Nebelkammer - Cloud chamber

Eine Nebelkammer , auch bekannt als Wilson-Nebelkammer , ist ein Teilchendetektor, der zur Visualisierung des Durchgangs ionisierender Strahlung verwendet wird .

Spur eines subatomaren Teilchens, das sich durch die Nebelkammer nach oben bewegt und sich nach links biegt (ein Elektron wäre nach rechts gedreht)
Abb. 1: Nebelkammerfoto zum Nachweis der Existenz des Positrons . Beobachtet von C. Anderson.

Eine Nebelkammer besteht aus einer abgedichteten Umgebung, enthaltend eine übersättigten Dampf von Wasser oder Alkohol . Ein energetisch geladenes Teilchen (z. B. ein Alpha- oder Beta-Teilchen ) interagiert mit dem Gasgemisch, indem es bei Kollisionen über elektrostatische Kräfte Elektronen von Gasmolekülen abstößt, was zu einer Spur ionisierter Gasteilchen führt. Die entstehenden Ionen wirken als Kondensationszentren, um die sich eine nebelartige Spur kleiner Tröpfchen bildet, wenn sich das Gasgemisch an der Kondensationsstelle befindet. Diese Tröpfchen sind als "Wolken"-Spur sichtbar, die mehrere Sekunden andauert, während die Tröpfchen durch den Dampf fallen. Diese Spuren haben charakteristische Formen. Beispielsweise ist eine Alpha-Partikelspur dick und gerade, während eine Beta-Partikelspur dünn ist und mehr Anzeichen für Ablenkungen durch Kollisionen zeigt.

Wolkenkammern spielten von den 1920er bis in die 1950er Jahre bis zum Aufkommen der Blasenkammer eine herausragende Rolle in der experimentellen Teilchenphysik . Insbesondere die Entdeckungen des Positrons im Jahr 1932 (siehe Abb. 1) und des Myons im Jahr 1936, beide von Carl Anderson ( 1936 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet), nutzten Nebelkammern. Die Entdeckung des Kaons durch George Rochester und Clifford Charles Butler im Jahr 1947 erfolgte ebenfalls mit einer Nebelkammer als Detektor. In jedem Fall war die kosmische Strahlung die Quelle ionisierender Strahlung.

Erfindung

Abb. 2: Die ursprüngliche Nebelkammer von CTR Wilson im Cavendish Lab, Cambridge England.

Charles Thomson Rees Wilson (1869–1959), ein schottischer Physiker , wird die Erfindung der Nebelkammer zugeschrieben. Inspiriert von Sichtungen des Brocken-Gespensts bei Arbeiten auf dem Gipfel des Ben Nevis im Jahr 1894 begann er mit der Entwicklung von Expansionskammern zur Untersuchung von Wolkenbildung und optischen Phänomenen in feuchter Luft. Er entdeckte sehr schnell, dass Ionen in solchen Kammern als Zentren für die Bildung von Wassertröpfchen fungieren können. Er verfolgte die Anwendung dieser Entdeckung und perfektionierte 1911 die erste Nebelkammer. In Wilsons ursprünglicher Kammer (siehe Abb. 2) war die Luft im Inneren des versiegelten Geräts mit Wasserdampf gesättigt, dann wurde eine Membran verwendet, um die Luft in der Kammer zu expandieren ( adiabatische Expansion), Abkühlung der Luft und Beginn der Kondensation von Wasserdampf. Daher wird der Name Expansionsnebelkammer verwendet. Wenn ein ionisierendes Partikel die Kammer passiert, kondensiert Wasserdampf an den resultierenden Ionen und die Spur des Partikels ist in der Dampfwolke sichtbar. Wilson erhielt 1927 den halben Nobelpreis für Physik für seine Arbeiten an der Nebelkammer (im selben Jahr, in dem Arthur Compton die Hälfte des Preises für den Compton-Effekt erhielt ). Diese Art von Kammer wird auch als gepulste Kammer bezeichnet, da die Betriebsbedingungen nicht ständig aufrechterhalten werden. Weitere Entwicklungen wurden von Patrick Blackett gemacht, der eine steife Feder verwendet, um die Kammer sehr schnell zu expandieren und zu komprimieren, wodurch die Kammer mehrmals pro Sekunde empfindlich gegenüber Partikeln wird. Zur Aufnahme der Bilder wurde ein Kinofilm verwendet.

