Облачная камера Вильсона: как сделать своими руками

Облачная камера Вильсона: как сделать своими руками

Всегда невидимой остаётся фоновая радиация, неизменно присутствующая в атмосфере. Естественные источники излучения включают космические лучи, радиоактивный распад элементов горных пород или даже радиоактивный распад элементов живых организмов. Инструмент — облачная камера Вильсона это относительно несложное устройство, благодаря которому есть возможность наблюдать и фиксировать прохождение ионизирующего излучения. По сути, устройство допускает косвенное наблюдение за излучением радиации в границах окружающей среды. Своё название облачной камеры Вильсона конструкция получила в честь её изобретателя — шотландского физика Чарльза Томсона Риза Вильсона.

Принцип работы облачной камеры

Исследования начала 20 века, проведённые с участием облачной камеры Вильсона, завершились открытием элементарных частиц:

  • Позитрона
  • Нейтрона
  • Мюона
  • Каона (К-мезона)

Существуют различные виды облачных камер. Прибор диффузионного типа в домашних условиях изготовить проще, чем другие виды. Конструкция диффузионного типа содержит герметичный контейнер, верхняя область которого нагревается, а нижняя охлаждается.

Облачная камера Вильсона оргигинал
Прибор Вильсона в оригинальном конструктивном исполнении. Совсем несложная конструкция, но сколько чудных открытий свершилось благодаря этому аппарату

Облако внутри контейнера формируется из спиртового пара (метанола, изопропилового спирта и т.п.). Нагретая верхняя область камеры создаёт условия для испарения спирта.

Образовавшийся пар охлаждается, опускается вниз и конденсируется, оказавшись в холодной донной области контейнера.

Объем пространства между вершиной и дном контейнера заполнен облаком пересыщенного пара. Когда энергетическая заряженная частица (излучение) проходит сквозь пар, эта частица неизбежно оставляет ионизационный след.

Молекулы спирта и воды обладают свойствами полярных элементов, поэтому притягиваются к ионизованным частицам.

Когда в области пересыщенного пара молекулы спирта и воды сближаются с ионами, образуется капельный конденсат. Путь прохождения конденсата остаётся видимым до источника излучения.

Как сделать камеру Вильсона своими руками

Изготовление облачной самодельной камеры требует наличия следующих материалов и аксессуаров:

  1. Прозрачный стеклянный (пластиковый) контейнер с крышкой.
  2. Изопропиловый спирт (медицинский 99% спирт).
  3. Сухой лед и поддон для льда.
  4. Абсорбирующий материал.
  5. Плотная бумага чёрного цвета.
  6. Фонарь с высокой яркостью свечения.
  7. Грелка медицинская малоразмерная.

Удачным контейнером вполне может выступить обычная пустая стеклянная баночка. Изопропиловый спирт доступен из ассортимента большинства аптек в виде аналога — медицинского спирта.

Схема облачной камеры Вильсона
Схема прибора Вильсона: 1 — цилиндрический контейнер; 2 — водяной лоток; 3 — латунный плунжер; 4 — лабораторный зажим; 5 — от калибратора; 6 — от насоса; 7 — деревянный блок; 8 — подвижная база; 9 -источник питания; 10 — сферический вакуумный контейнер

Главное, чтобы медицинский спирт был не мене 99% плотности. Метанол также может применяться для домашнего проекта, но следует иметь в виду — это вещество имеет высокий уровень токсичности.

Абсорбирующий материал удачно заменяет губка или кусочек войлока. В качестве подсветки подойдёт светодиодный фонарик.

Не исключается даже использование функции фонаря смартфона. Кстати, телефонная камера пригодится для фотографирования следов присутствия радиации.

Устройство инструментария исследований дома

Начинают процесс сборки оборудования с куска губки, который закладывают в нижнюю часть банки. Рекомендуется аккуратно подогнать материал по размеру диаметра банки, чтобы губка упиралась в стенки и не выпадала, если банку перевернуть.

Гарантированное крепление губки или войлока обеспечит добавление небольшого количества пластилина или смолы на дно банки. Не следует использовать клейкую ленту или клей, потому как пары спирта легко растворяют подобные материалы.

Схема самодельной облачной камеры
Устройство самоделки: 1 — тёмное помещение; 2 — стеклянный контейнер; 3 — медицинская грелка; 4 — сухой лёд; 5 — луч света фонарика; 6 — поддон для сухого льда; 7 — губчатый материал; 8 — пары спирта

Следующим шагом нужно вырезать из плотной бумаги чёрного цвета круг, аналогичный форме круга внутренней области крышки, которой закрывается банка. Вырезанным бумажным кругом необходимо закрыть внутреннюю часть крышки.

Бумажная вставка нужна для того, чтобы исключить эффект отражения. К тому же бумага тоже в некоторой степени работает как абсорбер.

