Камера Вильсона была изобретена шотландским физиком Ч. Вильсоном в 1910–1912 гг. и являлась одним из первых приборов для регистрации заряженных частиц. В основе действия камеры лежит свойство конденсации капелек воды на ионах, образовавшихся вдоль трека (следа) частицы. Появление камеры Вильсона не только позволило увидеть треки частиц, но и сделало возможным «распознавание» этих частиц (заряд, энергия), а также дало много нового материала, который послужил основанием для некоторых важных открытий.

Принцип работы камеры Вильсона довольно прост. Известно, что если парциальное давление водяного пара превышает его давление насыщения при данной температуре, то может образоваться туман и выпасть роса. Показатель перенасыщения S – это отношение парциального давления к давлению насыщения при данной температуре. Для самопроизвольной конденсации пара в чистом воздухе нужны большие показатели перенасыщения (S~10), но если в воздухе присутствуют посторонние частицы, способные служить центрами конденсации, то образование микрокапелек может начаться и при меньших значениях S. Величина пересыщения, необходимая для образования капель на ионах, зависит от природы пара и знака заряда иона. Так, водяной пар конденсируется преимущественно на отрицательных ионах, пары этилового спирта – на положительных. В камере Вильсона чаще используют смесь воды и спирта, в этом случае требуемое пересыщение S = 1,62 что является минимальным из всех возможных значений. Пересыщение достигается быстрым (почти адиабатическим) расширением смеси газа и пара.

Падение температуры в момент расширения определяется отношением T₁/T₂ = (V₁/V₂)^γ-1, где γ = C_p/C_v, или T₁/T₂ = (p₁/p₂) ^{γ-1/ γ} в зависимости от того, происходит ли расширение камеры за счёт изменения объёма от V₁ к V₂ или давления газа от p₁ к р₂. Для работы оптимально р от 0,1 до 2 атм; при более высоких давлениях работа затруднена необходимостью очищать камеру от капель, оставшихся после расширения. С ростом давления увеличивается также время нечувствительности (мёртвое время).

Частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, обладают достаточной энергией для ионизации большого числа молекул газа, составляющего среду. Образующиеся при пролете частицы ионы эффективно притягивают молекулы воды вследствие несимметричности распределения заряда в этих молекулах. Таким образом, частица, высвободившаяся при радиоактивном распаде, пролетая перенасыщенную среду, должна оставлять за собой след из капелек воды. Его можно увидеть и заснять на фотопластинку в камере Вильсона.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр, заполненный парами спирта и воды. В камере имеется поршень, при быстром опускании которого вследствие адиабатического расширения температура падает, и пары приобретают способность легко конденсироваться (показатель перенасыщения 1<S<10). Влетающие через отверстие в камере частицы вызывают ионизацию молекул среды, то есть появление туманного следа – трека частицы. Вследствие того, что частицы обладают разными энергиями, размерами и зарядами, треки от различных частиц выглядят по–разному. Например, трек электрона выглядит тоньше и прерывистей, чем трек, полученный при пролете значительно более массивной альфа–частицы.

В 1923 г. советский физик П.Л. Капица поместил камеру Вильсона в сильное магнитное поле, которое искривляло траекторию движения частиц. По величине искривления траектории можно определять заряды и энергии частиц.

Рассмотрим движение частицы в поперечном однородном магнитном поле. Если частица влетает в магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям, то на нее действует сила Лоренца F_B = qvB, т.к. угол между скоростью и направлением индукции поля в этом случае равен 90 градусов. Эта сила перпендикулярна скорости частицы и поэтому не совершает работы и не изменяет кинетической энергии частицы. По этой причине величина скорости частицы в магнитном поле постоянна. Поскольку направление движения частицы изменяется, то частица все же имеет ускорение, которое является центростремительным, при этом частица движется по окружности, плоскость которой перпендикулярна силовым линиям магнитного поля. 2–й закон Ньютона запишется в виде:

   (1),

где R – радиус окружности. Отсюда следует, что радиус , т.е. он пропорционален скорости частицы. Время одного оборота частицы по окружности равно , т.е. оно не зависит от скорости частицы.

Из формулы (1) можно получить выражение для удельного заряда частицы, т.е. для отношения заряда частицы к ее массе:

     (2).

Из формулы (2) видно, что для определения этой величины необходимо измерить скорость частицы и радиус окружности, по которой она движется в магнитном поле, а также знать величину индукции магнитного поля.

Поскольку поле наблюдения является кругом, то наблюдатель видит лишь часть траектории частицы, которая зависит от соотношения радиуса траектории частицы и радиуса поля наблюдения. Имеются три различных случая, которые представлены на рис.1: радиус траектории может быть меньше, больше или равен радиусу самой камеры Вильсона.

Важным усовершенствованием, удостоенным в 1948 г. Нобелевской премии (П. Блэкетт), явилось создание управляемой камеры Вильсона. Специальные счётчики отбирают события, которые должны быть зарегистрированы камерой Вильсона, и “запускают” камеру лишь для наблюдения таких событий. Камера Вильсона приводится в действие пусковым устройством, срабатывающим при попадании в неё исследуемой частицы. В этом случае важную роль играет скорость расширения. Ширина трека х определяется выражением x=4,68 (D_τ)^1/2, где D – коэффициент диффузии (в см²/с), τ – время расширения, которое в обычных камерах Вильсона порядка нескольких мкс. Полное время цикла обычной ВК > 1 мин. Оно складывается из времени, нужного для медленного (очищающего) расширения, времени, необходимого для прекращения движения газа, и времени диффузии пара в газе. В качестве источников света при фотографировании треков частиц используют импульсные лампы большой мощности.

Возможности камеры Вильсона значительно возрастают при помещении её в магнитное поле. По искривлённой магнитным полем траектории заряженной частицы определяют знак её заряда и импульс. С помощью камеры Вильсона в 1932 г. К. Андерсон обнаружил в космических лучах позитрон.

 

В камере Вильсона (рис. 1) треки заряженных частиц становятся видимыми (рис.2) благодаря конденсации перенасыщенного пара на ионах газа, образованных заряженной частицей. На ионах образуются капли жидкости, которые вырастают до размеров достаточных для наблюдения (10^–3–10^–4 см) и фотографирования при хорошем освещении. Пространственное разрешение камеры Вильсона обычно ≈ 0.3 мм. Рабочей средой чаще всего является смесь паров воды и спирта под давлением 0.1–2 атмосферы (водяной пар конденсируется главным образом на отрицательных ионах, пары спирта – на положительных). Перенасыщение достигается быстрым уменьшением давления за счёт расширения рабочего объёма. Время чувствительности камеры, в течение которого перенасыщение остаётся достаточным для конденсации на ионах, а сам объём приемлемо прозрачным (не перегруженным капельками, в том числе и фоновыми), меняется от сотых долей секунды до нескольких секунд. После этого необходимо очистить рабочий объём камеры и восстановить её чувствительность. Таким образом, камера Вильсона работает в циклическом режиме. Полное время цикла обычно > 1 мин.