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càmera (fisica)

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Generalità

Il termine designa numerosi strumenti, dispositivi, apparecchiature. In fisica nucleare sono dette a tracce un gruppo di rivelatori di particelle nucleari e subnucleari che visualizzano le traiettorie delle particelle stesse e le eventuali reazioni cui danno luogo (vedi oltre). Le a ionizzazione (vedi contatore), e fra queste le di fissione per la rivelazione di neutroni, pur essendo rivelatori di particelle, non appartengono a questa categoria. Alla categoria dei rivelatori di particelle subatomiche appartengono, invece, la storica camera a nebbia (nelle due versioni di camera a espansione, o camera di Wilson, e camera a diffusione), l'epica camera a bolle, la camera a scintille e la moderna camera proporzionale a molti fili (vedi oltre). In ottica, lucida o chiara, dispositivo per la riproduzione grafica di oggetti e figure, per esempio strutture osservate al microscopio. È costituita sostanzialmente da un prisma a doppia riflessione disposto in maniera tale che l'osservatore veda l'oggetto sovrapposto alla carta da disegno. Nell'analisi cristallografica, di Debye o delle polveri, dispositivo di analisi per ottenere e fotografare figure di diffrazione in raggi X prodotte da metalli polverizzati.

Acustica

Gli ambienti in cui vengono effettuate esperienze o misurazioni di acustica si chiamano generalmente acustiche: A) anecoica (o assorbente, o camera afona), grande ambiente a forma di parallelepipedo con la funzione di produrre le condizioni di una zona di spazio in cui le onde sonore provenienti da una sorgente all'interno si propaghino in tutte le direzioni senza riflessioni e interferenze. Le camere anecoiche hanno le pareti, il soffitto e il pavimento rivestiti con strutture fonoassorbenti, costituite generalmente da cunei di lana di vetro o di lana di roccia (nei modelli più moderni materie plastiche). Queste camere sono usate per tarare strumenti di misura elettroacustica e per misurazioni di rumorosità. B) riverberante, grande ambiente di forma irregolare (quattro delle sei pareti sono a due a due non parallele) con superfici molto riflettenti; è usata in acustica per determinare i valori dei coefficienti di assorbimento dei materiali. C) elastica, o anche acustica, apparecchio didattico costituito da due cavità collegate tra loro e riempite con un aeriforme che spostandosi dall'una all'altra può produrre oscillazioni armoniche. Nel caso limite in cui una delle due cavità sia estremamente grande si ha il risuonatore di Helmholtz.

Ottica

"Per gli schemi di camera oscura e camera chiara vedi il lemma del 5° volume." Il termine oscura indica un ambiente impermeabile alla luce "Per gli schemi di camera oscura e camera chiara vedi pag. 257 del 5° volume." , di dimensioni variabili tra quelle di una piccola scatola e quelle di una stanza, su una parete del quale è praticato un piccolo foro (foro stenopeico) attraverso cui si proietta sulla parete opposta l'immagine capovolta degli oggetti che si trovano all'esterno. Per aumentare la nitidezza e la luminosità dell'immagine si può sostituire al foro stenopeico una lente convergente oppure un obiettivo. Già Aristotele si era accorto che si poteva proiettare l'immagine del Sole in una stanza buia attraverso un piccolo foro e sembra che gli Arabi abbiano realizzato una sorta di camera oscura. Il fenomeno del capovolgimento dell'immagine e varie applicazioni della camera oscura erano noti a R. Bacone e ad altri nel sec. XIII. Leonardo da Vinci descrisse minuziosamente la camera oscura e il suo funzionamento, suggerendo anche l'applicazione di una lente al posto del foro stenopeico. G. Cardano dimostrò la necessità della lente per migliorare la qualità dell'immagine; la prima descrizione completa di una camera oscura munita di lente si trova nell'opera Magiae Naturalis libri IV di G.B. della Porta (1558). D. Barbaro nel libro La pratica della perspettiva (1569) dimostrò la necessità della messa a fuoco e l'utilità del diaframma per migliorare la nitidezza delle immagini. Le prime camere oscure portatili apparvero nella prima metà del sec. XVII e vennero ben presto adottate dai pittori come guida per disegnare in prospettiva. La camera oscura rimase pressoché immutata fino al 1812, quando W. Wollaston ridusse l'aberrazione sferica usando una lente a menisco con un diaframma in posizione opportuna. Ulteriori progressi vennero effettuati da C.L. Chevalier, prima sostituendo alla lente un prisma a facce curve e poi introducendo degli obiettivi di buona qualità, fino alla realizzazione delle prime macchine fotografiche (dagherrotipia) insieme a J. Daguerre .

Fisica delle particelle fondamentali: camera a tracce

È essenzialmente costituita da un contenitore riempito con un fluido in condizioni fisiche opportune di temperatura, pressione ecc., che viene ionizzato localmente dalle particelle cariche che lo attraversano; la ionizzazione, che permane per un certo tempo, costituisce una materializzazione della traiettoria. Sono elementi accessori essenziali delle camere a tracce: il sistema di regolazione delle condizioni fisiche del fluido; il sistema di controllo che produce le condizioni fisiche, per cui si ha la formazione delle tracce solo nel momento in cui si verifica un evento interessante all'interno della camera; l'elettromagnete, che curva la traiettoria delle particelle cariche; il sistema ottico per fotografare le tracce. Le condizioni fisiche necessarie alla materializzazione delle traiettorie sono realizzate in modi diversi: mediante una rapida espansione adiabatica del fluido con un pistone o una parete mobile, nelle camere a espansione e nelle camere a bolle; mediante l'invio di impulsi di alta tensione a elettrodi immersi nel fluido rivelatore, nelle camere a scintilla; oppure tali condizioni esistono costituzionalmente e persistono nella camera senza bisogno di operare dall'esterno, come nelle camere a nebbia a diffusione e nelle camere a scintillazione (da non confondere con le camere a scintilla). Per alcuni tipi (camera a nebbia a espansione, camera a scintilla, camera a scintillazione), a causa del breve tempo di sensibilità, è particolarmente importante essere certi che la camera sia efficiente nel momento in cui è attraversata dalla radiazione esaminata. Questa esigenza viene soddisfatta munendo il rivelatore di un sistema di controllo con contatori opportunamente disposti sopra e sotto la camera; la loro eccitazione provoca l'entrata in funzione del meccanismo di espansione o del circuito che produce l'impulso di alta tensione. Questo è possibile perché le camere conservano la capacità di formare tracce o scintille per un tempo abbastanza lungo da permettere il comando a posteriori di tali meccanismi. Infatti, gli ioni prodotti dalla particella permangono dopo il suo passaggio per un tempo sufficiente allo scatto dei contatori e all'avviamento dell'apparato sensibilizzatore. Il rivelatore a tracce è completamente immerso in un campo magnetico che curva le traiettorie permettendo di determinare il valore della quantità di moto delle particelle rivelate. Dall'analisi delle tracce si possono inoltre ricavare informazioni su carica, massa, energia, velocità delle particelle. Se le tracce presentano diramazioni si è in presenza di interazioni tra particelle entranti e nuclei del fluido della camera che fanno da bersaglio. Lo studio delle tracce permette di caratterizzare il tipo di interazione e i suoi prodotti. Il sistema di illuminazione dell'interno della camera, essenziale per fotografare le tracce, è realizzato con flash elettronici di breve durata e alta intensità luminosa che attraversano opportune finestre sulle pareti del contenitore. Le tracce sono fotografate stereoscopicamente perché sia possibile ricostruire gli eventi in tre dimensioni.

Fisica delle particelle fondamentali: camera a nebbia

È la prima camera a tracce, ormai di valore esclusivamente storico, ideata nel 1897 da C.T.R. Wilson e realizzata alla Cambridge University tra il 1911 e il 1912. In essa le traiettorie delle particelle cariche sono visualizzate facendo condensare un vapore soprassaturo sugli ioni prodotti nella camera dal passaggio delle particelle. Le pressioni di lavoro del fluido della camera variano dai 10 mm di mercurio della camera costruita nel 1934 da F. Joliot alle 200 atmosfere della camera realizzata nel 1943 da T.M. Johnson e S. De Benedetti. All'origine di questo strumento è lo studio della formazione delle nebbie per condensazione sul pulviscolo atmosferico. Wilson trovò che, liberando completamente l'aria dal pulviscolo atmosferico e irradiandola con particelle alfa, si aveva ugualmente la formazione di nebbia. Ciò è dovuto al fatto che il vapore acqueo presente nell'aria in condizioni di soprassaturazione è tanto instabile da condensare anche sugli ioni prodotti dal passaggio delle particelle alfa. Rendendo quindi soprassaturo il vapore nella camera al momento del passaggio della particella carica in studio si provoca la condensazione di goccioline di vapore attorno agli ioni prodotti per urto dalla particella stessa. Sono stati usati due tipi di camera a nebbia, differenti fra loro per il metodo usato per ottenere la sovrassaturazione, la a espansione, o di Wilson "Per la camera ad espansione vedi schema pag 259 del 5° volume." , "Per la camera ad espansione vedi schema al lemma del 5° volume." e la a diffusione. Nella camera a espansione il gas saturo di vapore è fatto espandere adiabaticamente sollevando rapidamente un pistone. L'espansione abbassa la temperatura e l'aria diventa sovrassatura di vapore acqueo in quanto l'abbassamento termico è tale che l'effetto conseguente sul vapore prevale su quello opposto dovuto all'aumento di volume. Nella maggior parte delle camere a espansione il miscuglio gas-vapore era costituito da aria/acqua o da argon/alcol etilico. Dopo il ritorno del pistone nella sua posizione iniziale, lo strumento è pronto per rivelare un nuovo fascio di radiazioni con un nuovo ciclo di espansione. Dover attendere il ristabilirsi dello stato iniziale prima di dar corso a un altro ciclo costituisce una limitazione del metodo in quanto tra due espansioni successive intercorre un intervallo di tempo (tempo morto), il cui ordine di grandezza è di alcune decine di secondi, mentre l'intervallo di tempo durante il quale la camera è sensibile va da 0,1 s a 2 s per pressioni di lavoro comprese tra 1 e 100 atmosfere. Il basso valore del rapporto tra il tempo di sensibilità e il tempo morto rendeva la camera di Wilson poco pratica; l'inconveniente fu superato brillantemente nel 1937 da G. Occhialini e da P. Blackett che introdussero il primo sistema di comando, facendo in modo che l'espansione avesse luogo solo quando una particella attraversava dei contatori Geiger posti all'esterno della camera (vedi coincidenza). Le camere a nebbia a diffusione non presentano invece tempi morti in quanto operano in continuazione senza bisogno di espansioni. Sono costituite da contenitori di un miscuglio di gas e vapore in cui è mantenuto costantemente un gradiente verticale di temperatura per cui la sommità della camera è a temperatura maggiore della base. Il vapore, non saturo nella regione calda, lo diviene quanto più ci si avvicina alla regione fredda per passare poi allo stato soprassaturo. Si forma una regione intermedia, la zona sensibile, nella quale le condizioni di condensazione del vapore intorno agli ioni sono le stesse della camera a espansione. Nel campo della rivelazione delle particelle accelerate artificialmente ad alta energia, come i mesoni, la camera a diffusione ha avuto un largo impiego. In tal caso, infatti, all'uscita dall'acceleratore si hanno fasci pulsati che si adattano egregiamente a queste camere a funzionamento continuo. Dopo le prime camere a nebbia sperimentali, la tendenza fu di costruirne di dimensioni sempre maggiori per poter esaminare utilmente le traiettorie delle particelle di alta energia. Nell'interno si disposero delle lastre di metallo che permisero di seguire le traiettorie su un più grande spessore equivalente di materia attraversato. La camera a espansione del Massachusetts Institute of Technology (MIT) aveva, per esempio, dimensioni 150×120×45 cm, portava 17 lastre di acciaio di 12 mm di spessore e analizzava le particelle provenienti dal cosmotrone, il grande acceleratore circolare del MIT. La carenza fondamentale delle camere a nebbia che ne ha determinato il superamento è che, nonostante gli accorgimenti tecnici, le particelle veloci non lasciano tracce utilmente sfruttabili o non ne lasciano affatto a causa della scarsa densità del mezzo attraversato.

