Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
P ч
Pk Ps -T / / / 1\ /I I
Paa \ I
Pn і I Рмин L L^ і і Jx / / Рмин I I I I I I I I ,
T(Ph) TpaS тк
Чем ниже давление ри, тем больше перегрев жидкости. При заданной начальной температуре Tpa6 необходимо выбрать такое значение ра, чтобы в жидкости был достаточный перегрев для образования зародышевых пузырьков заряженной частицей, но, с другой стороны, рн должно быть больше некоторого минимального значения
* Естественно, жидкость можно перевести в метастабильное состояние и повышением температуры при постоянном давлении, но такой процесс оказывается очень медленным.
262- Рмин. ПРИ котором жидкость вскипает из-за флуктуаций плотности. На диаграмме р — T показаны кривые рмин и ргр. Кривая ргр соответствует граничным значениям перегрева, ниже которых заряженные частицы не образуют зародышевых пузырьков.
В грязных камерах максимальное значение перегрева меньше, чем в чистых камерах, и ограничивается паразитным пристеночным кипением. Это связано с тем, что чем больше перегрев жидкости, тем быстрее происходит вскипание жидкости у стенок и тем быстрее в центральной области камеры повышается давление и, следовательно, исчезает необходимый для образования зародышевых пузырьков перегрев жидкости. На диаграмме для грязных камер проведена кривая р'мин- Заштрихованная область между кривыми ргр и р'мин соответствует области чувствительности перегретой жидкости к ионизирующему излучению. Видно, что существует довольно узкая область давлений рн и температур Граб. при которых жидкость оказывается чувствительной к ионизирующему излучению. Экспериментально было установлено, что наилучшую начальную температуру для многих жидкостей можно определить из следующего соотношения:
^pa6 ~ Tma + 2 (Гкр - 7КИП)/3, (8.18)
где Гкр — критическая температура; Гкип — температура кипения жидкости при атмосферном давлении. Верхнее давление в камере рн выбирают обычно более высоким, чем P00, так как конденсация паровых полостей начинается при р = рх. Чем больше давление рв, тем меньше время конденсации пузырьков и тем короче рабочий цикл камеры.
Выбор нижнего давления рн зависит от необходимой чувствительности камеры, которую определяют по числу пузырьков на единице длины трека заряженной частицы. Чувствительность камер очень сильно зависит от перегрева жидкости или от (P00 — рн). Так, для камеры, наполненной пропаном при Граб = 60° С, релятивистские электроны образуют в среднем пять пузырьков на 1 см при (P00 — рн) = 9 атм, а при (P00 — рн) = 11 атм число пузырьков на 1 см трека достигает 30.
На второй диаграмме (см. рис. 8.5) показана зависимость давления в камере от времени. Жидкость в камере имеет давление насыщенных паров P00 и температуру Tvаб. В начальный момент жидкость находится при давлении рв> P00. В момент t0 в камере уменьшается давление (происходит расширение). Время расширения tp определяется механизмом, изменяющим давление в камере, и пристеночным кипением. Время tp обычно составляет около 10 мсек. За время tp давление в камере снижается до.рн. Как только давление оказывается ниже ргр, жидкость в камере становится чувствительной к ионизирующему излучению. После расширения жидкость в камере остается практически при постоянном перегреве в течение нескольких миллисекунд tn. В течение времени tu попавшие в камеру заряженные частицы образуют паровые пузырьки, которые
2G3 фотографируются при импульсном освещении. После этого в камере повышают давление до первоначального рв за время примерно 10 мсек. Если после расширения давление в камере не изменять, то в результате пристеночного кипения за время порядка десятых долей секунды давление в камере вырастет до P00 (этот процесс изображен на диаграмме пунктирной кривой). Время чувствительности камеры т определяется временем, в течение которого давление в камере ниже ргр.
Длительность рабочего цикла камеры во многом определяется временем, в течение которого камера выдерживается со сброшенным давлением. Если это время велико, то пузырьки успевают вырасти до значительных размеров и переместиться в верхнюю часть камеры, где и произойдет их конденсация после повышения давления в камере. Таким образом, будет происходить охлаждение нижней части камеры (поглощение тепла при образовании пара) и нагрев ее верхней части (выделение тепла при конденсации пузырьков). Это создаст нежелательный температурный градиент в камере, выравнивание которого может потребовать несколько минут из-за малой теплопроводности жидкости. Однако большие значения рв и малые времена /п позволяют сделать рабочий цикл пузырьковых камер порядка 1 сек.
Выбор жидкостей для пузырьковых камер. Жидкость для пузырьковой камеры определяется содержанием проектируемого физического эксперимента. Для изучения взаимодействия элементарных частиц наилучшей рабочей средой является жидкий водород— идеальная мишень для исследования элементарных столкновений. Большой интерес для изучения элементарных взаимодействий представляет и дейтерий, поскольку опыты, проведенные на дейтерии, в совокупности с опытами, проведенными на протонах, в некоторых случаях позволяют сделать заключения о взаимодействии частиц с нейтронами.