Die Diffusionsnebelkammer wurde 1936 von Alexander Langsdorf entwickelt . Diese Kammer unterscheidet sich von der Expansionsnebelkammer dadurch, dass sie kontinuierlich gegenüber Strahlung sensibilisiert ist und dass der Boden auf eine ziemlich niedrige Temperatur gekühlt werden muss, im Allgemeinen kälter als -26 ° C (-15 ° F). Anstelle von Wasserdampf wird wegen seines niedrigeren Gefrierpunktes Alkohol verwendet . Nebelkammern, die durch Trockeneis oder thermoelektrische Kühlung mit Peltier-Effekt gekühlt werden, sind übliche Demonstrations- und Bastlergeräte; der Alkohol in ihnen verwendet wird , ist allgemein Isopropylalkohol oder Brennspiritus .

Aufbau und Bedienung

Abb. 3: Eine Nebelkammer vom Diffusionstyp. Alkohol (typischerweise Isopropanol) wird durch eine Heizung in einem Kanal im oberen Teil der Kammer verdampft. Kühldampf sinkt zur schwarzen Kühlplatte, wo er kondensiert. Aufgrund des Temperaturgradienten bildet sich über der Bodenplatte eine Schicht aus übersättigtem Dampf. In dieser Region induzieren Strahlungspartikel Kondensation und erzeugen Wolkenspuren.
Abb. 4: Wie Kondensstreifen in einer Diffusionsnebelkammer entstehen.
Abb. 5: In einer Diffusionsnebelkammer erfährt eine 5,3 MeV-Alpha-Teilchen-Spur von einer Pb-210-Pin-Quelle in der Nähe von Punkt (1) Rutherford-Streuung in der Nähe von Punkt (2), die um einen Winkel Theta von etwa 30 Grad abgelenkt wird. In der Nähe von Punkt (3) zerstreut es sich erneut und kommt schließlich im Gas zur Ruhe. Der Zielkern im Kammergas könnte ein Stickstoff-, Sauerstoff-, Kohlenstoff- oder Wasserstoffkern gewesen sein. Es erhielt bei der elastischen Kollision genügend kinetische Energie, um eine kurze sichtbare Rückstoßspur in der Nähe von Punkt (2) zu verursachen. (Die Skala ist in Zentimetern.)

Nebelkammern vom Diffusionstyp werden hier diskutiert. Eine einfache Nebelkammer besteht aus der abgedichteten Umgebung, einer warmen oberen Platte und einer kalten unteren Platte (siehe Abb. 3). Es erfordert eine Quelle von flüssigem Alkohol an der warmen Seite der Kammer, wo die Flüssigkeit verdampft und einen Dampf bildet, der beim Fallen durch das Gas abkühlt und auf der kalten Bodenplatte kondensiert. Eine Art ionisierender Strahlung wird benötigt.

Isopropanol , Methanol oder andere Alkoholdämpfe sättigen die Kammer. Beim Abkühlen fällt der Alkohol ab und der kalte Kondensator sorgt für einen steilen Temperaturgradienten. Das Ergebnis ist eine übersättigte Umgebung. Wenn energiereiche geladene Teilchen das Gas passieren, hinterlassen sie Ionisationsspuren. Der Alkoholdampf kondensiert um gasförmige Ionenspuren, die von den ionisierenden Partikeln hinterlassen werden. Dies geschieht, weil Alkohol- und Wassermoleküle polar sind, was zu einer Nettoanziehungskraft in Richtung einer nahegelegenen freien Ladung führt (siehe Abb. 4). Das Ergebnis ist eine neblige, wolkenartige Formation, die durch das Vorhandensein von Tropfen sichtbar wird, die auf den Kondensator fallen. Wenn die Spuren von einer Quelle ausgesendet werden, kann ihr Ursprungspunkt leicht bestimmt werden. Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Alphateilchens aus einer Pb-210-Pin-Typ-Quelle, die Rutherford-Streuung durchmacht .

