气泡室发明：追寻物理本质，容积20立方米

气泡室的发明

高能物理实验的探测设备

气泡室是探测高能带电粒子径迹的一种有效的手段，它曾在20世纪50年代以后一度成了高能物理实验的最风行的探测设备，为高能物理学创造了许多重大发现的机会。它是1952年美国人格拉塞发明的。获得了1960年度诺贝尔物理学奖。它曾给高能物理实验带来许多重大的发现,如新粒子、共振态、弱中性流等。

高能物理实验的探测设备

气泡室是由一密闭容器组成，容器中盛有工作液体，液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在一定的时间间隔内处于过热状态，液体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得到记录有高能带电粒子轨迹的底片。照像结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状态，准备做下一次探测。工作液体可用液氢或液氘，需在相当低的温度下工作；也可用液态碳氢有机物，如丙烷、乙醚等，可在常温下工作。大型气泡室容积可达20立方米。

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气泡室的原理和膨胀云室有些类似，可以看成是膨胀云室的逆过程，但却更为简便快捷。它兼有云室和乳胶的优点。它和云室都可以按人们的意志在特定的时间间隔里靠特定的方法，以带电粒子为核心使气体凝结为液体，或者使液体蒸发形成气泡，从而留下粒子的径迹。它和乳胶相同的地方在于工作物质本身即可当作靶子。后来由于物理实验的需要，在工作液体和规模等方面都有了很大的发展。因为基本粒子与质子(氢核)的相互作用最简单，容易得到明确的物理结果，所以研制出了液氢泡室。这在泡室技术和在物理上的应用都是极为关键的进步。氘核含有一个质子和一个中子，为了研究粒子与中子的相互作用，还研制出了液氘泡室(后来用液氘充到氢泡室中也得液氘泡室)。由于氦原子核的自旋和同位旋都是零，这时研究与自旋及同位旋有关的过程相当重要，所以又研制成了液氦泡室。氢、氘和氦泡室的一个共同特点是，都需要很低的工作温度(氢泡室的工作温度为-248.15～244.15℃，氘泡室的工作温度比氢泡室的约高-268.2℃，氦泡室的工作温度最低，为-270.2～269.2℃)，所以它们又称为低温泡室。这种泡室要求有低温系统，所以技术难度较大。有些物理实验要求有效地记录光子和尽可能增加靶物质的厚度(例如做中微子实验就需要尽量多的靶物质)，所以研制了一种重液泡室。这种泡室的工作液体通常是氟利昂及其混合物。这种泡室的工作温度与室温相近，不需要低温系统。氢泡室和重液泡室在物理实验上各有优缺点。氢泡室有提供纯质子靶的优点，但是记录γ光子及其他次级作用的效率较低，而重液泡室则正好相反。因此，后来研制了把两者结合起来的具有称为径迹灵敏靶的泡室。它是把充有液氢或液氘的透明的塑料容器作为靶子放到一个充有液氖和液氢混合物的泡室里同时进行膨胀，使得靶子内外部都能对径迹灵敏。粲粒子发现以后，为了测量其极短的寿命，需要提高径迹室的空间分辨率。所以，又研制了全息照相泡室。全息照可以直接给出三维的记录，它比普通照有大得多的景深范围，而且空间分辨率高一个数量级。同时﹐它还可以使探测器系统小型化。为了提高对加速器粒子束流的利用率及提高事例的积累速度，还研制了一种每秒可以循环十次以上的快循环泡室。由于产生胚胎气泡的热针在不到1微秒的时间内就扩散掉了，所以到目前为止，还不可能做到由计数器触发控制膨胀的泡室。但是，由于快电子学及在线计算器的快速发展，现在已经可能用闪烁计数器、切伦科夫计数器、多丝正比室、漂移室、穿越辐射探测器、光子探测器、量能器等电子学探测器组成的选择触发的逻辑系统对快循环泡室采用触发选择照和协助记录。这样就大大提高了有用照片的比率和可进一步分析的记录内容。这种以快循环泡室作为靶子及顶点的探测器，在上、下游配有电子学探测器系统，称为混合谱仪。

泡室本身具有直观、作用顶点(有时连衰变顶点)可见、有很好的多重效率、有效空间大和测量精度高等优点。但是泡室也有缺点，例如收集和分析数据较慢，特别是扫描、测量照片(虽然在利用自动化剂量装置的情况下)太费时间，体积不容易做得很大，因而不容易适应能量越来越高、要研究的作用截面越来越小、事例数要尽量多的实验的要求。目前正在发展着全息泡室与电子学谱仪的结合。

格拉塞简介

格拉塞是美国物理学家、气泡室的发明者。他于1926年9月21日出生在美国俄亥俄州的克利夫兰，曾先后在美国凯西理工学院和加利福尼亚理工学院取得科学学士学位、哲学博士学位。1949～1959年，格拉塞受聘于美国密执安大学担任物理学教学与研究工作，1952年秋开始他的气泡室实验；1959年以后，转到加利福尼亚大学工作；1961年，担任国家科学基金委员会研究员；1961～1962年，担任古根海姆研究员；1962～1964年，格拉塞是伯克利加利福尼亚大学的一位有名的生物物理学家，从事生物物理的教学与研究。1964年以后，担任加利福尼亚大学物理学教授及分子生物学教授，现在伯克利加利福尼亚大学分子生物——病毒实验室任职，从事微生物、分子生物学和细胞生物学的研究。