Difúzna hmlová komora

Je to fyzikálny prístroj umožňujúci pozorovať trajektórie elektricky nabitých častíc. Existujú dva typy hmlových komôr: Wilsonová expanzná hmlová komora (1911) a Langsdorfova difúzna hmlová komora (1939). V článku sa budem venovať konštrukcii difúznej hmlovej komory a experimentom.


Obsah

  1. Hmlová komora – História
  2. Difúzna hmlová komora (moja konštrukcia)
  3. Aké častice tam môžeme vidieť ? 
  4. Rádioaktívne predmety a uránové minerály v hmlovej komore
  5. Interakcia elektromagnetického žiarenia – RTG a gama v hmlovej komore
  6. Finálny video zostrih celého projektu hmlovej komory

Kontaminácia povrchu dcérskymi prvkami rozpadu Radónu-220 – ďalší článok a pokus s pozorovaním v difúznej hmlovej komore


Hmlová komora – História

      Je to fyzikálny prístroj umožňujúci pozorovať trajektórie elektricky nabitých častíc. Existujú dva typy hmlových komôr: Wilsonová expanzná hmlová komora (1911) a Langsdorfova difúzna hmlová komora (1939).

Wilsonová expanzná hmlová komora (1911)

      Je to nádoba s piestom naplnená čistým vzduchom a vodnou parou. V dnešných malých demonštračných komorách s balónikom sa používajú aj iné zmesi napr. s acetónu, etylalkoholu a vody. Tiež sa používajú v praxi aj iné plyny, ako výplň komory pri rôznych podtlakoch. Pri prudkom uvoľnení piestu dôjde k expanzii plynu a poklesu jeho teploty. Stav presýtenia sa v tomto type komory dosahuje adiabatickou expanziou pracovného piestu, čo vyvolá silné presýtenie, ktorého trvanie nepresahuje 0,2s. Para je nasýtená, ale nemá na čom kondenzovať. Ióny vytvorené preletom elektricky nabitých častíc cez oblasť presýtenú vodnou parou fungujú ako kondenzačné jadrá, na ktorých sa kondenzuje para. Ionizujúci účinok častice pozdĺž dráhy vytvorí na iónoch v plyne hmlovú stopu z jemných kondenzačných kvapiek.

      Prvá hmlová komora bola skonštruovaná v roku 1895, neskôr pomenovaná Wilsonová komora. V roku 1911 bolo prvé pozorovanie alfa častíc v komore. Wilson získal Nobelovu cenu v roku 1927 za svoju expanznú hmlovú komoru. Carl David Anderson v roku 1932 objavil pozitrón (e+) vďaka Wilsonovej hmlovej komore pri štúdiu kozmického žiarenia. Bol to objav prvej antičastice. Wilsonová komora uskutočnila väčšinu objavov častíc pochádzajúcich z kozmických lúčov až do roku 1950. V difúznej komore sa tento jav nepozoroval, pretože fungovala iba v horizontálnej rovine. Vesmírne častice pochádzajú zhora, táto komora preto nebola vhodná a má značné limity v sledovaní kozmického žiarenia.

      Dole obrázok prvých fotiek stôp alfa častíc rádia z rokov 1911 a 1912. Druhý obrázok zobrazuje v strede repliku Wilsonovej komory z roku 1912. Naľavo sú rádioaktívne vzorky do komory. Vpravo je Rochesterova expanzná hmlová komora (1946).

3.4.2021
      Dostal som sa aj k fotografiám starej Wilsonovej expanznej hmlovej komory, ako učebná pomôcka. Táto je kamaráta, ktorý to má na škole a poslal mi fotky plus jeho video demonštrácie. V strede komory je amerícium-241.

Langsdorfova difúzna hmlová komora (1939)

      Difúzna hmlová komora, ktorú vyvinul Langsdorf v roku 1939, eliminuje „pulznú“ činnosť expanzných komôr vytvorením trvalo presýtenej vrstvy pri veľmi nízkych teplotách. Častice sú potom nepretržite viditeľné. Táto komora je ideálna na štúdium rádioaktivity emitovanej zdrojmi. Nevýhodou difúznych komôr je, že môžu pracovať iba v horizontálnej rovine (gravitácia stabilizujúca presýtenú vrstvu), a preto ich nemožno použiť na štúdium kozmického žiarenia (ktoré vychádza hlavne kolmo na rovinu citlivosti). V difúznej komore sa presýtenie dosahuje pomocou teplotného gradientu, difúziou alkoholových pár z hornej oblasti s vyššou teplotou do dolnej oblasti s nízkou teplotou.

      S urýchľovačmi sa používali difúzne hmlové komory, pretože prichádzajúce častice sa vytvárali v horizontálnom pôdoryse. Hmlové komory mali však pre výskumné účely svoje obmedzenia. Boli príliš malé na použitie vo veľkých urýchľovačoch. Hustota kvapaliny nebola dostatočná na interakciu s veľkým počtom vysoko energetických častíc. Malo to tiež pomalý cyklus, proces reaktivácie hmlovej komory trval príliš dlho v porovnaní s cyklami akcelerátora. V roku 1952 Donald A. Glaser vynašiel bublinovú komoru, ktorá vyriešila tieto problémy.

Bublinová komora (1952)

      Princíp činnosti spočíva v tom, že nabité častice vystrelené do prehriatej kvapaliny vytvárajú pozdĺž trajektórie svojho letu bublinky. Už sa nepoužíval presýtený plyn, ale prehriata kvapalina, čo poskytlo väčšiu stabilitu a umožnilo ľahké resetovanie a spustenie, ktoré znížilo šum pozadia. Týmto spôsobom bolo možné častice dobre sledovať a bolo možné určiť zaujímavé veci, ako napríklad ich elektrický náboj a hmotnosť. Bublinové komory nebolo možné používať na skúmanie kozmického žiarenia, no ich využitie bolo v akcelerátoroch a urýchľovačoch častíc s ktorými sa synchronizovali. Tak nebol problém presne zaznamenať daný dej a trajektórie elektrický nabitých častíc. Dnes sa už opäť používajú modernejšie detektory...

