Камеры Вильсона

Еще в 1897 г. Вильсон показал, что при расширении воздуха, насыщенного водяным паром, возможны конденсация воды и образование капелек тумана на ионах в воздухе. Опытами Томсона и Вильсона было установлено, что при расширениях в долях объема, лежащих в пределах от 1,25 до 1,31, центрами конденсации являются отрицательные ионы, а при расширениях от 1,31 до 1,38 центры конденсации — ионы обоих знаков.

Вильсон применил эти явления для наблюдения и фотографирования следов ионизирующих частиц и излучений.

Схема первоначальной модели камеры Вильсона дана на рисунке выше. В этой камере быстрое расширение воздуха, насыщенного водяным паром, осуществляется при помощи движения поршня. Степень пересыщения характеризуется взаимоотношением упругости паров.

Для воздуха, насыщенного водяным паром, зависимость пересыщения от величины расширения приведена в таблице ниже.

При более значительной степени пересыщения в камере образуется густой туман вследствие конденсации пара на газовых молекулах. При содержании в воздухе гигроскопических пылинок или ядер конденсации осаждение тумана происходит при ничтожной степени пересыщения.

Размеры присутствующих в воздухе частиц, которые могут иметь значение для конденсации водяного пара, приблизительно следующие:

Основной недостаток устройства камеры Вильсона заключается в том, что промежуток времени между последовательными снимками не может быть сделан очень малым вследствие механической инертности прибора. Поэтому для получения снимка ядерной реакции при столкновении частицы с бомбардируемым ядром требуется затрата громадного труда и времени.
Второй недостаток камеры первоначальной системы — невозможность применения камеры в любом положении, кроме горизонтального.

В 1933 г. Вильсон предложил новую конструкцию камеры с резиновой диафрагмой, которая отделяет рабочее пространство камеры от камеры расширения. Дно камеры, расположенное над резиновой диафрагмой, сделано из проволочной сетки. Такая камера имеет существенные конструктивные преимущества. Вильсон же предложил камеру, в которой расширение происходит в радиальном направлении, что облегчает задачу целесообразного освещения камеры при фотографировании.

Для того чтобы исключить действие силы тяжести на распределение капелек тумана, Вильсон разработал камеру, которая вместе со связанным с ней фотоаппаратом свободно падает после расширения под действием силы тяжести.

Наконец, было предложено несколько конструкций камер непрерывного действия. Камеры последнего типа еще не получили широкого распространения. Для исследования сильных источников излучения вполне пригодны камеры Вильсона обычного типа, в которых расширение происходит независимо от наступления регистрируемого явления. Для изучения редко наблюдаемого явления, например для исследования космических лучей, в которых плотность излучения составляет около двух частиц на 1см² в 1мин., применение камеры обычного типа требует обработки многих тысяч снимков. Для повышения эффективности камеры Вильсона при наблюдении космических лучей Блеккет и Оккиалини, а также Андерсен сконструировали камеру, управляемую счетчиками, которая приводится в действие автоматически при прохождении космической частицы через управляющие счетчики.

Такая система камеры резко повысила эффективность применения камеры Вильсона для исследования космических лучей.

Весьма важным усовершенствованием камеры Вильсона является предложенная впервые советским физиком Д. В. Скобельцыным камера Вильсона с магнитным полем. В такой камере можно по искривлению траектории исследуемой частицы в магнитном поле определить знак заряда, энергию и массу частицы, т. е. определить ее природу.

Этим методом были открыты позитроны (положительные электроны), а также исследовано большое число ядерных процессов, возникающих при прохождении космических лучей через вещество.

Камера Вильсона с магнитным полем, наряду с толстослойными фотопластинками,— основной прибор, применяемый для исследования космических лучей, а также ядерных реакций.

При помощи камеры Вильсона была исследована плотность ионизации , возникающая под действием различных частиц, а также исследованы и проверены предполагаемые ядерные реакции. Так как при ядерных реакциях должны соблюдаться законы сохранения заряда, массы, энергии и импульса, фотографирование следов первичных и вторичных частиц при помощи стереоскопического фотоаппарата позволяет воспроизвести изображение следов й пространстве и определить все необходимые параметры для расшифровки происшедшей реакции, например: столкновение нейтрона с атомными ядрами, распад мезона с образованием электрона, образование пар положительных и отрицательных электронов гамма-лучами высокой энергии и прочее. Для измерения интенсивности излучения или количества радиоактивных элементов камера Вильсона может иметь только очень ограниченное применение. Она является прибором, позволяющим получить наглядное изображение взаимодействия частиц (рисунок ниже).

При использовании резкого градиента температуры удается осуществить камеру Вильсона непрерывного действия, не требующую расширения. Такая диффузионная камера представляет значительные преимущества при наблюдении отдельных редко появляющихся ионизирующих частиц.