自制云室觀察射線徑跡

梁振華

(德清縣第一中學(xué) 浙江 湖州 313200)

如圖1所示，云室由英國科學(xué)家威爾遜發(fā)明，它通過產(chǎn)生過飽和蒸氣來觀測帶電粒子的徑跡，由于其采用絕熱膨脹的方式來產(chǎn)生過飽和蒸氣，操作復(fù)雜，觀察時間短，并且無法連續(xù)工作.

圖1 威爾遜云室

本裝置利用溫差產(chǎn)生過飽和蒸氣，通過高溫端產(chǎn)生酒精蒸氣，低溫端將蒸氣冷卻到過飽和狀態(tài)，而帶電粒子穿過過飽和酒精蒸氣空間時，會在其運動路徑將酒精蒸氣凝結(jié)為液滴從而可以被觀察到.根據(jù)這一原理，設(shè)計并制作出了高低溫擴散云室，并使用實際生活中的相關(guān)物品作為發(fā)射源，觀察射線徑跡.

1 原理

云室主要類型有膨脹型云室和擴散型云室，都是通過產(chǎn)生過飽和蒸氣來觀察帶電粒子，不同的是，膨脹型云室是用機械方法使得容器內(nèi)氣體體積瞬間絕熱膨脹，從而得到過飽和蒸氣；而擴散型云室內(nèi)的頂部溫度較高，底部溫度較低，蒸氣從頂部高溫端向底部低溫端擴散時，會在底部附近形成過飽和蒸氣.當(dāng)帶電粒子(如α粒子、電子等)穿過該過飽和蒸氣區(qū)域時，就會在飛行路徑上使氣體(空氣) 電離，形成的“電子-離子對”會吸附過飽和酒精蒸氣分子，從而凝結(jié)為小液滴，在強光的照射下，便可以觀察到帶電粒子的徑跡[1,2].

本云室利用上端恒溫加熱板和底部制冷片在溫室內(nèi)建立較大的溫差，能夠在短時間快速形成過飽和蒸氣層，而且可以長時間觀察.整個裝置一體化設(shè)計，操作時只需加入酒精和放射源，一鍵開機后短時間內(nèi)就可以觀察到射線的徑跡.

2 云室所需材料的選擇

云室制作前需要確定如何維持冷熱兩端的溫度差，并且最好大于50 ℃.通過查找，筆者選擇了TEC2-19008型號的制冷片(圖2)和塔式風(fēng)冷結(jié)合作為冷端制冷.

圖2 制冷片

通過實際測量在28 ℃的室溫下，制冷片表面溫度可以快速的達到-20 ℃左右.熱端加熱裝置采用12 V,10 W的硅膠加熱板，并使用智能溫控模塊使熱端的溫度可以根據(jù)外界溫度調(diào)節(jié)和恒溫控制.制冷片、加熱板、溫度控制器的供電使用了學(xué)校淘汰電腦中的機箱電源.

云室常用的工作介質(zhì)有酒精、乙二醇、異丙醇等揮發(fā)性液體，根據(jù)學(xué)校現(xiàn)有條件選擇了濃度為95%的醫(yī)用酒精，在云室頂部加熱板下粘貼有毛氈布用于儲存酒精.由于現(xiàn)階段高中學(xué)校中沒有具有放射性專用輻射源，通過查詢，發(fā)現(xiàn)在實際生產(chǎn)生活中有些物品具有一定的放射性，本實驗選擇了煙霧報警器中的241Am、氬弧焊中使用的釷鎢電極和涂有二氧化釷的汽燈紗罩中的232Th，如圖3～5這3種材料都是民用產(chǎn)品，含有放射性物質(zhì)很少.

圖3 煙霧報警器 圖4 釷鎢電極

利用鉛管制作了鉛罐，如圖6所示 ，用于存放輻射源，避免射線輻射危害.

圖5 汽燈紗罩 圖6 鉛罐

為了能夠使觀察更為方便，云室照射光源采用360°環(huán)狀LED燈；云室密閉結(jié)構(gòu)由透明亞克力板粘合而成，可以在四周各個方向觀察.

3 云室的設(shè)計與制作

云室裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖7所示，由冷端、熱端、透明密閉容器組成.制冷片發(fā)熱端與塔式散熱器相連，連接處涂有導(dǎo)熱硅脂，散熱器用3個高速風(fēng)扇加強散熱效果，如圖8所示.

圖7 云室裝置設(shè)計圖

圖8 冷端及散熱器

制冷片冷端與熱傳導(dǎo)性能較高的邊長10 cm的黑色正方形鋁板相連，鋁板邊長10 cm、厚度5 mm，表面黑色陽極氧化處理.鋁板與散熱器之間用泡沫棉隔離，提高制冷效率與保溫效果.4塊透明亞克力板和薄鋁板粘合成長10 cm,寬10 cm,高20 cm的長方體云室及觀察室，如圖9所示.

圖9 透明玻璃罩與加熱板

實驗時將長方體倒扣在黑色鋁板上，形成一個密閉的環(huán)境.長方形頂部薄鋁板內(nèi)側(cè)粘貼有毛氈布用于儲存酒精，薄鋁板外側(cè)貼有硅膠加熱板，提高頂端酒精蒸氣溫度和加快酒精蒸氣蒸發(fā).加熱板與智能溫控模塊采用可插拔連接線相連，便于拿起長方體云室時加注酒精和取放輻射源.

利用黑色亞克力板制作不透光底座外殼，使用制圖軟件制作激光雕刻圖紙，如圖10所示，將各部分安裝位置精確定位，并在適當(dāng)位置開設(shè)散熱通風(fēng)口.各部分元件安裝后，裝置一體化，如圖10所示，使用220 V供電，放置酒精液體和輻射源后，一鍵開機即可.

圖10 實驗裝置

4 射線徑跡的觀察

4.1 241Am輻射源

拆解離子式煙霧報警器中的離子室，如圖11所示，內(nèi)部還有微量的241Am，241Am主要發(fā)生α衰變，放出α射線.

圖11 煙感器與含有241Am的電離室

如表1所示，241Am發(fā)射的α粒子能量在4.79～5.49 MeV之間，表1中α 粒子的能量、對應(yīng)的發(fā)射概率、在空氣中的射程和在酒精氣體中的射程，其中α粒子在空氣中的射程由經(jīng)驗公式R=12.4Eα-26.2(mm)計算得到.由于射線徑跡呈現(xiàn)區(qū)域為酒精氣體和空氣的混合物，故觀察到的射線徑跡長度在19.85～25.41 mm之間.但由于過飽和蒸氣區(qū)比較薄，不一定能呈現(xiàn)完整的射線徑跡.

表1 241Am衰變發(fā)射α粒子的能量及射程

4.2 232Th輻射源

232Th輻射源可以用含有微量氧化釷的釷鎢電極或涂有微量氧化釷的汽燈紗罩，將釷鎢電極裁剪成小段，直接放置于云室底部鋁板上即可作為輻射源.表2為232Th衰變發(fā)射α粒子的能量及射程

表2 232Th衰變發(fā)射α粒子的能量及射程

4.3 射線徑跡的觀察

拿起有機玻璃罩，在云室底部黑色鋁板上涂上一層酒精液體，并在鋁板中間放上放射源；在有機玻璃罩頂部的毛氈布上滴上5 mL酒精；再將有機玻璃罩蓋在云室底部鋁板上，并將加熱板導(dǎo)線連接好；打開電源開關(guān)，制冷片和加熱板開始工作，燈光同時打開；根據(jù)室溫調(diào)節(jié)加熱板設(shè)定溫度，一般比室溫高20 ℃左右.

整個裝置開始工作后3～5 min，云室底部會形成穩(wěn)定的過飽和蒸氣區(qū)，即可看到云室底部附近呈現(xiàn)出明顯的白色徑跡；若云室內(nèi)沒有放入放射源，可以看到質(zhì)子、β射線和宇宙射線等徑跡，如圖12所示.

圖12 實驗現(xiàn)象