Viac z histórie prvých časticových detektorov

Odkazy na weby

      Nejaké linky na stránky z ktorých som dosť čerpal informácie a ďalšie zaujímavé väčšie aj menšie konštrukcie. Primárna stránka je Cloudylabs, kde majú perfektné veľké hmlové komory a úžasná pozorovateľnosť častíc. Tiež tam nájdete popis, ako identifikovať častice, správanie sa častíc v komore, ich interakcie, fyzikálny a matematický popis.

Cloudylabs - primárna stránka s hromadou informácií o hmlových komorách
Peltier Cooled Cloud Chamber - menšia konštrukcia
Peltier Cooled Cloud Chamber 2
- druhá menšia konštrukcia


Difúzna hmlová komora

      Poďme teraz k mojej konštrukcii difúznej hmlovej komory. Tento typ hmlovej komory sa dnes už celkom bežne stavia, či už profi firmami pre demonštračné účely, muzeálne kúsky alebo nadšencami „doma na kolene“ s bežne dostupných materiálov. Jej veľkosti môžu byť rôzne od veľkých plôch niekde k 50x50cm vyrábané profi firmami k maličkým 6x6cm vyrábané „doma na kolene“ rôznymi nadšencami. Veľkosti písaných rozmerov sa myslí aktívna plocha hmlovej komory.

      Tvar a veľkosť difúznej hmlovej komory je zvyčajne, ako malé akvárium alebo v menších prevedeniach so skleneným zvonom. Veľkosť je dosť závislá od použitia spôsobu chladenia. Na dolné chladenie sa používa suchý ľad alebo v elektrickej verzii peltierové články. Sublimačná teplota suchého ľadu je -78,5°C. Čiže s dosiahnutím nízkej teploty a gradientu teplôt nie je žiadny problém. Zaujímavejšie to začína byť pri použití peltierových článkov, kde je dosiahnutie nízkej teploty o niečo viac problematickejšie. Z toho, čo som zistil, kritická teplota, kedy sa vôbec začne niečo diať v komore je -25°C. Táto teplota sa musí prekročiť, ideálne ísť pod -30°C.

      Výhody a nevýhody oboch typov hmlových komôr pre domácu stavbu so suchým ľadom a elektrickej s peltierovými článkami sú asi zrejmé. Suchý ľad je nutné vždy dopredu kúpiť a vydrží len možno na víkend, zopár dní podľa množstva. Pri elektrickej hmlovej komore s peltierovými článkami tento problém odpadáva, je pripravená vždy na prevádzku, no jediný problém je so zložitejšou konštrukciou s peltiermi a dostatočným chladením vytvoreného tepla. Ja som sa pustil do stavby s peltierovými článkami z úplne jednoduchého dôvodu, chcel som to mať vždy pripravené na prevádzku a experimenty.

      Myšlienka so suchým ľadom je fajn, ak by nám šlo cielene o veľkú plochu pre sledovanie prirodzeného pozadia. Je to jednoduché riešenie, odpadáva veľa problémov. No vzniká nový problém a to kúpa suchého ľadu len na pár dní.

      Existujú ešte kompresorové s chladničkovým chladiacim okruhom, no tam je zložitejšia konštrukcia a túto variantu realizujú už prevažne profi firmy. Alebo mal by chuť sa do toho niekto aj doma pustiť...

      Poďme na postupnú stavbu konštrukcie hmlovej komory, kde postupne popíšem dôležité veci o stavbe. Ideme na peltierové články a naším cieľom je ideálne prekonať teplotu -30°C na aktívnej ploche. Zvolil som si aktívnu plochu 10x10cm, ktorú chceme ochladiť pod -30°C.

1. varianta s 3ks peltierovými článkami – 2 stupne v kaskáde

      Na začiatok nachystanie si chladiča a peltierové články. Vzhľadom nato, že potrebujem tlačiť teplotu teplej strany prvého peltiera a teda aj chladiča čím nižšie (ide o rozdiel teplôt teplej a studenej strany peltiera), volil som poriadne masívny kus hliníka (mal som zdarma/za poštovné) a k nemu z boku výkonný serverový 12V 4,8A ventilátor. Reálny odber je 2,1A pri 12,5V kúpený z eBay. Sklenený zvon s priemerom 14cm a výškou 19cm kúpený z nemeckého Amazonu. Plastové skrutky z RC modelárstva pre zníženie prechodového tepla do chladiča. Medené plechy som kupoval 2ks 10x10cm o hrúbke 3mm znova z nemeckého Amazonu. Jeden kus je použitý na hornú aktívnu plochu 10x10cm a druhý vyrezaný na 10x6cm pre prechod medzi peltiermi v kaskáde z jedného na dva horné kusy peltierov.

      Jeden peltier akokoľvek výkonný nestačí pre dosiahnutie požadovanej mínusovej teploty ! Vždy sa musia použiť minimálne 2ks v kaskáde, no v praxi niekedy ani toto nestačí. Ako aj v mojom prípade som v tomto usporiadaní nedosiahol požadovanú mínusovú teplotu. Reálnejšie by to bolo pri menšej aktívnej ploche (možno 6x6cm) a s použitím kvalitného vodného chladenia. Alebo asi aj menej výkonné peltiery v kaskáde, pre zníženie tvorby tepla, ktoré je nutné chladiť a tým docieliť nižšiu teplotu na chladnej strane, keďže ide o rozdiel teplôt. Cena bude dlhší potrebný čas na chladenie. Každopádne vždy je nutná kaskáda a 1 kus je nedostačujúci.

      Používať vhodnú teplovodivú pastu ! Teplovodivú pastu používať jedine procesorovú s dobrou tepelnou vodivosťou. Avšak na peltierový článok sa nesmie použiť priveľký prítlak, ako pri CPU, inak môže doslova puknúť. Kamarátovi sa to už stalo pri doťahovaní skrutiek. Preto som použil pružinky na maticiach pre dotiahnutie a nedotiahol som úplne. Za týchto okolností sa musí pasta vhodne rovnomerne ručne rozotrieť a preto, nesmie byť priveľmi hustá. Prvý pokus s Noctua pastou nevyšiel, je priveľmi hustá a vznikli medzery medzi chladičom a peltierom (fotka v albume dole), to je zle ! Dobre mi funguje MX-4 pasta, ktorá je dostatočne riedka a dobre sa rozotierala. Čo sa týka nízkej teploty a pasta, MX-4 mi nerobí problém ak nie je vystavená vzduchu pri takto nízkej teplote. Čo je medzi materiálmi je OK. O životnosti nemám tušenia, Noctua napríklad udáva teplotu do -50°C avšak pre hustotu nie je použiteľná. Spotreboval som 10g pasty, takže vzhľadom na množstvo... cena za pastu tiež rozhodne :). Uvidí sa za nejaký ten rok... na druhej strane, toto nie je PC, ktorý beží denne. Ako veľký prúser pre pastu sa nakoniec ukázala iná vec, ako nízka teplota, ale o tom až ďalej v článku.

