氣泡室

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氣泡室（Bubble Chamber）是1952年美國物理學家唐納德·格拉澤（Donald A. Glaser）發明，用以探測高能帶電粒子徑跡的一種有效的儀器 。 它曾在50年代以後一度成了高能物理實驗的最風行的探測設備，為高能物理學創造了許多重大發現的機會、曾給高能物理實驗帶來許多重大的發現，如新粒子、共振態、弱中性流等等。 1959年，唐納德·格拉澤前往美國著名高等學府加州大學伯克利分校擔任物理學教授，1960年因發明氣泡室獲得諾貝爾物理學獎 ，之後與伯克利同事路易斯·阿爾瓦雷茨（Luis W. Alvarez）一起升級了氣泡室（使用了液氫），而後者也於1968年獲得諾貝爾物理學獎。

目錄

優缺點

泡室本身的優點是直觀﹑作用頂點(有時連衰變頂點)可見﹑有很好的多重效率﹑有效空間大和測量精度高等等。但是泡室也有缺點﹐例如收集和分析數據較慢﹐特別是掃描﹑測量照片(雖然在利用自動化劑量裝置的情況下)太費時間﹐體積不容易做得很大﹐因而不容易適應能量越來越高﹑要研究的作用截面越來越小﹑事例數要儘量多的實驗的要求。目前正在發展着全息泡室與電子學譜儀的結合

簡介

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行絕熱膨脹，由於在一定的時間間隔內（例如50ms）處於過熱狀態，液體不會馬上沸騰，這時如果有高速帶電粒子通過液體，在帶電粒子所經軌跡上不斷與液體原子發生碰撞而產生低能電子，因而形成離子對，這些離子在複合時會引起局部發熱，從而以這些離子為核心形成胚胎氣泡，經過很短的時間後，胚胎氣泡逐漸長大，就沿粒子所經路徑留下痕跡。如果這時對其進行拍照，就可以把一連串的氣泡拍攝下來，從而得到記錄有高能帶電粒子軌跡的底片。照相結束後，在液體沸騰之前，立即壓縮工作液體，氣泡隨之消失，整個系統就很快回到初始狀態，準備作下一次探測。工作液可用液氫或液氘，需在甚低溫下工作，也可用液態碳氫有機物，如丙烷、乙醚等，可在常溫下工作 。大型氣泡室容積可達20立方米。 氣泡室的原理和膨脹雲室有些類似，可以看成是膨脹雲室的逆過程，但卻更為簡便快捷。它兼有雲室和乳膠的優點。它和雲室都可以按人們的意志在特定的時間間隔里靠特定的方法，以帶電粒子為核心使氣體凝結為液體，或者使液體蒸發形成氣泡，從而留下粒子的徑跡 。它和乳膠相同的地方在於工作物質本身即可當作靶子。氣泡室的優點更多，它的空間和時間分辨率高，工作循環周期短，本底乾淨、徑跡清晰，可反覆操作；但也有不足之處，那就是掃描和測量時間還嫌太長，體積有限，而且甚為昂貴，不適應現代粒子能量越來越高、作用截面越來越小的要求 。 1952年，唐納德·格拉澤（Donald A. Glaser）所發明，獲得了1960年度諾貝爾物理學獎。 在一能耐高壓的密封容器內裝置純淨的加壓透明工作液，在一定溫度下突然減壓膨脹時，容器內的壓力低於該液體的平衡蒸氣壓，液體處於過熱的亞穩態，這時帶電粒子射入，在其路徑上產生離子，過熱液體以離子為核心形成沸騰小氣泡，從而顯示出徑跡，再通過照相拍攝下照片。工作液可用液氫或液氘，需在甚低溫下工作，也可用液態碳氫有機物，如丙烷、乙醚等，可在常溫下工作。大型氣泡室容積可達20立方米。氣泡室兼備乳膠和雲室兩者的優點，容器內的工作液本身就是一個可見的靶子。氣泡室的徑跡 畸變小、本底乾淨、徑跡清晰，測量精度高。

貢獻

用氣泡室發現了Σ0，Ξ0，Σ+，Ω-等粒子以及幾百種共振粒子。它還可用於探測各種類型粒子的衰變 。

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行絕熱膨脹時﹐可以在一定的時間間隔內(一般約50毫秒)處於過熱的亞穩狀態而不馬上沸騰；此時如果有高能帶電粒子通過﹐在粒子飛行路線上與液體中的原子碰撞而產生低能電子(δ射線)因而產生很多離子對﹐這些離子對在複合時引起局部發熱或熱針﹐從而形成胚胎氣泡 。逐漸經過不短於0.3毫秒(一般為1毫秒)之後﹐氣泡長大﹐就可以對它進行照相；這時把這一連串氣泡拍攝下來﹐就得到了高能帶電粒子的徑跡底片 。照相結束後﹐立即(在沸騰之前)再壓縮工作液體﹐使粒子徑跡氣泡消失﹐從而使整個系統回到原先的狀態﹐並進入下一個工作循環。 整個泡室裝置包括室本體及真空系統﹑壓縮－膨脹系統﹑安全系統﹑熱交換恆溫系統﹑照明及照相系統﹑控制系統。由於物理測量的要求﹐還需要有一個龐大的磁鐵系統(一般的常規磁鐵或超導磁體) 。

結構

低溫泡室 唐納德·格拉澤早期的氣泡室是用有機液體作為工作物的小型泡室 。後來由於物理實驗的需要﹐在工作液體和規模等方面都有了很大的發展。因為基本粒子與質子(氫核)的相互作用最簡單﹐容易得到明確的物理結果﹐所以與加州大學伯克利分校同事路易斯·阿爾瓦雷茨（Luis Alvarez）研製出了液氫氣泡室，這在泡室技術和在物理上的應用都是極為關鍵的進步 。氘核含有一個質子和一個中子﹐為了研究粒子與中子的相互作用﹐還研製出了液氘泡室(後來用液氘充到氫泡室中也得液氘泡室)。由於氦原子核的自旋和同位旋都是零﹐這時研究與自旋及同位旋有關的過程相當重要﹐所以又研製成了液氦泡室。氫﹑氘和氦泡室的一個共同特點是﹐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)﹐所以它們又稱為低溫泡室。這種泡室要求有低溫系統﹐所以技術難度較大 。

重液泡室 有些物理實驗要求有效地記錄光子和儘可能增加靶物質的厚度(例如做中微子實驗就需要儘量多的靶物質)﹐所以研製了一種重液泡室。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。氫泡室和重液泡室在物理實驗上各有優缺點。氫泡室有提供純質子靶的優點﹐但是記錄γ光子及其它次級作用的效率較低﹐而重液泡室則正好相反。因此﹐後來研製了把兩者結合起來的具有稱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充有液氖和液氫混合物的泡室里同時進行膨脹﹐使得靶子內外部能對徑跡靈敏 。

全息照相泡室 粲粒子發現以後﹐為了測量其極短的壽命(約10秒)﹐需要提高徑跡室的空間分辨率。所以﹐又研製了全息照相泡室。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範圍﹐而且空間分辨率高一個數量級。同時﹐它還可以使探測器系統小型化 。

混合泡室 為了提高對加速器粒子束流的利用率及提高事例的積累速度﹐還研製了一種每秒可以循環十次以上的快循環泡室。由於產生胚胎氣泡的熱針在不到 1微秒的時間內就擴散掉了﹐所以到目前為止﹐還不可能做到由計數器觸發控制膨脹的泡室 。但是﹐由於快電子學及在線計算器的快速發展﹐現在已經可能用閃爍計數器﹑切倫科夫計數器﹑多絲正比室﹑漂移室﹑穿越輻射探測器﹑光子探測器﹑量能器等電子學探測器組成的選擇觸發的邏輯系統對快循環泡室採用觸發選擇照相和協助記錄。這樣就大大提高了有用照片的比率和可進一步分析的記錄內容。這種以快循環泡室作為靶子及頂點探測器﹐在上﹑下游配有電子學探測器系統﹐稱為混合譜儀