Для гарантированного крепления бумажную вставку тоже разумно прикрепить с помощью пластилина или смолы. Модернизированную таким образом крышку можно надевать на горловину банки.

Однако прежде следует залить в контейнер (банку) изопропиловый спирт. Заливка делается с учётом полной пропитки губки (или войлока), но без явного избытка жидкости.

Самый простой способ достичь точного уровня — заливать спирт до тех пор, пока жидкость полностью не закроет губчатый материал. Затем излишки слить.

Технологический процесс с камерой

Потребуется место, где есть условия создания полной темноты (например, просторный шкаф или ванная комната без окон). Нужно разложить сухой лёд в заранее подготовленный поддон.

Стеклянную банку (облачную самодельную камеру Вильсона) перевернуть горловиной вниз и поставить на лёд. Выдержать в таком положении примерно 10 минут.

Картины внутри облачной камеры
Вот такие завораживающие картины появляются внутри облачной камеры. Радиация не только способна убивать всё живое. Она способна ещё и классно рисовать

После десятиминутного охлаждения, взять медицинскую грелку, наполнить горячей водой и разместить на верхней части самодельной облачной камеры Вильсона (т.е. положить на дно банки).

Грелка активизирует процесс испарения спирта. В результате образуется облако насыщенного спиртом пара. Самое время полностью затемнить комнату (или шкаф) где проводятся исследования.

Останется включить фонарик и направить луч света сквозь стенки созданной облачной камеры. На фоне спиртового облака, внутри банки будут явно заметны следы ионизирующего излучения.

Их можно без труда сфотографировать. А если сделать ряд снимков, в последующем можно выполнить по ним соответствующий анализ уровня радиации.

О безопасности технологического процесса

Несмотря на тот факт, что изопропиловый спирт считается безопасным по сравнению с метанолом, это вещество вызывает токсикоз при внутреннем употреблении. Также спирт относится к веществам легко воспламеняющимся.

Об этих свойствах изопропилового спирта следует помнить. Выполняя исследования, рекомендуется держать вещество вдали от источников тепла или открытого пламени.

Сублимирующий сухой лёд
Сухой лёд в процессе сублимации — красочное явление. Однако если такой процесс проходит в герметичном контейнере, не исключается взрыв контейнера по причине образования высокого давления

Сухой лед тоже обладает опасными свойствами. Этот, в некотором роде хладагент, способен вызвать обморожение при непосредственном длительном контакте. Рекомендуется применять перчатки, работая с сухим льдом.

Кроме того, нельзя хранить сухой лед в герметичном контейнере. Процесс сублимации твёрдого сухого льда в газ сопровождается ростом давления. Если это происходит в закрытой герметичной ёмкости, вполне возможен разрыв сосуда.

Практические занятия с камерой Вильсона

Если есть радиоактивный источник, можно поместить его рядом с облачной камерой, чтобы увидеть эффект чёткого излучения.

Исследования радиации дома
Исследования уровня радиации в домашних условиях — процесс интересный и познавательный. Можно увидеть массу интересных явлений, которые невозможно увидеть обычным образом

Некоторые продукты и материалы из повседневного быта являются радиоактивными. Например:

  • бразильский орех,
  • бананы,
  • наполнитель для кошачьего туалета,
  • урановое стекло.

Облачная камера Вильсона, сделанная своими руками, позволяет исследовать методы защиты от радиации. Можно размещать всякие материалы между радиоактивным источником и облачной самодельной камерой, определяя тем самым их сопротивляемость излучению.

Можно, к примеру, исследовать эффект магнитного поля, создав таковое в границах расположения облачной камеры.

Положительно заряженные и отрицательно заряженные частицы образуют криволинейные следы в противоположных направлениях под действием поля.

Облачная и пузырьковая камеры

Пузырьковая камера — это фактически родственная конструкция из группы детекторов излучения. Действие прибора основано на тех же принципах, что использует облачная камера Вильсона.

Пузырьковая камера конструкция
Конструкция пузырьковой камеры: 1 — водяной буфер; 2 — фторуглерод C3F8; 3 — гидравлическая жидкость (пропиленгликоль); 4 — акустические сенсоры; 5 — сильфон; 6 — видеокамеры; 7 — сосуд под давлением

Разница заключается лишь в том, что для работы с пузырьковой камерой используется перегретая жидкость, а не пересыщенный пар. Прибор имеет цилиндр, который заполняется жидкостью, подогретой до температуры чуть выше ее точки кипения.

Наиболее распространенным веществом выступает жидкий водород. Обычно к пузырьковой камере прикладывается магнитное поле.

За счёт этого дополнения ионизирующее излучение перемещается по спиральному пути, в соответствии с его скоростью, отношением заряда и массы.

Пузырьковые камеры обычно больше по размерам, чем облачные. Этот вид приборов более сложный для изготовления, но открывает широкие возможности отслеживания более энергичных элементарных частиц.

Видео-дополнение к теме исследования элементарных частиц

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *