霧箱
 英国ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所にある CTR ウィルソンのオリジナルの霧箱。 | |
| 用途 | 電離放射線の可視化 |
|---|---|
| 注目すべき実験 | 陽電子の発見 |
| 発明家 | チャールズ・T・R・ウィルソン |
| 関連商品 | バブルチャンバーワイヤーチャンバー |
| 反物質 |
|---|
 |
霧箱はウィルソン箱とも呼ばれ、電離放射線の通過を視覚化するために使用される粒子検出器です。
霧箱は、水またはアルコールの過飽和蒸気を含む密閉環境で構成されています。高エネルギー荷電粒子（例えば、アルファ粒子またはベータ粒子）は、衝突時に静電気力によってガス分子から電子を叩き出すことでガス混合物と相互作用し、イオン化したガス粒子の軌跡を形成します。生成されたイオンは凝縮中心として機能し、ガス混合物が凝縮点にある場合、その周囲に小さな液滴の霧のような軌跡が形成されます。これらの液滴は、蒸気中を落下する間、数秒間持続する「雲」の軌跡として目視できます。これらの軌跡には特徴的な形状があります。例えば、アルファ粒子の軌跡は太くまっすぐですが、ベータ粒子の軌跡は薄く、衝突による偏向の痕跡がより多く見られます。
霧箱は、1900年代初頭にスコットランドの物理学者チャールズ・トムソン・リース・ウィルソンによって発明されました。彼は、泡箱が登場するまで、1920年代から1950年代にかけて、実験粒子物理学で重要な役割を果たしました。特に、カール・アンダーソン（1936年にノーベル物理学賞受賞）による1932年の陽電子の発見（図1参照）と1936年のミューオンの発見は、霧箱を使用しました。ジョージ・ロチェスターとクリフォード・チャールズ・バトラーによる1947年のK中間子の発見は、霧箱を検出器として使用して行われました。[ 1 ]これらの場合のいずれも、宇宙線が電離放射線の発生源でした。しかし、それらはまた、例えばマンハッタン計画の一環としての放射線撮影アプリケーションなど、人工の粒子発生源とともに使用されました。[ 2 ]
発明
スコットランドの物理学者、チャールズ・トムソン・リース・ウィルソン（1869–1959）は霧箱の発明者として知られています。 1894年、ベン・ネビス山の登頂作業中にブロッケン現象を目撃したことに着想を得たウィルソンは、湿潤空気中の雲の形成と光学現象を研究するための膨張室の開発に着手しました。彼はすぐに、イオンがこのような膨張室で水滴形成の中心として作用することを発見しました。彼はこの発見の応用を追求し、1911年に最初の霧箱を完成させました。
ウィルソンのオリジナルの霧箱では、密閉された装置内の空気が水蒸気で飽和状態になった後、ダイヤフラムを用いて霧箱内の空気を膨張（断熱膨張）させ、空気を冷却することで水蒸気の凝縮を開始した。そのため、この霧箱は膨張霧箱と呼ばれている。[ 3 ]イオン化粒子が霧箱を通過すると、生成されたイオンに水蒸気が凝縮し、粒子の軌跡が蒸気雲の中に見える。映像の記録には 映画フィルムが使用された。
パトリック・ブラケットはさらなる開発を行い、硬いバネを使ってチャンバーを非常に急速に膨張・圧縮することで、1秒間に数回の粒子検出を可能にしました。この種のチャンバーは、動作条件が継続的に維持されないため、 パルスチャンバーとも呼ばれます。
ウィルソンは1927年に霧箱の研究でノーベル物理学賞の半分を受賞した（アーサー・コンプトンがコンプトン効果でノーベル物理学賞の半分を受賞したのと同じ年）。[ 4 ]
拡散霧箱は1936年にアレクサンダー・ラングスドルフによって開発された。[ 5 ]この霧箱は、放射線に対して常に増感作用を持ち、底部を比較的低温（一般的に-26℃（-15℉）未満）に冷却する必要がある点で、膨張霧箱とは異なる。水蒸気の代わりに、凝固点が低いアルコールが使用される。ドライアイスやペルチェ効果による熱電冷却で冷却される霧箱は、デモンストレーションや趣味の装置としてよく利用されており、使用されるアルコールはイソプロピルアルコールまたは変性アルコールが一般的である。[ 6 ]
