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氣泡室
美國唐納德·格拉澤發(fā)明的儀器
它曾在50年代以后一度成了高能物理實驗的最風(fēng)行的探測設(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、曾給高能物理實驗帶來許多重大的發(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，之后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），而后者也于1968年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
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) | 處于過熱狀態(tài) |
收起
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(jìn)行絕熱膨脹，由于在一定的時間間隔內(nèi)（例如50ms）處于過熱狀態(tài)，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(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，這些離子在復(fù)合時會引起局部發(fā)熱，從而以這些離子為核心形成胚胎氣泡，經(jīng)過很短的時間后，胚胎氣泡逐漸長大，就沿粒子所經(jīng)路徑留下痕跡。如果這時對其進(jìn)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(jié)束后，在液體沸騰之前，立即壓縮工作液體，氣泡隨之消失，整個系統(tǒng)就很快回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)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(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似，可以看成是膨脹云室的逆過程，但卻更為簡便快捷。它兼有云室和乳膠的優(yōu)點。它和云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(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)點更多，它的空間和時間分辨率高，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，那就是掃描和測量時間還嫌太長，體積有限，而且甚為昂貴，不適應(yīng)現(xiàn)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(fā)明，獲得了1960年度諾貝爾物理學(xué)獎。
貢獻(xiàn)
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﹐可以在一定的時間間隔內(nèi)(一般約50毫秒)處于過熱的亞穩(wěn)狀態(tài)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(chǎn)生低能電子(δ射線)因而產(chǎn)生很多離子對﹐這些離子對在復(fù)合時引起局部發(fā)熱或熱針﹐從而形成胚胎氣泡。逐漸經(jīng)過不短于0.3毫秒(一般為1毫秒)之后﹐氣泡長大﹐就可以對它進(jìn)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(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﹐從而使整個系統(tǒng)回到原先的狀態(tài)﹐并進(jìn)入下一個工作循環(huán)。
整個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)。由于物理測量的要求﹐還需要有一個龐大的磁鐵系統(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。后來由于物理實驗的需要﹐在工作液體和規(guī)模等方面都有了很大的發(fā)展。因為基本粒子與質(zhì)子(氫核)的相互作用最簡單﹐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。氘核含有一個質(zhì)子和一個中子﹐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﹐這時研究與自旋及同位旋有關(guān)的過程相當(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(tǒng)﹐所以技術(shù)難度較大。
重液泡室
有些物理實驗要求有效地記錄光子和盡可能增加靶物質(zhì)的厚度(例如做中微子實驗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驗上各有優(yōu)缺點。氫泡室有提供純質(zhì)子靶的優(yōu)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﹐后來研制了把兩者結(jié)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(jìn)行膨脹﹐使得靶子內(nèi)外部能對徑跡靈敏。
全息照相泡室
粲粒子發(fā)現(xiàn)以后﹐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數(shù)量級。同時﹐它還可以使探測器系統(tǒng)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微秒的時間內(nèi)就擴(kuò)散掉了﹐所以到目前為止﹐還不可能做到由計數(shù)器觸發(fā)控制膨脹的泡室。但是﹐由于快電子學(xué)及在線計算器的快速發(fā)展﹐現(xiàn)在已經(jīng)可能用閃爍計數(shù)器﹑切倫科夫計數(shù)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(xué)探測器組成的選擇觸發(fā)的邏輯系統(tǒng)對快循環(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探測器﹐在上﹑下游配有電子學(xué)探測器系統(tǒng)﹐稱為混合譜儀。
優(yōu)缺點
泡室本身的優(yōu)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(shù)據(jù)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(yīng)能量越來越高﹑要研究的作用截面越來越小﹑事例數(shù)要盡量多的實驗的要求。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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