Фотографии газированных напитков

изучения треков заряженных частиц. Ее использование привело к многочисленным открытиям в физике элементарных частиц.

Устройство камеры Вильсона

Камера Вильсона состоит из холодного блока, в котором находится насыщенный пар воды. Когда заряженная частица пролетает через блок, она ионизирует частицы водяного пара, создавая мелкие капли, которые видны как белый след. Эти капли можно фиксировать на фотопластине или пленке.

Применение камеры Вильсона

Камера Вильсона широко применялась в научных исследованиях, связанных с элементарными частицами, а также в области ядерной физики и космических исследований. С ее помощью ученые смогли наблюдать и изучать поведение элементарных частиц на микроуровне.

Заключение

Пузырьковая камера, черенковский счетчик, искровая камера и камера Вильсона являются важными инструментами в физике элементарных частиц. Благодаря им ученые проводят различные исследования, изучают строение вещества и оценивают энергию частиц. Каждый из этих приборов имеет свои уникальные преимущества и принципы работы, делая их незаменимыми в современной научной деятельности.

Исследование Ядерных Излучений

В 1927 году ученый Вильсон получил Нобелевскую премию по физике за свое изобретение – камеру Вильсона. Эта камера была основным средством исследования радиации на протяжении длительного времени, но впоследствии уступила место более современным методам, таким как пузырьковые и искровые камеры.

Размеры матриц фотоаппаратов

Для визуального сравнения размеров матриц с различными размерами, приведена таблица с подробной информацией о каждом типе матрицы:

<strong>Лучшие цифровые датчики камер</strong>

Газоразрядный счётчик Гейгера

Счётчик Гейгера считается одним из важнейших приборов для автоматического подсчёта частиц.

Устройство счётчика Гейгера

Устройство этого счётчика представлено стеклянной трубкой, которая изнутри покрыта металлическим слоем (катод), и тонкой металлической ниткой, идущей вдоль оси трубки (анод). Указанная трубка заполняется газом, часто аргоном. Действует счётчик Гейгера благодаря ударной ионизации.

Заряженная частица (электрон, альфа-частица и прочее) пролетает в газе и отрывает от атомов электроны, создавая положительные ионы и свободные электроны.

Принцип работы

• Ионизация частиц
• Ударная ионизация
• Регистрация и переход к следующей частице

Применение счётчика Гейгера

Сфера применения счётчика Гейгера сосредоточена на регистрации электронов и гамма-квантов (фотонов большой энергии). Но в современности существуют и счётчики, работающие на иных принципах.

Приобретайте пузырчатую пленку в ВРН-упак!

Обеспечьте своим товарам надежную защиту!

Преимущества пленки

• Большой выбор размеров и плотности
• Доставка по всей России
• Консультация специалистов

Если у вас остались вопросы, свяжитесь с нами. Мы ответим на все интересующие вас вопросы и предложим наилучшие решения.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц

Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью с взведенным курком. Небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья вызывает эффект, не сравнимый с затраченным усилием, — выстрел.

Регистрирующий прибор — это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется множество различных методов регистрации частиц.

В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам.

Сцинтилляционный счетчик

Назначение:

эффективная

регистрация частиц,

измерение энергии

частицы

Применение: в

экспериментах на

крупнейших

ускорителях

Сцинтилляционные

детекторы ядерных

изучений

Метод сцинтилляций был

использован Резерфордом в

1911г, а предложил его У. Крупе

в 1903г. Простейшим средством

регистрации излучений был

экран, покрытый

люминесцирующим

веществом

Пузырьковая камера

Хоть температура жидкости несколько выше температуры кипения при атмосферном давлении, в исходном состоянии жидкость в камере не закипает, потому что находится под высоким давлением. Когда давление резко понижается, жидкость становится перегретой, что приводит её в неустойчивое состояние на некоторое время. Пролетая именно в это время, заряженные частицы оставляют треки, состоящих из пузырьков пара.

В пузырьковой камере в качестве жидкости используются исключительно жидкий водород и пропан. Рабочий цикл в этом устройстве не отличается большой длительностью, он действует около 0,1 с.

Пузырьковая камера оказалась предпочтительнее камеры Вильсона, потому что так плотность рабочего вещества больше. Из-за этого фактора пробеги частиц оказываются достаточно короткими, и частицы застревают в камере, даже если энергии большие. Таким образом открывается возможность наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Главными источниками информации о поведении и свойствах частиц являются треки в камере Вильсона и пузырьковой камере. При работе с этими устройствами экспериментаторы получают сильное впечатление, словно они непосредственно соприкасаются с микромиром.

Изобретение пузырьковой камеры

Пузырьковая камера была

изобретена Доналдом Глазером

(США) в 1952 году.

За своё открытие Глазер получил

Нобелевскую премию в 1960 году.

Луис Уолтер Альварес

усовершенствовал пузырьковую

камеру Глазера, использовав в

качестве перегретой жидкости

водород. А также для анализа

сотен тысяч фотографий,

получаемых при исследованиях с

помощью пузырьковой камеры,

Альварес впервые применил

компьютерную программу,

позволявшую анализировать

данные с очень большой

скоростью.

Камера Вильсона

Газоразрядный счётчик Гейгера помогает только зарегистрировать факт прохождения через него частицы и зафиксировать некоторые из её характеристик. Поэтому в 1912 году была создана камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор – это окно в микромир, то есть мир элементарных частиц и состоящих из них систем.

Камера Вильсона действует на основе конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Указанные ионы создаются вдоль траектории движущейся заряженной частицы.

Устройство камеры Вильсона представлено герметично закрытым сосудом, заполненным парами воды и спирта, близкими к насыщению. Когда поршень резко опускается из-за уменьшения давления под ним, происходит адиабатное расширение пара в камере. Это приводит к перенасыщению пара из-за охлаждения. В этом состоянии пар является неустойчивым: вещество легко конденсируется при появлении в сосуде центра конденсации, который обычно представлен ионами, образующимися в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Когда частица проникает в камеру сразу после расширения пара, на её пути появляются капельки воды, образующие видимый след пролетевшей частицы — трек.

В представленный момент рабочий объём камеры фотографируется из нескольких точек, создавая пространственную картину. Далее камера возвращается в исходное состояние, а ионы удаляются электрическим полем.

Время восстановления рабочего режима варьируется в зависимости от размеров камеры: от нескольких секунд до десятков минут.

Камера Вильсона предоставляет значительно богатую информацию, в отличие от счётчиков Гейгера. Через длину трека определяется энергия частицы, а число капелек на единицу длины трека помогает узнать её скорость. Длина трека частицы прямо пропорциональна её энергии. А количество капелек воды на единицу длины трека обратно пропорционально скорости частицы. Также наблюдалась следующая закономерность: трек большей толщены оставляется частицей с большим зарядом.

Позже советскими физиками П. Л. Капицой и Д. В. Скобельцыным было предложено помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле, которое действует на движущуюся заряженную частицу с определённой силой (силой Лоренца). Под действием этой силы траектория частицы искривляется, а модуль её скорости не изменяется. Чем больше заряд частицы и меньше её масса, тем кривизна трека больше. Радиус кривизны трека показывает отношение заряда частицы к её массе. Через одну из этих величин можно легко вычислить другую.

К примеру, если даны заряд частицы и радиус кривизны её трека, то вычисление становится возможным.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Метод фотоэмульсий был развит советскими

физиками Л.В.Мысовским, А.П. Ждановым и

др.

Преимущество фотоэмульсий состоит в

непрерывном суммирующем действии. Это

позволяет регистрировать редкие явления

Благодаря высокой тормозящей способности

фотоэмульсий увеличивается число

наблюдаемых интересных реакций между

частицами и ядрами.

Искровая камера

прибор для наблюдения и

регистрации траекторий (треков)

заряженных частиц, был изобретен в

1957 году. Действие основано на

применении электрического пробоя.

Широко используется для

исследования ядерных частиц, ядерных

реакций, элементарных частиц и

космических лучей.

Пузырьковая камера Преимущества

Преимущества

Обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.

Высокая точность измерения импульсов регистрируемых частиц.

Одинаковая чувствительность к регистрации частиц по всем направлениям.

Недостатки

Меньшая длина треков, чем в камере Вильсона.

Низкая управляемость процессом отбора для регистрации взаимодействия частиц.

