Моделювання дифузійної камери – МАНЛаб


Моделювання дифузійної камери

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

Змоделювати дифузійну камеру та здійснити спостереження треків заряджених частинок.

Обладнання:

Теплоізольований металевий піддон, металевий піддон з чорним дном, кристалізатор, кільце з повсті, ізопропіловий спирт, хлорид кальцію 6-водний охолоджений, сніг або дрібний лід, електронні терези, ліхтар, секундомір, хімічний посуд.

Теоретична частина

Рис. 1. Схема робочої моделі дифузійної камери:

1 – теплоізоляція; 2 – металевий піддон; 3 – металевий піддон з чорною матовою поверхнею; 4 – кріогідратна суміш; 5 – кристалізатор; 6 – повстяне кільце, просочене ізопропіловим спиртом

Рис. 2. Загальний вигляд робочої моделі дифузійної камери

Іонізуюче випромінювання – це випромінювання, взаємодія якого з середовищем призводить до утворення електричних зарядів (іонів) різних знаків. Джерелом іонізуючого випромінювання є природні та штучні радіоактивні речовини й елементи (уран, радій, цезій, стронцій та ін.). Джерела іонізуючого випромінювання широко використовуються в атомній енергетиці, медицині (для діагностики та лікування) та в різних галузях промисловості (для дефектоскопії металів, контролю якості зварних з’єднань, визначення рівня агресивних середовищ у замкнутих об’ємах, боротьби з розрядами статичної електрики тощо).

Природним джерелом іонізуючого випромінювання є космічні промені – потоки атомних ядер з високими енергіями, що приходять на Землю з просторів Всесвіту. До космічних променів прийнято відносити і вторинне випромінювання, що виникає внаслідок взаємодії первинного випромінювання з ядрами атомів атмосфери Землі.

Первинні космічні промені поза атмосферою Землі на 90% складаються з протонів, на 9% – з ядер гелію (альфа-частинок) та на 1% – з електронів.

 На висотах нижче 19,6 км космічне випромінювання практично повністю має вторинний характер. У складі вторинного космічного випромінювання, що досягає поверхні Землі, можна виділити дві різні за своєю проникною здатністю компоненти. До першої компоненти належать частки, що повністю поглинаються в шарі свинцю товщиною 10 см. Ця компонента отримала назву м’якого випромінювання.

Решта часток, інтенсивність яких залишається сталою після проходження 10 см свинцю, називається жорсткою компонентою.

До складу м’якої компоненти входять вільні електрони, позитрони та гама-кванти, а до складу жорсткої – мюони.

 Для спостереження і реєстрації елементарних частинок використовують дві групи пристроїв: лічильники іонізуючих частинок і трекові камери.

Лічильники іонізуючих частинок, зокрема спінтарископ та лічильник Гейгера-Мюллера, дають змогу підрахувати число частинок, які надходять до реєструвального пристрою.

Трекові камери, зокрема камера Вільсона, бульбашкова та дифузійна камери, дають можливість спостерігати сліди (треки), що залишають заряджені частинки, пролітаючи крізь їхній робочий об’єм,  та визначити, які саме ці частинки.

Камера Вільсона – це циліндр із поршнем, заповнений сумішшю газу (аргону або азоту) з насиченою парою води або спирту. Перед дослідженням газ розширюють поршнем, переохолоджуючи пару. Досліджувана частинка пролітає крізь камеру та іонізує атоми газу, на яких конденсується пара, створюючи краплинний трек.

У бульбашковій камері можна досліджувати частинки значно більшої енергії, ніж у камері Вільсона, бо густина її робочої речовини (зріджені пропан або водень) значно більша за густину робочої речовини камери Вільсона. У перегрітій перед дослідженням (шляхом миттєвого зменшення тиску) рідині досліджувана частинка створює бульбашковий трек.

Дифузійну камеру можна розглядати як різновид камери Вільсона. Проте, на відміну від неї, дифузійна камера може працювати в неперервному режимі. Перші спроби створити дифузійну камеру належать до 1939 року (A. Лангсдорф), а повноцінну робочу камеру було запропоновано в 1951 році. Принцип роботи дифузійної камери такий самий, як і камери Вільсона, але область пересиченої пари утворюється завдяки дифузії пари крізь газ, у якому створено великий температурний градієнт. Дифузійна камера складається із замкнутої посудини, заповненої сумішшю пари та газу. Дно та кришка посудини розташовані в горизонтальній площині.

У лабораторній роботі пропонується змоделювати дифузійну камеру та провести спостереження треків заряджених частинок, які утворює космічне випромінювання. Схема робочої моделі дифузійної камери представлена на рис. 1, а її загальний вигляд – на рис. 2. Для охолодження з метою створення необхідного температурного градієнту пропонується використовувати кріогідратну суміш.

Хід роботи

  1. Підготуйте компоненти кріогідратної суміші, для чого:

          – помістіть до морозильної камери холодильника в окремій хімічній склянці 90 г 6‑водного хлориду кальцію;

          – підготуйте в іншій хімічній склянці 60 г дрібного льоду або снігу і також помістіть його до морозильної камери.

  1. Візьміть сухий і чистий кристалізатор та за допомогою прозорої липкої стрічки або двостороннього скотчу закріпіть на його дні повстяне кільце.
  2. Капніть на повстяне кільце декілька крапель ізопропілового спирту.
  3. Намотайте ізоляційну стрічку на верхній обідок кристалізатора на половину її ширини з натягом.
  4. Поставте кристалізатор дном догори на металевий піддон з чорною матовою поверхнею.
  5. Виконайте герметизацію стику кристалізатора з піддоном за допомогою герметику.
  6. Дістаньте з морозильної камери компоненти кріогідратної суміші та інтенсивно змішайте їх в одній з хімічних склянок.
  7. Отриману після інтенсивного перемішування кріогідратну суміш рівномірно висипте на теплоізольований піддон. Поставте на неї піддон із встановленим заздалегідь кристалізатором з парами ізопропілового спирту.
  8. Вимкніть у приміщенні світло та підсвічуйте кристалізатор збоку ліхтарем; крізь верхнє віконце у повстяному кільці спостерігайте появу треків заряджених частинок.
  9. Після появи треків увімкніть секундомір і порахуйте кількість побачених треків за деякий проміжок часу, наприклад за 30 с або за 1 хв.
  10. За можливості зробіть фотографування треків.

Аналіз даних

  1. Систематизуйте отримані знання й навички з принципу роботи трекових камер.
  2. Зробіть висновки з результатів підрахунку та розмірів зафіксованих треків (довжина і товщина треку прямо пропорційна до енергії частинки).