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氣泡室（美國(guó)唐納德·格拉澤發(fā)明的儀器）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-16

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氣泡室

美國(guó)唐納德·格拉澤發(fā)明的儀器

氣泡室（Bubble Chamber）是1952年美國(guó)物理學(xué)家唐納德·格拉澤（Donald A. Glaser）發(fā)明，用以探測(cè)高能帶電粒子徑跡的一種有效的儀器。

它曾在50年代以后一度成了高能物理實(shí)驗(yàn)的最風(fēng)行的探測(cè)設(shè)備，為高能物理學(xué)創(chuàng)造了許多重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)、曾給高能物理實(shí)驗(yàn)帶來(lái)許多重大的發(fā)現(xiàn)，如新粒子、共振態(tài)、弱中性流等等。

1959年，唐納德·格拉澤前往美國(guó)著名高等學(xué)府加州大學(xué)伯克利分校擔(dān)任物理學(xué)教授，1960年因發(fā)明氣泡室獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，之后與伯克利同事路易斯·阿爾瓦雷茨（Luis W. Alvarez）一起升級(jí)了氣泡室（使用了液氫），而后者也于1968年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

基本信息

中文名	氣泡室
外文名	Bubble Chamber
組成	由一密閉容器組成
貢獻(xiàn)	Σ0，Ξ0，Σ+，Ω
方式	絕熱膨脹
狀態(tài)	處于過(guò)熱狀態(tài)

收起

簡(jiǎn)介

氣泡室是由一密閉容器組成，容器中盛有工作液體，液體在特定的溫度和壓力下進(jìn)行絕熱膨脹，由于在一定的時(shí)間間隔內(nèi)（例如50ms）處于過(guò)熱狀態(tài)，液體不會(huì)馬上沸騰，這時(shí)如果有高速帶電粒子通過(guò)液體，在帶電粒子所經(jīng)軌跡上不斷與液體原子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生低能電子，因而形成離子對(duì)，這些離子在復(fù)合時(shí)會(huì)引起局部發(fā)熱，從而以這些離子為核心形成胚胎氣泡，經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間后，胚胎氣泡逐漸長(zhǎng)大，就沿粒子所經(jīng)路徑留下痕跡。如果這時(shí)對(duì)其進(jìn)行拍照，就可以把一連串的氣泡拍攝下來(lái)，從而得到記錄有高能帶電粒子軌跡的底片。照相結(jié)束后，在液體沸騰之前，立即壓縮工作液體，氣泡隨之消失，整個(gè)系統(tǒng)就很快回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備作下一次探測(cè)。工作液可用液氫或液氘，需在甚低溫下工作，也可用液態(tài)碳?xì)?/a>有機(jī)物，如丙烷、乙醚等，可在常溫下工作。大型氣泡室容積可達(dá)20立方米。

氣泡室的原理和膨脹云室有些類(lèi)似，可以看成是膨脹云室的逆過(guò)程，但卻更為簡(jiǎn)便快捷。它兼有云室和乳膠的優(yōu)點(diǎn)。它和云室都可以按人們的意志在特定的時(shí)間間隔里靠特定的方法，以帶電粒子為核心使氣體凝結(jié)為液體，或者使液體蒸發(fā)形成氣泡，從而留下粒子的徑跡。它和乳膠相同的地方在于工作物質(zhì)本身即可當(dāng)作靶子。氣泡室的優(yōu)點(diǎn)更多，它的空間和時(shí)間分辨率高，工作循環(huán)周期短，本底干凈、徑跡清晰，可反復(fù)操作；但也有不足之處，那就是掃描和測(cè)量時(shí)間還嫌太長(zhǎng)，體積有限，而且甚為昂貴，不適應(yīng)現(xiàn)代粒子能量越來(lái)越高、作用截面越來(lái)越小的要求。

1952年，唐納德·格拉澤（Donald A. Glaser）所發(fā)明，獲得了1960年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

貢獻(xiàn)

用氣泡室發(fā)現(xiàn)了Σ0，Ξ0，Σ+，Ω-等粒子以及幾百種共振粒子。它還可用于探測(cè)各種類(lèi)型粒子的衰變。

工作原理

密閉容器中的工作液體在特定的溫度和壓力下進(jìn)行絕熱膨脹時(shí)﹐可以在一定的時(shí)間間隔內(nèi)(一般約50毫秒)處于過(guò)熱的亞穩(wěn)狀態(tài)而不馬上沸騰；此時(shí)如果有高能帶電粒子通過(guò)﹐在粒子飛行路線(xiàn)上與液體中的原子碰撞而產(chǎn)生低能電子(δ射線(xiàn))因而產(chǎn)生很多離子對(duì)﹐這些離子對(duì)在復(fù)合時(shí)引起局部發(fā)熱或熱針﹐從而形成胚胎氣泡。逐漸經(jīng)過(guò)不短于0.3毫秒(一般為1毫秒)之后﹐氣泡長(zhǎng)大﹐就可以對(duì)它進(jìn)行照相；這時(shí)把這一連串氣泡拍攝下來(lái)﹐就得到了高能帶電粒子的徑跡底片。照相結(jié)束后﹐立即(在沸騰之前)再壓縮工作液體﹐使粒子徑跡氣泡消失﹐從而使整個(gè)系統(tǒng)回到原先的狀態(tài)﹐并進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