Fisica delle particelle fondamentali: camera a bolle

"Per la camera a bolle vedi schema e tabella al lemma del 5° volume." Venne progettata da D.A. Glaser "Per la camera a bolle vedi schema e tabella pag. 259 del 5° volume." (1952) per ovviare agli inconvenienti e alle limitazioni delle camere a nebbia nello studio delle particelle veloci. Era basata sulla formazione di bolle sulla traiettoria di una particella ionizzante attraversante un liquido che veniva surriscaldato mediante espansione. In un tale liquido, quando la somma della tensione di vapore e della repulsione elettrostatica tra gli ioni prodotti dalla particella era maggiore della tensione superficiale del liquido, si formavano delle piccole cavità, o bolle, intorno alle quali iniziava un vero e proprio processo di ebollizione con conseguente aumento del volume delle bolle a spese dell'energia termica del liquido. L'accrescimento delle bolle dipendeva dalla velocità di evaporazione del liquido dalla superficie della bolla e quindi dalla velocità di assorbimento di calore dal restante liquido. Il tempo di crescita, cioè il tempo necessario affinché il diametro delle bolle fosse tale da permetterne il rilevamento fotografico, era dell'ordine del millesimo di secondo per l'idrogeno liquido e del milionesimo di secondo per i liquidi organici, l'elio, lo xeno. Le camere a bolla avevano notevoli vantaggi rispetto alle camere a nebbia: lavoravano con liquidi ad alta pressione, pertanto era possibile ottenere tracce di particelle veloci che si fermavano nella camera e risalire al valore della loro velocità con una precisione del 5% per tracce lunghe 10 cm; il numero di bolle per unità di lunghezza di percorso era un indice dell'energia della particella ionizzante migliore della densità di gocce nella camera a nebbia; il più rapido accrescimento delle bolle rispetto alle gocce evitava le distorsioni delle tracce dovute a possibili moti vorticosi del liquido, cosicché le fotografie eseguite in camere a bolle erano, in genere, 10 volte più nitide di quelle in camere a nebbia; dalla misura delle dimensioni delle bolle al momento della fotografia si ottenevano informazioni sulla sequenza temporale di eventi non collegati fra loro da tracce visibili. Il tempo morto, cioè l'intervallo di tempo intercorrente fra due utilizzazioni successive della camera, poteva arrivare sino a un valore minimo di 20÷30 millesimi di secondo, pertanto la camera era utilizzabile per misure con fasci di particelle di alta intensità provenienti dai grandi acceleratori. Dopo l'espansione le camere restavano sensibili alle particelle per un tempo che andava da 1 s, per camere di piccole dimensioni, a trenta millesimi di secondo, per camere di grandi dimensioni. Per evitare la formazione di bolle non localizzate sulle tracce delle particelle e dovute ai grani d'impurità sulle asperità delle pareti della camera, i primi tipi di camera, necessariamente di dimensioni ridotte, furono costruiti in vetro per assicurare una perfetta pulitura e levigatezza delle pareti ( a bolle pulite). Successivamente, facendo avvenire l'espansione così rapidamente da impedire la formazione di bolle sulle pareti e sulle impurità, furono costruite camere a bolle ( a bolle sporche) anche con pareti metalliche, senza preoccupazioni eccessive per le dimensioni e per la levigatezza delle superfici interne. Nelle camere in metallo erano aperte finestre attraverso le quali venivano eseguite le fotografie dell'interno. Le camere a bolle venivano riempite quasi esclusivamente con idrogeno, deuterio o neo liquido, e quindi funzionavano a temperature bassissime, vicine allo zero assoluto, oppure con liquidi particolari più pesanti come il propano o il freon e in questo caso funzionavano a temperature tra i 30 e i 50 ºC. I due tipi di strumenti avevano caratteristiche di costruzione molto diverse e servivano anche a scopi diversi: nelle prime, dette camere criogeniche, si aveva il vantaggio di poter studiare le interazioni su protoni o comunque su nuclei molto semplici; in quelle a liquidi pesanti si aveva il vantaggio di una maggiore densità del liquido per osservare interazioni rare come, per esempio, le interazioni di neutrini che hanno una probabilità di interagire con la materia estremamente piccola. Le due camere a bolle giganti del CERN, Gargamelle (1970) e BEBC, Big European Bubble Chamber (1973), hanno segnato la storia della fisica moderna. La prima, a liquido pesante, era un cilindro di 4,5 m di lunghezza e un metro di raggio che conteneva ca. 12.000 litri di liquido ed era posta tra le espansioni di un enorme magnete che produceva un campo magnetico di 2,0 tesla. La BEBC, a idrogeno, aveva un volume utile di 38 m3. Anch'essa era messa in un campo magnetico, ma questo era realizzato con bobine superconduttrici che permettevano di avere un campo di 3,5 tesla con un consumo molto ridotto. In USA, presso il laboratorio Fermi di Batavia, entrò in funzione nel 1972 una camera a bolle a idrogeno simile alla BEBC. Le camere a bolle scrissero pagine epiche della storia della fisica sino agli anni Ottanta del sec. XX. Le centinaia di migliaia di immagini di ogni singolo esperimento, effettuato da collaborazioni internazionali, venivano esaminate, selezionate e misurate da migliaia e migliaia di studenti, di assistenti e di professori che fornivano per anni parte del loro tempo in tutto il mondo. Poi gli acceleratori di particelle divennero sempre più potenti, le camere a bolle andarono in pensione e furono disponibili nuovi rivelatori completamente automatici collegati a ciclopici sistemi di rivelazione e di calcolo che eliminarono l'intervento umano nella selezione e nell'analisi degli eventi.

Fisica delle particelle fondamentali: camera a scintillazione

Realizzata in via sperimentale nel 1955 in URSS e successivamente sviluppata in Gran Bretagna e negli USA, era basata sul fenomeno di emissione di luce da parte degli atomi di determinate sostanze, attraversate da particelle ionizzanti. L'emissione era localizzata lungo la traiettoria della particella e costituiva la traccia rivelabile di questa. Data la scarsa luminosità degli impulsi di luce, questi venivano amplificati prima di essere fotografati. Questo tipo di camera rientrava fra i rivelatori controllabili; infatti, mentre lo scintillatore funzionava con continuità, il sistema di intensificazione delle immagini veniva fatto funzionare a impulsi mediante un sistema di contatori che selezionava gli eventi. Le camere a scintillazione erano di due tipi: a scintillatore omogeneo e a fibre scintillatrici "Per le camere a scintillatore omogeneo e a fibre scintillatrici vedi schemi pag. 259 del 5° volume." . "Per le camere a scintillazione e a scintillazione a fibre vedi schemi al lemma del 5° volume." La prima usava cristalli di ioduro di sodio e di ioduro di potassio attivati al tallio. Il problema maggiore connesso con il suo uso era quello di ottenere una traccia ben definita malgrado la scarsa profondità di campo degli obiettivi che dovevano avere grande apertura data la scarsa luminosità della traccia. La camera a fibre scintillatrici, invece, per la struttura geometrica dello scintillatore, permetteva di ottenere una buona profondità di campo diminuendo l'apertura degli obiettivi. Lo scintillatore, infatti, era costituito da fibre opportunamente disposte, nelle quali si producevano scintille, la cui luce veniva guidata dalle fibre stesse direttamente su un fotocatodo. Il principio della camera a scintillazione è stato applicato a immense quantità di liquido scintillatore allocato in miniere sotterranee per la rivelazione di neutrini e antineutrini al fine di osservarne le oscillazioni in varie condizioni e poterne così valutare la massa.

Fisica delle particelle fondamentali: camera a scintilla

"Per la camera a scintille vedi schema al lemma del 5° volume" Storico dispositivo di rivelazione che utilizzava scariche elettriche tra due elettrodi tra i quali era stabilita una grande differenza di potenziale. La scarica aveva luogo quando il gas veniva ionizzato dal passaggio di una particella. Realizzata per la prima volta nel 1957 "Per la camera a scintilla vedi schema pag. 259 del 5° volume." , sfruttava il fenomeno della formazione di scariche elettriche localizzate su ioni, fra zone a diverso potenziale. Nella sua forma più semplice, era costituita da un insieme di sottili piatti conduttori immersi in una miscela di gas nobili a pressione atmosferica. La scarica veniva individuata con metodi fotografici, acustici o elettrici e costituiva la traccia della particella. Nella camera si potevano avere più scariche contemporaneamente, per cui essa era utile per la rivelazione di sciami di particelle. La camera, immersa in un campo elettrico costante che aveva il compito di allontanare elettroni e ioni indesiderati dalla zona delle tracce, era azionata da un sistema di controllo così costituito: due scintillatori in serie sono attraversati dalla particella in esame e producono impulsi luminosi che due fotomoltiplicatori mutano in impulsi elettrici; questi, analizzati da un circuito di coincidenza, provocano l'invio dell'impulso di alta tensione agli elettrodi della camera, solo se sono separati da un intervallo di tempo pari al tempo di risoluzione della coincidenza. Nelle camere a scintilla, con le quali si potevano ottenere sino a 10.000 scariche al secondo, non era conveniente il rilievo fotografico della traccia e la ricostruzione successiva dell'evento nello spazio. Era invece preferibile il prelievo automatico dei dati mediante un sistema di apparecchiature in grado di leggere le coordinate delle scintille, di elaborarle fino a ottenere le coordinate delle particelle, di analizzare la cinematica e la dinamica dell'evento e di riferire convenientemente i risultati. Si sono pertanto realizzate camere in grado di fornire dati immediatamente elaborati da un calcolatore elettronico. Si distinguono diversi tipi di camere a scintilla: A) sonora, è una camera circondata da microfoni e corredata di un orologio elettronico che permette la misurazione del tempo intercorso tra la produzione della scintilla e l'arrivo del suono da essa provocato. Registrato il tempo di volo del suono, è possibile localizzare la scintilla; B) con ripresa televisiva, in cui gli eventi visti da una telecamera sono immagazzinati sotto forma di zone a diverso potenziale su uno schermo semiconduttore. Percorrendo lo schermo con un fascio di elettroni si ottiene la sequenza dei segnali elettrici relativi alla traccia, che inviati a un elaboratore elettronico ne permettono la ricostruzione; C) a magnetostrizione, in cui, per mezzo di fili di materiale magnetostrittivo, si produce, in corrispondenza alla scintilla, una deformazione elastica che si propaga lungo il filo e che, opportunamente raccolta, permette la localizzazione della scintilla stessa.

Fisica delle particelle fondamentali: camera multifili e camera a deriva

Sono i rilevatori di particelle che hanno avuto il maggior sviluppo. Rispetto alle camere a scintilla tradizionali presentano numerosi vantaggi. Il principio di funzionamento di questi rivelatori, chiamati MPC (Multiwires Proportional Chamber), è basato su: un reticolo di sottilissimi fili a cui si applica un'elevata differenza di potenziale che permette di rilevare il passaggio di una particella per effetto della carica da essa depositata e dovuta alla ionizzazione del gas in cui il reticolo è contenuto. In pratica la piccola scarica che avviene tra i fili è registrata come un impulso elettrico che, opportunamente amplificato, serve a identificare con notevole precisione il tempo e la posizione in cui è passata la particella. Questi rivelatori possono avere grande dimensione (fino a parecchi metri quadrati), hanno un tempo di registrazione estremamente breve (alcuni nanosecondi) e sono anche notevolmente precisi, identificando la posizione di particelle con indeterminazioni dell'ordine del millimetro. La messa a punto di camere a deriva (drift chambers), in cui la posizione della particella è calcolata dal ritardo che gli ioni da essa prodotti impiegano ad arrivare ai fili muovendosi nel gas della camera, ha notevolmente migliorato la precisione di questi strumenti. L'importanza di questi rivelatori è legata alla possibilità di registrare direttamente con un calcolatore gli impulsi dei fili e quindi, con una logica relativamente semplice, di ricostruire la traiettoria di una particella. Il rivelatore quindi, senza alcuna fotografia (come invece avveniva nella camera a scintille più tradizionale), registra con grande rapidità e precisione la posizione e il tempo del passaggio delle particelle.