Старая пузырьковая камера Лаборатории им. Энрико Ферми

Камера Вильсона Информация, которую дают треки в камере

Информация, которую дают треки в камере Вильсона, значительно богаче той, которую могут дать счетчики. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека — ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше ее энергия. А чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше ее скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины.

Преимущества сцинтилляционных счетчиков

Простое устройство;

Успешно регистрируют практически все частицы.( даже

регистрация гамма-квантов 100%)

Используя большие объемы жидкого сцинтиллятора, можно

регистрировать частицы, очень слабо взаимодействующие с

веществом.

Применение

Перечисленные характеристики позволяют использовать материал в разных видах деятельности:

— при упаковке посуды, бытовой техники, антиквариата, ювелирных украшений;

— во время переезда для обертки мебели: шкафов, зеркал, столов и стульев;

— для защиты от коррозии автозапчастей или радиодеталей;

— в утеплении стен, труб и арматуры при возведении зданий.

Характеристики, достоинства и недостатки

Эффективность регистрации пузырьковой камеры

различных процессов взаимодействия или распада

определяется в основном её размерами. Наиболее

типичный объём — сотни литров, но существуют камеры

гораздо большего размера, например водородная

камера «Мирабель» на ускорителе Института физики

высоких энергий РАН имеет объём 10 м³; водородная

камера на ускорителе Национальной ускорительной

лаборатории США — объём 25 м³.

Основное преимущество пузырьковой камеры —

изотропная пространственная чувствительность к

регистрации частиц и высокая точность измерения их

импульсов.

Недостаток пузырьковой камеры — слабая управляемость,

необходимая для отбора нужных актов взаимодействия

частиц или их распада.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Метод толстослойных фотоэмульсий

Преимущество фотоэмульсий в том, что время экспозиции может быть сколь угодно большим и можно регистрировать траектории всех частиц, пролетевших сквозь фотопластинку за время наблюдения; эмульсия не требует процедур, которые приводили бы ее в рабочее состояние; данный метод дает неисчезающий след частицы, который потом можно тщательно изучать. Всё это позволяет регистрировать редкие явления.

Недостатком метода является длительность и сложность химической обработки фотопластинок и главное — много времени требуется для рассмотрения каждой пластинки в сильном микроскопе.

Камера Вильсона Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики

Счетчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения через них частицы и фиксировать некоторые ее характеристики. В камере же Вильсона, созданной в 1912 г., быстрая заряженная частица оставляет след, который можно наблюдать непосредственно или сфотографировать. Этот прибор можно назвать окном в микромир, т. е. мир элементарных частиц и состоящих из них систем.

Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица.

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению (рис. 13.2). При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется. Вследствие этого происходит охлаждение, и пар становится перенасыщенным. Это — неустойчивое состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица. Если частица проникает в камеру сразу после расширения пара, то на ее пути появляются капельки воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы — трек (рис. 13.3). Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. В зависимости от размеров камеры время восстановления рабочего режима варьируется от нескольких секунд до десятков минут.

Применение

Пузырьковые камеры, как

правило, используются для

регистрации актов

взаимодействия частиц

высоких энергий с ядрами

рабочей жидкости или

актов распада частиц. В

первом случае рабочая

жидкость исполняет роли

и регистрирующей среды,

и среды-мишени.

Пузырько́вая ка́мера

— прибор для

регистрации следов

(или треков) быстрых

заряженных частиц,

действие которого

основано на

вскипании

перегретой

жидкости вдоль

траектории частицы.

Упражнения

Принцип действия камеры Вильсона

Емкость со стеклянной

крышкой и поршнем в нижней

части заполнена

насыщенными парами воды,

спирта или эфира. Когда

поршень опускается, то за

счет адиабатического

расширения пары

охлаждаются и становятся

пересыщенными. Заряженная

частица, проходя сквозь

камеру, оставляет на своем

пути цепочку ионов. Пар

конденсируется на ионах,

делая видимым след частицы.

