Камера вильсона своими руками
Добавил пользователь Алексей Ф. Обновлено: 05.10.2024
В работе приведено подробное описание с фотографиями того, как собрать камеру Вильсона для наблюдения треков мюонов в школьных условиях.
Руководитель(и) работы: Чопорова Жанна Владиславовна.
Цели: Собрать действующий детектор мюонов на основе школьного кабинета физики и провести наблюдения.
Методы: Поиск и анализ информации по интересующей теме. Анализ и систематизация полученной информации. Сборка детектора и наблюдение.
Основные результаты:
Устройство было собрано. В качестве камеры взят пластиковый сосуд, который заполняется парами изопропилового спирта. Разность температур достигается использованием сухого льда.
Процесс наблюдений снят на видео.
Что мы наблюдаем? Мы видим следы белых пузырьков на фоне чёрной поверхности. Это маленькие капельки жидкости, которые формируются вдоль пролёта частицы космического излучения через камеру. Электрически заряженные частицы, влетая в камеру, вызывают ионизацию атомов спирта, и образовавшиеся ионы становятся центрами конденсации переохлаждённых паров. Некоторые треки толстые, некоторые – длинные. Чем длиннее трек, тем больше скорость, а значит, и энергия влетевшей в камеру частицы.
Выводы: подтверждена возможность создания детектора космических лучей на базе школьной лаборатории. На основе этой лаборатории можно проводить мастер-классы для школьников.
Собираю камеру Вильсона со студентами. Охлаждение решили организовать на элементах Пельте.
Вариант первый - стопка из двух элементов и воздушное охлаждение.
Вариант два - один элемент и радиатор на него в лед.
Не знаю какой вариант позволит задействовать больший объем рабочей камеры. Как вообще его можно оценить по мощности элемента "на глаз"? С корпусом рабочей камеры пока не определились, точно посчитать не могу. Может был у кого-то опыт обращения с этими элементами?
что кроме водо-спиртовых паров можно использовать для создания насыщенного пара, если не особо надеешься охладить сильнее, чем -30? -40?
Что конкретно Вы хотите получить от элементов пельтье? У меня есть опыт использования элементов ТМ-127-1,4-3,7. Максимум что смог "выжать" из одного элемента 10 Вт при температуре горячей стороны +50С, холодной -5С (температура на радиаторах). Эффективный каскад собрать не удалось. Были серьезные проблемы с тепловым контактным сопротивлением.
В Вашем случае я бы выбрал вариант 2 и лед ложил бы прямо на горячую сторону ТМ, думаю холодопроизводительность составила бы около 30 Вт на один элемент (ТМ-127-1,4-3,7).
Последний раз редактировалось GAA 26.06.2013, 20:58, всего редактировалось 1 раз.
| i | Оффтопик отделен в самостоятельную ветку Охлаждение серверов маслом |
Parkhomuk вам нужно было на верхний элемент меньшее напряжение подовать. он ведь не просто свои ваты перекачивает, а еще и сам по себе греется.
а хочу я достичь температуры, чтобы внутри емкости образовался насыщенный пар.
Можно и так, но я делал по-другому: собирал каскад "пирамидкой", но паразитные тепловые контакты все "кпд съели". В общем по соотношению цена/качество мой каскад уступал одному-единственному модулю.
Первое, что приходит на ум в качестве альтернативы это фреоны (лучше R11), тут можно и пузырьковую камеру сделать (два в одном так сказать). Второе - это водо-аммиачный раствор (но тут не уверен считать надо).
Пробовал разные пасты, даже с коэф. теплопроводности 8 Вт/мК (согласно производителю), но ничего хорошего не вышло, специальный компаунд (с k=1 Вт/мК), победил с заметным преимуществом.
Последний раз редактировалось Sergey K 27.06.2013, 09:12, всего редактировалось 1 раз.
Первое, что приходит на ум в качестве альтернативы это фреоны (лучше R11), тут можно и пузырьковую камеру сделать (два в одном так сказать). Второе - это водо-аммиачный раствор (но тут не уверен считать надо).
вот и где посмотреть эти данные можно? температуру образования насыщенного пара при нормальном давлении?
вот и где посмотреть эти данные можно? температуру образования насыщенного пара при нормальном давлении?
Тяжко. При воздушном охлаждении радиаторов при н.у. Холодопроизводительность оч. низкая будет (если не каскад). Почему Вы вообще на элементах Пельтье остановили свой выбор?
Parkhomuk , дешево, надо расходников типа сухого льда, малый вес. собственно объем весьма малый, не больше литра-полтора.
