Komora mgłowa: niezwykłe ślady cząstek elementarnych.

Witam,

Chciałbym się z wami podzielić projektem komory mgłowej i doświadczeniem, które można dzięki niej wykonać.
Jest tu parę rzeczy nie związanych z elektroniką jednak mam nadzieję, że was to zainteresuje. W razie czego wrzucam tutaj projekty bloków funkcjonalnych komory: generatora HV z wieloodczepowym powielaczem, sterownika oświetlenia PWM i regulatora mocy wentylatorów i chłodzenia wodnego zastosowanych w projekcie.
Nagrałem również krótki film prezentujący pracę komory - widać tam bardzo ładnie promieniowanie pozyskanych próbek i wizualizację torów cząstek elementarnych.
Zachęcam do oglądania, komentowania i własnych eksperymentów!

Dalszy tekst to opis doświadczenia:

?Komora mgłowa: Niezwykłe ślady cząstek elementarnych?

Pokaz doświadczalny zostaje przeprowadzony przy użyciu komory mgłowej, nazywanej
też komorą dyfuzyjną lub komorą Wilsona wynalezioną w 1900 roku przez szkockiego fizyka Charlesa Wilsona. Dzięki temu urządzeniu udało się zaobserwować pierwsze tory cząstek elementarnych i dokładniej je zbadać, za co jego wynalazca otrzymał Nagrodę Nobla w 1927 roku. Należy zauważyć, że prezentowany projekt to komorą dyfuzyjną, która jest nowocześniejszą wersją komory Wilsona która działała na zasadzie rozprężenia gazu, a więc okresowo. W dyfuzyjnej komorze pary alkoholu są przesycone cały czas co umożliwia ciągłą obserwację.

Układ doświadczalny, który pozwoli na obserwację zjawiska stanowi samodzielne urządzenie zasilane z sieci. Cały projekt był oparty na opisach komór dostępnych w Internecie na stronach takich jak Cloudy Labs FR, Instructables
Z przeprowadzonych obserwacji i długiego procesu udoskonalania urządzenia powstała ostateczna wersja komory. Pomysł wykonania komory i wsparcie merytoryczne zawdzięczam dr Adamowi Buczkowi z koła Fizyki Technicznej na Politechnice Poznańskiej. Proces doprowadzania komory do właściwego działania miał charakter eksperymentalny ze względu na wieloczynnikowość zagadnienia i złożoność pojawiających się problemów.
Kolejne czynności badające własności cząstek elementarnych i opisujące ich tory powstały
na bazie dostępnych opracowań oraz najważniejszych i możliwych do odtworzenia doświadczeń
w fizyce cząstek elementarnych.

Przed przystąpieniem do obserwacji eksperymentu warto dla lepszego zrozumienia przypomnieć sobie następujące zjawiska i pojęcia fizyczne:
? Cząstki elementarne: proton, elektron, neutron
? Promieniowanie alfa, beta, gamma
? Dyfuzja
? Pary przesycone
? Zasada działania ogniwa Peltiera
? Zachowanie cząstki w polu magnetycznym i elektrostatycznym
? Pojęcie radioaktywności

Ze względu na to, że urządzenie zostało opracowane, aby samodzielnie działać już po kilku sekundach bez potrzeby instalowania dodatków bardzo istotne są segmenty wewnętrzne zapewniające takie działanie. Układ doświadczalny komory składa się z:
? Zasilacza serwerowego 12V i 69A z regulacją napięcia w zakresie 12-13,5V
? Układu oświetlenia ze sterowaniem PWM
? Generatora stałego wysokiego napięcia z powielaczem wieloodczepowym i elektrodami
1-20kV
? Bloku chłodzenia wodnego z zainstalowanymi na nim dwoma warstwami ogniw Peltiera 12V: 4x 12A i 4x4,5A zapewniającymi chłodzoną powierzchnię o wymiarach 80x80
? Segmentu wymiany ciepła: chłodnicy cieczy, pompy, zestawu wentylatorów i układu czujnika temperatury zapewniającego chłodzenie ogniw
? Pary grzałek w filcowej obudowie wytwarzających pary alkoholu
? Obudowy, szklanej komory i panelu sterowania umożliwiającego kontrolę nad parametrami urządzeń