Direkt über der kalten Kondensatorplatte befindet sich ein für Ionisationsspuren empfindliches Volumen der Kammer. Die von den radioaktiven Partikeln hinterlassene Ionenspur bietet einen optimalen Auslöser für Kondensation und Wolkenbildung. Dieses empfindliche Volumen wird in der Höhe erhöht, indem ein steiler Temperaturgradient und stabile Bedingungen verwendet werden. Ein starkes elektrisches Feld wird häufig verwendet, um Wolkenspuren bis in den empfindlichen Bereich der Kammer zu ziehen und die Empfindlichkeit der Kammer zu erhöhen. Das elektrische Feld kann auch dazu dienen, zu verhindern, dass große Mengen von Hintergrund-"Regen" den empfindlichen Bereich der Kammer verdecken, verursacht durch Kondensation, die sich über dem empfindlichen Volumen der Kammer bildet, wodurch Spuren durch ständigen Niederschlag verdeckt werden. Ein schwarzer Hintergrund erleichtert die Beobachtung von Wolkenspuren, und typischerweise wird eine tangentiale Lichtquelle benötigt, um die weißen Tröpfchen vor dem schwarzen Hintergrund zu beleuchten. Oft sind die Spuren erst sichtbar, wenn sich an der Kondensatorplatte eine flache Alkohollache gebildet hat.

Wenn ein Magnetfeld über die Nebelkammer angelegt wird, krümmen sich positiv und negativ geladene Teilchen gemäß dem Lorentzkraftgesetz in entgegengesetzte Richtungen ; ausreichend starke Felder sind jedoch mit kleinen Bastler-Setups schwer zu erreichen.

Andere Teilchendetektoren

Die Blasenkammer wurde 1952 von Donald A. Glaser aus den USA erfunden und erhielt dafür 1960 den Nobelpreis für Physik. Die Blasenkammer zeigt ebenfalls die Spuren subatomarer Teilchen, jedoch als Blasenspuren in a überhitzte Flüssigkeit, meist flüssiger Wasserstoff . Blasenkammern können physikalisch größer gemacht werden als Nebelkammern, und da sie mit viel dichterem flüssigem Material gefüllt sind, zeigen sie die Spuren viel energiereicherer Teilchen. Diese Faktoren machten die Blasenkammer für einige Jahrzehnte schnell zum vorherrschenden Teilchendetektor, so dass Nebelkammern Anfang der 1960er Jahre in der Grundlagenforschung faktisch abgelöst wurden.

Eine Funkenkammer ist ein elektrisches Gerät, das ein Gitter aus nicht isolierten elektrischen Drähten in einer Kammer verwendet, wobei zwischen den Drähten Hochspannungen angelegt werden. Energiegeladene Teilchen verursachen eine Ionisierung des Gases entlang der Bahn des Teilchens auf die gleiche Weise wie in der Wilson-Nebelkammer, aber in diesem Fall sind die elektrischen Umgebungsfelder hoch genug, um einen vollständigen Gasdurchschlag in Form von Funken an der Position der anfänglichen Ionisation. Das Vorhandensein und der Ort dieser Funken wird dann elektrisch registriert, und die Informationen werden für eine spätere Analyse, beispielsweise durch einen digitalen Computer, gespeichert .

Ähnliche Kondensationseffekte können als Wilson-Wolken , auch Kondensationswolken genannt, bei großen Explosionen in feuchter Luft und anderen Prandtl-Glauert-Singularitätseffekten beobachtet werden.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Galerie

Externe Links