Может, сначала на объёме порядка кубического сантиметра поэкспериментировать? Если космических частиц не хватает, чтобы там следы были, можно радиоактивный источник поднести.
к сожалению, для демонстрации малый объем не подходит, к тому же мы хотим сделать что-то вроде лабораторного применения - засунуть в поле и например, траектории альфа-частицы посмотреть, посчитать. хотя там сильно пригодится фотоаппарат.
хотя да, лучше для начала попробовать на маленьком.
Во-первых, ещё не отменили микроскопы.
Во-вторых, установку малого объёма можно собирать как прототип установки большого объёма. Очевидно, малый объём охлаждать проще, если вы научитесь это делать, то приступать к большому объёму вы будете с уже наполовину отлаженным методом.
В реальных детекторах применяются способы "сброса" детектора, так чтобы очистить объём камеры от треков, и начать их сбор заново. Кажется, проще всего это делается с помощью поршня, меняющего давление в камере.
Вообще, увлекательная штука. Будут фотографии - поделитесь!
Последний раз редактировалось e2e4 27.06.2013, 16:56, всего редактировалось 3 раз(а).
Все мои эксперименты с каскадированием элементов Пельтье окончились отрицательно. Реально достигнуть на голой поверхности элемента (без радиатора и какой-либо полезной хладопроизводительности, но с хорошим радиатором на горячей части) температуру порядка -25 С при окружающей температуре +25. 30 С.
Последний раз редактировалось e2e4 27.06.2013, 18:30, всего редактировалось 2 раз(а).
Радиатор не обдувал, т.к. он ощутимо не грелся (большой кусок оребреного алюминия, ему несколько десятков ватт - как слону дробина).
В гостях у Самоделкина! Самоделки своими руками запись закреплена
ёлочные игрушки и прочие приборы с светомассой постоянного действия перестали производить и ещё в 1964 году. Поэтому найти их сейчас довольно трудно. Производить какие-либо манипуляции с светомассой категорически не рекомендуется. Т.е. разбивать игрушки, разбирать приборы. При попадании пыли светомассы в ЖКТ или легкие, человек получит гораздо больше облучения чем при внешнем воздействии.
Поэтому это не те самоделки,которые стоит воспроизводить дома
Чтобы увидеть частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, не обязательно ехать в лабораторию. Достаточно провести дома нехитрый и безопасный эксперимент.
В конце XIX века ученые открыли радиоактивное излучение урана и установили, что оно представляет собой поток разнообразных быстрых частиц. Можно ли проследить за их движением и взаимодействием с различными мишенями? Ведь эти частицы меньше атома, а их скорость соизмерима со скоростью света: даже относительно тяжелые и медленные альфа-частицы уже движутся со скоростью около 5% от световой и представляют собой лишь крохотное ядро одного из самых легких элементов — гелия.
1. В качестве корпуса камеры мы взяли прозрачную акриловую коробку от конфет. Можно использовать и любую другую прозрачную прямоугольную или цилиндрическую емкость (даже целый аквариум). Главное, чтобы материал стенок не лопался от сильных перепадов температуры, так что пластик предпочтительнее стекла.
Камера Вильсона
В 1912 году Чарльз Вильсон, исследовавший до этого далекие от ядерной физики процессы образования туманов и дождей, сконструировал камеру, за которую в 1927 году получил Нобелевскую премию. В ней резкое движение поршня на доли секунды создавало перенасыщенный пар какой-либо летучей жидкости. Перенасыщенный пар неустойчив, малейшие возмущения заставляют его сконденсироваться в капли. Пролетающие через объем камеры альфа- и бета-частицы оставляют за собой след ионов воздуха, который немедленно вызывает конденсацию жидкости, создавая видимый невооруженным глазом трек (след), в точности повторяющий траекторию частицы. По длине и толщине трека можно судить об энергии, скорости и массе частицы. Толстые треки остаются за тяжелыми медленными частицами, а легкие и быстрые дают тонкий, едва заметный след.
2. К верхней крышке обычным канцелярским скотчем или суперклеем крепится марлевый жгут с ватой внутри, пропитанный спиртом (этиловым или изопропиловым). Дно заклеивается черной изолентой, чтобы белые треки частиц были лучше видны (можно покрасить дно черной матовой краской или приклеить лист черной бумаги). В качестве источника частиц мы взяли сварочный электрод марки WT-20, состоящий из вольфрама с добавкой 2% тория (несмотря на радиоактивный торий, электроды безопасны, если их не глотать).
Камера Вильсона, особенно помещенная по предложению советских физиков Петра Капицы и Дмитрия Скобельцына в сильное магнитное поле, оказалась феноменально эффективным инструментом, позволившим сделать множество открытий — в частности, обнаружить позитроны и мюоны. Однако она имела серьезный недостаток — находилась в чувствительном к частицам состоянии в лучшем случае секунды. Это делало ее совершенно непригодной для исследования редких случайных событий.
3. Конструкция охладителя тоже предельно проста: в пластиковый пищевой контейнер насыпаются гранулы сухого льда, сверху кладется миллиметровый лист алюминия, позволяющий сделать охлаждение максимально равномерным.
Диффузионная камера
В 1912 ученый из Шотландии по имени Чарльз Вильсон изобрел прибор, необходимый для самостоятельной регистрации следов треков заряженных частиц. Изобретение камеры дало Вильсону в 1927 году возможность быть удостоенным высшей награды в области физики — Нобелевской премии.
Строение прибора
Туманной камерой, или как иначе называют камерой Вильсона, принято считать не большую по размеру емкость с крышкой, изготовленной из такого материала, как стекло, в самом низу камеры располагается поршень.
Наполнение прибора происходит вследствие впуска насыщенных паров эфира, спирта, либо обычной воды, они предварительно очищаются от пыли, в нее: это необходимо для того, чтобы частицы, пролетая, не задерживались центрами конденсации, находящихся в молекулах воды.
После заполнения камеры парами поршень опускается, далее вследствие возникновения адиабатического расширения происходит стремительное охлаждение паров, которые становятся перенасыщенными. Заряженные частицы, проходя по всей емкости камеры, оставляют за собой след из ионных цепочек. Пар в свою очередь, конденсируясь на ионах, оставляет треки – следы частиц.
Устройство работы
Принцип работы прибора
Вследствие того что в исследуемом пространстве периодически происходит перенасыщение парами разнообразных центров конденсации (ионами, сопровождающими след стремительно перемещающейся частицы), на них происходит появление небольших по размеру капель жидкости. Объем этих капель со временем увеличивается, вместе с этим представляется возможность их зафиксировать, делают это при помощи их фотографирования.
Источник исследуемого материала находится либо в пределах камеры, либо же непосредственно за ее пределами. В том случае, когда он будет находиться вне емкости камеры, частицы в нее могут залетать в небольшое прозрачное окно, расположенное на ней. Чувствительность прибора по отношению к временному отрезку может изменяться от 0,01 доли секунды до 2-х – 3-х секунд, это время необходимо для нужного перенасыщения ионной конденсации.
Следом следует сразу же почистить рабочий объем камеры, это делается для восстановления ее чувствительности. Камера Вильсона работает только лишь в циклическом режиме. Один полный цикл примерно равен минуте.
Перемещение туманной камеры в магнитное поле может вызвать увеличение ее личных возможностей в несколько раз. Это связано с тем, что подобная среда способна искривлять траекторию полета заряженных частиц, что в свою очередь и определяет их импульс вместе со знаком заряда.
Наиболее известные применения прибора
Используя камеру Вильсона в 1932 году, физик-экспериментатор из США по имени Карл Дейвид Андерсон смог установить содержание в космических лучах позитрона.
Первым, кому пришло в голову поместить туманную камеру в область нахождения сильнейшего магнитного поля , стали советские ученые-физики Д. В. Скобельцин и П. Л. Капица, что они и совершили с огромным успехом в 1927 году, через 15 лет с момента создания знаменитого прибора. Советские исследователи определили вместе с импульсами знаки зарядов и такие количественные характеристики частиц, как масса и скорость, что стало сенсационным прорывом советской физики в рамках мирового масштаба.
Преобразование прибора
Новая усовершенствованная камера Вильсона, работающая в подобном режиме, становится более деятельной, происходит заметный рост ее эффективности.
Управляемость туманной камеры, созданная Блэккетом, способствует обеспечению высокой скорости в области расширения газовой среды, вследствие чего и появляется возможность отслеживания камерой сигнала внешних счетчиков и дальнейшего реагирования на него.
Вильсон дожил до того времени, когда произошло преобразование его детища, он назвал эксперимент удачным и признал всю важность использования варианта прибора, представленного Патриком Блэккетом.
Усовершенствованная камера Вильсона
Значение прибора
Камера Вильсона стала для первой половины XX века уникальным прибором, поднявшим престиж физики во всем научном мире. Она позволила физикам отследить следы заряженных частиц и представить это открытие обществу.
Читайте также: