Mlžná komora s termoelektrickým chlazením

Gymnázium Brno, tˇr´ıda Kapitána Jaroˇse 14

Mlˇ zn´ a komora s termoelektrick´ ym chlazen´ım The Cloud Chamber with Thermoelectric Cooling

Stˇredoˇskolsk´ a odborn´ aˇ cinnost Obor ˇ c. 2: Fyzika

Vedouc´ı práce:

Autor:

Mgr. Tomáˇs Neˇcas, Ph.D.

Anton´ın Bad’ura

Brno 2016 Jihomoravský kraj

Je mou povinnost´ı zde podˇekovat vedouc´ımu pr´ ace Mgr. Tomáˇsi Neˇcasovi, Ph.D., za v´ yznamnou pomoc pˇri tvorbˇe mé práce po stránce teoretické, praktické i formáln´ı. Tato práce byla vytvoˇrena za finanˇcn´ı podpory Jihomoravského kraje.

Prohlaˇsuji, ˇze svou práci na téma Mlˇzná komora s termoelektrick´ ym chlazen´ım jsem vypracoval samostatnˇe pod veden´ım Mgr. Tomáˇse Neˇcase, Ph.D. a s pouˇzit´ım odborné literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, které jsou vˇsechny citovány v pr´ aci a uvedeny v seznamu literatury na konci pr´ ace. D´ ale prohlaˇsuji, ˇze tiˇstˇen´ a i elektronická verze pr´ ace jsou shodné a nemám závaˇzn´ y d˚ uvod proti zpˇr´ıstupˇ nován´ı této práce v souladu se zákonem ˇc. 121/2000 Sb., o právu autorském, o pr´ avech souvisej´ıc´ıch s právem autorsk´ ym a zmˇenˇe nˇekter´ ych z´ akon˚ u v platném zmˇen´ı.

V Brnˇe dne 11. u ńora 2016

....................................................

Znˇen´ı pr´ ace bylo dodateˇcnˇe upraveno 12. kvˇetna 2016.

Abstract ˇ BADURA, Anton´ın. The Cloud Chamber with Thermoelectric Cooling. Brno, 2016. Grammar school Brno, tˇr´ıda Kapit´ ana Jaroˇse. The main purpose of this thesis was to design and create a functional prototype of a diffusion cloud chamber, which could be applied in education. There were used thermoelectric elements cooled by water to reach needful environment for observation of track of ionizing radiation. Furthermore particles and radiation observed in the chamber were described, including characterization of their tracks. Result of the work is a easily operated cloud chamber, well usable in education. Attention has been also paid to observation and experiments with various emitters of ionizing radiation. The sequence of photographs so formed is attached. The work will continue through new experiments with different emitters in diverse conditions. Keywords Cloud chamber, particle detector, diffusion, thermoelectric element, ionizing radiation, supersaturated vapour.

Abstrakt ˇ BADURA, Anton´ın. Mlˇzná komora s termoelektrick´ ym chlazen´ım. Brno, 2016. Stˇredoˇskolská odborn´ a ˇcinnost. Gymn´ azium Brno, tˇr´ıda Kapitána Jaroˇse. Hlavn´ım u ´ˇcelem této práce bylo navrhnout a zkonstruovat funkˇcn´ı prototyp dif´ uzn´ı mlˇzné komory uplatniteln´ y ve ˇskolstv´ı. K vytvoˇren´ı potˇrebného prostˇred´ı pro detekci ionizuj´ıc´ıch ˇca´stic bylo vyuˇzito termoelektrick´ ych ˇclánk˚ u chlazen´ ych vodou. D´ ale byly pops´ any ˇcástice a záˇren´ı v komoˇre pozorovatelné, vˇcetnˇe charakteristik stop, které zanechávaj´ı. V´ ysledkem práce je snadno ovladatelná mlˇzná komora dobˇre upotˇrebitelná ve vyuˇcován´ı. Pozornost byla vˇenována také pozorován´ı a experiment˚ um s r˚ uzn´ ymi záˇriˇci ionizuj´ıc´ıho záˇren´ı, z ˇcehoˇz vzniklá série fotografi´ı je pˇriloˇzena. Práce by mˇela pokraˇcovat rozvojem pozorov´ an´ı a experiment˚ u s nov´ ymi záˇriˇci v r˚ uzn´ ych podm´ınkách. Kl´ıˇ cov´ a slova Mlˇzn´ a komora, ˇca´sticov´ y detektor, dif´ uze, termoelektrick´ y ˇclánek, ionizuj´ıc´ı záˇren´ı, pˇresycené p´ ary.

5

OBSAH

Obsah ´ 1 Uvod a c´ıl pr´ ace ´ 1.1 Uvod do problematiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2

C´ıl a motivace pr´ ace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 Teoretick´ aˇ c´ ast

6 6 6 7

2.1

V´ yzkum s pomoc´ı mlˇzné komory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.2

Princip ˇcinnosti mlˇzné komory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3

Dalˇs´ı detektory ˇc´ astic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.4

Srovn´ an´ı mlˇzné komory s jin´ ymi detekˇcn´ımi metodami . . . . . . . . . . . . 11

2.5

Pozorovatelné ˇc´ astice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Praktick´ aˇ c´ ast

16

3.1

Konstrukce komory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2

Chladic´ı okruh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3

Osvˇetlen´ı komory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.4

Systém odpaˇrov´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.5

Ovl´ ad´ an´ı komory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.6

Experimenty a pozorov´ an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4 V´ ysledky

31

5 Z´ avˇ er a diskuse

33

Literatura

34

Seznam obr´ azk˚ u

37

A Fotografie zaˇ r´ızen´ı

38

1

´ ´ UVOD A CÍL PRACE

1 1.1

6

´ Uvod a c´ıl pr´ ace ´ Uvod do problematiky

Mlˇzná komora je detektor ionizuj´ıc´ıho záˇren´ı, jenˇz nejvˇetˇs´ı rozvoj zaznamenal v prvn´ı polovinˇe minulého stolet´ı. Jeho v´ yznamnou roli ve v´ yzkumu elementárn´ıch i sloˇzen´ ych ˇca´stic podtrhuje objev pozitronu a mionu, kter´ y byl d´ıky mlˇzné komoˇre v letech tˇric´ at´ ych proveden. Jedná se o tzv. dráhov´ y detektor, tedy zaˇr´ızen´ı, které zaznamenáv´ a pr˚ uchod ˇca´stic zobrazen´ım jejich viditelné trajektorie. K dosaˇzen´ı tohoto jevu jsou vyuˇz´ıvány páry napˇr. alkohol˚ u, které pˇri pr˚ uletu ˇca´stice kapaln´ı. Aby mohly zm´ınˇené páry kondenzovat, je nutno dosáhnout v komoˇre neobvykle n´ızk´ ych teplot (pˇribliˇznˇe −30 ◦ C), coˇz bylo hlavn´ım problémem, se kter´ ym jsem se v práci pot´ ykal.

1.2

C´ıl a motivace pr´ ace

Jak jiˇz bylo naznaˇceno v pˇredchoz´ıch ˇr´ adc´ıch, hlavn´ım c´ılem této práce bylo navrhnout a zkonstruovat funkˇcn´ı prototyp dif´ uzn´ı mlˇzné komory, ve kterém by k dosaˇzen´ı potˇrebn´ ych n´ızk´ ych teplot vyuˇz´ıvalo termoelektrick´ ych ˇclánk˚ u. Motivac´ı pro vytvoˇren´ı takovéhoto zaˇr´ızen´ı byly experimenty s mlˇznou komorou, jeˇz je souˇcást´ı invent´ aˇre moj´ı ˇskoly. Jedn´ a se o nˇekolik des´ıtek let staré zaˇr´ızen´ı, které je chlazeno pomoc´ı suchého ledu, pˇriˇcemˇz v´ ysledky pozorován´ı a experiment˚ u s n´ım provádˇené nebyly ani v nejmenˇs´ı m´ıˇre uspokojivé: stopy ˇca´stic v nˇem nebyly v˚ ubec nebo pouze velmi málo patrné a cel´ y proces byl pomˇernˇe ˇcasovˇe nároˇcn´ y. Za nejvˇetˇs´ı nev´ yhodu tohoto zaˇr´ızen´ı vˇsak povaˇzuji jiˇz zm´ınˇené chlazen´ı pomoc´ı suchého ledu, kter´ y nen´ı dobˇre dostupn´ y ani dlouhodobˇe skladovateln´ y. Uvedené nedostatky vytyˇcily vlastnosti, kter´ ych by moje zaˇr´ızen´ı mˇelo dosahovat. Pˇredevˇs´ım se jedn´ a o bez´ udrˇzbov´ y provoz bez nutnosti pˇredchoz´ı pˇr´ıpravy, snadnou a uˇzivatelsky pˇr´ıvˇetivou obsluhu, relativnˇe kompaktn´ı rozmˇery s n´ızkou hmotnost´ı a dosaˇzitelnou cenu. Jednoduˇse tedy o zaˇr´ızen´ı, které by staˇcilo zapojit do elektrické s´ıtˇe a bylo moˇzné s n´ım ihned pracovat. Tyto vlastnosti rovnˇeˇz souvis´ı s vyuˇzit´ım zaˇr´ızen´ı v didaktice, pro které jej koncipuji. Abych mohl splnit stanoven´ y c´ıl, byl jsem donucen nalézt vhodnou metodu, kterak dosáhnout dostateˇcnˇe n´ızké teploty za splnˇen´ı v´ yˇse uveden´ ych podm´ınek – ˇreˇs´ım pro m˚ uj zámˇer bylo pouˇzit´ı Peltierov´ ych termoelektrick´ ych ˇclánk˚ u. Kromˇe samotné konstrukce komory, bylo m´ ym zámˇerem navrhnout a provést experimenty s komorou realizovatelné, vˇcetnˇe urˇcen´ı typ˚ u ˇca´stic, které lze pozorovat, a popsán´ı stop, jeˇz zanech´ avaj´ı.

2

´ C ˇ AST ´ TEORETICKA

2

7

Teoretick´ aˇ c´ ast

C´ılem experiment˚ u s ˇcásticov´ ymi detektory je co nejpˇresnˇejˇs´ı charakteristika pozorované ˇca´stice – jedná se pˇredevˇs´ım o urˇcen´ı jej´ı energie, hybnosti a dráhy. D´ıky tˇemto u ´daj˚ um lze dále pˇredpovˇedˇet jej´ı chován´ı v experimentu ˇci v˚ ubec stanovit, o jak´ y druh ˇca´stice se jedná. Jednotlivé typy ˇc´ astic jsou ovlivˇ novány r˚ uzn´ ymi ze základn´ıch ˇctyˇr interakc´ı – gravitac´ı, elektromagnetickou, silnou jadernou a slabou silou – coˇz pˇredstavuje u ´ˇcinn´ y prostˇredek pro identifikaci (pomineme-li gravitaˇcn´ı interakci, která je v porovnán´ı s ostatn´ımi velice slabá). Nabité ˇca´stice, které jsou pozorovány nejˇcastˇeji, interaguj´ı s elektromagnetickou silou – lze tak pˇr´ımo pozorovat chov´ an´ı ˇca´stice v magnetickém poli (napˇr´ıklad ohyb dr´ ahy ˇca´stice Lorentzovou silou). D´ ale m˚ uˇze elektrické pole nabité ˇca´stice excitovat ˇci ionizovat své okol´ı (to vˇsak mohou i neur´ aln´ı ˇc´ astice – napˇr. neutron) – následn´ a deexcitace pak poskytuje informaci o energii prolétaj´ıc´ı ˇca´stice. Sp´ıˇse okrajovou metodou je potom detekce rychl´ ych ˇ ˇca´stic pomoc´ı Cerenkovova záˇren´ı (záˇren´ı, které vydávaj´ı ˇca´stice pohybuj´ıc´ı se rychleji neˇz ˇ svˇetlo v daném prostˇred´ı) v tzv. Cerenkovov´ ych ˇc´ıtaˇc´ıch. Neutráln´ı ˇcástice je obt´ıˇznˇejˇs´ı detekovat neˇzli ˇcástice nabité – identifikuj´ı se prostˇrednictv´ım sekund´ arn´ıch produkt˚ u, které vznikaj´ı pˇri jejich interakci s okol´ım.

2.1

V´ yzkum s pomoc´ı mlˇ zn´ e komory

Kdyˇz v roce 1895 objevil W. C. Röntgen rentgenové z´ aˇren´ı, zaˇcal se záˇren´ım X experimentovat i britsk´ y pˇr´ırodovˇedec Charles T. R. Wilson. Ten jiˇz dˇr´ıve zkoumal kondenzaci pˇresycené p´ ary a v roce 1896 zjistil, ˇze rentgenové záˇren´ı dok´ aˇze vytváˇret kondenzaˇcn´ı jádra. Svoji aparaturu v následuj´ıc´ıch letech zdokonaloval a v roce 1911 pˇredstavil prvn´ı expanzn´ı mlˇznou komoru vybavenou obloukovou lampou a fotoaparátem. ˇ astice let´ıc´ı v magnetickém poli zakˇrivuje d´ıky Lorentzovˇe s´ıle svoji dráhu – ze C´ zakˇriven´ı pak lze urˇcit znaménko náboje a hybnost ˇcástice. Tento jev lze pozorovat i v mlˇzné komoˇre a pr´ avˇe um´ıstˇen´ım mlˇzné komory do elektromagnetického pole se podaˇrilo v roce 1932 objevit americkému fyzikovi Carlu D. Andersonovi pozitron a o ˇctyˇri léta pozdˇeji také mion. Mlˇznou komoru pak roku 1936 zdokonalil americk´ y fyzik Alexander Langsdorf, kdyˇz postavil prvn´ı dif´ uzn´ı mlˇznou komoru [5].

2.2

Princip ˇ cinnosti mlˇ zn´ e komory

Nejpodstatnˇejˇs´ım prvkem chodu mlˇzné komory je kondenzace p´ ary ve stopˇe ˇcástice. Pro vznik takovéto situace je nutno splnit nˇekolik pˇredpoklad˚ u. Cel´ y dˇej se odehráv´ a v prostˇred´ı bohatém na tzv. pˇresycené páry, to jsou takové páry, jejichˇz teplota je niˇzˇs´ı neˇz teplota rosného bodu, ale zároveˇ n nedoˇslo k jejich kondenzaci. Toto je zp˚ usobeno absenc´ı kondenzaˇcn´ıch jader (objekt˚ u, na nichˇz pára zkapalˇ nuje; mohou jimi b´ yt napˇr. moˇrsk´ a s˚ ul ˇci prach), v této situaci kondenzuj´ı p´ ary aˇz pˇri zv´ yˇseném tlaku. Pˇri pr˚ uchodu ˇcástice

2.2

Princip ˇcinnosti mlˇzné komory

8

takov´ ymto prostˇred´ım doch´ az´ı v bl´ızkosti trajektorie ˇcástice k vytvoˇren´ı iont˚ u okoln´ıho plynu, ty pak mohou slouˇzit jako kondenzaˇcn´ı j´ adra a doch´ az´ı tedy ke zkapalˇ nov´ an´ı. Pˇri vhodném osvˇetlen´ı lze pozorovat zkondenzované kapiˇcky kapaliny, které vyznaˇcuj´ı dráhu ˇca´stice. Podle zp˚ usobu dosaˇzen´ı pˇresycenosti par se mlˇzné komory dˇel´ı na komory expanzn´ı a dif´ uzn´ı [14]. Expanzn´ı mlˇ zn´ a komora Pro dosaˇzen´ı pˇresycen´ ych par se zde pouˇz´ıvá adiabatická expanze – tedy zvˇetˇsen´ı objemu uzavˇreného plynu ve velmi krátkém ˇcase a následné prudké sn´ıˇzen´ı tlaku a tedy i pokles teploty (ze stavové rovnice: pV = nRT ). Pro vysvˇetlen´ı celého dˇeje pouˇziji obr. 2.1: ventilem (1) dojde ke spojen´ı komory a vzduchoprázdné n´ adoby (2), p´ıst v komoˇre (3) rychle zvˇetˇs´ı objem plynu (4) a je tak dosaˇzena adiabatická expanze. Nev´ yhodou tohoto typu mlˇzné komory je velice krátká doba jednoho cyklu, ve kterém je moˇzno ˇca´stici detekovat: pohybuje se od 0,05 do 2 sekund. Proto jsou také expanzn´ı mlˇzné komory vˇetˇsinou sp´ın´ any ˇcasovaˇcem nebo dalˇs´ımi detektory [14].

Obr´ azek 2.1: Popis expanzn´ı mlˇzné komory

Dif´ uzn´ı mlˇ zn´ a komora Jednoduˇsˇs´ım a novˇejˇs´ım typem mlˇzné komory je dif´ uzn´ı mlˇzná komora, jej´ıˇz konstrukce je pˇredmˇetem mého zájmu v praktické ˇcásti. Jej´ı schematick´ y popis je zobrazen obr. 2.2. Tento detektor pracuje kontinuálnˇe – pozorován´ı lze provádˇet v delˇs´ım ˇcasovém u ´seku. V horn´ı ˇca´sti komory docház´ı k odpaˇrován´ı vhodného plniva (jsou

2.3

9

Dalˇs´ı detektory ˇc´ astic

pouˇz´ıvány alkoholy pro jejich n´ızkou teplotu tán´ı)(1), spodn´ı strana komory je ochlazována (teplota dna z´ avis´ı na teplotˇe a typu plniva)(2). D´ıky velkému teplotn´ımu gradientu docház´ı k dif´ uzi par a v jisté vzdálenosti mezi chlazen´ ym dnem a zahˇr´ıvan´ ym v´ıkem vznikaj´ı pˇresycené p´ ary (3), tedy situace vhodná pro detekci ˇcástic, jak bylo popsáno dˇr´ıve.

Obr´ azek 2.2: Popis dif´ uzn´ı mlˇzné komory

2.3

Dalˇs´ı detektory ˇ c´ astic

Jadern´ e emulze

Na poˇcátku v´ yzkumu radioaktivity a vysokoenergetického záˇren´ı stály

svˇetlocitlivé fotografické emulze, s jejichˇz pomoc´ı Henri Becquerel objevil v roce 1896 radioaktivitu. Sloˇzen´ı jaderné emulze je podobné tomu, které se pouˇz´ıvá ve fotografii: nejv´ yznamnˇejˇs´ım ˇcinitelem jsou stˇr´ıbrné soli (nejˇcastˇeji jodid stˇr´ıbrn´ y a bromid stˇr´ıbrn´ y). Pˇri pr˚ uletu ˇcástice dojde k vytvoˇren´ı dislokace v krystalické mˇr´ıˇzce soli a vzniknuvˇs´ı latentn´ı obraz je chemicky zes´ılen. Emulze poskytuje velice dobrou prostorovou rozliˇsovac´ı schopnost (desetiny mikrometru), avˇsak dalˇs´ı u ´daje lze urˇcit pouze nepˇr´ımo [13]. Bublinkov´ a komora

Pˇr´ım´ ym n´ astupcem mlˇzn´ ych komor byly bublinkové komory. V tˇechto

se ionizuj´ıc´ı ˇca´stice pohybuje pˇrehˇra´tou kapalinou (nejˇcastˇeji kapaln´ ym vod´ıkem), pˇriˇcemˇz ztrátou energie zp˚ usobuje na své trajektorii lokáln´ı var kapaliny – zaˇcnou se tvoˇrit bubliny plynu [4]. Takto zobrazená dráha ˇca´stic se fotografuje a dále analyzuje. Um´ıstˇen´ım komory do magnetického pole lze ze zakˇriven´ı dráhy urˇcit znaménko náboje a hybnost ˇcástice .

2.3

10

Dalˇs´ı detektory ˇc´ astic

Jiskrov´ a komora

Posledn´ı ze zobrazovac´ıch komor je jiskrová komora. Zaˇr´ızen´ı je tvoˇreno

paraleln´ımi elektrodami um´ıstˇen´ ymi inertn´ım plynu, na nˇeˇz je pˇrivedeno vysoké napˇet´ı o hodnotˇe niˇzˇs´ı, neˇzli je napˇet´ı pr˚ urazné. Prolétaj´ıc´ı nabit´ a ˇca´stice ionizuje sv´ ym elektrick´ ym polem okoln´ı plyn, dojde k pˇrekonán´ı pr˚ urazného napˇet´ı a vzniklé jiskrové v´ yboje vytváˇrej´ı obraz trajektorie ˇca´stice [4]. Citliv´ a doba komory je ˇra´dovˇe 1 µs, pˇriˇcemˇz pouˇzit´ım vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı elektrod lze dos´ ahnout dobrého prostorového rozliˇsen´ı. Plynov´ e ionizaˇ cn´ı detektory

ˇ Casto vyuˇz´ıvan´ ymi detektory (napˇr. v dozimetrii) jsou

plynové detektory. Jsou tvoˇreny elektrodami ve vhodném plynu s pˇriveden´ ym napˇet´ım o opaˇcné polaritˇe. Pˇri pr˚ uletu ˇca´stice detektorem docház´ı k ionizaci okoln´ıho plynu, vzniklé ionty jsou pˇritahov´ any elektrodami a následn´ y elektrick´ y signál lze mˇeˇrit a analyzovat. Hodnota pˇrivedeného napˇet´ı v´ yraznˇe ovlivˇ nuje poˇcet detekovan´ ych iont˚ u (pˇri niˇzˇs´ım napˇet´ı docház´ı k jejich rekombinaci pˇredt´ım, neˇz dosáhnou elektrod) – rozliˇsuj´ı se tak tˇri typy detektor˚ u: ionizaˇcn´ı komora, proporcionáln´ı a Geiger-M¨ uller˚ uv poˇc´ıtaˇc [12]. Ionizaˇcn´ı komory detekuj´ı pouze primárn´ı ionty vzniklé pr˚ uletem ˇcástice – v´ ysledn´ y proud je tak velmi mal´ y. Pˇri pˇriveden´ı vyˇsˇs´ıho napˇet´ı jsou prim´ arn´ı ionty urychleny do té m´ıry, ˇze samy ionizuj´ı okoln´ı ˇca´stice, a docház´ı tak k podstatnému zv´ yˇsen´ı signálu – takto pracuj´ı proporˇcn´ı komory. V Geiger-M¨ ullerovˇe poˇc´ıtaˇci dojde pouˇzit´ım jeˇstˇe vyˇsˇs´ıho napˇet´ı k ionizaci v celém objemu detektoru, vznik´ a trval´ y v´ yboj, kter´ y se zháˇs´ı pouˇzit´ım vhodné plynové smˇesi. Polovodiˇ cov´ e detektory Pˇri pr˚ uletu ˇcástice krystalickou látkou (polovodiˇcem) vznik´ a pár elektron-d´ıra, kter´ y je pˇri pˇriveden´ı elektrického napˇet´ı detekovateln´ y. Pˇri pouˇzit´ı jednoprvkového substrátu vˇsak docház´ı ke ztr´ atˇe signálu v ˇsumu vzniklém teplotou a procházej´ıc´ım proudem, tento problém m˚ uˇze b´ yt odstranˇen sn´ıˇzen´ım teploty, zv´ yˇsen´ım ˇcistoty materiálu ˇci pouˇzit´ım pˇrechodu PN, kter´ yˇzto zp˚ usob je nejobvyklejˇs´ı. Pˇri pr˚ uchodu ˇca´stice pˇrechodem vzniká velké mnoˇzstv´ı dˇer a elektron˚ u (energie potˇrebná pro vytvoˇren´ı jednoho páru jsou jen 3 eV) a doch´ az´ı tak ke vzniku analyzovatelného elektrického napˇet´ı [14] . Pro rozˇs´ıˇren´ı citlivé oblasti – hradlové vrstvy – je detektor (tedy polovodiˇcová dioda) zapojen v závˇerném smˇeru. Polovodiˇcové detektory dosahuj´ı velmi dobrého ˇcasového a energetického rozliˇsen´ı. Scintilaˇ cn´ı detektory

Pr˚ uletem ˇc´ astice nˇekter´ ymi l´ atkami (tzv. scintil´ atory) m˚ uˇze doj´ıt

k excitaci okoln´ıch atom˚ u do vyˇsˇs´ı energetické hladiny a pˇri jejich následné deexcitaci se z´ıskaná uvoln´ı ve formˇe viditelného svˇetla nebo UV záˇren´ı. Tohoto jevy vyuˇz´ıvaj´ı scintilaˇcn´ı detektory: svˇeteln´ y signál ze scintilátoru (anorganické ˇci organické krystaly, vz´ acné plyny) zachycuj´ı ve foton´ asobiˇci (zaˇr´ızen´ı, které pˇremˇen´ı svˇeteln´ y impuls na zes´ılen´ y elektrick´ y sign´ al) a v´ ysledn´ y impuls je d´ ale analyzován. Zes´ılen´ı impulsu trv´ a ve foton´ asobiˇci ˇra´dovˇe 10−9 s, coˇz umoˇzn ˇuje pˇresné mˇeˇren´ı doby pr˚ uchodu scintilátorem.

2.4

Srovn´ an´ı mlˇzné komory s jinými detekˇcn´ımi metodami

11

Obr´ azek 2.3: Schematická podoba sloˇzeného detektoru (zde ATLAS) Sloˇ zen´ e detektory

Nˇekteré z v´ yˇse uveden´ ych detektor˚ u b´ yvaj´ı souˇc´ ast´ı vˇetˇs´ıch a

obs´ ahlejˇs´ıch detektor˚ u v urychlovaˇc´ıch ˇcástic, které analyzuj´ı dˇeje v urychlovaˇci v m´ıstˇe sr´ aˇzky (1) – viz obr. 2.3. Jednou z nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch subdetektor˚ u ve vˇetˇsinˇe urychlovaˇc˚ u je kalorimetr, tedy pˇr´ıstroj, kter´ y mˇeˇr´ı energii ˇcástic jejich podstatn´ ym zpomalen´ım nebo u ´ pln´ ym zastaven´ım. Vˇetˇsinou se pouˇz´ıvaj´ı tzv. vzorkovac´ı kalorimetry skládaj´ıc´ı se ze substr´ atu, kter´ y ˇc´ astici zpomal´ı, a detektoru (napˇr. scintilátor ˇci ionizaˇcn´ı komora), jenˇz zmˇeˇr´ı zbylou energii. Kromˇe kalorimetr˚ u (elektromagnetick´ ych (3) i hadronov´ ych (4)) se sloˇzené detektory skládaj´ı z dráhov´ ych detektor˚ u (5), mˇeˇr´ıc´ıch pˇresné trajektorie ˇcástic, mionov´ ych detektor˚ u (2) ˇci jin´ ych mˇeˇr´ıc´ıch zaˇr´ızen´ı, dle povahy experimentu [12] . V takov´ ychto detektorech se daˇr´ı zachytit vˇetˇsinu déle ˇzij´ıc´ıch ˇca´stic, avˇsak napˇr´ıklad miony se daˇr´ı pouze zpomalit a neutrina procházej´ı v drtivé vˇetˇsinˇe nepozorována.

2.4

Srovn´ an´ı mlˇ zn´ e komory s jin´ ymi detekˇ cn´ımi metodami

Detektory, kter´ ym jsem se vˇenoval v této kapitole se odliˇsuj´ı sv´ ym urˇcen´ım, pˇresnost´ı i jejich vyuˇzit´ım v souˇcasné dobˇe. Nejdéle pouˇz´ıvané detektory – jaderné emulze – jsou napˇr´ıklad i dnes uplatnˇeny v experimentu OPERA (detekce mionov´ ych neutrin), ale jiˇz vyuˇzit´ı mlˇzn´ ych komor je v dneˇsn´ı dobˇe minim´ aln´ı, stejnˇe jako i provoz jiskrov´ ych komor, které byly nahrazeny modern´ımi plynov´ ymi detektory. Pˇrestoˇze k vrcholnému vyuˇzit´ı bublinkov´ ych komor doˇslo v 70. letech minulého stolet´ı, i dnes je lze nalézt v ˇcásticov´ ych experimentech. Pˇres uvedené v´ yjimky byly tyto detektory v drtivé vˇetˇsinˇe nahrazeny modern´ımi pˇr´ıstroji, které mohou pracovat kontinuálnˇe a po dlouhou dobu (je tak umoˇznˇeno statistické ˇsetˇren´ı), jeˇz mˇeˇrené impulsy pˇrev´ adˇej´ı na dobˇre analyzovateln´ y elektrick´ y 1

hodnota z´ avis´ı na rozmˇerech detektoru

2.4

12

Srovn´ an´ı mlˇzné komory s jinými detekˇcn´ımi metodami

Detektor

ˇ Casov´ e

Prostorov´ e

Mrtv´ a

Objem

rozliˇ sen´ı

rozliˇ sen´ı

doba

[m3 ]

[s]

[m]

[s]

–

10−6

–

do 10−2

Expanzn´ı mlˇzn´ a komora

10−2

5 · 10−4

100

do 10−1

Dif´ uzn´ı mlˇzn´ a komora

10−2

5 · 10−4

10

10−2 –10−1

Bublinkov´ a komora

10−3

5 · 10−5

1

do 5

Jiskrov´ a komora

10−6

5 · 10−4

10−3

do 1

Ionizaˇcn´ı komora

10−3

N1

10−2

10−6 –10−1

10−6

N1

10−4

10−6 –10−2

Polovodiˇcov´ y detektor

10−8

5 · 10−3

10−6

10−6 –10−2

Scintilaˇcn´ı detektor

10−8

N1

10−6

10−6 –10−2

Jadern´ a emulze

Proporcion´ aln´ı a Geiger-M¨ uller˚ uv poˇc´ıtaˇc

Tabulka 1: Srovnán´ı detekˇcn´ıch metod [14] sign´ al a jejichˇz obsluha je snadná. Mezi tyto patˇr´ı zejména plynové detektory (MWPC – mnohodr´ atové proporcion´ aln´ı komory ˇci driftové komory) a polovodiˇcové detektory [15]. V tabulce 1 srovnávám nejv´ yznamnˇejˇs´ı ˇcinitele, kter´ ymi lze charakterizovat pˇresnost a urˇcen´ı jednotliv´ ych detektor˚ u. • ˇ casov´ e rozliˇ sen´ı – nejmenˇs´ı moˇzn´ y ˇcasov´ y interval mezi dvˇema detekovateln´ ymi pr˚ ulety ˇc´ astice • prostorov´ e rozliˇ sen´ı – minim´ aln´ı vzd´ alenost dvou ˇca´stic, kterou je zaˇr´ızen´ı schopno rozliˇsit • mrtv´ a doba – ˇcasov´ y interval po pr˚ uchodu, bˇehem kterého nen´ı zaˇr´ızen´ı schopno detekovat zaˇr´ızen´ı dalˇs´ı • objem – obvykl´ y objem Z tabulky i v´ yˇse uveden´ ych informac´ı vypl´ yvá, ˇze mlˇzná komora nen´ı v dneˇsn´ı vˇedˇe dobˇre upotˇrebitelná, nab´ız´ı sice dobré prostorové rozliˇsen´ı, ale jej´ı provoz je nároˇcn´ ya nedok´ aˇze pracovat v delˇs´ım ˇcasovém u ´seku. Proto je také jej´ı vyuˇzit´ı omezeno pˇredevˇs´ım na didaktiku a popularizaci vˇedy.

2.5

2.5

Pozorovatelné ˇc´ astice

13

Pozorovateln´ eˇ c´ astice

Podle dostupn´ ych zdroj˚ u se mi podaˇrilo zjistit, ˇze v mlˇzné komoˇre lze v experimentáln´ı praxi pozorovat následuj´ıc´ı ˇca´stice: elektrony (na obr. 2.4 (2) a (3)), pozitrony, protony (4), miony, alfa (1) a gama záˇren´ı [8] [10]. Identifikovat zm´ınˇené ˇca´stice z fotografi´ı jejich stop je moˇzné z n´ asleduj´ıc´ıch parametr˚ u: délky a ˇs´ıˇrky stopy a chov´ an´ı ˇcástice v magnetickém poli. Z délky a ˇs´ıˇrky stopy lze je moˇzné pˇribliˇznˇe urˇcit energii ˇci hybnost ˇc´ astice (ˇc´ astice s vyˇsˇs´ı rychlost´ı zanechává tenkou a dlouhou stopu), energii ˇca´stice je rovnˇeˇz moˇzné urˇcit podle tvaru stopy, nebot’ ˇcástice s n´ızkou energi´ı maj´ı dráhu nepravidelnou (maj´ı niˇzˇs´ı hybnost – pˇri sráˇzce se snáze vych´ yl´ı)[6]. Dalˇs´ı velmi v´ yznamnou metodou je um´ıstˇen´ı mlˇzné komory do homogenn´ıho magnetického pole – u nabit´ ych ˇca´stic dojde k ohybu jejich ~ ~ dráhy podle Lorentzovy s´ıly (F = Q(~v × B)). Z uvedeného vztahu lze odvodit, ˇze u ˇca´stice s niˇzˇs´ı hybnost´ı bude pozorované zakˇriven´ı v´ yraznˇejˇs´ı neˇzli u ˇca´stice s hybnost´ı vyˇsˇs´ı. D´ıky této metodˇe je rovnˇeˇz moˇzné urˇcit znaménko náboje, nebot’ dr´ aha kladné ˇcástice se bude zakˇrivovat na opaˇcnou stranu neˇz dráha záporné ˇcástice (vektor F~ bude opaˇcn´ y).

Obrázek 2.4: Fotografie stop ˇca´stic (pˇrirozené pozad´ı) v dif´ uzn´ı mlˇzné komoˇre na hoˇre Pic du Midi (2877 m n. m.)

