состоянии пересыщения. Быстрая заряженная частица, пролетая через камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов. На каждом ионе оседает капелька, и траектория частицы становится видимой в виде туманного следа. Освещая туманные следы сбоку сильной лампой 3 (рис. 379), можно сфотографировать их через прозрачную крышку камеры. Такие фотографии изображены на рис. 380 и 381. С помощью этого замечательного метода мы имеем возможность наблюдать траекторию полета (след) одной-единственной или частицы. Туманные следы существуют в камере недолго, так как воздух нагревается, получая тепло от стенок камеры, и капли испаряются. Чтобы получить новые следы, необходимо удалить имеющиеся ионы с помощью электрического поля, сжать воздух поршнем, выждать, пока воздух в камере, нагревшийся при сжатии, охладится, и произвести новое расширение.

Рис. 380. Следы и частиц в камере Вильсона. Частицы испускаются радиоактивным препаратом, помещенным в нижние части камеры: а) частицы: камер в магнитном поле направленном перпендикулярно плоскости рисунка от пас; б) частицы: магнитное поле направлено на нас

Рис. 381. Фотография следов в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле и облучаемой излучением. Вверху - расположение источника: 1 - радиоактивный препарат, 2 - свинцовый экран с щелью, - пучок излучения

Ценность камеры Вильсона как физического прибора значительно возрастает, если поместить ее в магнитное поле, как это сделали советские физики Петр Леонидович Капица (1894-1984) и Дмитрий Владимирович Скобельцын (р. 1892). Магнитное поле искривляет траектории частиц (рис. 380). Направление изгиба следа позволяет судить о знаке заряда частицы; измерив радиус траектории, можно определить скорость частицы, если известны ее масса и заряд (см. § 198).

Длина следов частиц в воздухе при атмосферном давлении составляет около и много меньше длины следов большинства частиц. Следы частиц гораздо жирнее следов частиц, что свидетельствует о меньшей ионизующей способности последних.

На рис. 381 представлена камера Вильсона, помещенная в магнитное поле и облучаемая источником излучения. Пучки излучения не отклоняются магнитным полем, и их траектории в камере должны представлять собой прямые линии, исходящие из источника. Таких прямолинейных следов на фотографии нет. Следовательно, излучение не оставляет на своем пути непрерывной цепочки ионизованных атомов. Действие излучения на вещество сводится к редкому выбиванию из атомов электронов, которым за счет энергии квантов сообщается большая скорость; эти электроны затем производят ионизацию атомов среды. Траектории таких электронов, изогнутые магнитным полем, видны на рис. 381. Большинство электронов исходит из стенок камеры.

Отметим в заключение, что большинство радиоактивных веществ излучает только один род частиц - либо частицы, либо частицы. Испускание частиц часто (но не всегда) сопровождается испусканием излучения.