Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
паров, соответствующих давлению рн, т. е. SP = Граб - T (рв).
Идея создания пузырьковой камеры возникла у Глейзера (1952 г.) во время работ с перегретыми жидкостями. Глейзер нагревал в небольшом объеме эфир, поддерживая его в жидком состоянии увеличением действующего на объем давления. Если давление внезапно снималось, то эфир оставался в перегретом жидком метастабильном состоянии. Поднесенный к объему радиоактивный препарат вызывал немедленное вскипание эфира, и кинокамера, регистрирующая кипение, показывала не вызывающие сомнений треки ионизирующих частиц. Было установлено, что длительное метастабильное состояние перегретой жидкости возможно только в том случае, если внутренняя поверхность колбы с жидкостью не имеет царапин, углов, и является плавной. В противном случае происходит интенсивное самопроизвольное (без облучения) вскипание перегретой жидкости.
Подобного рода устройство стало известно как «чистая» пузырьковая камера. В такой камере перегретая жидкость не вскипала в течение 1 мин и даже дольше; она, по-видимому, могла бы оставаться в этом метастабильном состоянии очень долго, если бы не действие космического излучения. Эти камеры не удалось применить для исследований, так как только из стекла изготовить камеру больших размеров (высокие давления перегретой жидкости) невозможно и, кроме того, через толстые искривленные стекла нельзя фотографировать треки частиц с достаточной точностью.
По-видимому, пузырьковые камеры так бы и остались иллюстрацией интересного физического явления, если бы не получили развитие так называемые «грязные» камеры. Были изготовлены камеры из полированного металла с плоским стеклом (обе камеры показаны на рис. 8.4), в которых удалось наблюдать треки заряженных частиц. Опыты с грязной камерой показали, что при быстром сбросе давления происходит быстрое вскипание жидкости в основном вблизи уплотняющих прокладок между стеклом и корпусом
Рис. 8.4. Схемы чистой (а) и грязной (б) пузырьковых камер:
1 — поршень; 2 — рабочая жидкость; 3 — жидкость с более высокой точкой кипения для защиты рабочей жидкости or соприкосновения с поршнем; 4 — металлический корпус; 5 — плоские стекла
258- камеры, вблизи поршня, изменяющего давление, но скорость распространения кипения оказывается ограниченной теплопроводностью жидкости и стенок камеры и повышением давления в жидкости при кипении у стенок. Таким образом, центральная часть камеры после изменения давления в течение некоторого времени находится в метастабильном состоянии, где заряженные частицы могут образовать пузырьки пара.
Образование пузырьков в перегретой жидкости. Рассмотрим, каким образом в перегретой жидкости под действием ионизирующего излучения возникают пузырьки пара. В перегретом состоянии жидкость находится в неустойчивом состоянии, поскольку с энергетической точки зрения перегретой жидкости выгодно расслоение на две фазы—жидкую и газообразную. Однако для такого расслоения необходимо образование полостей в жидкости, что требует затрат энергии.
Рассмотрим жидкость с давлением насыщенных паров р.х при температуре Т, находящуюся под гидростатическим давлением р. Пусть жидкость перегрета, т. е. давление насыщенных паров при данной температуре выше гидростатического. Пусть, далее, в жидкости каким-либо путем образовался пузырек пара радиусом г. Оказывается, что дальнейшая судьба пузырька существенно зависит от его радиуса, так как кроме давлений р и рх на него действуют силы поверхностного натяжения. Если температура жидкости далека от критической, то равновесие пузырька пара (постоянство его радиуса) в принципе возможно при следующих условиях. Если давление пара внутри пузырька рх уравновешено внешним давлением р и давлением, вбусловленным поверхностным натяжением (CtriOldr)Ir2, т. е.
рх = р + 2а/г, (8.13)
где 2а/г — давление, обусловленное поверхностным натяжением; ст — коэффициент поверхностного натяжения жидкости; г — радиус газовой полости, то равновесие возможно только при критическом радиусе полости г = гк:
rB = 2а/(Рао - р). (8". 14)
Но это равновесие неустойчиво. Действительно, при г <С гк Рос < P + 2а/г и полость будет сжиматься. Напротив, при г > гк /?<*> > P + 2а/г и полость будет расти* Для большинства жидкостей критический радиус пузырька равен примерно Ю-6 см.
Итак, перегретая жидкость может начать кипеть, если в ней образуются пузырьки пара с радиусом больше критического. Такие пузырьки могут возникать на стенках камеры в результате неплотного контакта жидкости с поверхностью камеры. Кроме того, в жи-кости из-за термодинамических флуктуаций непрерывно образуются пузырьки различных радиусов. Вероятность образования пузырьков в результате флуктуации плотности жидкости очень сильно зависит от температуры и перегрева жидкости или от разности дав-
9*
259 лений (P00 — р). Вероятность образования пузырьков в 1 cms и в 1 сек с радиусом г > гк пропорциональна
ехр{—1 блсг3/ [3 kT (P00 — р)Ч). (8.15)
Пузырьки, образующиеся в результате флуктуаций плотности жидкости, создают фон в камере, который по аналогии с камерами Вильсона называют туманом. Чем больше перегрев жидкости, тем выше плотность тумана. Для пузырьковых камер, таким образом, имеется максимальное значение перегрева. Если перегрев жидкости выше максимального, то жидкость практически мгновенно вскипает по всему объему и образующийся туман не позволяет регистрировать ионизирующие частицы.