ˇ astice alfa C´

ˇ astice alfa jsou pˇredstavovány jádry helia 4 ( 4He2+ – tedy ˇca´sticemi s dvˇema C´ 2

protony a neutrony) – jedn´ a se tak o ˇcástice ionizuj´ıc´ı. K jejich vzniku docház´ı pˇri alfa pˇremˇenˇe, kdy se izotop radioaktivn´ıho prvku pˇremˇen´ı na izotop prvku s atomov´ ym ˇc´ıslem

2.5

14


niˇzˇs´ım o 2 (viz obecn´ a rovnice ˇc. 1 [17]): A ZX

−→

A−4 Z−2Y

+ 42He2+

(1)

Takto vznikl´ y prvek vˇsak nemus´ı b´ yt stabiln´ı a m˚ uˇze se dále rozpadat. Lze tak vytyˇcit tzv. rozpadové ˇrady, podle kter´ ych se prvky pˇremˇen ˇuj´ı: pˇrirozené jsou tˇri a tyto jsou zakonˇceny u stabiln´ıch izotop˚ u olova [16]. Poloˇcas pˇremˇeny u jednotliv´ ych prvk˚ u pak ukazuje, jak je dan´ y izotop aktivn´ı. Stopa ˇcástice alfa v mlˇzné komoˇre je ˇsiroká a krátk´ a – to je dáno relativnˇe n´ızkou rychlost´ı (v porovn´ an´ı s ostatn´ımi typy z´ aˇren´ı) a také n´ızkou pronikavost´ı (ˇca´stice alfa pro svou velkou hmotnost i n´ aboj rychle interaguj´ı s okoln´ım prostˇred´ım). ˇ astice beta Jako ˇca´stice beta se oznaˇcuj´ı elektrony ˇci pozitrony, které vznikaj´ı pˇri beta C´ minus (β − ), resp. pˇri beta plus pˇremˇenˇe (β + ). V pˇr´ıpadˇe obou typ˚ u pˇremˇeny sice docház´ı k zachován´ı celkového poˇctu nukleon˚ u v jádˇre, ale za beta minus pˇremˇeny se transmutuje neutron na proton (z˚ ustávaj´ıc´ı v jádˇre) a na elektron s elektronov´ ym antineutrinem, jeˇz uniknou, u beta plus pˇremˇeny se pak proton mˇen´ı na neutron, pozitron a elektronové neutrino. Ze zm´ınˇen´ ych u ´ daj˚ u vypl´ yvá, ˇze za β − pˇremˇeny vznik´ a nov´ y atom s vyˇsˇs´ım atomov´ ym ˇc´ıslem o 1 (rovnice ˇc. 2), u β + pˇremˇeny pak izotop se stejnou mˇerou zmenˇsen´ ym atomov´ ym ˇc´ıslem (rovnice ˇc. 3 [17]): A ZX

−→

A Z+1Y

+ e− + ν e

(2)

A ZX

−→

A Z−1Y

+ e+ + νe

(3)

V rozpadov´ ych ˇradách zm´ınˇen´ ych u alfa ˇcástic se atomy nepˇremˇen ˇuj´ı pouze pˇremˇenou α, n´ ybrˇz i pˇremˇenami β – z jediného záˇriˇce tak m˚ uˇzeme pozorovat v´ıcero typ˚ u emitovan´ ych ˇca´stic. Beta ˇca´stice jsou pˇribliˇznˇe 1, 4 · 104 × ménˇe hmotné neˇzli ˇca´stice alfa a maj´ı rovnˇeˇz podstatnˇe menˇs´ı pr˚ uˇrez – následkem toho jsou jejich pozorované stopy u ´zké a v´ yraznˇe delˇs´ı. Jak jiˇz bylo nast´ınˇeno v u ´vodu kapitoly, ˇca´stice o niˇzˇs´ı rychlosti snáze zmˇen´ı svoji dráhu po sráˇzce – toto je dobˇre patrné na obr. 2.4: (2) pˇredstavuje elektron s n´ızkou rychlost´ı a (3) naopak s rychlost´ı vyˇsˇs´ı. Gama z´ aˇren´ı Gama záˇren´ı (γ) je elektromagnetické záˇren´ı o frekvenci vyˇsˇs´ı neˇz 2, 42 · 1018 Hz [7]. Elektromagnetické z´ aˇren´ı nenese ˇz´ adn´ y náboj ani hmotnost – nem˚ uˇze tedy jednoduˇse ionizovat okoln´ı plyn za vzniku kondenzaˇcn´ıch jader. Své okol´ı m˚ uˇze ovlivˇ novat jin´ ymi cestami: fotoelektrick´ ym jevem, Comptonov´ ym rozptylem ˇci vytvoˇren´ım páru elektron-pozitron [8]. Pˇri fotoelektrickém jevu pˇred´ a foton γ vˇsechnu svoji energii elektronu z obalu okoln´ıho atomu, která umoˇzn´ı elektronu opustit atom a dále ionizovat své okol´ı (jako ˇca´stice β − ) – tento jev je dominantn´ım pˇri energii fotonu do 50 keV. Compton˚ uv rozptyl je pˇrevaˇzuj´ıc´ım efektem u foton˚ u s energi´ı 50 keV – 10 MeV a pˇredstavuje opˇet

2.5


15

pˇred´ an´ı energie z fotonu na elektron v obalu, tentokráte vˇsak kromˇe u ńiku elektronu vzniká i nov´ y energetick´ y foton. Pro vytvoˇren´ı elektronového–pozitronového páru je potˇreba nejvyˇsˇs´ı energie (alespoˇ n 1,02 MeV), pˇriˇcemˇz pozitron ve velmi kr´ atké chv´ıli anihiluje za vzniku dvou energetick´ ych foton˚ u. Stopy gama z´ aˇren´ı jsou pro pomˇernˇe sloˇzitou cestu, kterou své okol´ı ionizuj´ı, nespojité a zakˇrivené [8]. Kosmick´ e z´ aˇren´ı Jako kosmické záˇren´ı se oznaˇcuj´ı vysokoenergetické ˇc´ astice, které dopadaj´ı na povrch Zemˇe a jeˇz pocházej´ı z okoln´ıho vesm´ıru. Tyto (tzv. primárn´ı sloˇzka) mohou dále interagovat v atmosféˇre Zemˇe a vytváˇret tak tzv. kosmickou sprˇsku (neboli sekundárn´ı sloˇzku kosmického záˇren´ı). Primárn´ı ˇca´stice jsou v drtivé vˇetˇsinˇe pˇredstavovány protony a alfa ˇc´ asticemi, sekundárn´ı sloˇzka pak pˇredevˇs´ım mezony π, miony a elektrony [9]. Problematické je zachycen´ı kosmického záˇren´ı v mlˇzné komoˇre nejen pro jeho vysokou energii, ale zároveˇ n i kv˚ uli smˇeru, kter´ ym pˇricház´ı – z´ aˇren´ı vˇetˇsinou dopadá kolmo na projekˇcn´ı rovinu komory a pomˇernˇe tenk´ a citlivá vrstva pˇresycen´ ych ˇc´ astic nedokáˇze zachytit ˇc´ astici pohybuj´ıc´ı se vertikálnˇe.

3

´ C ˇ AST ´ PRAKTICKA

3

16

Praktick´ aˇ c´ ast

V praktické ˇca´sti vˇenuji hlavn´ımu pˇredmˇetu mé práce – návrhu konstrukce a stavbˇe dif´ uzn´ı mlˇzné komory, v z´ avˇeru pak i experiment˚ um, které lze s t´ımto zaˇr´ızen´ım provádˇet, a popisu stop pozorovan´ ych ˇc´ astic.

3.1

Konstrukce komory

V této ˇc´ asti je podrobnˇe pops´ ana stavba zaˇr´ızen´ı a zároveˇ n i diskutovány postupy, které jsem pˇri konstrukci pouˇzil. Celé zaˇr´ızen´ı je usazeno v kostˇre ze svaˇrovan´ ych hlin´ıkov´ ych profil˚ u, kter´ a je kryta pláˇstˇem z hlin´ıkového plechu. Hlin´ık, jako základn´ı konstrukˇcn´ı materiál, jsem vybral pˇredevˇs´ım pro jeho n´ızkou hustotu a dále i pro pevnost a dobrou opracovatelnost. Nev´ yhodou je pak nutnost svaˇrován´ı v ochranné atmosféˇre – tento u ´ kon jsem zadal odborné firmˇe. V´ yˇska zaˇr´ızen´ı je 560, ˇs´ıˇrka 233 a hloubka 220 mm. Znaˇcné rozmˇery zaˇr´ızen´ı jsou zp˚ usobeny snahou dosáhnout co moˇzno nejvˇetˇs´ı zobrazovac´ı plochu komory – této problematice se budu dále vˇenovat v kapitole 3.2. Zaˇr´ızen´ı je napájeno sp´ınan´ ym zdrojem, kter´ y mˇen´ı s´ıt’ové napˇet´ı na 12 V, s maximáln´ım pˇr´ıkonem 720 W – obvykl´ y pˇr´ıkon zaˇr´ızen´ı je pak 470 W. Schematick´ y nákres komory je vyveden na obr. 3.1, na kter´ y se odkazuji i v následuj´ıc´ıch kapitol´ ach. Hodnota teploty dna komory, pˇri které docház´ı k dif´ uzi par, záleˇz´ı na nˇekolika parametrech: na typu pouˇzitého média, v jehoˇz parách jsou ˇca´stice zobrazovány (pˇresnˇeji na jeho souˇciniteli teplotn´ı vodivosti a na entalpii jeho par), objemu vypaˇrovan´ ych par a na v´ yˇsce komory [18]. Jako plniva jsem pouˇzil (z d˚ uvod˚ u uveden´ ych v kapitole 3.4) isopropylalkohol – v tomto pˇr´ıpadˇe pak dno komory mus´ı b´ yt vychlazeno na pˇribliˇznˇe −26 ◦ C [5].

3.2

Chladic´ı okruh

Nejnároˇcnˇejˇs´ı i nejv´ıce nákladnou ˇcást´ı mnou konstruované mlˇzné komory byl chladic´ı okruh. Jak je i uvedeno v názvu práce, pouˇzil jsem ve svém zaˇr´ızen´ı k chlazen´ı Peltierovy termoelektrické ˇclánky. Neˇzli se vˇsak budu vˇenovat popisu chladic´ıho systému, kter´ y jsem zkonstruoval, struˇcnˇe zm´ın´ım dalˇs´ı moˇznosti chlazen´ı mlˇzné komory, s kter´ ymi je moˇzné se setkat. Nejobvyklejˇs´ım zp˚ usobem chlazen´ı ˇskoln´ıch mlˇzn´ ych komor je uˇzit´ı suchého ledu (−79 ◦ C), v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech i tekutého dus´ıku (−195 ◦ C) [1]. D˚ uvodem, kv˚ uli kterému jsem zm´ınˇená chladic´ı media nepouˇzil, je n´ızká dostupnost tˇechto látek a náklady spojené s jejich poˇrizován´ım. Jeˇstˇe ˇcastˇeji pouˇz´ıvanou a efektivnˇejˇs´ı metodou (zvláˇstˇe u vˇetˇs´ıch komor – napˇr. v JE Dukovany) je potom chlazen´ı pomoc´ı kompresorového chladic´ıho systému, tyto ale nejsou pro svoji znaˇcnou hmotnost pro moji pr´ aci vhodné. V´ yhodou tˇechto zp˚ usob˚ u chlazen´ı je velk´ a plocha, kterou je moˇzno chladit, a tedy i rozmˇerné pole

3.2

Chladic´ı okruh

17

Obr´ azek 3.1: Schematick´ y n´ akres mlˇzné komory (ˇcerné linie s ˇsipkami naznaˇcuj´ı proudˇen´ı chladic´ı kapaliny)

3.2

Chladic´ı okruh

18

pro detekci ˇcástic, ˇcehoˇz dosaˇzen´ı by bylo s pouˇzit´ım termoelektrick´ ych ˇclánk˚ u znaˇcnˇe nároˇcné i nákladné. C´ılem práce vˇsak nen´ı konstrukce mlˇzné komory s co nejvˇetˇs´ı detekˇcn´ı plochou – mohl jsem se tedy uch´ ylit k pouˇzit´ı Peltierov´ ych ˇclánk˚ u. Termoelektrické ˇclánky pracuj´ı na základˇe Peltierova jevu: pr˚ uchodem proudu polovodiˇci typu P a typu N v sérii zapojen´ ymi docház´ı na jejich rozhran´ı k produkci ˇci pohlcov´ an´ı tepla [2]. Kaˇzd´ y ˇcl´ anek obsahuje mnoˇzstv´ı takov´ ychto pˇredˇel˚ u – na ˇcl´ anku je tak vytvoˇrena jedna strana, kter´ a teplo pohlcuje a druhá, která jej produkuje. Pˇri velkém rozd´ılu teplot na obou stranách vˇsak ˇclánek dosahuje n´ızké u ´ˇcinnosti. Na grafu (obr. 3.2) je uvedena závislost chladic´ıho v´ ykonu na rozd´ılu teplot na ˇcl´ anku (rozd´ıl teploty na horn´ı studené a spodn´ı teplé stranˇe) typu TEC1-12709 podle procházej´ıc´ıho proudu:

Obr´ azek 3.2: Z´ avislost chladic´ıho v´ ykonu na rozd´ılu teplot na ˇclánku TEC1-12709 Z grafu lze tedy urˇcit, ˇze napˇr. pro ∆T = 50 ◦ C a I = 9 A je u ´ˇcinnost chlazen´ı jen 10 % (el. odpor ˇclánku je pˇri 25 ◦ C na teplé stranˇe 1,488 Ω). Z toho vypl´ yvá, ˇze pokud je nutno dosáhnout dostateˇcného chladic´ıho v´ ykonu, je tˇreba ˇrádnˇe chladit i zahˇr´ıvaj´ıc´ı se stranu ˇclánku. K chlazen´ı je moˇzno pouˇz´ıt vzduch nebo kapalné médium. Vzduchem chlazen´ y ˇclánek je um´ıstˇen na vhodném kovovém chladiˇci, za kterého je teplo odvádˇeno pomoc´ı ventil´ atoru, vodou chlazen´ y je rovnˇeˇz pˇripevnˇen ke kovovému chladiˇci, kter´ y je ale chlazen kapalinou a voda dále ztr´ ac´ı teplo v radi´ atorech s ventil´ atory. Po experimentech s obˇema variantami jsem zvolil chlazen´ı pomoc´ı kapaliny (pouˇzil jsem destilovanou vodu), nebot’ voda dokáˇze rychleji odvádˇet teplo z chladiˇce (mˇerná tepeln´ a kapacita vody je

3.2

Chladic´ı okruh

19

asi ˇctyˇrikr´ at vyˇsˇs´ı neˇzli vzduchu), coˇz je u termoelektrick´ ych ˇclánk˚ u nezbytné (je nutno udrˇzovat konstantn´ı n´ızkou teplotu na zahˇr´ıvaj´ıc´ı se stranˇe ˇclánku). I pˇres velmi dobré odvádˇen´ı tepla z horké strany ˇclánku jsem vˇsak nedosahoval potˇrebné teploty (nejn´ıˇze jsem dosáhl −25 ◦ C s miziv´ ym chladic´ım v´ ykonem). Zaˇcal jsem tedy experimentovat s dvojic´ı ˇclánk˚ u vertikálnˇe spojen´ ych (typ ˇclánku TEC1-12709), pˇriˇcemˇz spodn´ı ˇclánek chladil teplou stanu vrchn´ıho ˇclánku. Takováto soustava vˇsak nemohla dosahovat dobr´ ych v´ ysledk˚ u, nebot’ spodn´ı ˇclánek nemohl dostateˇcnˇe chladit horn´ı ˇclánek o stejném v´ ykonu. Tento problém jsem vyˇreˇsil sn´ıˇzen´ım pˇr´ıkonu horn´ıho ˇclánku (pouˇzil jsem poloviˇcn´ı napˇet´ı). Jeˇstˇe lepˇs´ıch v´ ysledk˚ u jsem pak dosáhl v´ ymˇenou spodn´ıho ˇ anky ˇclánku TEC1-12709 za v´ ykonnˇejˇs´ı typ TEC1-12710 (toto vylepˇsen´ı pocház´ı z [3]). Cl´ mezi sebou i s chladiˇcem jsem spojoval pomoc´ı teplovodivé pasty, která zajistila vyplnˇen´ı pˇr´ıpadn´ ych nerovnost´ı mezi jednotliv´ ymi povrchy a tedy i lepˇs´ı odvod tepla. Chladic´ı systém komory je sloˇzen ze ˇsesti v´ yˇse uveden´ ych dvojic termoelektrick´ ych ˇclánk˚ u (na obr. 3.1 je to (7)), hlin´ıkového chladiˇce (5), ˇcerpadla (1), radiátor˚ u (4) s ventil´ atory (3) a expansn´ı nádoby (2). Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno, vrchn´ı (studen´ y) ˇclánek v kaˇzdé dvojici vyˇzaduje niˇzˇs´ı napˇet´ı, ˇcehoˇz jsem doc´ılil zapojen´ım tˇechto ˇclánk˚ u po dvou do série (viz ˇ anky (viz na obr. 3.3 (C):(3)) jsou uspoˇrádány v mˇr´ıˇzce (3×2) na na obr. 3.3 (A)). Cl´ hlin´ıkovém chladiˇci (5), mezery mezi nimi byly vyplnˇeny pˇenov´ ym polystyrenem. Chladiˇc byl odbornou firmou vyfrézov´ an a je kryt´ y dnem z plexiskla (4). Tvar ˇzebrov´ı chladiˇce byl zvolen pro co nejrovnomˇernˇejˇs´ı a nejrychlejˇs´ı odvádˇen´ı tepla: chladic´ı kapalina vstupuje ve dvou otvorech, protéká skrze systém ˇzebrov´ı a na druhé stranˇe vytéká opˇet dvˇema v´ yvody (obr. 3.3 (B)). Cirkulaci vody v okruhu zajiˇst’uje ˇcerpadlo o maximáln´ım pr˚ utoku 1,5 m3 h−1 , v´ ytlaku 3,7 m a pˇr´ıkonu 23 W. Voda je chlazena ve dvou radiátorech pomoc´ı ˇctyˇr ventilátor˚ u, tˇri o pr˚ utoku vzduchu 234 a jeden o 184 m3 h−1 . Pro vyrovnáv´ an´ı objemu kapaliny (napˇr´ıklad kv˚ uli v´ yparu vody v napojen´ı hadic) byla do okruhu pˇripojena expanzn´ı n´ adoba, pomoc´ı které je moˇzné kapalinu doplˇ novat. Propojen´ı jednotliv´ ych prvk˚ u je zajiˇstˇeno pomoc´ı polyethylenov´ ych hadic o pr˚ umˇeru 10 mm. Aby bylo dno komory chlazeno rovnomˇernˇe, byla pomoc´ı teplovodivé pasty na chladnou stranu ˇclánk˚ u pˇripevnˇena mˇedˇená deska (o s´ıle 0,55 mm a rozmˇerech 180×120 mm) v ˇcerné ˇ barvˇe (na obr. 3.3 (2)). Cern´ a barva byla zvolena kv˚ uli lepˇs´ı pozorovatelnosti stop ˇcástic. Deska je na svém m´ıstˇe udrˇzov´ ana pomoc´ı rámu z plexiskla (6), kter´ y je zároveˇ n nosiˇcem osvˇetlen´ı komory (1). Vinou nerovnomˇerného spojen´ı ˇcl´ ank˚ u dohromady i k chladiˇci a v´ yrobn´ımi vadami, nen´ı teplota na dnu komory homogenn´ı, ale pohybuje se mezi −33 ◦ C a −30 ◦ C. Teplota v komoˇre je dále podstatnou mˇerou ovlivˇ nována teplotou okoln´ıho vzduchu, kter´ ym je okruh chlazen´ y.

3.3

Osvˇetlen´ı komory

20

ˇ a pohledy na chladiˇc a chladic´ı systém Obr´ azek 3.3: Rez

3.3

Osvˇ etlen´ı komory

ˇ adné osvˇetlen´ı komory je podm´ınkou pro dobrou viditelnost stop prolétávaj´ıc´ıch ˇca´stic, neR´ bot’ dráhy je moˇzno pozorovat pouze d´ıky svˇetlu, které se láme v kapiˇckách zkondenzovaného plniva. P˚ uvodn´ı Wilsonova komora byla osvˇetlena obloukovou lampou, kter´ a nab´ız´ı vysok´ y svˇeteln´ y tok, stejnˇe jako pozdˇeji ˇcasto pouˇz´ıvané lampy z projektor˚ u. Dále se rovnˇeˇz nab´ız´ı pouˇzit´ı v´ ybojkov´ ych trubic. Uvedené zdroje svˇetla vˇsak maj´ı nˇekolik nev´ yhod, které mne odradily od jejich pouˇzit´ı: jsou pˇr´ıliˇs prostorovˇe i energeticky nároˇcné a dosahuj´ı n´ızké u ´ˇcinnosti. Proto jsem se rozhodl vyuˇz´ıt pásu ze sv´ıtiv´ ych diod (na obr. 3.1 je to (8)). P´ as je sloˇzen z paralelnˇe zapojen´ ych d´ıl˚ u o ˇsesti diodách a je moˇzné jeho délku upravovat. V typu,

3.4

21

Systém odpaˇrov´ an´ı

ˇ ast pouˇzitého pásu LED Obr´ azek 3.4: C´ kter´ y jsem pouˇzil, jsou diody um´ıstˇeny ve dvou ˇradách o 240 LED na bˇeˇzn´ y metr s teplotou chromatiˇcnosti 6500 K. Vyzaˇrovac´ı u ´hel diody 120◦ a celkov´ y sv´ıtiv´ y tok pˇribliˇznˇe 1000 lm zajiˇst’uje dostateˇcné osvˇetlen´ı celé komory. Pˇri napˇet´ı 12 V je celkov´ y pˇr´ıkon osvˇetlen´ı asi 24 W. P´ as je v komoˇre um´ıstˇen ve dvou ˇradách po jej´ım celém obvodu (viz obr. 3.3 (1)).

3.4

Syst´ em odpaˇrov´ an´ı

Obr´ azek 3.5: Odpaˇrovac´ı systém Kromˇe dostateˇcného chlazen´ı je velmi d˚ uleˇzit´ ym prvkem komory vhodná distribuce plniva, v jehoˇz pˇresycen´ ych parách pak lze pozorovat stopy ˇcástic. Plnivem jsou vˇetˇsinou

3.5

Ovl´ ad´ an´ı komory

22

alkoholy, dˇr´ıve byl vyuˇz´ıv´ an i vodn´ı p´ ary. Alkoholy jsou pouˇz´ıv´ any pro jejich n´ızk´ y bod tán´ı (v komoˇre nezamrzaj´ı) a dosaˇziteln´ y bod varu – nejˇcastˇeji jsou jimi ethylenglykol, ethanol ˇci mnou pouˇzit´ y isopropylalkohol (IPA) [5]. Systém odpaˇrov´ an´ı je tvoˇren dvˇema ˇzlábky z hlin´ıkového plechu, které se nacházej´ı na horn´ı stranˇe sklenˇené komory (na obr. 3.1 je to (9)). Ve ˇzl´ abc´ıch (na obr. 3.5 (5)) jsou um´ıstˇeny desky z technické plsti (2) o s´ıle 8 mm, v nichˇz je napuˇstˇen IPA. Plst je pˇripevnˇena pomoc´ı ˇsroub˚ u (3), které rovnˇeˇz spojuj´ı ˇzlábky se stˇenou komory (4). Pro zvˇetˇsen´ı objemu odpaˇrovaného alkoholu je plst zahˇr´ıv´ ana odporov´ ym dr´ atem kanthal o pr˚ umˇeru 0,5 mm a odporu 6,98 Ωm−1 . Drátu jsem pouˇzil 2,5 m – topic´ı v´ ykon tak pˇri 12 V je 0,69 W. Cel´ y ˇzlab se tak zahˇr´ıv´ a na pˇribliˇznˇe 45 ◦ C (teplota varu IPA je 82 ◦ C).

Obr´ azek 3.6: Schema elektronického teplomˇeru, kter´ y mˇeˇr´ı teplotu dna komory

3.5

Ovl´ ad´ an´ı komory

V komoˇre je moˇzné sp´ınat vˇsechny tˇri v´ yˇse uvedené systémy (chlazen´ı, osvˇetlen´ı a vypaˇrován´ı) samostatnˇe pomoc´ı vyp´ınaˇc˚ u na pˇredn´ım panelu, kde se nach´ az´ı i centráln´ı vyp´ınaˇc.

3.6

23

Experimenty a pozorov´ an´ı

25 20 15 10

T [ ◦ C]

5 0 −5 −10 −15 −20 −25 −30 0

50

100

150

200

250 t [s]

300

350

400

450

500

Obr´ azek 3.7: Graf z´ avislosti teploty dna komory na ˇcase (od teploty 24 ◦ C) Vypaˇrov´ an´ı a osvˇetlen´ı je sp´ınáno pˇr´ımo, chladic´ı systém pak pomoc´ı tˇr´ı relé, nebot’ proud jedné dvojice termoelektrick´ ych ˇclánk˚ u je pˇribliˇznˇe 5,5 A a celkov´ y proud asi 33 A nen´ı moˇzné sp´ınat jedin´ ym vyp´ınaˇcem. Dále se v pˇr´ıstrojové desce nacház´ı obrazovka elektronického teplomˇeru, kter´ y je v zaˇr´ızen´ı instalován a jenˇz mˇeˇr´ı teplotu dna komory. Elektronické schema teplomˇeru (obr. 3.6), podle kterého jsem teplomˇer vyrobil, jsem pˇrevzal s laskav´ ym svolen´ım autora ze str´ anky http://www.danyk.cz.

3.6


D´ıky experiment˚ um s dostupn´ ymi záˇriˇci jsem zjistil, ˇze z pozorovateln´ ych ˇcástic z odd´ılu 2.5 je moˇzné v této komoˇre zachytit alfa, beta a gama z´ aˇren´ı a d´ ale pˇrirozené pozad´ı, coˇz je smˇes pˇrirozeného radioaktivn´ıho z´ aˇren´ı vyvolaného podloˇz´ım a kosmického z´ aˇren´ı. Jednou z metod anal´ yzy ˇca´sticov´ ych stop bylo v odd´ıle 2.5 zm´ınˇené pouˇzit´ı magnetického pole. Aby bylo moˇzno pˇredv´ıdat a popsat chován´ı nabité ˇca´stice v takovémto poli, je nezbytnost´ı jeho stejnorodost, ˇcehoˇz lze doc´ılit pomoc´ı tzv. Helmholtzov´ ych c´ıvek – tedy dvou kruhov´ ych c´ıvek ve spoleˇcné ose. Touto osou rovnˇeˇz procház´ı vektor magnetické indukce – rovina, ve které má b´ yt doc´ıleno homogenn´ıho pole, tak mus´ı b´ yt na vektor (a tedy i na osu) kolm´ a. To znaˇc´ı, ˇze by se dvojice c´ıvek mˇela nach´ azet pod a nad plochou, kde se zobrazuj´ı ˇca´stice, coˇz vˇsak z konstrukˇcn´ıch d˚ uvod˚ u nen´ı u moj´ı komory moˇzné.

3.6

24


Na základˇe experiment˚ u jsem zjistil, ˇze kvalita pozorovan´ ych stop ˇca´stic je ovlivnˇena následuj´ıc´ımi faktory: teplotou okoln´ıho vzduchu, mnoˇzstv´ım vypaˇrovaného isopropylalkoholu a u ´ hlem, pod kter´ ym jsou ˇc´ astice pozorov´ any. Teplota okoln´ıho vzduchu velmi v´ yznamnˇe ovlivˇ nuje teplotu dna komory, nebot’ chladic´ı kapalina je právˇe dále ochlazována okoln´ım vzduchem, a teplota dna urˇcuje objem pˇresycen´ ych par v komoˇre, jeˇz jsou citlivou sloˇzku detektoru. Na obr. 3.7 je vykreslen graf z´ avislosti teploty dna komory na ˇcase po sepnut´ı chladic´ıho okruhu. Z poˇca´teˇcn´ı teploty okol´ı 24 ◦ C se dno komory zchlad´ı do nejvyˇsˇs´ı teploty, kdy lze pozorovat ˇca´stice (−26 ◦ C), asi za 80 s a pracovn´ı teploty −30 ◦ C dos´ ahne dno komory za pˇribliˇznˇe 200 s. Teplota dále klesá a po 7,5 min se ustál´ı na −32 ◦ C . Dalˇs´ım faktorem je u ´ hel, pod kter´ ym pozorovatel komoru sleduje. Jelikoˇz ke vzniku pˇresycen´ ych par (kde se nacház´ı citlivá oblast komory) docház´ı v malé vzd´ alenosti ode dna komory, lze odvodit, ˇze u ´hel, pod kter´ ym se svˇetlo v kapk´ ach IPA odr´ aˇz´ı, je v´ yraznˇe ostr´ y, au ´ hel, pod n´ımˇz se svˇetlo procház´ı a l´ ame, znaˇcnˇe tup´ y. Z toho vypl´ yv´ a, ˇze nejlepˇs´ıch v´ ysledk˚ u lze dosáhnout pˇri pozorován´ı z boku detektoru, pˇresto jsou v´ ysledky i ze stropu komory pomˇernˇe uspokojivé. Dˇeje v komoˇre jsou pomˇernˇe rychlé (stopa je zobrazena pˇribliˇznˇe 1 s), pro jejich rozbor je tak nejvhodnˇejˇs´ı je fotografovat a fotografie d´ ale analyzovat. Promˇenlivé prostˇred´ı v komoˇre je velmi obt´ıˇzné zachytit obyˇcejnou fotografi´ı – m´ısto fotografi´ı jsem tak pouˇzil sn´ımky z videosekvence. Problematické je ale samotné zachycen´ı stop sn´ımac´ım ˇcipem kv˚ uli vysokému kontrastu a odraz˚ um za dna komory (z vrstvy jiˇz zkondenzovaného IPA). Následkem toho nejsou stopy na v´ ysledn´ ych sn´ımc´ıch tak zˇretelné jako ve skuteˇcnosti. Sn´ımán´ı fotografi´ı uveden´ ych v práci prob´ıhalo svrchu, v pˇr´ıpadˇe fotografován´ı ménˇe zˇretelného z´ aˇren´ı i zboku. Nebot’ nevlastn´ım ˇza´dn´ y digitáln´ı fotoaparát, pouˇzil jsem kameru mobiln´ıho telefonu o rozliˇsen´ı 1920×1080 obrazov´ ych bod˚ u. Fotografie jsem poˇr´ıdil ˇcernob´ılé pro eliminaci ruˇsiv´ ych prvk˚ u. ˇ astice alfa Pro pozorov´ C´ an´ı alfa ˇc´ astic jsem mˇel k dispozici u ´ lomek smolince, tedy minerálu UO2 . V drtivém mnoˇzstv´ı je v nˇem zastoupen izotop uranu 238, kter´ y se transmutuje alfa pˇremˇenou na thorium podle rovnice ˇc. 4. Stopy alfa ˇc´ astic tohoto záˇriˇce jsou silné a dobˇre zˇretelné. 238 92U

−→

234 90Th

+ 42He2+

(4)

Kinetickou energii alfa ˇca´stice vzniklou z této pˇremˇeny lze spoˇc´ıtat ze znalosti celkové energie, která byla v pˇremˇenˇe uvolnˇena a jeˇz je souˇctem kinetické energie atomu thoria a α ˇcástice (ze z´ akona o zachov´ an´ı energie): EKT h + EKα = (mU − mT h − mα )c2

(5)

3.6

25


Obr´ azek 3.8: Fotografie alfa ˇcástic ze smolince zachycen´ ych v mlˇzné komoˇre Ze zákona o zachován´ı hybnosti vypl´ yvá, ˇze velikost hybnosti atomu thoria i alfa ˇca´stice mus´ı b´ yt stejná – lze tak jednoduˇse rychlost atomu thoria vyjádˇrit pomoc´ı hmotnosti obou ˇc´ astic a rychlosti alfa ˇc´ astice: mT h vT h = mα vα mα vα vT h = mT h

(6)

Dosazen´ım rovnice ˇc. 6 do rovnice ˇc. 5 dojde k vyj´ adˇren´ı kinetické energie alfa ˇca´stice: EKT h + EKα = (mU − mT h − mα )c2 1 mT h vT2 h + 2 1 mα vα 2 + mT h 2 mT h EKα

1 mα vα2 = (mU − mT h − mα )c2 2 1 mα vα2 = (mU − mT h − mα )c2 2 mT h = (mU − mT h − mα )c2 mT h + mα

(7)

Z numerického vyjádˇren´ı rovnice ˇc. 7 lze zjistit, ˇze alfa ˇca´stice vzniklá touto pˇremˇenou má kinetickou energii asi 5,2 MeV. Na obr. 3.8 lze vidˇet smolinec a zaznaˇcené stopy ˇca´stic alfa. Pˇrestoˇze, jak bylo zm´ınˇeno na zaˇcátku kapitoly, jsem nemˇel moˇznost vytvoˇrit homogenn´ı magnetické pole, provedl

3.6

26


Obrázek 3.9: Zde lze vidˇet, jak je zprvu rovná (A) stopa alfa ˇca´stice ovlivnˇena magnetick´ ym polem (B) jsem experiment s nehomogenn´ım polem neodymového magnetu. Na obrázku 3.9 lze vidˇet drobn´ y neodymov´ y magnet, nad kter´ ym je zobrazena stopa alfa ˇca´stice emitovaná u ´lomkem smolince. Na obr´ azku (A) je stopa jeˇstˇe nezakˇrivena, nebot’ pro vysokou hmotnost ˇca´stice α nem˚ uˇze b´ yt dr´ aha zmˇenˇena. Na pozdˇejˇs´ım sn´ımku (B) se sice jiˇz stopa rozpl´ yv´ a, ale ionty vzduchu (kondenzaˇcn´ı j´ adra) jsou ovlivnˇeny magnetick´ ym polem a poz˚ ustatky stopy se pohybuj´ı doleva. ˇ astice beta Jako zdroj β − ˇcástic jsem pouˇzil vzorek radioaktivn´ıho stroncia 90, které C´ se beta minus pˇremˇenou transmutuje na yttrium (rovnice ˇc. 8). 90 38Sr

−→

90 39Y

+ e− + ν e

(8)

Jak jiˇz bylo uvedeno v kapitole 2.5, ˇc´ astice beta jsou jsou mnohem ménˇe hmotné a maj´ı menˇs´ı pr˚ uˇrez neˇzli ˇca´stice α. N´ asledkem toho je jejich stopa pomˇernˇe slabá, nicménˇe pomˇernˇe dobˇre pozorovatelná – problémem vˇsak bylo zachytit tyto ˇcástice na fotografii. Pˇresto lze na obr. 3.10 vidˇet stopu ˇca´stice β − sn´ımanou zboku komory. Ze zakˇrivené stopy je moˇzno soudit, ˇze se jedná o n´ızkoenergetick´ y elektron zm´ınˇen´ y v teoretické ˇca´sti. Na obr. 3.11 jsou potom zobrazeny elektrony s vyˇsˇs´ı energi´ı (soud´ım tak dle rovné stopy). Viditelnost stopy je rovnˇeˇz v´ yraznˇe ovlivnˇena rychlost´ı ˇcástice – pomalejˇs´ı ˇcástice dok´ aˇze ionizovat vˇetˇs´ı objem okoln´ıho plynu a je tak viditelnˇejˇs´ı. V rovnici ˇc. 9 je uveden vztah pro v´ ypoˇcet kinetické energie β ˇcástice vycházej´ıc´ı ze stejného vztahu u ˇcástice alfa, pˇriˇcemˇz byla zanedb´ ana hybnost atomu yttria, nebot’ jeho hmotnost je o ˇsest ˇrád˚ u vyˇsˇs´ı neˇzli hmotnost elektronu. Numericky je potom kinetická energie β ˇcástice rovna asi 34,9 keV, tedy hodnotˇe asi 150kr´ at menˇs´ı neˇz je energie α ˇca´stice. Zd´ anlivˇe by tak mˇela β

3.6

27


Obr´ azek 3.10: Fotografie beta ˇcástice o n´ızké energii z rozpadu stroncia ˇca´stice vytvoˇrit v´ yraznˇe viditelnˇejˇs´ı stopu, hmotnost alfa ˇca´stice je ale o ˇctyˇri ˇra´dy vyˇsˇs´ı a spoleˇcnˇe s neporovnatelnˇe vˇetˇs´ım u ´ˇcinn´ ym pr˚ uˇrezem ji ˇcin´ı daleko zˇretelnˇejˇs´ı. EKβ = (mSr − mY − me )c2

(9)

Gama z´ aˇren´ı K pozorován´ı gama záˇren´ı jsem pouˇzil vzorek americia 241, které se sice transmutuje na neptunium α pˇremˇenou, ale z´ aroveˇ n doch´ az´ı k vyzáˇren´ı energie γ záˇren´ım (viz rovnice ˇc. 10). 241 95Am

−→

237 93Np

+ 42He2+ + γ

Obr´ azek 3.11: Fotografie beta ˇcástice o vyˇsˇs´ı energii z rozpadu stroncia

(10)

3.6


28

Obr´ azek 3.12: Stopy ionizace zp˚ usobené pr˚ uchodem gama záˇren´ı Protoˇze gama z´ aˇren´ı neionizuje své okol´ı pˇr´ımo, ale pomoc´ı dˇej˚ u zm´ınˇen´ ych v kapitole 2.5 (tedy fotoelektrick´ ym efektem, Comptonov´ ym rozptylem a vznikem páru elektronpozitron), nen´ı ani jeho stopa spojitá a jednolitá, ale projevuje se jako soubor menˇs´ıch stop (viz obr. 3.12). Popis tohoto jevu se mi nepodaˇrilo nalézt v dostupné literatuˇre, proto jsou zm´ınˇené v´ yvody pouze moj´ı dedukc´ı zaloˇzené na znalosti v´ yˇse uveden´ ych jev˚ u a také na základˇe pozorován´ı mnoˇzstv´ı nepravideln´ ych stop pˇri vloˇzen´ı záˇriˇce do komory. Zachycen´ı stop gama záˇren´ı na fotografii pˇredˇcilo svou nároˇcnost´ı α i β ˇca´stice pro jejich nepatrnost a ˇspatnou viditelnost.

Obrázek 3.13: Zachycené stopy elektron˚ u pˇrirozeného pozad´ı, pˇriˇcemˇz zakˇrivená stopa ˇcástice na obr. (B) jasnˇe ukazuje na svoji niˇzˇs´ı energii neˇz je energie ˇcástice na obr. (A). (Pozn.: stˇr´ıbrn´ y ˇctverec na dnˇe komory je odrazem objektivu fotoaparátu.)

Pˇrirozen´ e radioaktivn´ı pozad´ı Pˇrirozené radioaktivn´ı pozad´ı je ionizuj´ıc´ı záˇren´ı pˇrirozenˇe se vyskytuj´ıc´ı v ˇzivotn´ım prostˇred´ı. Je zp˚ usobeno zejména kosmick´ ym z´ aˇren´ım, radioaktivi-

3.6


29

tou hornin a pˇr´ıtomnost´ı pˇr´ırodn´ıho radioaktivn´ıho plynu radonu. Z kosmického záˇren´ı lze zachytit alfa ˇca´stice, miony, elektrony a protony; horniny pak emituj´ı α, β a γ z´ aˇren´ı a radon se transmutuje na polonium pˇredevˇs´ım alfa pˇremˇenou. Kosmické z´ aˇren´ı je obt´ıˇznˇe zachytitelné (jak bylo zm´ınˇeno v kap. 2.5 dopad´ a kolmo na zobrazovac´ı rovinu komory), v pˇr´ıpadˇe zachycen´ı je pro svoji krátkou stopu ˇspatnˇe identifikovatelné. U ostatn´ıch stop nelze jednoduˇse urˇcit p˚ uvod ˇcástice, ale napˇr. alfa ˇcástice radonu pˇrese stˇenu komory proniknout nedokáˇz´ı. Neznalost p˚ uvodu ˇcástice dále podstatnˇe znesnadˇ nuje identifikaci stop, ale napˇr´ıklad β − ˇcástice jsou stále pomˇernˇe dobˇre identifikovatelné. Na obrázc´ıch 3.13, 3.14 a 3.15 jsou zobrazeny stopy pˇrirozeného radioaktivn´ıho pozad´ı, u nˇekter´ ych stop vˇsak byla identifikace znaˇcnˇe nejasná nebo nebyla v˚ ubec moˇzná.

Obr´ azek 3.14: Stopy tˇechto ˇc´ astic jsem nedok´ azal identifikovat. Domn´ıvám se, ˇze na obr. (A) by mohla b´ yt stopa ˇc´ astice alfa kv˚ uli tvaru a povaze stopy; na obr. (B) a (C) jsou pravdˇepodobnˇe stopy kosmického z´ aˇren´ı – usuzuji tak z pomˇernˇe krátké a v´ yrazné stopy, kdyˇz ˇc´ astice vstoupila do citlivého pole komory pod pomˇernˇe znaˇcn´ ym u ´hlem.

3.6


30

Obrázek 3.15: Pozoruhodná situace, v n´ıˇz se pravdˇepodobnˇe beta ˇc´ astice sráˇz´ı s jinou ˇcástic´ı, pˇriˇcemˇz povahu produkt˚ u jejich sráˇzky nebylo moˇzno urˇcit. (Z fotografie tento dˇej sice nen´ı dostateˇcnˇe zˇrejm´ y, ale p˚ uvodn´ı videozáznam oddˇelen´ı dvou ˇca´stic od ˇca´stice p˚ uvodn´ı zˇretelnˇe ukazuje.)

4

4

´ VYSLEDKY

31

V´ ysledky

Nejpodstatnˇejˇs´ım v´ ysledkem této pr´ ace je zkonstruov´ an´ı funkˇcn´ıho prototypu termoelektricky chlazené mlˇzné komory (kter´ y je vyobrazen na obr. 4.1). Pouˇzit´ y zp˚ usob chlazen´ı ˇcin´ı komoru dobˇre pˇrenosnou, coˇz by v pˇr´ıpadˇe napˇr. kompresorového chlazen´ı nebylo moˇzné, a rovnˇeˇz nezávislou na vnˇejˇs´ım chladic´ım médiu, jak´ ym by byl such´ y led nebo tekut´ y dus´ık. Stále vˇsak je pˇr´ıstroj nutné napájet z elektrické s´ıtˇe a jeho mobilita je m´ırnˇe znesnadnˇena pomˇernˇe znaˇcnou hmotnost´ı, která ˇcin´ı pˇribliˇznˇe 11 kg. Komfort uˇzivatele je zajiˇstˇen jednoduch´ ym ovl´ ad´ an´ım, moˇznost´ı kontrolovat teplotu dna komory a také napˇr. madly pro snazˇs´ı pˇrenos. Z konstrukˇcn´ıho hlediska je nejvˇetˇs´ım nedostatkem pˇrehˇr´ıván´ı nˇekter´ ych ˇca´st´ı komory – napˇr. relé sp´ınaj´ıc´ı termoelektrické ˇcl´ anky dosahuj´ı za provozu aˇz 45 ◦ C, coˇz je ovˇsem podstatnˇe ménˇe, neˇz je provozn´ı maximum, a dále se také zahˇr´ıvá sp´ınan´ y zdroj, ale rovnˇeˇz v normˇe. Dalˇs´ı nev´ yhodou je závislost chladic´ıho systému komory na teplotˇe okoln´ıho vzduchu, coˇz se projevuje v kvalitˇe a objemu pozorovan´ ych ˇcástic. Podstatnou nutnost´ı pˇri provozu zaˇr´ızen´ı je doplˇ novan´ı chladic´ı kapaliny (nˇekolikrát do roka), z d˚ uvodu jej´ıho v´ yparu. Z ˇcasov´ ych d˚ uvod˚ u jsem se nezab´ yval pozorov´ an´ım ˇca´stic do m´ıry, do n´ıˇz jsem plánoval. Pˇresto se mi podaˇrilo pozorovat v pomˇernˇe dobré kvalitˇe stopy ˇca´stic ze záˇriˇc˚ u, které jsem mˇel k dispozici – tedy alfa, beta a gama záˇren´ı, a d´ ale také pˇrirozeného pozad´ı. V praktické ˇcásti jsem také popsal stopy jednotliv´ ych typ˚ u ˇcástic a podpoˇril je v´ ypoˇctem kinetické energie ˇca´stic. Experiment´ alnˇe se mi podaˇrilo splnit teoretické premisy z teoretické ˇca´sti – napˇr´ıklad pozorován´ım n´ızkoenergetick´ ych elektron˚ u ˇci sekund´ arn´ı ionizace gama záˇren´ım.

4

´ VYSLEDKY

32

Obr´ azek 4.1: Fotografie v´ ysledného v´ yrobku

5

5

´ ER ˇ A DISKUSE ZAV

33

Z´ avˇ er a diskuse

Srovn´ an´ım c´ıl˚ u uveden´ ych v u ´ vodu a v´ ysledk˚ u lze usoudit, ˇze se hlavn´ı z´ amˇer – tedy konstrukce mlˇzné komory – podaˇrilo splnit. Metody konstrukce, které jsem pouˇzil, vych´ azej´ı z vlastnost´ı komory nast´ınˇen´ ych v u ´vodu: tedy bez´ udrˇzbovost a snadné ovlád´ an´ı. Z tˇechto d˚ uvod˚ u jsem vyvinul vlastn´ı chladic´ı okruh zaloˇzen´ y na termoelektrick´ ych ˇcl´ anc´ıch stejnˇe jako dalˇs´ı systémy nutné k chodu komory. Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v u ´ vodu, mˇel by tento prototyp nalézt kv˚ uli v´ yˇse uveden´ ym vlastnostem své upotˇreben´ı ve ˇskolstv´ı jako pom˚ ucka pˇri v´ yuce fyziky a to zvláˇstˇe na stˇredn´ıch ˇskolách – za vhodné povaˇzuji vyuˇzit´ı v kapitolách jadern´ a fyziky ˇci fyzika mikrosvˇeta. Na trhu s pˇr´ıstroji pro ˇskoln´ı experimenty nejsou mlˇzné komory pˇr´ıliˇs obvyklou pom˚ uckou, podaˇrilo se mi vˇsak nalézt dvˇe spoleˇcnosti, které se jejich v´ yrobou zab´ yvaj´ı: PASCO a PHYWE. Mlˇzná komora od PASCO o obsahu detekˇcn´ıho pole 180 cm2 je chlazena termoelektrick´ ymi ˇclánky a ledovou vodou a jej´ı cena je 23 000 Kˇc. Spoleˇcnost PHYWE nab´ız´ı dva typy kompresorovˇe chlazen´ ych komor o 1 600 resp. 6 400 cm2 za 750 000 a 2 500 000 Kˇc. Moje konstrukce tak nab´ız´ı nepˇr´ıliˇs drahé ˇreˇsen´ı (náklady na v´ yrobu nové komory by ˇcinily pˇribliˇznˇe 15 000 Kˇc) jednoduché a skladné mlˇzné komory s obsahem 220 cm2 . Dalˇs´ı rozvoj této komory by mˇel n´ aleˇzet pokus˚ um a pozorován´ım – pˇredevˇs´ım s vyuˇzit´ım nov´ ych záˇriˇc˚ u ˇci um´ıstˇen´ım komory do vyˇsˇs´ı nadmoˇrské v´ yˇsky (kde je v´ yraznˇe vyˇsˇs´ı pravdˇepodobnost zachycen´ı kosmického z´ aˇren´ı). Rovnˇeˇz se plánuji zab´ yvat experimenty s magnetick´ ym polem, a to pˇredevˇs´ım pomoc´ı permanentn´ıch magnet˚ u, nebot’ z d˚ uvod˚ u uveden´ ych v kapitole 3.6 nen´ı moˇzné pouˇz´ıt Helmholtzovy c´ıvky. Do komory rovnˇeˇz bude moˇzné um´ıstit zdroj vysokého napˇet´ı, ˇc´ımˇz dojde k odstranˇen´ı voln´ ych iont˚ u v komoˇre a zlepˇs´ı se tak jej´ı zobrazovac´ı schopnosti.

LITERATURA

34

Literatura [1] Diffusion cloud chamber systems. Tools for Teaching Advanced Physics [online]. [cit. 2016-01-01]. Dostupné z: http://www.telatomic.com/nuclear/demonstration_ cloud_chamber.html [2] Thermoelectric effect. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2016-01-01]. Dostupné z: https://en.wikipedia. org/wiki/Thermoelectric_effect [3] Peltier Cooler Based Cloud Chamber. Nothing Labs [online]. [cit. 2016-01-01]. Dostupné z: http://www.nothinglabs.com/cloudchamber/ ´ Pˇremysl, Jan HLADKY ´ a Ivan LEHRAUS. Nové metody pro zobrazen´ı drah [4] MOKRY, ˇca´stic. Pokroky matematiky, fyziky a astronomie. Praha: Jednota ˇcesk´ ych matematik˚ u a fyzik˚ u, 1963, 8(2): 71-80. ISSN 0032-2423. [5] Cloud chamber. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2016-01-03]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/ wiki/Cloud_chamber [6] HELLMAN, Hal. Atomic particle detection. Oak Ridge: United States Atomic Energy Commission Division of Technical Information, 1970, s. 23-27 [7] Záˇren´ı gama. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2016-01-18]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/ Z%C3%A1%C5%99en%C3%AD_gama [8] Gamma rays. FONTENEAU, Samuel. Exploring radioactivity with a homemade Cloud Chamber [online]. [cit. 2016-01-18]. Dostupné z: http://chambrebrouillard.wifeo. com/gamma.php ˇ z, 2006 [cit. 2016-01-18]. [9] WAGNER, Vladim´ır. Kosmické z´ aˇren´ı [online]. Reˇ Dostupné z: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/prednasky/porubacyklus/zareni/ ´ ˇ zareni.ppt. Ustav jaderné fyziky AVCR. [10] Interprétation des tracés. Cloudylabs [online]. [cit. 2016-01-18]. Dostupné z: http: //www.cloudylabs.fr/wp/phys/ [11] BEWAN, A. R. Optimum and limiting operating conditions for downward diffusion cloud chambers. Journal of Scientific Instruments. 1954, 31(2): 45-49. ISSN 0950-7671. ˇÍ, Jiˇr´ı a Olga KOTRBOVA. ´ Detektory ˇca´stic [online]. Praha, 2003 [cit. 2015[12] DOLEJS 11-18]. Dostupné z: www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/dolejsi/textbook/Detectors_ CZ.ppt. Univerzita Karlova v Praze.

LITERATURA

35

[13] BAY, Fatih. Emulsion Detectors [online]. University of Bern [cit. 2015-11-21]. Dostupné z: http://www.slideshare.net/AdamSzewciw/photographic-emulsion [14] SAJDL, Petr. Detekory záˇren´ı [online]. 2002 [cit. 2016-01-01]. Dostupné z: http: //web.vscht.cz/sajdlp/Detektor.doc ´ ´ Alice. Dr´ [15] VALKAROV A, ahové detektory [online]. Praha, 2004 [cit. 2016-01-25]. Dostupné z: http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~alice/lect/Trackers.pdf. ´ Ustav ˇc´ asticové a jaderné fyziky Matematicko-fyzikáln´ı fakulta Univerzity Karlovy. [16] Multimediáln´ı encyklopedie fyziky. Rozpadové ˇrady [online]. [cit. 2016-01-25]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/ ˇ ÍKOVA, ´ Markéta. Alfa, beta, gama z´ [17] SIDL aˇren´ı [online]. [cit. 2016-01-25]. Dostupné z: http://www.pf.jcu.cz/stru/katedry/fyzika/prof/Svadlenkova/Alfa, beta,gama%20zareni.pdf ¨ [18] Insteumentelle Hilfsmittel der Kernphysik II. FLUGGE, Siegfried. Handbuch der Physik. Berlin, Göttingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1958, s. 284-285. ISBN 978-3642-45905-4.

´ U ˚ SEZNAM OBRAZK

36

Seznam obr´ azk˚ u 2.1

Popis expanzn´ı mlˇzné komory. Archiv autora

. . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.2

Popis dif´ uzn´ı mlˇzné komory. Archiv autora . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.3

Schematick´ a podoba sloˇzeného detektoru (zde ATLAS). Archiv autora . . . 11

2.4

Fotografie stop ˇcástic (pˇrirozené pozad´ı) v dif´ uzn´ı mlˇzné komoˇre na hoˇre Pic du Midi (2877 m n. m.). Cloudy labs. Une trace pour chaque particule. Dostupné z: http://www.cloudylabs.fr/wp/phys/ . . . . . . . . . . . . . 13

3.1

Schematick´ y n´ akres mlˇzné komory. Archiv autora . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2

Závislost chladic´ıho v´ ykonu na rozd´ılu teplot na ˇclánku TEC1-12709. GME.

3.3 3.4

Dostupné z: http://www.gme.cz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 ˇ a pohledy na chladiˇc a chladic´ı systém. Archiv autora . . . . . . . . . . 20 Rez ˇ ast pouˇzitého p´ C´ asu LED. Archiv autora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.5

Odpaˇrovac´ı systém. Archiv autora

3.6

Schema elektronického teplomˇeru, kter´ y mˇeˇr´ı teplotu dna komory. Danyk.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Dostupné z: http://danyk.cz/teplo.html . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.7

Graf z´ avislosti teploty dna komory na ˇcase (od teploty 24 ◦ C) . . . . . . . . 23

3.8

Fotografie alfa ˇca´stic ze smolince zachycen´ ych v mlˇzné komoˇre. Archiv autora 25

3.9

Zde lze vidˇet, jak je zprvu rovn´ a (A) stopa alfa ˇca´stice ovlivnˇena magnetick´ ym polem (B). Archiv autora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.10 Fotografie beta ˇc´ astice o n´ızké energii z rozpadu stroncia. Archiv autora . . 27 3.11 Fotografie beta ˇc´ astice o vyˇsˇs´ı energii z rozpadu stroncia. Archiv autora . . 27 3.12 Stopy ionizace zp˚ usobené pr˚ uchodem gama záˇren´ı. Archiv autora . . . . . . 28 3.13 Zachycené stopy elektron˚ u pˇrirozeného pozad´ı, pˇriˇcemˇz zakˇrivená stopa ˇca´stice na obr. (B) jasnˇe ukazuje na jej´ı niˇzˇs´ı energii neˇz ˇca´stice na obr. (A). Archiv autora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.14 Stopy tˇechto ˇc´ astic jsem nedokázal identifikovat. Domn´ıv´ am se, ˇze na obr. (A) by mohla b´ yt stopa ˇca´stice alfa kv˚ uli tvaru a povaze stopy; na obr. (B) a (C) jsou pravdˇepodobnˇe stopy kosmického z´ aˇren´ı – usuzuji tak z pomˇernˇe kr´ atké a v´ yrazné stopy, kdyˇz ˇca´stice vstoupila do citlivého pole komory pod pomˇernˇe znaˇcn´ ym u ´hlem.. Archiv autora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.15 Pozoruhodná situace, v n´ıˇz se pravdˇepodobnˇe beta ˇca´stice sráˇz´ı s jinou ˇca´stic´ı, pˇriˇcemˇz povahu produkt˚ u jejich sráˇzky nebylo moˇzno urˇcit. (Z fotografie tento dˇej sice nen´ı dostateˇcnˇe zˇrejm´ y, ale p˚ uvodn´ı videozáznam oddˇelen´ı dvou ˇc´ astic od ˇc´ astice p˚ uvodn´ı zˇretelnˇe ukazuje.) Archiv autora . . . . . . . 30 4.1

Fotografie v´ ysledného v´ yrobku. Archiv autora . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 ´ A.1 Utroby mlˇzné komory. Mgr. Tom´ aˇs Neˇcas, Ph.D. . . . . . . . . . . . . . . . 38 A.2 Mlˇzn´ a komora bez pl´ aˇstˇe. Mgr. Tom´ aˇs Neˇcas, Ph.D. . . . . . . . . . . . . . 39 A.3 Zdroj pouˇzit´ y k nap´ ajen´ı. Archiv autora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

´ U ˚ SEZNAM OBRAZK

37

A.4 Vyfrézovan´ y hlin´ıkov´ y chladiˇc. Archiv autora. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 ˇ A.5 Cerpadlo vodn´ıho okruhu. Archiv autora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 A.6 Expanzn´ı n´ adoba. Archiv autora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 A.7 Radi´ ator chladic´ıho okruhu. Archiv autora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

A

A

ˇÍZENÍ FOTOGRAFIE ZAR

38

Fotografie zaˇr´ızen´ı

V této pˇr´ıloze jsou uvedeny fotografie jednotliv´ ych ˇcást´ı komory.

´ Obr´ azek A.1: Utroby mlˇzné komory

A


39

Obr´ azek A.2: Mlˇzná komora bez pláˇstˇe

A


40

Obr´ azek A.3: Zdroj pouˇzit´ y k napájen´ı (12 V/720 W)

Obrázek A.4: Vyfrézovan´ y hlin´ıkov´ y chladiˇc (jiˇz pouˇzit´ y – je pokryt vrstvou oxidu hlinitého)

A


41

ˇ Obr´ azek A.5: Cerpadlo vodn´ıho okruhu (12 V/23 W/1,5 m3 h−1 )

Obr´ azek A.6: Expanzn´ı nádoba

A


Obr´ azek A.7: Radiátor chladic´ıho okruhu

42

Mlžná komora s termoelektrickým chlazením

Recommend Documents