      Ďalšia veľmi dôležitá vec pri skladaní peltierových článkov do kaskády. VŽDY musí byť dole na chladiči ten najvýkonnejší a na neho ide menej výkonný a tak ďalší ešte menej výkonný peltier. Buď sa to rieši menej výkonným peltierom alebo ak je rovnakého výkonu, tak znížením napájacieho napätia, alebo kombinácia aj aj. Ja som to riešil menším výkonom peltiera aj menším napájacím napätím. Taktiež, nie vždy väčší a výkonnejší peltier, je aj efektívnejší (spotreba, vznik tepla/chladenie). Väčšinou rozmerovo menšie a menej výkonne peltiere sú efektívnejšie pri zníženom napájaní v porovnaní s veľkými a výkonnými, keď sa do nich pustí znížené napätie. Preto je nutné správne kombinovať a skladať kaskádu. Inak by spodný peltier na chladiči nestačil svojim výkonom a efektivitou chladiť horúcu stranu ďalšieho peltiera v kaskáde a potom ten peltier ďalší tretí v kaskáde atď. Viac povedia už fotky dole, požadovaná teplota nebola dosiahnutá, tak pokračujeme ďalej.

      Na záver tohto prvého pokusu, už keď som nedosiahol požadovanú teplotu, tak aspoň blbosti s tranzistorom pri -20°C a vytvorenie nového typu tranzistora... CRYOFET ! Inak, takto nikdy nemrazte nové tranzistory, môžu sa poškodiť ! Zároveň to bolo aj testovanie teplovodivej MX-4 pasty pod tranzistorom.



2. varianta s 5ks peltierovými článkami – 3 stupne v kaskáde

      Po prvom neúspechu bola voľba jasná. Chce to ďalší stupeň do kaskády. Vo finále používam tieto peltiery (zoznam dole) v jednotlivých stupňoch v trojitej kaskáde. Medzi prvým a druhým stupňom je 3mm Cu plech, potom už sú peltiery 2ks a 2ks priamo na sebe. Prvý peltier 350W ide na 12,5V napájanie a zvyšné sú zapojené v sérií na polovičné. Všetky medzery  medzi peltiermi sú vyplnené polystyrénom. Už som predpokladal, že to bude fungovať, tak som rovno riešil aj izoláciu. Teplovodivú pastu používam pre procesory MX-4. Celkovo som spotreboval 10g pasty. Peltierové články je nutné použiť so silikónom na stranách, verzia „S“. Celkový príkon peltierových článkov mám 400W. Na napájanie používam serverový zdroj HP 725W 12V 60A a 5V 4A. Všetky peltiery idú na 12V vetvu, reálne 12,5V. Už len si pozrite fotky usporiadania a vo výsledku som prekročil teplotu -32°C. Meranie teploty IR teplomerom priamo na Cu plechu robilo problém, musel som nalepiť pásiky izolačnej pásky pre správne meranie.

  1. stupeň: TEC1-12730S 350W 12,5V – 1ks
  2. stupeň: TEC1-12715S 150W 6,25V – 2ks (v sérií)
  3. stupeň: TEC1-12708S 85W   6,25V – 2ks (v sérií)

Príkon peltierov: 400W
Napájací zdroj: serverový HP 725W, 12V 60A, 5V 4A 
Teplovodivá pasta: ARCTIC MX-4
Sklenený zvon: d=14cm; h=19cm (Amazon)
Cu plechy: 2ks 100x100x3mm (Amazon
Ventilátor: Delta PFC1212DE (eBay)



Vnútorná konštrukcia, mriežka, špongia a zvon

      Na konštrukciu som použil plastové (polystyrol) čierne tyčky priemeru 7mm a dĺžke 35mm, ktoré som polepil dokopy tavnou pištoľou. Vo výške 8cm nad medenou plochou je mriežka pre jednosmerné vysoké napätie (1-3kV). Potom o ďalších 5,5cm je kus DPS prichytený cez matice v plastových tyčkách. Hore je priestor pre špongiu s izopropylalkoholom (isopropanol, IPA - 99,9%).

      Na zakrytie používať jedine sklo a žiadne plasty. Je to kvôli výparom isopropylalkoholu. Na samotné sklo je prichytený silikónový LED pásik (prírodná biela, 120 LED/m, vodotesný), ktorý opäť tavnou pištoľou je zlepený dokopy a na skle drží len skrz silikón a je ho možné voľne posúvať a meniť výšku.

      Medenú plochu kvôli dobrej viditeľnosti trajektórií častíc v hmle a odrazom svetla je dobré, aby bola celá čierna. Niektorý používajú rôzne čierne tenké fólie, no doma som nič vhodné nenašiel. Čierna izolačná páska sa tiež ukázala, ako použiteľné riešenie a celkom dosť dobré. Fólii by som sa radšej asi vyhol a tie, čo boli doma boli všetky príliš tenké, presvitali, krčili sa a ani neboli dostatočne čierne. Pozor si treba dať na nevhodné farby a laky pre mínusovú teplotu a isopropylalkohol. Nakoniec sa počas testovania aj tak najlepšie osvedčila izolačná páska.



VN zdroj pre mriežku

      Vysokonapäťový jednosmerný zdroj pre mriežku by mal byť v rozmedzí zhruba +1 až +3kV. Je to v závislosti od veľkosti hmlovej komory a vzdialenosti mriežky od plochy, preto je potrebné experimentovať a otestovať si vhodnú veľkosť napätia. Ja aktuálne používam +1,2kV. Kladné napätie ide na mriežku a zem sa pripojí na medenú plochu dole.

      Ako ste si mnohý možno všimli, nie každý používa VN zdroj v hmlovej komore a vlastne ani nie je nutný, ale s napätím na mriežke hmlová komora proste funguje oveľa lepšie a zlepší sa viditeľnosť častíc. To je bez pochýb a tu sú nasledujúce vysvetlenia, snáď správne teoretický popísané. Je priložené aj ukážkové video vplyvu napätia +1,2kV v komore.

  1. Napätie na mriežke má vplyv na trajektórie častíc. Častice budú poľom tlačené do horizontálnej roviny pozdĺž plochy cez nasýtené pary alkoholu. Pravdaže vzhľadom na veľkosť napätia, vzdialenosť mriežky od plochy a od energie, rýchlosti a hmotnosti samotných častíc. Potom tiež vzhľadom na veľkosť aktívnej pozorovacej plochy, či vôbec bude nato čas a priestor, pre viditeľný vplyv na trajektóriu častice. Na tie pomalé nízkoenergetické to vplyv mať bude a je to aj reálne viditeľné. Častice budú viac v ploche skrz celú oblasť nasýtených pár alkoholu. Vplyv napätia +1,2kV krásne vidieť v blízkosti kolmého vodiča na plochu, ktorý ide bokom k mriežke. Krásne vidieť na niektorých fotkách nižšie ďalej v článku, ako sú kladné alfa častice odpudzované, mení sa smer trajektórie, či dokonca pekne sleduje častica oblúkom pole napätia vodiča. Niektoré častice zasa prejdú skrz, či len jemne zmenia trajektóriu. Závisí to od energie a hybnosti častice.

  2. Napätie má vplyv na vzniknuté ióny v plyne od častíc. Preletom elektricky nabitej častice skrz hmlovú komoru, ionizuje svoje okolie a vznikajú ióny. Avšak na tieto ióny má tiež vplyv elektrické pole z mriežky. Ak takéto ióny budú vznikať tesne nad alebo pod oblasťou nasýtených pár alkoholu, potom ich pole vzhľadom na polaritu bude priťahovať/odpudzovať a môžu sa dostať priamo do oblasti nasýtených pár alkoholu. Tým sa na tieto kondenzačne jadrá hneď nabalia kvapôčky alkoholu a zviditeľni sa trajektória častice. V momente kondenzácie alkoholových pár, prestáva mať elektrické pole vplyv na tieto kvapôčky, stavajú sa neutrálne a vplyvom gravitácie padajú nadol.

  3. Napätím na mriežke sa polarizujú alkoholové pary. Tým sa drastický zvyšujú šance na kondenzáciu pár na iónoch, keďže sa elektricky priťahujú. Ióny, ktoré po sebe nechajú preletom častice, najmä ide o vysoko energetické rýchle častice, ako elektróny a mióny sa správajú, ako veľmi atraktívne kondenzačné jadra pre pary alkoholu. Práve aj vďaka tomu sa stávajú dobre viditeľne ich trajektórie v hmle. Alfy a protóny sa stanú ešte lepšie viditeľné a hustejšie. Niečo podobné sa dá dosiahnuť aj rýchlejším odparovaním alkoholu. Tiež, je to vidieť voľným okom na parách alkoholu, podľa výšky napätia sa menila viditeľne jemnosť a hustota čiastočiek nasýtených pár. S vhodným napätím na mriežke, boli častice lepšie viditeľné a mali ostrejšie kontúry v hmle.

      Záver z pozorovaní. Ak som nemal vôbec žiadne napätie pripojené na mriežke. Viditeľnosť častíc bola slabá. Alfa častice boli „rozmazané“ a elektróny som skoro ani nevidel. Nehovoriac o miónoch a všeobecne rýchlych vysoko energetických časticiach.

      Po pripojení napätia +1,2kV odrazu som videl oveľa väčší počet častíc, častice dosahovali dlhšej viditeľnej dráhy viac v priamke. Ťažké alfa častice jadra hélia získali ostrejších a jasnejších kontúr v hmle. A už som krásne ostro videl nízko energetické, stredne a vysoko energetické elektróny a rýchle mióny. Dokázal som vidieť ostré a jasné čiarky v hmle.

      Nakoniec som testoval ešte vyššie napätia nad +2kV až k +3,5kV z VN zdroja od plazmovej gule. Výsledok už bol však zlý. Viditeľne sa zmenil charakter nasýtených pár a ich štruktúra, prestal som vidieť elektróny a mióny. Ostali viditeľné len ťažké jadra hélia, avšak trajektórie začali byť rozmazané. Zrejme som narušil tvorenie nasýtených pár dole, tlak a posunul pary viac nahor k mriežke privysokým napätím.

      Čiže áno, napätie je dôležité, ale nie podmienka (no prečo nepoužiť ?). Minimálne pre polarizáciu alkoholových pár a tým zvýšenie viditeľnosti trajektórií častíc a zvýšenie ostrosti kontúr. Je tam vidieť aj vplyv na trajektórie častíc resp. vplyv na ióny v plyne, ktoré boli posunuté do oblasti nasýtených pár. Je otázka, ktorý vplyv viac prevláda alebo je to proste súhra všetkého dokopy. Ide aj o celkovú pozorovaciu plochu a energiu s hybnosťou častíc, ktorá nie je malá. S veľkosťou napätia je potrebné experimentovať. Dole fotografie VN zdrojov z testovania a video ukážka z komory, najprv bez napätia a potom zapnem VN zdroj +1,2kV na mriežku. Krásne vidieť ten rozdiel. Na videu pre ukážku bola použitá vzorka uránového minerálu Autunitu. Neskôr nižšie na fotkách pri alfa časticiach krásne vidieť vplyv elektrického poľa.

VN zdroj do 1,2kV: eBay



Vrchný ohrev komory

      Veľmi efektívne pomáha hmlovej komore ohrev hornej časti komory. To hneď z dvoch dôvodov, zvýši sa teplotný gradient hornej a dolnej časti komory plus vyššou teplotou sa urýchli odparovanie alkoholu zo špongie. Rýchlejší prísun alkoholových pár znamená lepšiu viditeľnosť častíc v nasýtenej vrstve pár alkoholu. Plus do toho polarizácia alkoholových pár vysokým napätím popísaných vyššie a výsledok je excelentný. Aktuálne používam improvizovane 100W halogén v stolnej lampe zhora na sklo, čo pekne vidieť aj na videách.

28.12.2020
      Len dva dni po zverejnení článku, som dokončil už len dodatočne vylepšenie ohrevu, nech to neohrievam so žiarovkou/halogénom zhora a dorobil som vnútorný ohrev cez výkonové rezistory. Malá to byť len taká nepodstatná drobnosť. No to som ešte netušil, aká výrazná zmena nastane. Vzhľadom na okolnosti som doplnil a pozmenil niektoré informácie v článku z nových poznatkov, nech je to pokope a nie len, ako nejaká aktualizácia na konci dole v článku.

      Ohrev som riešil úplne jednoducho, vyskladal som sériového rezistorového hada s 4x TR224 18R/2W. Celkovo teda 72R/8W na 12,5V. Neriešil som žiadnu reguláciu a ako som zistil ani nie je v mojom prípade nutná. Rezistory sú zatesnené v zmršťovacej bužírke a voľne položené na špongii. Teplotu som nameral niečo nad 60°C. Zapnem hmlovú komoru a súčasne aj ohrev, ten nechávam bežať trvale.

      Tým, že som začal ohrievať trvale horný priestor komory s ustálenou teplotou rezistorov a priamo na špongii s isopropylom. Docielil som rýchle odparovanie alkoholu. Zvýšil som gradient teplôt a hlavne stabilnejšie teploty a stabilnejšie podmienky v hmlovej komore. Do toho hrá rolu aj silikónová drážka okolo skla pre lepšie tesnenie vnútra. Je to poznať na zmene správania sa nasýtenej vrstvy pár alkoholu.

      Záver z toho celého v praxi. Oblasť nasýtených pár alkoholu je stabilnejšia a má rýchlejší prísun alkoholových pár. Znížila sa mŕtva doba oblasti, to znamená, že preletom jednej častice napr. aj veľkej ťažkej alfa častice, ktorá si vezme so sebou veľmi veľa pár alkoholu, rýchlo sa daný priestor obnovuje a je schopný detegovať a zachytiť ďalšiu a ďalšiu časticu. Tiež sa zvýšil počet pozorovateľných častíc v komore. Aktuálne aj pri väčšej spŕške alfa častíc z uránového minerálu som schopný pozorovať dosť jasne a veľa okolitých elektrónov, ktoré majú tenké stopy. Zníženie mŕtvej doby a zvýšenie hustoty pozorovateľnosti častíc ! Ale to stále nie je všetko, zvýšila sa rozlíšiteľnosť častíc a až od tejto chvíle som schopný rozoznať protóny !



Takmer hotovo...

      Fotky z takmer dokončenej hmlovej komory a jej dočasný stav. Vodiče od VN zdroja na mriežku sú s teflónovou izoláciou, napäťová odolnosť je OK. Celé klasicky pripevnené na kuse dosky z toho, čo dom dal. A prečo takmer hotovo ? .. drvivá väčšina fotiek a videí v článku sú spravené s takto riešenou hmlovou komorou, ako na fotkách. No po niekoľkých dňoch experimentoch a pár dní státia komory na stole, po zapnutí problém, komora nefungovala... o tom v ďalšom odstavci.



Prerobenie celej konštrukcie hmlovej komory a Finalizácia

      Po všetkých tých experimentoch s hmlovou komorou, ktoré sú tu prevažne na webe v článku a už počas písania článku, za pár dní nepoužívania komory po zapnutí proste prestala ísť. Meriam teplotu a nedokázal som sa dostať pod 0°C. Stále sa teplota držala v okolí 1°C.

      Čo sa stalo. Isopropylalkohol pretekal okolo Cu plechu nadol až na chladič k peltierom. Kaskádu som riešil len elektricky, aby bola vode odolná, no netušil som, že IPA kompletne zničí a vysuší celú teplovodivú pastu pod celým peltierom. Spravilo to len na prvom (obe strany peltiera), zvyšné horné stupne kaskády boli OK. Tiež výpary poleptali polystyrén. Musel som kompletne rozobrať celú kaskádu, pri rozoberaní spodný peltier doslova odpadol vlastnou váhou s vysušenou pastou. Celé som to kompletne vyčistil, naniesol som na novo MX-4 pastu a vyskladal celú kaskádu znova s pár zmenami.

      Druhý a tretí stupeň kaskády, ako sú peltiere vedľa seba, dal som medzi nich silikón. Pasta sa pretlačila medzi peltiere a spravila teplovodivý prepoj zhora až dole cez dva stupne peltierov. Takto som daný priestor vyplnil silikónom a zlepil ich dokopy. Mať takto s teplovodivej pasty spravený prechod krížom cez peltiere je tiež celkom prúser.

      Použil som nový narezaný polystyrén, na ktorý šiel všade silikón. Celú kaskádu v polystyréne a polystyrén samotný som spravil komplet odolné voči kvapalinám a výparom. Tiež som dôkladne zatesnil so silikónom prechod Cu plech a polystyrén. Silikón je elastický a aj pre použitie do mínusových teplôt.

      Vodiče od VN zdroja (+1,2kV) na mriežku už vediem krížom cez polystyrén a nie popod sklo zvonu pre jednoduchšiu prácu, odnímanie skla a izoláciu vnútra komory. Všetko opäť zatesnené silikónom.

      Sklenený zvon má okolo skla na podstave silikónovú drážku, kde pekne zapadne. Sklo som namočil do mydlovej vody a pekne ho vložil do pripraveného silikónu na podstave, vymodeloval silikón na sklo a potom som ho len vykrútil von. Je to pre lepšiu izoláciu vnútra komory, aby sa tam držali výpary alkoholu a nevznikalo prefukovanie popod sklo. Je to aj vidieť na správaní sa oblasti nasýtenej hmly.

      LED pásik po novom už nie je na skle, ale umiestnený v tesnej blízkosti od skla a zafixovaný silikónom v podstave. Pre elasticitu silikónu je to poddajné a krásne sa sklenený zvon vkladá do drážky a aj vyberá. Je to takto pohodlnejšie a hlavne pri čistení skla.

      Izolačná páska naďalej ostáva, ako najlepšia možnosť na Cu plechu. Skúšal som aj čierny lak na nechty (niekto ho používal, tak som skúsil), ale bol to celkom prúser. Nielen, že IPA ho naleptávala, to bol ešte ten menší problém, prúser boli tie odlesky od plochy. Stále izolačka ostáva, ako najlepšia možnosť pre dostatočne čiernu farbu, odolnosť voči mrazu a isopropylalkoholu plus bezproblémovej výmeny za nový kus pásky. A aj keď na poslednej fotke ta izolačná páska nevyzerá najkrajšie, po vytvorení vrstvy isopropylalkoholu na páske sa väčšina vecí stratí, no hlavne sú rozbité odrazy a odlesky, čo je ešte horšie.

      Po prerábke s týmito zmenami, som po následnom testovaní dosiahol teploty až -38°C ! Ďalej už len fotky z celej prerábky a finalizácie Hmlovej komory.

      Dodatočné dorobenie vnútorného ohrevu rezistormi, ako len taká banalita pre pohodlnosť. Čo sa ukázalo, ako veľmi silno podstatná vec. Podrobnejšie informácie v predošlom odstavci vrchný ohrev komory. Tu už len zvyšné fotky.



Aké častice tam môžeme vidieť ?

      Iba elektricky nabité častice môžu počas svojej dráhy ionizovať svoje okolie a teda vytvárať ióny. Letiaca častica skrz nestabilné nasýtené pary, vytvára vo svojom okolí ióny. Tie sa správajú, ako kondenzačne jadrá a vďaka nestabilite pár v danom priestore, nestabilné pary prejdú do kvapalného stavu a kondenzujú sa práve na vzniknutých iónoch pozdĺž trajektórie častice. Dostatočné silné osvetlenie a čierny povrch maximalizuje viditeľnosť a kontrast trajektórií častíc v hmle. Potom podľa veľkosti, energie a hybnosti častíc sa objavia charakteristické stopy v hmle, o nich ďalej v článku.

Vidieť môžeme: alfa (He2+), protóny (p+), elektróny (e-), pozitróny (e+) a mióny (μ+/-)

Žiarenie alfa (α) sú jadra hélia dva protóny a dva neutróny.
Žiarenie beta sú elektróny (β) a pozitróny (β+)

      Neutrálne častice (neutrón, gama, X-ray) môžu byť detekovateľné nepriamo pomocou nabitých častíc, ktoré budú vytvárané v hmle po ich interakcií - fotoelektrický jav Wiki-SKWiki-CZWikiSkripta ],  Comptonov jav Wiki-SKWiki-CZWikiSkripta ] atď.



Alfa častica

      Jedná sa o jadro hélia (He2+), má dva protóny a dva neutróny s kladným nábojom +2e zanecháva v hmlovej komore krátke a tučné stopy. Prúd alfa častíc sa nazýva rádioaktívne žiarenie alfa. Jedná sa o najmenej prenikavé žiarenie, zastaví ho aj list papiera a tiež epitelové tkanivo povrchu kože človeka. Nesmie sa však zdroj alfa častíc dostať do tela človeka, napríklad pľúc alebo zjedením.

      Prirodzený zdroj alfa žiarenia je napríklad urán, rádium alebo radón. Izotop radónu 222Rn je známy pre svoj potenciál hromadiť sa v pivniciach budov, bežne sa uvoľňuje zo zemskej pôdy. Príkladom umelého zdroja alfa žiarenia je izotop amerícia 241Am,  ktorý sa v prírode nevyskytuje. V hmlovej komore vieme pozorovať rozpady radónu (222Rn) v prirodzenom pozadí. Dole niekoľko snímkov z videa z hmlovej komory z pozorovaní alfa častíc. Na niektorých fotkách vidieť vplyv elektrického poľa v blízkosti vertikálneho vodiča s +1,2kV na mriežku.

      Pre zaujímavosť ešte tabuľka doletu alfa častíc cez materiály podľa ich energie. Ako je vidieť, pri mojej aktívnej ploche 10x10cm niektoré alfa častice môžu prejsť pri veľkej energií aj krížom skrz plochu komory. 



Elektrón a pozitrón

      Elektróny (e-) sú rôznorodé tenké, krátke alebo dlhé, kľukaté alebo priame stopy v hmlovej komore. Práve tieto stopy uvidíme v komore najviac. Ako veľmi sa trajektória elektrónu ohýba, záleží na jeho energii. Čím je energia nižšia, tzv. nízko energetické elektróny, bude ich trajektória krátka a veľmi krútená so zrážkami. Potom, ako sa energia zvyšuje, máme tzv. stredne energetické elektróny, kedy už sú dráhy dlhšie, vyrovnanejšie no stále točené a so zrážkami. Nakoniec vysoko energetické elektróny, ktoré si razia dlhé niekedy už aj takmer priame cesty skrz komoru a pri malej pozorovacej ploche sa dá zameniť aj s miónom. Čo je už aj môj prípad.

      Elektróny v hmlovej komore majú svoj pôvod buď z rádioaktívnych premien uskutočnených na zemi, teda ako súčasť prirodzeného rádioaktívneho pozadia alebo pochádzajú zo sekundárneho kozmického žiarenia napr. z rozpadov miónov.

      Prúd elektrónov sa označuje, ako žiarenie beta mínus (β). Je prenikavejšie, ako žiarenie alfa a dá sa odtieniť napríklad 1mm platom olova.

      Pozitróny (e+) sú antičastice elektrónov, je to častica antihmoty. Stopa pozitrónu je identická so stopou elektrónu. Prvý pozitrón bol objavený práve v expanznej hmlovej komore (Wilsonová hmlová komora). Jediný spôsob, ako je možné rozlíšiť elektróny a pozitróny, je umiestniť komoru do magnetického poľa, kedy sa bude elektrón a pozitrón stáčať do špirály na opačné strany.

      Opäť pozorované pozitróny v hmlovej komore majú svoj pôvod z prirodzených rozpadov na zemi alebo z kozmického žiarenia napr. z rozpadu antimiónov. Príkladom prirodzeného zdroja pozitrónov je rozpad izotopu draslíka 40K, ktorý sa najviac nachádza práve v banánoch.

      Prúd pozitrónov sa označuje ako žiarenie beta plus (β+).

      Pri zrážke elektrónu a pozitrónu dôjde k ich anihilácii, pôvodné častice zanikajú a vzniká dvojica fotónov žiarenia gama o energii 0,5MeV. Fotóny sa šíria od seba opačnými smermi.



Protón

      Protón (p+) tvorí výraznú stopu, ktorá často môže prelínať celú plochu hmlovej komory. Stopa protónu môže byť cez celú pozorovaciu plochu, kratšia čiarka alebo len bodka v závislosti od uhlu, pod ktorým protón cez hmlovú komoru prejde. Protóny majú pôvod v kozmickom žiarení. Väčšina zobrazených trajektórií bude, ako krátka čiarka pod uhlom zhora.

      Protóny dokážem krásne určiť a pozorovať až po vyriešení vnútorného ohrevu rezistormi. Viac podrobnosti prečo tomu tak je, píšem tu o vrchnom ohreve komory. Len v krátkosti, ohrevom vo vnútri komory rezistormi sa výrazne zvýšila pozorovateľnosť, rozlíšiteľnosť častíc a znížila sa mŕtva doba oblasti. Viac detailov je v predošlom odstavci, tu už len fotky protónov.

      Galériu fotiek protónov odporúčam si prejsť celú od začiatku až do konca. V popise fotiek je písane poradie snímky z celkového počtu po sebe idúcich snímok z videa. Pekne vidieť priebeh stopy v hmle protónu aj s vedľajšími alfa časticami.

  • (obr.1-6) Všimnite si prvú sériu šestice fotiek. Pekne vidieť, ako protón prechádza skrz 3mm meď pod uhlom, vidieť jasnú trajektóriu. Zároveň vidieť hmlu z pár alkoholu nad trajektóriou protónu. To je práve vplyv elektrického poľa na ióny v plyne, ktoré boli vtiahnuté do danej oblasti nasýtených alkoholových pár. Zobrazila sa dráha aj keď reálne protón prešiel mimo pod uhlom, bez elektrického poľa a s napätím +1,2kV na mriežke by toto nebolo možné.

  • (obr.7) Rovnaký prípad je obrázok č.7, kde vidieť len krátku trajektóriu protónu pod uhlom. Ale dráha v hmle, už len akoby šmuha je podstatne dlhšia a sleduje trajektóriu protónu, ktorý už bol nad danou oblasťou. Elektrické pole vtiahlo ióny plynu do oblasti nasýtených pár a skondenzovali alkoholové pary na kondenzačné jadrá, teda ióny.

  • (obr.8-10) Pekné porovnanie jedného protónu v strede a okolitých alfa častíc. Pár snímok po sebe idúcich z videa pre lepšie pochopenie a ukázanie daného deja.

  • (obr.11-12) Doslova perfektná momentka prelietajúceho protónu priamo cez oblasť nasýtených pár, čo zanechalo krásnu jasnú hrubšiu stopu po protóne. Pekne rozlíšiteľná od elektrónov a alfa častíc. Nakoniec hmlová stopa padá nadol gravitáciou a zaniká.

  • (obr.13-14) Pekný príklad protónu, ktorý prelietavá skrz komoru pod uhlom. Vidieť trajektóriu protónu a zvyšok hmly, ktorý vznikol vtiahnutím iónov do oblasti elektrickým poľom. Potom na druhej fotke vidieť, ako už gravitáciou padá nadol celá hmlová stopa.

  • (obr.15-30) Zvyšné jednotlivé fotky protónov. Prevažná väčšina fotiek sú protóny pod uhlom zhora nadol skrz komoru. Protóny pochádzajú z kozmického žiarenia, čiže väčšina ich prejde pod uhlom, ako čiarka. No dlho som nevedel v komore ich dostatočne rozoznať a rozlíšiť.



Mión

      Mióny (μ+/-) vznikajú interakciou kozmického žiarenia s atmosférou a prenikajú až na zemský povrch, kde ich môžeme pozorovať v hmlovej komore. Ich životnosť je príliš krátka, len 2,2µs. Ale vďaka dilatácii času, keďže sa pohybujú rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla (špeciálna teória relativity), stihnú doraziť až k zemi na povrch skôr, než sa rozpadnú.

      Pri rozpade miónu (µ-) vzniká elektrón (e-), neutríno (vµ) a elektrónové antineutríno alebo pri rozpade antimiónu (µ+) vzniká pozitrón (e+), antineutríno a pozitrónové neutríno (ve). Pri antineutrínach mi neberie ten špeciálny znak – pozri dole matematický zápis.

      Dole na fotkách by to mohli byť zachytené práve mióny. Tenké priame rýchlo letiace častice skrz hmlovú komoru. Prinajhoršom niečo z toho bude vysoko energetický elektrón. Vysoko energetický elektrón a mión sa dajú ľahko zameniť a hlavne pri takto malej aktívnej ploche komory.



Rozpad miónu

      V hmlovej komore je možné pri šťastí pozorovať aj rozpad miónu slabou interakciou na elektrón. Tento rozpad je pozorovateľný z priebehu hmlovej stopy. Tučnejšia stopa miónu sa náhle ostro zalomí a stenčí, mión sa rozpadol a pozorujeme tenšiu stopu elektrónu. Ďalšie častice miónové neutríno a elektrónové antineutríno v hmlovej komore nepozorujeme, pretože nie sú elektrický nabité.

      Dole na fotke je možno teoreticky zachytený rozpad miónu, no opäť by to chcelo lepšiu pozorovateľnosť a väčšiu plochu. Plus popis rozpadu miónu (µ-) a antimiónu (µ+) na elektrón (e-), pozitrón (e+) a neutrína.



Rozpad plynu Radón-220

      Stopy v tvare písmena „V“ patria dvom alfa časticiam, ktoré boli vyžiarené veľmi krátko tesne po sebe. Ak striekneme do hmlovej komory plyn radón 220Rn, pozorujeme jeho rozpad (polčas rozpadu 55,6s) na polónium 216Po, ktorý sa takmer okamžite rozpadá (polčas rozpadu 0,145s) na olovo 212Pb. Tieto dva rozpady sú sprevádzané vyžiarením dvoch alfa častíc, ktoré pozorujeme do tvaru písmena V. Rozpad Radónu-220 ide podľa tóriovej rozpadovej rady.

      Izotop Radónu-220 (220Rn) som získal z tóriovej pančuchy do lucerny. Kde sa daný plyn nahromadil a za niekoľko minút som ho mohol strieknuť ihlou do priestoru hmlovej komory. Látka obsahuje oxid tória (ThO2), ktorý znáša veľmi vysoké teploty pre ochranu látky. Teplota tavenia oxidu tória je až 3300°C, jedna z najvyšších zo všetkých známych oxidov.





Mix rôznych častíc zobrazených súčasne na ploche



Video hmlovej komory + prirodzené pozadie

      Video bolo točené ešte v prvej neizolovanej verzii bez silikónu. Na záver videá je ukážka prirodzeného pozadia. Po prerábke sa pridal všade silikón dokola na polystyrén, aby sa nijako nedostala kvapalina a vlhkosť k peltierom. Plus pridanie silikónu medzi peltiere vedľa seba, aby teplovodivá pasta nepretiekla medzi nich a nevytvorila stĺpec zhora až dole.

      Naživo voľným okom je viditeľnosť stôp lepšia a krajšia, no točiť video takto malej 10x10cm aktívnej plochy z blízka osvetlenou jasným bielym LED pásom nie je  veľmi sranda.



Rádioaktívne predmety a uránové minerály v hmlovej komore


Uránové minerály: Uraninit + Autunit

      Uránové minerály, pre viac podrobnosti o samotných mineráloch pozri sem. Na niektorých fotkách vidieť aj rozpad radónu (3 fotky – tvar písmena V). Autunit je silnejšie aktívny fluorescenčný uránový minerál, ktorý svieti pod UV svetlom (395nm, 365nm...). Spodná rada fotiek patrí k druhému videu, sú to malé vzorky kamienkov s obsahom uraninitu z Česka.

      Podľa veľkosti minerálu, plochy povrchu a aktivity, vidieť prevládanie alfa alebo beta častíc. Čím je minerál väčší s väčšou plochou a aktívnejší, tým viac je alfa aktívny a tým viac alfa častice zahltia komoru hrubými stopami. Potom tenké čiarky beta častíc ostanú nezobrazené. Pre prevládanie zobrazenia beta častíc je nutná čím menšia vzorka minerálu. Takáto mini vzorka potom len občas „vypľuvne“ alfa častice a v celej komore bude prevládať viditeľnosť beta častíc (druhé video).

      Ideálne by bolo mať aktívnu plochu veľkosti akvária, potom by dráha alfa častíc (jadrá He) bola len pár cm a vo zvyšnej ploche by bolo krásne vidieť beta častice (elektróny).



Stroncium-90, Americium-241 a Uránové sklo

      Stroncium-90 (90Sr) je čisto beta žiarič, na videu a fotkách pekne vidieť spŕšku elektrónov zo žiariča. Americium-241 (241Am) je alfa žiarič z požiarneho hlásiča. Pekne vidieť vystreľujúce alfa častice o nízkej energií do malej vzdialenosti v porovnaní s Radónom-220. 241Am je zároveň aj slabým gama žiaričom o nízkej energií. Uránové sklo má alfa, beta aj gama rozpad. Viac podrobností o žiaričoch tu.

      Táto druhá séria fotiek 241Am vznikla až neskôr s pridaným vnútorným ohrevom. Všimnite si, ako sa zmenilo zobrazovanie častíc v komore a ako narástol počet zobrazených častíc. Zároveň okolo 241Am sa začalo objavovať akosi viac nízko energetických elektrónov. O ich pôvode viac ďalej sem.

 



Interakcia elektromagnetického žiarenia 
– RTG a gama v hmlovej komore

      Experiment s RTG z usmerňovacej elektrónky DY86. Pre tento experiment bude stačiť aj slabý zdroj RTG, ako obyčajná dióda zapojená naopak na VN zdroj zhruba do +30kV z násobiča. Narýchlo zapojené na stole, klasika tento VN zdroj, nato kaskáda z TV a rovno na diódu DY86 položenú na knihách vedľa skla hmlovej komory.

      Fotóny sú neutrálne častice (žiarenie) a teda nemôžu nijako ionizovať atómy plynu v priestore hmlovej komory. Môžu byť jedine detekovateľné nepriamo pomocou nabitých častíc, ktoré budú vytvárané v priestore a ich následnej interakcií s plynom v komore.

Elektromagnetické žiarenie môže interagovať v hmote podľa troch hlavných procesov:

  1. Fotoelektrický jav [ Wiki-SKWiki-CZWikiSkripta ] 
  2. Comptonov jav [ Wiki-SKWiki-CZWikiSkripta ]
  3. Tvorba elektrón-pozitrónových párov [ WikiSkripta ]

Pozn.: Bod č.3 v tomto prípade pri takto slabom RTG nebude reálny. Prebiehať budú prvé dva javy.

Úryvok z knihy Žiarenie a život (1959):

      Vzhľadom na obsiahlosť problematiky, ďalšie informácie len z priložených zdrojov. Ďalej už len fotky a video z daného experimentu. Na fotkách a videu môžete vidieť spŕšku elektrónov v hmlovej komore bombardovaním materiálu fotónmi z RTG zdroja z diódy DY86.

Varovanie, pri experimente sa pracuje s ionizujúcim RTG žiarením !




30.12.2020
      Americium-241
je okrem alfa žiariča (α rozpad: 5,486MeV) aj slabým zdrojom gama žiarenia (γ emisia: 59,5409keV). Rovnako, ako pri vyššie realizovanom experimente s RTG sa dá rovnakého javu dosiahnuť aj s 241Am, no v podstate menšom rozsahu a pozorovateľnosti. Všimol som si toho len úplnou náhodou, keď sa mi isopropylalkohol dostal vo väčšom množstve priamo na 241Am a tým zatienil alfa častice. Prenikalo už iba gama a bez prítomnosti alfa častíc, bolo možné pozorovať v oblasti vznikajúce nízkoenergetické elektróny vďaka prítomnosti gama žiarenia.

24.3.2021
      Zopakovanie rovnakého experimentu, teraz pokusne s 4x 241Am prelepených izolačnou páskou. Najefektnejšie je to aj tak pozrieť na videu, ako takto na fotke. Daný zostrih sa nachádza vo finálnom videu dole na konci článku.


Finálny video zostrih celého projektu hmlovej komory

      Zostrih finálnej difúznej hmlovej komory od samotnej konštrukcie, fotografie s popisom základných konštrukčných informácií až po ukážky a experimenty s komorou. Ukážky prirodzeného pozadia rádioaktívnych rozpadov, kozmické žiarenie, popis jednotlivých častíc v komore až po rôzne rádioaktívne predmety, minerály, plyn radón a na záver interakcia RTG a gama žiarenia v hmlovej komore.