整個(gè)泡室裝置包括室本體及真空系統(tǒng)﹑壓縮－膨脹系統(tǒng)﹑安全系統(tǒng)﹑熱交換恒溫系統(tǒng)﹑照明及照相系統(tǒng)﹑控制系統(tǒng)。由于物理測(cè)量的要求﹐還需要有一個(gè)龐大的磁鐵系統(tǒng)(一般的常規(guī)磁鐵或超導(dǎo)磁體)。

結(jié)構(gòu)

低溫泡室

唐納德·格拉澤早期的氣泡室是用有機(jī)液體作為工作物的小型泡室。后來(lái)由于物理實(shí)驗(yàn)的需要﹐在工作液體和規(guī)模等方面都有了很大的發(fā)展。因?yàn)?/span>基本粒子與質(zhì)子(氫核)的相互作用最簡(jiǎn)單﹐容易得到明確的物理結(jié)果﹐所以與加州大學(xué)伯克利分校同事路易斯·阿爾瓦雷茨（Luis Alvarez）研制出了液氫氣泡室，這在泡室技術(shù)和在物理上的應(yīng)用都是極為關(guān)鍵的進(jìn)步。氘核含有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子﹐為了研究粒子與中子的相互作用﹐還研制出了液氘泡室(后來(lái)用液氘充到氫泡室中也得液氘泡室)。由于氦原子核的自旋和同位旋都是零﹐這時(shí)研究與自旋及同位旋有關(guān)的過(guò)程相當(dāng)重要﹐所以又研制成了液氦泡室。氫﹑氘和氦泡室的一個(gè)共同特點(diǎn)是﹐都需要很低的工作溫度(氫泡室的工作溫度為25～29K﹐氘泡室的工作溫度比氫泡室的約高5K﹐氦泡室的工作溫度最低﹐為3～4K)﹐所以它們又稱(chēng)為低溫泡室。這種泡室要求有低溫系統(tǒng)﹐所以技術(shù)難度較大。

重液泡室

有些物理實(shí)驗(yàn)要求有效地記錄光子和盡可能增加靶物質(zhì)的厚度(例如做中微子實(shí)驗(yàn)就需要盡量多的靶物質(zhì))﹐所以研制了一種重液泡室。這種泡室的工作液體通常是氟利昂及其混合物。這種泡室的工作溫度與室溫相近﹐不需要低溫系統(tǒng)。氫泡室和重液泡室在物理實(shí)驗(yàn)上各有優(yōu)缺點(diǎn)。氫泡室有提供純質(zhì)子靶的優(yōu)點(diǎn)﹐但是記錄γ光子及其它次級(jí)作用的效率較低﹐而重液泡室則正好相反。因此﹐后來(lái)研制了把兩者結(jié)合起來(lái)的具有稱(chēng)為徑跡靈敏靶的泡室。它是把充有液氫或液氘的透明的塑料容器作為靶子放到一個(gè)充有液氖和液氫混合物的泡室里同時(shí)進(jìn)行膨脹﹐使得靶子內(nèi)外部能對(duì)徑跡靈敏。

全息照相泡室

粲粒子發(fā)現(xiàn)以后﹐為了測(cè)量其極短的壽命(約10秒)﹐需要提高徑跡室的空間分辨率。所以﹐又研制了全息照相泡室。全息照相可以直接給出三維的記錄﹐它比普通照相有大得多的景深范圍﹐而且空間分辨率高一個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)﹐它還可以使探測(cè)器系統(tǒng)小型化。

混合泡室

為了提高對(duì)加速器粒子束流的利用率及提高事例的積累速度﹐還研制了一種每秒可以循環(huán)十次以上的快循環(huán)泡室。由于產(chǎn)生胚胎氣泡的熱針在不到 1微秒的時(shí)間內(nèi)就擴(kuò)散掉了﹐所以到目前為止﹐還不可能做到由計(jì)數(shù)器觸發(fā)控制膨脹的泡室。但是﹐由于快電子學(xué)及在線(xiàn)計(jì)算器的快速發(fā)展﹐現(xiàn)在已經(jīng)可能用閃爍計(jì)數(shù)器﹑切倫科夫計(jì)數(shù)器﹑多絲正比室﹑漂移室﹑穿越輻射探測(cè)器﹑光子探測(cè)器﹑量能器等電子學(xué)探測(cè)器組成的選擇觸發(fā)的邏輯系統(tǒng)對(duì)快循環(huán)泡室采用觸發(fā)選擇照相和協(xié)助記錄。這樣就大大提高了有用照片的比率和可進(jìn)一步分析的記錄內(nèi)容。這種以快循環(huán)泡室作為靶子及頂點(diǎn)探測(cè)器﹐在上﹑下游配有電子學(xué)探測(cè)器系統(tǒng)﹐稱(chēng)為混合譜儀。

優(yōu)缺點(diǎn)

泡室本身的優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)﹑作用頂點(diǎn)(有時(shí)連衰變頂點(diǎn))可見(jiàn)﹑有很好的多重效率﹑有效空間大和測(cè)量精度高等等。但是泡室也有缺點(diǎn)﹐例如收集和分析數(shù)據(jù)較慢﹐特別是掃描﹑測(cè)量照片(雖然在利用自動(dòng)化劑量裝置的情況下)太費(fèi)時(shí)間﹐體積不容易做得很大﹐因而不容易適應(yīng)能量越來(lái)越高﹑要研究的作用截面越來(lái)越小﹑事例數(shù)要盡量多的實(shí)驗(yàn)的要求。目前正在發(fā)展著全息泡室與電子學(xué)譜儀的結(jié)合。

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