Конденсационная камера Ляпидевского Советский патент 1993 года по МПК G01T5/04 

Изобретение относится к области ядерной физики и техники, а именно к приборам дяя регистрации ионизирующих излучений и может быть использовано в качестве трекового детектора заряженных частиц для исследований в области ядерной физики, физики элементарных частиц, для контроля радиоактивности окружающей среды, а также в качестве учебного прибора в школах и вузах.

Целью предлагаемого изобретения является создание камеры, чувствительный слой в которой устойчив к изменению природы и давления газа и пара, а также температуры дна и крышки путем создания по стенкам камеры возрастающего по направлению сверху вниз градиента температуры.

ч В такой камере процесс переноса тепла и пара осуществляется не только диффузией и теплопроводимостью, но также и движением смеси газа и пара в объеме камеры, поэтому автор предлагает камеру назвать не диффузионной, а конденсационной, так как процесс конденсации капель на ионах является основным при образовании наблюдаемого трека частицы.

Указанная цель достигается тем, что на

крышке и стенках камеры установлены нагреватели. Для расширения диапазона рабочих температур крышкя и стенки камеры

окружены оболочкой, внутри которой установлены нагреватели. Оболочка предохраняет обслуживающий персонал. ; от непосредственного контакта с нагревателями.

Экспериментально установлено, что при выполнении этого условия и нагреве газа в зазоре между стенками камеры и оболочкой до температуры выше температуры дна на несколько десятков градусов (в зависимости от высоты камеры на 20-100°С) по стенкам камеры устанавливается возрастающий по направлению сверху вниз градиент температуры, что обеспечивает образование стабильного чувствительного слоя вблизи дна камеры, в котором наблюдаются треки заряженных частиц.

С целью упрощения конструкции в качестве нагревателей установлены лампы накаливания.

Создание возрастающего по направлению сверху вниз градиента температуры необходимо для устойчивой работы конденсационной камеры. Это обусловлено тем, что в камере с линейным распределением температуры при конденсации капель благодаря выделению тепла возникают местные кавитационные точки, нарушающие стабильность чувствительного слоя. Эксперименты показали, что если в объеме камеfe

СО

со а

О

СО

ры создать направленные потоки газа и пара, то чувствительный слой становится устойчивым. Скорость движения газа в камере регулируется путем изменения градиента температуры по стенкам камеры. Чем больше нелинейность градиента температуры по стенкам (т.е. чем быстрее растет по направлению сверху вниз градиент температуры), тем больше скорость движения газа и тем устойчивее чувствительный слой.

Эксперименты показали, что вблизи стен смесь газа и пара движется снизу вверх, и основная масса газа и пара движется ко дну камеры сверху вниз. При увеличении скорости движения газа возрастает устойчивость чувствительного слоя, увеличивается ионная нагрузка (число частиц, регистрируемых в единицу времени), уменьшается высота чувствительного слоя и уменьшается время нахождения трека в объеме камеры. При большой скорости движения смеси газа и пара вблизи дна происходит деформация трека частиц. С целью уменьшения искажений треков за счет радиального движения смеси газа и пара вблизи дна, центральная дна имеет сквозные отверстия, сообщающиеся с обьамом камеры согласно п.7 формулы изобретения, Таким образом, смесь газа и пара, движущаяся сверху вниз ко дну проходит через отверстия в дне и затем поднимается вдоль стен камеры в ее верхние сечения.

Движение смеси газа и пара, которое возникает в камере с нелинейным распределением температуры поее стенкам позволяет использовать это движение сме.си газа и пара для переноса пара в чувствительный слой. Для этого, согласно п.4, п.6, и п.8 формулы изобретения центральная .часть дна камеры выполнена из материала с большей теплопроводностью и приподнята относительно периферии, что позволяет использовать поверхность жидкости, находящейся на дне, в качестве источника пара. С целью увеличения поверхности источника пара, часть площади дна и внутренней поверхности стен покрыта смачивающимся жидкостью материалом, содержащим капилляры, поры или Микротрещины согласно п. 10 формулы изобретения. . .

Для обеспечения работы камеры в широком диапазоне температур используют жидкости и их смеси, одна из которых имеет температуру кипения ниже 101°С, а другая - выше 130°С из ряда: ацетон, метиловый спирт, этиловый спирт, бензол, вода, бутиловой спирт, гликоль, анилин, .нафталин, гликоль, глицерин, парафин. При этом, абсолютные значения температуры дна и температуры крышки камеры не существенны.

Их устанавливают в зависимости от примененной жидкости.

Известно, что согласно термодинамике, пары любой жидкости конденсируются на

центрах конденсации и, в частности, на ионах. Поэтому, в принципе, любая жидкость может быть использована для получения необходимого для регистрации треков заряженных частиц пересыщенного пара.

0 Поэтому выбор рабочей жидкости определяется только удобством ее применения в кон- денсационной камере для решения конкретных задач.

Основными факторами, влияющими на

5 выбор рабочей жидкости, являются ее безопасность в применении и температура кипения - Тк. Большой интерес представляют исследования процессов конденсации водяного пара с образованием капель или кри0 сталлоё льда при различных температурах. Следует отметить, что треки заряженных частиц, состоящие из мелких кристалликов льда, попадают на дно и сохраняются на нем длительное время, что позволяет пол5 учать фотографии большого числа треков, зарегистрированных за большие промежутки времени (порядка часов). Аналогичные эффекты сохранения треков на дне камеры наблюдаются при использовании паров гли0 церина. парафина и других высокомолекулярных соединений.

Для наблюдения треков частиц, проходящих выше чувствительного слоя крышка камеры выполнена из материала, обладаю5 щего свойствами электрета. Для улучшения качества треков центральная часть камеры выполнена из магнитного материала. Для введения в объем камеры радиоактивных веществ стенки камеры имеют отверстия.

0 Температура кипения жидкости в значительной мере определяет собой рабочие температуры дна и крышки камеры. Чем выше температура кипения жидкости, тем больше должна быть температура дна и

5 крышки.

Для работы камеры при более высоких температурах требуются жидкости с большей температурой кипения, высокотемпературные, высокомолекулярные спирты из

0 ряда: бутиловый спирт (), пиридин (,2°), этиленгликоль (Тк-197,3), глицерин (). Наиболее доступны и удобны в применении смеси спиртов с водой, например, смесь глицерина с водс-й. Этообус5 ловлено тем, что состав такой смеси можно изменять в широких пределах: содержание одного из компонент можно изменять от нуля до 1. Соответственно этому изменяют и парциальное давление пара одного из компонентов смеси, Кроме упомянутых

жидкостей применялись также анилин, парафин, пары нафталина, камфоры.

Как уже упоминалось, любая жидкость и пары любого вещества могут быть использованы для получения необходимого для образования новой фазы (жидкой или твердой) на ионах в пересыщенном паре.

Достаточно широкий диапазон рабочих температур можно получите, если взять две взаиморастворимые жидкости с различающимися более чем на 30°С температурами кипения, например, жидкости с температурой кипения ниже 101°С и выше 130°С, как указано в формуле изобретения. К первой группе относятся ацетон, спирт метиловый, спирт этиловый, бензол, эфир, вода. Ко второй группе относятся бутиловый спирт, толуол, пиридин, этиленгликоль, глицерин, нафталин, камфора, парафин.

Во всех случаях температура дна установлена ниже температуры конденсации пара. Температура крышки установлена выше температуры конденсации пара, заполняющего объем камеры для улучшения условий наблюдения.

Таким образом, независимый пункт предлагаемого изобретения обеспечивает стабильную работу камеры в широком диапазоне рабочих температур, ограниченных только температурой кипения и температурой конденсации применяемых жидкостей.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое устройство - конденсационная камера, отличается тем, что на крышке и стенках камеры установлены нагреватели, обеспечивающие возрастающий по направлению сверху вниз градиент температуры.

Изобретение поясняет чертеж, где 1 - дно камеры, 2 - стенки камеры, 3 - прозрачная крышка камеры, 4 - оболочка. 5-лампы накаливания.

Предлагаемое изобретение реал зова- но следующим образом. В камере, ограниченной стеклянными стенками, стеклянной крышкой и металлическим дно.м, заполнен- ной смесью газа и пара, с помощью нагревателей 5, размещенных в области между стенками 2 и оболочкой 4. создают по стенкам возрастающий по направлению сверху вниз градиент 1емпературы. Вследствие этого в объеме сосуда возникает движение газа, который увлекает пары спирта с периферии дна сосуда в верхние сечения. Смесь газа и пара в основном объеме при заданном .градиенте температуры движется сверху вниз. Попадая а область вблизи охлаждаемого дна, пары жидкости охлаждаются, в результате чего возникает пересыщение.

