Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Остановимся теперь на описании механизма образования пузырьков пара при прохождении заряженной частицы. Согласно тепловой модели образование пузырьков происходит в результате локального выделения тепла, в которое преобразуется кинетическая энергия электронов, созданных заряженной частицей при прохождении в жидкости. Эта модель подтверждается тем, что число пузырьков на единице пути заряженной частицы пропорционально z2/?2 (z — заряд частицы; ? — ее скорость в единицах скорости света.) Число б-электронов, создаваемых нерелятивистской заряженной частицей на единице пути, также пропорционально z2/?2 (см. § 2.1).
Оценим минимальную энергию, необходимую для создания газовой полости радиусом гк, и сравним ее с удельными потерями энергии б-электронами. Чтобы создать пузырек критического радиуса, необходима, во-первых, энергия для испарения жидкости объемом 4яГк/3, т. е. 4 nrlEJS (Eu — энергия, нужная для испарения единицы объема жидкости), во-вторых, энергия для создания поверхности газовой полости, т. е. 4яг!сг, и, в-третьих, энергия для расширения пузырька до критического радиуса, т. е. необходимо преодолеть сопротивление гидростатического давления. Эта часть энергии равна 4 лгкр/3. Итак, минимальная энергия
Emiih = 4 лг3к{Еа + За/г« + Р)!3, (8.16)
или, принимая во внимание (8.14), получаем
Emkh = 32 до3 [Ea + 3 (Роо- р) /2 + р] /[3 (Роо - Pf]. (8.17)
Из (8.17) видно, что минимальное значение необходимой энергии для создания пузырька пара критического радиуса очень сильно зависит от перепада давлений (P00 — р) и коэффициента поверхностного натяжения о. Энергия ?мин по порядку величин составляет; около сотни электронвольт в области рабочих значений (P00 — р). Эту энергию б-электроны должны потерять на расстояниях порядка Ю-6 см, т. е. электроны для создания пузырьков газа должны иметь удельные потери энергии dE/dx ft* 100 Мэв/см. Электроны с энергиями ниже нескольких килоэлектронвольт обладают большими значениями dEidx. Следовательно, б-электроны с энергией, большей ?шш, могут передавать жидкости достаточную энергию для созда-
260- ния пузырьков с г > гк. Энергия передается молекулам жидкости за очень малые (около 10~ы сек) времена. Передача энергии возбуждения молекул в тепловую энергию (возбуждение вибрационных уровней) происходит за время порядка IO-11 — Ю-12 сек. Таким образом, кинетическая энергия электронов может перейти в тепловую за время порядка Ю-11 — IO-12 сек.
После прохождения заряженной частицы в жидкости остается след, состоящий из пузырьков размером 10_6ш. Чтобы сделать снимок этого следа, пузырьки должны вырасти до размера примерно 10~2слг. Скорость роста пузырька ограничивается в основном скоростью притока тепла от окружающей жидкости к стенке пузырька. Расчеты показывают, что радиус пузырька растет пропорционально Vt. Коэффициент пропорциональности тем больше, чем больше коэффициент теплопроводности жидкости, больше перегрев жидкости и меньше удельная теплота испарения. В грязных камерах время роста пузырькадо размеров примерно IO-2 см составляет Ю-3 сек.
Экспериментально было установлено, что время жизни пузырьков пара радиусом около IO-6 см, отсчитываемое от момента прохождения заряженной частицы, очень мало ( меньше Ю-7 сек). Этот факт находит объяснение в рамках тепловой модели возникновения зародышевых пузырьков. Время диффузии тепла из перегретой области радиусом около Ю-6 см оценивают для большинства жидкостей примерно в Ю-10 сек. Время диффузии тепла значительно больше времени перехода кинетической энергии электронов в тепловую, что позволяет образоваться зародышевым пузырькам. Малое время жизни таких пузырьков не позволяет управлять работой пузырьковых камер проходящими частицами. Чтобы создать перегрев жидкости механическим расширением, необходимо время порядка IO-3 сек. •
Образующиеся в жидкости пузырьки пара всплывают. Скорость всплывания маленьких пузырьков пропорциональна квадрату радиуса пузырька. При больших радиусах Ю-2 см) скорость всплывания уже не зависит от радиуса и составляет 10 см/сек. Если принять время роста пузырьков равным примерно IO-3 сек, то за время роста пузырек сместится примерно на Ю-2 см, т. е. на расстояние порядка своего радиуса.
Выбор рабочих характеристик пузырьксвой камеры. Работу пузырьковых камер можно качественно описать с помощью диаграмм давление—температура и давление—время ( рис. 8.5). На первой диаграмме показана зависимость давления насыщенных паров жидкости от ее температуры !кривая P00(T)]. Если жидкость находится в устойчивом состоянии, то точка, характеризующая ее состояние, должна находиться на этой диаграмме выше равновесной кривой Pao(T). Если же жидкость находится в метастабильном состоянии, то точка, характеризующая это состояние, расположена ниже равновесной кривой. В этом метастабильном состоянии жидкость может находиться ограниченное время, после чего происходит спонтанное вскипание и жидкость переходит в равновесное состояние в резуль-
261- тате уменьшения температуры и (или) возрастания давления. Перевод жидкости из равновесного состояния в мет.астабильное производят быстрым понижением давления, т. е. изменяют давление от рв до рн при заданной температуре*. Поскольку при быстром изменении давления температура жидкости изменяется очень мало, то состояние жидкости после сброса давления можно характеризовать температурой Граб и'перегревом SP.