Стеклянная

пластина

поршень

Классификация по способу буферизации

Матрицы с полнокадровым переносом

Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых — преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий — он либо «срикошетит» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Очевидно, что от разработчиков требуется создать такой сенсор, в котором потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы. Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p-типа оснащается каналами из полупроводника n-типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой — хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью (именно это обозначает аббревиатура ПЗС) обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса (transfer gate), расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра — то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига (то есть строки двумерного массива фототоков) обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига, составляющие параллельный, называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный вынужден простаивать. Ну а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей (full-frame CCD-matrix). Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселов добавляются лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице (full-frame matrix smear).

Таким образом, скорость считывания кадра в такой схеме ограничена скоростью работы как параллельного, так и последовательного регистров сдвига. Также очевидно, что необходимо перекрывать световой поток, идущий из объектива, до завершения процесса считывания, поэтому интервал между экспонированием тоже зависит от скорости считывания.

Матрицы с буферизацией кадра

Существует усовершенствованный вариант полнокадровой матрицы, в котором заряды параллельного регистра не поступают построчно на вход последовательного, а «складируются» в буферном параллельном регистре. Данный регистр расположен под основным параллельным регистром сдвига, фототоки построчно перемещаются в буферный регистр и уже из него поступают на вход последовательного регистра сдвига. Поверхность буферного регистра покрыта непрозрачной (чаще металлической) панелью, а вся система получила название матрицы с буферизацией кадра (frame—transfer CCD).

В данной схеме потенциальные ямы основного параллельного регистра сдвига «опорожняются» заметно быстрее, так как при переносе строк в буфер нет необходимости для каждой строки ожидать полный цикл последовательного регистра. Поэтому интервал между экспонированием сокращается, правда при этом также падает скорость считывания — строке приходится «путешествовать» на вдвое большее расстояние. Таким образом, интервал между экспонированием сокращается только для двух кадров, хотя стоимость устройства за счёт буферного регистра заметно возрастает. Однако наиболее заметным недостатком матриц с буферизацией кадра является удлинившийся «маршрут» фототоков, который негативно сказывается на сохранности их величин. И в любом случае между кадрами должен срабатывать механический затвор, так что о непрерывном видеосигнале говорить не приходится.

Матрицы с буферизацией столбцов

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD matrix), в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра — в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром — его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования.

Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров — не менее 30 кадров секунду.

Зачастую в отечественной литературе матрицы с буферизацией столбцов ошибочно именуют «чересстрочными». Вызвано это, наверное, тем, что английские наименования «interline» (буферизация строк) и «interlaced» (чересстрочная развёртка) звучат очень похоже. На деле же при считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной развёрткой (progressive scan), а когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй — чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan).

Матрицы с ортогональным переносом изображения

Принцип действия счетчика Гейгера

Заряженная частица, пролетая в газе, отрывает у атомов

электроны.

Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет

электроны до энергий, при которых начинается ударная

ионизация.

Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко

возрастает.

При этом на нагрузочном резисторе образуется

импульс напряжения, который подается в

регистрирующее устройство ( усилитель или

механический счетчик)

Камера Вильсона в магнитном поле

Камера Вильсона в магнитном поле

Советские физики П. Л. Капица и Д. В. Скобельцын предложили помещать камеру Вильсона в однородное магнитное поле. Магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу с определенной силой (силой Лоренца). Эта сила искривляет траекторию частицы, не изменяя модуля ее скорости. Трек имеет тем большую кривизну, чем больше заряд частицы и чем меньше ее масса. По кривизне трека можно определить отношение заряда частицы к ее массе. Если известна одна из этих величин, то можно вычислить другую. Например, по заряду частицы и кривизне ее трека можно найти массу частицы.

Принцип действия сцинтилляционного счетчика

В сцинтилляционном

детекторе свет,

излученный при

сцинтилляции,

собирается на

фотоприёмнике (как

правило, это фотокатод

фотоэлектронного

умножителя — ФЭУ),

преобразуется в импульс

тока, усиливается и

записывается той или

иной регистрирующей

системой.

3

5

1

2

4

6

7

1- сцинтиллятор, 2- фотокатод,

3,4,5- диноды, 6- анод, 7алюминиевая фольга

Метод толстослойных фотоэмульсий

Эффективностью приближенной к камере Вильсона и пузырьковой камере обладают толстослойные фотоэмульсии, они тоже используются для регистрации частиц. При наблюдении ионизирующего действия быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки французский физик А. Беккерель открыл в 1896 году радиоактивность. Развили метод фотоэмульсии советские физики Л. В. Мысовский, Г. Б. Ждановый и прочие.

В фотоэмульсии содержится значительно количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица пронизывает кристаллик, отрывая электроны от отдельных атомов брома. Если рассматривать цепочку таких кристалликов, получается скрытое изображение. После проявление в этих кристалликах наблюдается восстановление металлического серебра и образование трека частиц из цепочки зёрен серебра. Длина и толщена трека позволяет оценить энергию и массу частицы.

Треки получаются крайне короткими (около 10-3 см для альфа-частиц, испускаемых радиоактивными элементами), потому что плотность фотоэмульсии сильно большая, однако их можно увеличить при фотографировании.

Фотоэмульсии кажутся экспериментаторам лучшим вариантом, потому что их время экспозиции может быть сколько угодно большим. Таким образом, открывается возможность регистрировать редкие явления. Также важно, что число наблюдаемых интересных реакций между частицами и ядрами увеличивается из-за большой тормозящей способности фотоэмульсий.

В этом материале были представлены далеко не все существующие устройства для регистрации частиц. В современном мире существуют приборы, использующиеся для обнаружения редко встречающихся и короткоживущих частиц. Их устройство очень сложное, ведь даже для их создания нанимаются сотни людей.

Камера Вильсона

Эти капли достигают значительных размеров и могут быть

сфотографированы. Источник исследуемых частиц может

располагаться либо внутри камеры, либо вне ее (в этом

случае частицы залетают через прозрачное для них окно). Для

исследования количественных характеристик частиц

(например, массы и скорости) камеру помещают в

магнитное поле, искривляющее треки.

Преимущества и недостатки

Преимущества искровой камеры по

сравнению с пузырьковой

Недостатки:

• четкость треков в

Может управляться автоматически;

пузырьковой

Автоматическая регистрация треков с камере намного

использованием ЭВМ

выше

непосредственно в

экспериментальной установке, что

чрезвычайно сокращает время между

экспериментом и получением

обработанной информации;

Внутри камер можно размещать

многотонные металлические

пластины для увеличения вероятности

обнаружения редких реакций.

Диаметр пузырьков и плотность

Плотность и размеры пузырьков определяют, какие удары сможет выдержать пленка. Чем больше воздушные камеры и плотнее материал, тем лучше он оберегает товары от повреждений. Плотность может составлять от 50 до 180 г/м2. Диаметр пузырьков от 6 до 25 мм, высота — от 3 до 10 мм.

Если нужно упаковать небольшой товар — используйте менее прочную пленку с маленькими воздушными камерами. Чем больше габариты груза, тем более прочной должна быть пленка и крупным пузырек.

Процесс измерения

Частицы впускаются в камеру в

момент её максимальной

чувствительности. Спустя некоторое

время, необходимое для

достижения пузырьками достаточно

больших размеров, камера

освещается и следы

фотографируются

После фотографирования

давление поднимается до прежней

величины, пузырьки исчезают, и

камера снова оказывается готовой

к действию. Весь цикл работы

составляет величину менее 1 сек,

время чувствительности ~ 10—

40 мсек.

Пузырьковые камеры (кроме

ксеноновых) размещаются в

сильных магнитных полях. Это

позволяет определить импульсы

заряженных частиц по измерению

радиусов кривизны их траекторий.

Метод толстослойных фотоэмульсий

• Заряжённые частицы создают скрытые

изображения следа движения.

• По длине и толщине трека можно оценить

энергию и массу частицы.

Фотоэмульсия имеет большую плотность,

поэтому треки получаются короткими.

Метод толстослойных фотоэмульсий

Метод толстослойных фотоэмульсий

Для регистрации частиц наряду с камерами Вильсона и пузырьковыми камерами применяются толстослойные фотоэмульсии. Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. Беккерелю открыть в 1896 г. радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским, Г. Б. Ждановым и др.

Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы (рис. 13.5). По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.

Создание перегретой жидкости

Перегрев жидкости достигается

за счет быстрого понижения

давления до значения при

котором температура жидкости

оказывается выше температуры

кипения (при текущем

давлении).

Понижение давления

осуществляется за время ~ 5—

15 мс перемещением поршня

(в жидководородных камерах)

либо сбросом внешнего

давления из объёма,

ограниченного гибкой

мембраной (в

тяжеложидкостных камерах).

поршень

Виды

Количество слоёв влияет на прочность упаковки. Материал бывает двух- или трехслойным.

Двухслойный вид. Верхний слой состоит из воздушных пузырьков, а нижний имеет гладкое покрытие. Применяется там, где нужна только амортизация и нет риска повреждения упаковки. Служит в качестве наполнителя при упаковке бытовой техники, посуды, автозапчастей, компьютерных комплектующих.

Воздушные пузырьки находятся посередине, между двумя гладкими слоями.Не только хорошо амортизирует, но и защищает грузы от различных повреждений — сколов, царапин, трещин. Применяется в качестве самостоятельного упаковочного материала. Сохраняет товары при длительных перевозках. Более плотная структура позволяет использовать такую пленку в качестве теплоизолятора. Отлично подойдет для теплиц, парников, укрытия автомобилей от холода.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц

Регистрирующий прибор-

сложная

макроскопическая

система, которая может

находиться в неустойчивом

состоянии. При

небольшом возмущении,

вызванное пролетевшей

частицей, немедленно

начинается процесс

перехода системы в новое

, более устойчивое

состояние. Этот процесс

позволяет регистрировать

частицу.

Для того, чтобы счетчик

мог регистрировать

новую частицу,

лавинный заряд

необходимо погасить.

Это происходит

автоматически. Так как

падение напряжения в

момент приема

частицы на резисторе

велико, то напряжение

между анодом и

катодом падает,

разряд прекращается

, счетчик готов к

работе.

Радиометр, чувствительный

элемент — счётчик Гейгера

— расположен в выносном

блоке на переднем плане.

В бытовых дозиметрах и

радиометрах производства

России обычно

применяются 400-вольтовые

счётчики

Пузырьковая камера

позволила

зафиксировать

поведение многих

ионизирующих частиц,

не поддававшихся

ранее наблюдению, и

получить о них в тысячи

раз большую

информацию.

Некоторые специальные виды матриц

Основная сфера применения линейных световоспринимающих устройств — сканеры, панорамная фотоаппаратура, а также спектроанализаторы и другое научно-исследовательское оборудование.

Координатные и угловые датчики

Матрицы с обратной засветкой

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, светочувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому при съёмке в особых условиях, требующих повышенной светочувствительности в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой (англ. ). В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, но для требуемого внутреннего фотоэффекта подложка шлифуется до толщины 10—15 мкм. Данная стадия обработки существенно увеличивала стоимость матрицы, устройства получались весьма хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации. А при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл. Поэтому матрицы с обратной засветкой применяются в основном в астрономической фотографии.

Газоразрядный счетчик Гейгера Счетчик (рис

Газоразрядный счетчик Гейгера

Счетчик (рис. 13.1) состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется газом, обычно аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица (электрон, α-частица и т. д.), пролетая в газе, отрывает от атомов электроны и создает положительные ионы и свободные электроны. Электрическое поле между анодом и катодом (к ним подводится высокое напряжение) ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Для того чтобы счетчик мог регистрировать следующую попавшую в него частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически. Так как в момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе R велико, то напряжение между анодом и катодом резко уменьшается — настолько, что разряд прекращается.

Принцип действия

при движении частицы в среде со скоростью,

превышающей скорость света в этой среде,

возникает слабое излучение.

Этот эффект можно использовать для регистрации

элементарных частиц, улавливая с помощью

чувствительного фотоумножителя черенковское

излучение, возникающее в газе, жидкости или твердом

теле.

Размеры матриц цифровых кинокамер

| Обозначение | соответствиеформатукиноплёнки | Ширина | Высота | Диагональ | Площадь | Пример |

| ———– | —————————– | —— | —— | ——— | ——- | ——————– |

| Super-35 | Super-35 | 24,89 | 18,66 | 31 | 465 | Arri D-21, Red One |

| 65-mm | широкоформатная | 49 | 23 | 54 | 1127 | Sony F65, Phantom 65 |

Преимущества

Изделие обладает следующими эффективными свойствами:

— хорошая амортизация, позволяющая безопасно транспортировать хрупкие и ценные вещи;

— мягкость и гибкость, благодаря которым можно обернуть предметы любой формы и размеров;

— высокая прочность, плотность, устойчивость к растяжению, сжатиям или разрывам;

— защита упакованных товаров от влаги, грязи, пыли и других вредных факторов;

— легкость, не добавляет лишнего веса к упаковке;

— хорошо удерживает тепло;

— не боится ультрафиолетовых лучей;

— экологически чистый и безопасный для использования материал.

Использованные ссылки https

Материалы на данной страницы взяты из открытых истончиков либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.

Введите ваш email

Общее устройство и принцип работы

ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремниевые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования — обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды — происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно, тем выше итоговый заряд данного пиксела.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Пример субпиксела ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Архитектура пикселов у производителей разная.

Схема субпикселов ПЗС-матрицы с карманом n-типа (на примере красного фотодетектора)

Обозначения на схеме субпиксела ПЗС:

1. фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;

2. микролинза субпиксела;

3. R — красный светофильтр субпиксела, фрагмент фильтра Байера;

4. прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;

5. оксид кремния;

6. кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;

7. зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;

8. кремниевая подложка p-типа.

Леонид Свистов «Квантик» №11, 2022

Был жаркий летний день. Я возвращался из отпуска на поезде и смотрел в окно. На станции Великие Луки поезд остановился так, что моё окно оказалось напротив ларька «Прохладительные напитки». У ларька стояли двое молодых мужчин и с удовольствием пили напитки прямо из бутылок. Поезд стоял довольно долго, так что я могу с уверенностью утверждать, что процесс был хорошо отлажен и никаких неожиданностей не предвиделось. Но на очередной паре открытых бутылок мужчина в кепке поднял свою бутылку повыше и ловко ударил её донышком по горлышку бутылки приятеля. Эффект был ошеломляющим. Напиток в бутылке мужчины без кепки не выдержал такого унижения и вырвался фонтаном над приятелями, в то время как газировка мужчины в кепке вела себя спокойно. Конечно, сделать фотографии этого явления я не успел, поэтому предъявляю ход событий, зарисованный по памяти.

Чтобы разобраться с причиной такого поведения напитка, мы запаслись бутылками с разными газированными лимонадами, камерой, которая может делать фотографии каждую десятую долю секунды, а также деревянным молотком, которым не так опасно ударять открытые бутылки. Чтобы можно было наблюдать за происходящим внутри бутылки, все этикетки мы отмыли.

Вот серия фотографий содержимого одной из бутылок до (1) и после удара (2–8).

Сразу после удара в объёме бутылки возникают несколько небольших областей, где образуются пузырьки газа. На фотографиях эти области тёмные. Со временем облака пузырьков расширяются и всплывают наверх, образуя на поверхности слой пены, который растёт и в итоге выплёскивается из бутылки (фото 8). Высота столба вырывающейся пены зависит от сорта напитка. Рекордный подъём струи в наших экспериментах наблюдался после удара по бутылке с газированным лимонадом фирмы Лaгидзе (фото 9–11), в котором пузырьки, образующие пену, наиболее долгоживущие.

Попробуем объяснить поведение газировки. Прежде всего вспомним, что после открытия бутылки обычно раздаётся характерный звук вырывающегося газа. Дело в том, что над напитком в закрытой бутылке находится углекислый газ под давлением, большим атмосферного. Это необходимо для того, чтобы напиток в закрытой бутылке оставался газированным, то есть чтобы в жидкости был растворён углекислый газ CO2. В закрытой бутылке газ, растворённый в жидкости, находится в равновесии с газом над жидкостью. Это значит, что число молекул CO2, входящих в жидкость из газа, равно числу молекул, выходящих за то же время из жидкости. Чем больше давление газа над жидкостью, тем чаще молекулы заходят в жидкость, а значит, и количество растворённого в жидкости газа растёт с увеличением давления. Этот закон открыл Джон Дальтон в начале XIХ века.

Когда бутылку открывают, в воздухе над поверхностью газировки углекислого газа сразу становится значительно меньше, чем было. Поэтому молекул СО2, выходящих из раствора, гораздо больше, чем молекул СО2, возвращающихся в раствор. Концентрация молекул СО2 в растворе начинает уменьшаться. Конечно, мы все замечали, что вкус газировки в открытой бутылке со временем меняется. Газировка перестаёт быть газировкой. К нашему удовольствию, газ выходит достаточно медленно. Это можно понять. Ведь молекулам газа, чтобы выйти из жидкости, надо пробраться (продиффундировать) сквозь воду до самого верха бутылки. Совсем по-другому происходит выход газа, если в жидкости есть пузырьки. В этом случае молекулы СО2 могут выходить внутрь пузырьков, которые начинают расти и под действием силы Архимеда подниматься наверх. Если пузырьки при выходе из жидкости не лопаются сразу, на поверхности бутылки образуется слой пены, который может занимать большой объём и выливаться из бутылки. Выход газа из жидкости в пузырьки обычно называют кипением. Выход СО2 из воды с поверхности газировки и внутрь пузырьков в жидкости во многом схож с процессами испарения и кипения самой жидкости.

Заметим, что и при привычном нам кипении часто присутствуют явления, похожие на наблюдаемые в газировке. Так убегающее из кастрюли закипающее молоко способно залить плиту.

Осталось понять, почему для закипания газировки необходим удар по горлышку бутылки. Вот наша версия происходящего. Удар по горлышку приводит к быстрому сдвигу бутылки.

Вода — это массивная, почти несжимаемая жидкость, которая не успевает за движением бутылки. Поэтому вблизи дна бутылки сразу после удара можно ожидать возникновение областей с пониженным давлением. В эти области в соответствии с законом Дальтона будут интенсивно выходить растворённые в газировке газы: кислород, азот и, конечно, углекислый газ. Вскоре после удара вода в бутылке приходит в равновесие и давления выравниваются. Но маленькие пузырьки вышедшего за это время из газировки газа остаются. Эти пузырьки разрастаются, и газировка закипает!

В случае удара по дну бутылки можно ожидать возникновения областей с повышенным давлением, в которых выход газа будет подавлен. В наших экспериментах такой удар к закипанию не приводил.

В конце нашего рассказа заметим, что удар по горлышку бутылки — совсем не единственный способ создания начальных пузырьков, необходимых для закипания. Так, автогонщики на церемонии награждения перед открытием бутылки с шампанским как следует её взбалтывают. А учёные-физики создают начальные пузырьки с помощью движущихся через газировку электрически заряженных элементарных частиц. Растущие со временем пузырьки становятся видимыми, что позволяет исследовать траектории этих частиц. Такой прибор называется пузырьковой камерой. Если верить Википедии, её изобретатель Дональд А. Глейзер рассказывал, что в ранних экспериментах по обнаружению частиц он использовал камеры, заполненные газированными жидкостями.

Художник Мария Усеинова

Принцип работы

Камера заполнена жидкостью,

которая находится в состоянии

близком к вскипанию. При

резком уменьшении давления

жидкость становится

перегретой. Если в данном

состоянии в камеру попадёт

ионизирующая частица, то её

траектория будет отмечена

цепочкой пузырьков пара и

может быть

сфотографирована.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц

Каждое регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра устройство можно сравнить с заряженным ружьём с взведённым курком. Лишь небольшое усилие при нажатии на спусковой крючок ружья сопровождается не сравнимым с затраченным усилием эффектом – выстрелом.

Регистрирующий прибор обычно представлен сложной макроскопической системой, способной находиться в неустойчивом состоянии. Когда во время активности частицы происходит переход системы в новое, более устойчивое состояние. С помощью этого процесса частица и регистрируется.

Сейчас существует огромное множество разнообразных методов регистрации частиц.

Регистрирующие устройства выбираются для каждого эксперимента в зависимости от поставленной цели, ведь все приборы отличаются друг от друга по основным характеристикам.

Упражнения

Газоразрядный счетчик Гейгера.

Назначение:

Действие счетчика

основано на ударной

ионизации

Регистрация электронов

и γ- квантов(1%)

1

2

3

Устройство:

1-стеклянная трубка, покрытая изнутри металлическим слоем -2

(катод ),

3- тонкая металлическая нить, идущая вдоль оси трубки (анод)

Трубка заполняется газом (аргон)