Do prezentacji doświadczenia potrzebne będą:
? Urządzenie doświadczalne: ?Komora mgłowa?
? Próbki materiałów wykazujących radioaktywność. Kawałek szkła uranowego, elektroda spawalnicza, siatka żarnikowa do lamp naftowych zawierająca tor, rozmontowany sensor dymu zawierający radioaktywny ameryk.
? Dozownik z alkoholem izopropylowym
? Dodatkowe elementy chroniące przed szczątkowym promieniowaniem i pozwalające na w pełni bezpieczne przeprowadzenie doświadczenia: szczypce, rękawiczki blacha ołowiowa
? Silny magnes neodymowy, cienkie warstwy metalu stanowiące blokadę dla cząstek

Zasada działania urządzenia:
Aby przeprowadzić doświadczenie przed uruchomieniem należy umieścić na dnie komory badaną radioaktywną próbkę. Następnie wkroplić na filcowe elementy alkohol izopropylowy i przykryć chłodzoną powierzchnię szklaną kopułą. Wraz z włączeniem główny blok chłodzący
i układ chłodzenia wodnego jest zasilany rozpoczynając przepompowywanie ciepła z powierzchni doświadczalnej do otoczenia. Nałożone na siebie ogniwa Peltiera o różnych mocach odpowiednio 12V/12A na dole i 6V/4,5A na górze, pozwalają na uzyskanie stabilnej temperatury -30°C.
W tym wypadku różnica temperatur powierzchni chłodzonej i chłodzącej w całym połączeniu wynosi ok. 70 °C. Wraz z procesem chłodzenia dla szybszego uzyskania widocznej mgły można uruchomić podgrzewanie filcowych parowników, uważając przy tym aby nie zaburzyć równowagi termicznej i nie zalać powierzchni chłodzonej. Przesycone pary alkoholu pojawiają się już w temperaturze -20°C. Dodatkowa różnica powinna pozwolić na uzyskanie dobrych efektów i dostarczyć satysfakcjonujących obserwacji. Po zauważeniu skraplającej się mgły tuż nad chłodzoną powierzchnią można włączyć oświetlenie i dostosować je tak aby widzieć wyraźnie wszystkie zaburzenia.
Na tym etapie możemy zauważyć jedynie rozmyte ślady cząstek elementarnych. Sytuacja zmieni się diametralnie gdy włączymy generator wysokiego napięcia, który pozwoli oczyścić powietrze wewnątrz kopuły ze zbędnych jonów które przeszkadzają w obserwacji. Po podłączeniu wysokiego napięcia możemy zobaczyć już ostre zarysy torów cząstek elementarnych. Czasami podczas obserwacji może się pojawić duże zaburzenie w postaci chmury skroplonego alkoholu spowodowane nadmiernym oddziaływaniem wysokiego napięcia z parami. Jest to pozostałość, którą należy zniwelować przez odpowiedni dobór wartości wysokiego napięcia lub osuszanie elektrod. Dysponując dobrymi warunkami obserwacji możemy przejść do dokładnej analizy torów cząstek i ich utrwalania dzięki czemu będziemy mogli ustalić dokładne parametry chwilowo pojawiającej się cząstki.

Opis zachodzącego zjawiska:
Pojawiająca się mgła jest warstwą gazu przesyconą alkoholem ze względu na dużą różnicę temperatur między dnem, a górą komory. Na początku u góry kopuły powstają nasycone pary izopropanolu, które następnie opadając na dno się ochładzają i stają się przesycone. Dla danej temperatury możliwe jest pewne maksymalne nasycenie pary np. alkoholu, dla niższych temperatur te wartości są mniejsze
i część pary powinna się skroplić, aby wartość nasycenia odpowiadała danej temperaturze.
Do skroplenia się par potrzebne są centra kondensacji gdzie mogłyby się uformować krople, które osiadłby na dnie. W przypadku komory gwałtowna zmiana temperatury nie pozwala na błyskawiczne skroplenie i para utrzymywana jest w stanie przesycenia. Będąc w tym stanie para jest stosunkowo niestabilna. W komorze mogą pojawić się takie centra ze względu na wszechobecny kurz i jony, które są zarodkami kondensacji. Dlatego, też doświadczenie należy starać się przeprowadzić w stosunkowo bezkurzowych warunkach. Natomiast, aby pozbyć się jonów zakłócających obserwację i powodujących szybsze zużycie alkoholu stosowane jest wysokie napięcie wokoło powierzchni chłodzącej. W przypadku pojawienia się centrów kondensacji czyli np. cząsteczki kurzu lub zaburzenia w spowodowanego np. przelatującą cząstką elementarną para błyskawicznie kondensuje ukazując ślad cząsteczki. W ten sposób możemy wizualizować ruchy cząstek elementarnych, które mają masę i są w stanie spowodować zaburzenie w oparach alkoholu.

Przebieg doświadczenia:
Dysponując tą wiedzą o powstawaniu torów cząstek możemy przejść do ich niezwykłego świata i poznać ich własności i różne interakcje z otoczeniem. Dzięki komorze będziemy w stanie obserwować ruchy cząsteczek elementarnych, a także w eksperymentalny sposób określać radioaktywność próbek, energię cząsteczek i ich interakcję z otoczeniem. Na początek w komorze umieszczony zostanie kawałek szkła uranowego, dzięki któremu będziemy mogli obserwować pierwsze zróżnicowane tory cząstek elementarnych. W przeszłości szkło było barwione tlenkiem uranu, aby uzyskać zielonkawą barwę. Zwykle w tego typu przedmiotach zawartość rudy uranowej wynosi ok. 1-3%, a promieniowanie wyrobów nie stanowi zagrożenia dla życia. Dlatego też aby przekonać się o cząstkach emitowanych podczas przemian uranu umieszczony kawałek szkła zostaje umieszczony w komorze. Po chwili potrzebnej na uzyskanie równowagi temperaturowej i odpowiednich warunków pary nasyconej możemy zauważyć pojedyncze i szybko pojawiające się ślady cząstek. Już teraz możemy zauważyć, że jest to bardzo dynamiczne zjawisko, a obserwacja pojedynczej cząstki okazuje się niełatwa. Aby przeprowadzić dokładniejszą analizę potrzebne może się okazać zatrzymanie klatki i odwołanie się do pozyskanej wiedzy.

Obserwacja emisji cząstek przez szkło uranowe pozwala nam rozróżnić kilka rodzajów cząstek. Dla dokładniejszej analizy warto posłużyć się szeregiem promieniotwórczym, dzięki któremu dowiemy się jakiego rozpadu, o jakiej energii cząstki i jak często możemy się go spodziewać.
Dla uranu powinien to być głównie rozpad alfa. Stosunkowo grube i o średniej długości ślady zazwyczaj w linii prostej pozostawiane są przez cząstki alfa. Znaczną wielkość śladu można wytłumaczyć rozmiarami cząstki jaka jest emitowana w tym rozpadzie czyli jądra helu.

Rozmiarowo jądro jest znacznie większe od pozostałych obserwowanych cząstek, przez
co pozostawia po swoim przejściu znaczący ślad, skraplając większe ilości par przesyconych. Przyglądając się torom cząstek w komorze oraz ich długościom można próbować oszacować ich energię. Według opracowań doświadczeń na które natrafiłem długość toru cząstki alfa o długości ok. 3-4cm jest równoznaczna z przybliżoną energią 5MeV jaką ma ta cząstka. Im większą energię ma cząstka tym dalej może się przedrzeć przez ośrodek zostawiając ślad swojej obecności.

Warto również zauważyć trudne do uchwycenia elektrony ze spontanicznych rozpadów beta. Tory tych cząstek są niezwykle cienkie i mogą przyjmować rozmaite kształty odwzorowujące chaotyczny ruch elektronu. Zazwyczaj naszym oczom ukazują się jako rzędy pojedynczych ustawionych w pewien kształt kropelek. Grubość śladu nie powinna dziwić, jako elektron ma znacznie mniejsze rozmiary od jądra atomowego helu, które jest naszym odniesieniem. Mimo budzącej strach nazwy możemy zobaczyć, że emisja ze szkła uranowego nie jest bardzo częsta, a więc w tym przypadku jego promieniowanie nie jest silne. Co potwierdza dopuszczenie tego szkła do użytku codziennego.

W naszych obserwacjach musimy również uwzględnić, że część cząstek pozostawiających ślady w komorze może pochodzić spoza niej. Na wyniki doświadczenia może wpływać promieniowanie z innych elementów takich, jak telewizor kineskopowy, minerały wykazujące szczątkową radioaktywność znajdujące się zaprawie murarskiej, granitowe elementy. Jednakże głównym źródłem promieniowania z zewnątrz jest promieniowanie kosmiczne. Te promienie bardzo wysoko energetycznych cząstek pochodzące m.in. z gwiazd przenikają lub zderzają się z naszą atmosferą i tworzą wiązki różnych cząstek elementarnych, które mogą być widoczne również
w komorze mgłowej. Należy je potraktować jako promieniowanie tła.

Kolejnym przedmiotem, którego radioaktywność zbadamy i będziemy obserwować
w komorze będzie siatka żarnikowa do lamp naftowej. Według opisu zawiera ona radioaktywny tor, który zawarty w siatce po jej podgrzaniu powoduje silniejsze świecenie płomienia lampy.
Po umieszczeniu w komorze od razu można zauważyć różnicę w emisji. Można zauważyć znacznie więcej śladów nakładających się na siebie i o długich torach wskazujących na dużą energetyczność zarejestrowanej cząstek. Spowodowane jest to krótkim czasem rozpadu toru. Jesteśmy w stanie również zauważyć podwójne rozpady w kształcie litery V.
Jest to ślad po dynamicznym rozpadzie toru w polon, który jest bardzo niestabilny i błyskawicznie przekształca się w ołów. Każdej z tych przemian towarzyszy przemiana alfa, które rejestrujemy w postaci dwóch sąsiadujących prostych linii.

Warto również pochylić się nad interakcją cząstek elementarnych emitowanych ze źródeł
z otoczeniem lub innymi cząstkami wewnątrz komory. Mogą to być zderzenia w wyniku których cząstki nagle zmieniają swój kierunek ruchu. Rozproszenie cząstki na przeszkodzie lub zakrzywienie jej toru ruchu w obecności pola magnetycznego. Jednakże najbardziej interesujące są zjawiska, których zaobserwowanie wymaga dużo szczęścia, ze względu na ich rzadkość. Są to między innymi: anihilacja kwantu gamma, który trafiając w atom alkoholu lub gazu generuję parę elektron-pozyton, które poruszając się dalej mają wykrzywione tory w przeciwne strony, ze względu na przeciwne ładunki.
Kolejną interesującą interakcją cząstek elementarnych z atomami jest wybijanie elektronów
z orbit atomów znajdujących się w komorze, co można zaobserwować poprzez ostre tory cząstek połą wychodzące z jednego punktu w przestrzeni. Interakcje tej natury są bardzo trudne do zaobserwowania, lecz warto o nich pamiętać.

Powyższe przykłady pozwoliły nam na zapoznanie się ze zjawiskiem radioaktywności
i umożliwiły obserwowanie torów cząstek elementarnych jako niezwykły dowód ich obecności i zjawisk, którym podlegają.



W załączniku pliki BRD/SCH projektu.