تقنية الرؤية: حجيرة الفقاعة Bubble Chamber

في محاولة للتخلص من عيوب حجرة السحاب ثم اختراع غرفة الفقاعة. حيث تعمل هذه الغرفة على مبدأ الاستفادة من سائل فوق مسخن Superheated Liquid . والسائل الفوق مسخن هو سائل يتم تسخينه إلى درجة حرارة أعلى من درجة غليانه وذلك بزيادة الضغط الواقع عليه. فإذا خفف الضغط عن السائل فجأة فسوف يبداً في الغليان. فإذا دخل الإشعاع في هذه اللحظة إلى السائل وأنتج الإيونات فسوف تعتبر هذه الإيونات مراكز تكون فقاعات غازية في السائل حول هذه الإيونات. حيث بغلي السائل بجوار الإيون وتبدأ فقاعات غازية في الظهور ويستغرق ذلك وقتاً قدره حوالي ^2-10 ثانية.

وفي واقع الأمر لا بد أن تنمو الفقاعة إلى حجم مناسب بنصف قطر معين يعرف بنصف القطر الحرج R_c. ونستطيع استنتاج ذلك باستخدام قوانين التوتر السطحي. فإذا كانت لدينا فقاعة غازية داخل سائل بحيث كان الضغط خارجها يساوي P وضغط البخار داخلها هو P_v فإن :

(1)       ........

حيث : σ التوتر السطحي.

تمثل هذه المعادلة معادلة الفقاعة التي تبين نصف قطرها الحرج الذي يمكن أن تتكون عنده الفقاعة ويكتب لها النجاح في البقاء . لقد وجد أن نصف القطر هذا يقع في حدود ^6-10 سم. وأنه يمكن أن تتكون حوالى 8 فقاعات في كل سنتمتر من مسار الجسيم في السائل وهكذا يمكن أن ينتج شريط من الفقاعات التي تبين مسار الجيم الإشعاعي في السائل.

تتركب غرفة الفقاعة من حيز مقفل يحوي سائل فوق مسخن يمكن اختياره بعناية وحسب طبيعة التجربة المراد إجراؤها. ونبين في الشكل (1) تركيب حجيرة الفقاعة.

يمكن استخدام مجموعة من السوائل المناسبة كالهيدروجين والديوتيريوم والهيليوم وغيرها محفوظة عند درجة حرارة السيولة وضغط مرتفع. وعندما يتم خفض الضغط فجأة وذلك يسحب المكبس إلى أعلى فإن السائل يبدأ في الغليان ومن ثم إذا دخلت جسيمات الإشعاع إلى السائل في هذه اللحظة فسوف تبدأ الفقاعات الغازية في التكون حول الإيونات الناتجة عن الإشعاع وهكذا تبين هذه الفقاعات مسار جسيمات الإشعاع فإذا ما أضيئت الحجرة في هذه اللحظة وأخذت صورة لها فإنه يمكن تسجيل هذا المسار وكما فعلنا في حالة غرفة السحاب فإنه يمكن تقدير شحنة وطاقة الإشعاع باستخدام المجالات المغناطيسية التي يمكن ان توضع حول الغرفة.

يبين الشكل (2) مسارات جسيمات إشعاعية في حجيرة الفقاعة. في الشكل (2، أ) تبين الصورة مسارات شعاع ضيق من ضديدات البروتونات حيث يتضح ذلك المسار على شكل خطوط متوازية وكثيفة. أما المسارات الحلزونية فتبين مسارات الإلكترونات. كما وتبين الصورة تفاعل إنتاج الأزواج حيث يتضح مساري كل من البوزيترون - والإلكترون. في الشكل (2، ب) نبين تصادم بروتون ساقط على بروتون آخر (الهدف عبارة عن غاز الهيدروجين). حيث يدخل البروتون من أعلى يمين الصورة. كما تظهر هنا أيضاً جلية مسارات الإلكترونات على شكل مسارات حلزونية بينما تببن

المسارات الأخرى جسيمات الميزونات من مختلف الأنواع التي تخترق الغرفة لاحظ أن بعض هذه المسارات عمودية على مستوى.

الشكل (2)

نبين في الجدول (1) قائمة بسوائل تستخدم في حجيرة الفقاعة مع خصائصها. تمتاز غرفة الفقاعة بأنها مملوءة بالسائل بدلاً من الغاز في حالة غرفة السحاب وحيث أن قوة الإيقاف للسوائل أعلى منها للغازات فإن غرفة الفقاعة تمتاز بكفاءة عالية للكشف عن الإشعاع. كما ويمكن بناء غرف بحجوم مختلفة ومن ثم يمكن الكشف عن أنواع كثيرة من الجسيمات الإشعاعية. كما وتمتاز هذه الغرف بأن زمن إعادة الدورة لها قصير إذ أنه فور أخذ الصورة الفوتوغرافية للمسار فإنه يمكن إعادة الضغط إلى ما كان عليه ومن ثم تختفي الفقاعات من السائل أما الإيونات الناتجة عن الإشعاع فإنها سرعان ما تلتحم ثانية مع بعضها البعض وذلك نظراً لطبيعة الحركة في السوائل. ومن ثم لا تحتاج إلى مجال كهربي خارجي للتخلص من هذه الإيونات. وهكذا يمكن أن تستعد الغرفة سريعاً لإعادة الكرة من جديد للكشف عن الإشعاع.

لقد وجد أنه بالإمكان إعادة الكرة بضع مرات في الثانية الواحدة، حتى في حالة الحجرات كبيرة الحجم.

يستخدم الهيدروجين عندما يراد إجراء تجارب على التشتت النووي لأنه يحتوي على بروتون وحيد في ذرته. أما الديوتيريوم فيمكن استخدامه عندما يراد دراسة التشتت عن النيوترونات إذ يتقاسم نواته بروتون واحد ونيوترون واحد ومن ثم سيرجع التشتت إلى كل منهما وبالتساوي تقريباً. كما ويمكن مزج النيون مع الهيدروجين في غرفة الفقاعة وذلك لزيادة العدد الذري Z للمادة الهدف ومن ثم يمكن دراسة إنتاج الأزواج حيث ان هذا التفاعل يتناسب مع Z² وبالتالي يمكن تسهيل الكشف عن الفوتونات عن طريق ملاحظة هذا التفاعل في الغرف.

كما وأن خليطاً من البروبان والفريون سيساعد أيضاً على سهولة الكشف عن إنتاج الأزواج ومن ثم الكشف عن أشعة γ. وذلك لاحتواء الفريون على ذرات البروم ذات العدد الذري الأكبر. كما ويمكن إذابة يوديد الصوديوم Nal في الخليط إذا أردنا زيادة كفاءة الغرفة أكثر للكشف عن إنتاج الأزواج.

يبين الجدول (1) أن كلأ من البروبان والفريون يعملان عند درجة حرارة عالية بالنسبة لباقي السوائل التي تعمل عند درجات حرارة منخفضة وهذا يسهل بناء وتشغيل غرفة فقاعة تتكون من هذين السائلين. كما وأن استخدام البروبان يزودنا بكثافة عالية من البروتونات وبالتالي يستخدم البروبان عند دراسة التشتت عن البروتونات. وفي الحقيقة يحتوي البروبان على عدد من ذرات الهيدروجين أكبر من تلك الموجودة في سائل الهيدروجين. وبالتالي سيعطينا سائل البروبان كفاءة كشف أعلى من مثيله سائل الهيدروجين.

إن من أحد عيوب هذه الغرف عدم إمكانية استخدامها للكشف عن الجسيمات منخفضة الطاقة وذلك لقوة الإيقاف العالية التي تتمتع بها السوائل المستخدمة لهذه الغرف. وبالتالي ستمتص هذه الجسيمات سريعاً داخل الغرفة ولن تتمكن من اختراقها لمسافات مناسبة يمكن معها تحليل ودراسة مسارات هذه الجسيمات.