достаточное для регистрации треков заряженных частиц. Треки освещают осветителем 5 и регистрируют через стеклянную крышку сосуда. Охлаждение дна камеры может осуществляться либо специальными хладагентами, либо непосредственно путем теплообмена с окружающей средой, если температура дна выше температуры окружающей среды.

0 Такими образом, только выполнение пун- ктов формулы изобретения позволяет достичь целей, перечисленных в заявке. Актуальность поставленных целей определяется возрастающим влиянием радиоактивно5 сти (естественной и искусственной) на различные стороны жизни.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1.Конденсационная камера, состоящая из замкнутого сосуда с дном, заполненного

0 смесью газа и пара, содержащая нагреватель, источник пара, осветитель треков, о т- личающаяся тем, что, с целью получения стабильного чувствительного слоя путем создания по стенкам камеры возрастающего.

5 по направлению сверху вниз градиента температуры, на крышке и стенках камеры установлены нагреватеЪи.

2.Камера по п. 1.отличающаяся тем, что нагреватели установлены в оболоч0 ке, которой окружены крышка и стенки камеры.

3.Камера по п. 1,отличающая-р я тем, что, с целью упрощения конструкции, в качестве нагревателей использованы лампы

5 Накаливания.

4.Камера по п.1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью использования камеры при температурах выше температуры окружающей среды, дно камеры выполнено в виде

0 радиатора.

5.Камера по пп.1 и 4, о т л и ч а ю щ а я- с я тем, что, с целью увеличения ионной нагрузки, центральная часть дна выполнена из материала с большей теплопроводно5 стью. чем периферия дна.

6.Камера по п. 1, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью расширения диапазона рабочих температур, в качестве источника пара использованы жидкости или смеси

0 жидкостей, одна из которых имеет температуру кипения ниже 101°С. а другая - выше 130°..

7.Камера по пп.1 и 6, отличающая- с я тем, что в качестве жидкости или смеси

5 жидкостей использованы жидкости из ряда: этиловый спирт, метиловый спирт, ацетон, бензол, вода, бутиловый спирт, анилин, гликоль, глицерин, парафин.

8.Камера по пп.1,4 и 5, о т л и ч а ю ща я- с я тем, что, с целью улучшения качества

треков, центральная часть дна приподнята относительно периферии на 0,5-10 см.

9.Камера по пп.1, 4, 5 и 8, 5 т л и ч а ю- щ а я с я тем, что, с целью уменьшения искажения треков за счет радиального движения смеси газа и пара вблизи дна, центральная часть дна камеры выполнена со сквозными отверстиями,

10.Камера по пп.1, 6 и 9, о т л и ч а ю- щ а я с я тем, что, с целью упрощения конструкции камеры, в качестве источника пара использована поверхность жидкости, находящейся на дне.

11.Камера по пп.1 и 9, от л ича ю ща я- с я тем, что, с целью увеличения поверхности источника пара, часть площади дна и внутренней поверхности стен покрыта смачивающимся жидкостью материалом, содержащим капилляры, поры или микротрещины.

12.Камера по пп.1 и11,отличающая- с я тем, что. с целью измерения числагтре- ков, образовавшихся в обьеме камеры за

определенный промежуток времени, в качестве источника пара применяют жидкость, пары которой конденсируются в твердую фазу (например, пары воды при температу- ре ниже -41 °С, пары глицерина и пары парафина при температуре ниже 0°С).

13.Камера по пп.1-12, отличающая- с я тем, что. с целью наблюдения треков частиц, проходящих выше чувствительного

слоя, крышка камеры выполнена из материала, обладающего свойствами электрета.

14.Камера по пп. 1-13, от л и чающая- с я тем, что для улучшения качества треков центральная часть камеры выполнена из

магнитного материала.

15.Камера по пп,1-14, отличающая- с я тем, что, с целью улучшения качества треков, центральная часть камеры выполнена из светопроводящего материала.

16. Камера по пп.1-15, от л и ч в ю щая- с я тем, что, с целью введения в объем камеры радиоактивных веществ, стенки камеры имеют отверстия.

Использование: трековая регистрация заряженных частиц, радиометрия газов. Сущность изобретения: крышка и стенки конденсационной камеры окружены оболочкой, внутри которой по ее периферии установлены нагреватели. 15 з.п. ф-лы, 1 ил.