構造と動作
ここでは拡散型霧箱について論じます。シンプルな霧箱は、密閉された環境、温かい上板、そして冷たい下板で構成されています（図3参照）。霧箱の温かい側に液体アルコール源が必要です。液体アルコールはここで蒸発し、蒸気を形成します。この蒸気はガス中を落下する際に冷却され、冷たい下板で凝縮します。何らかの電離放射線が必要です。
イソプロパノール、メタノール、またはその他のアルコール蒸気がチャンバーを飽和させます。アルコールは冷却されると下降し、冷たいコンデンサーが急激な温度勾配を提供します。その結果、過飽和環境になります。エネルギーの高い荷電粒子がガスを通過すると、イオン化トレイルを残します。アルコール蒸気は、イオン化粒子が残したガスイオントレイルの周囲に凝縮します。これは、アルコールと水分子が極性を持ち、近くの自由電荷に向かって正味の引力が発生するためです (図 4 を参照)。その結果、コンデンサーに落下する液滴の存在によって確認できる、霧状の雲のような構造になります。トラックがソースから放出されると、その発生点は簡単に特定できます。[ 7 ]図 5 は、ラザフォード散乱を受ける Pb-210 ピン型ソースからのアルファ粒子の例を示しています。
冷たいコンデンサープレートのすぐ上には、電離飛跡に敏感なチャンバーの容積があります。放射性粒子が残すイオントレイルは、凝縮と雲形成の最適な引き金となります。この感度容積は、急激な温度勾配と安定した条件を用いることで、高さが増します。[ 7 ]雲の飛跡をチャンバーの感度領域まで引き寄せ、チャンバーの感度を高めるために、強力な電界がしばしば用いられます。また、電界は、チャンバーの感度領域の上方に凝縮が生じ、継続的な降水によって飛跡が不明瞭になることで、大量の背景「雨」がチャンバーの感度領域を覆い隠してしまうのを防ぐ役割も果たします。背景を黒にすると雲の飛跡を観察しやすくなりますが、通常は、黒い背景に浮かぶ白い液滴を照らす接線光源が必要です。多くの場合、コンデンサープレートに浅いアルコールのプールが形成されるまで、飛跡ははっきりと見えません。
霧箱全体に磁場をかけると、ローレンツ力の法則に従って、正と負に帯電した粒子は反対方向に曲がります。しかし、趣味で使うような小規模な装置では、十分な強さの磁場を作り出すのは困難です。この方法は、1928年に発表されたポール・ディラックの理論的証明に基づき、1932年に陽電子の存在を証明する際にも用いられました。[ 8 ]
その他の粒子検出器
泡箱は1952年にアメリカのドナルド・A・グレイザーによって発明され、この功績によりグレイザーは1960年にノーベル物理学賞を受賞した。泡箱は同様に亜原子粒子の飛跡を明らかにするもので、霧箱の原理を逆転させて、過飽和蒸気中の滴の軌跡ではなく、過熱液体（通常は液体水素）中の泡の軌跡として粒子を検出する。泡箱は霧箱よりも物理的に大きく作ることができ、はるかに密度の高い液体物質で満たされているため、はるかに高エネルギーの粒子の飛跡を検出できる。これらの要因により、泡箱は数十年にわたって粒子検出器として急速に主流となり、1960年代初頭までに基礎研究において霧箱は事実上取って代わられた。[ 9 ]
スパークチェンバーは、ガスを充填したチャンバー内に絶縁されていない電線を格子状に敷き詰め、電線間に高電圧を印加する電気装置です。高エネルギー荷電粒子は、ウィルソン霧箱と同様に、粒子の進路に沿ってガスを電離させます。この場合、周囲の電界は十分に高く、最初の電離位置で火花という形で本格的なガス破壊を引き起こします。これらの火花の存在と位置は電気的に記録され、その情報はデジタルコンピュータなどで後から分析するために保存されます。
同様の凝縮効果は、湿った空気中の大爆発やその他のプラントル・グラウエルト特異点効果 におけるウィルソン雲（凝縮雲とも呼ばれる）として観測されます。
ギャラリー
- 自家製霧箱。薄い：β粒子）。アニメーション版も参照
- 水冷式熱電霧箱の例
- 霧箱で観察されたトーライト鉱物の放射能
- 4.6 kVイオンスクラバーを備えた拡散霧箱
- 自作TEC / 水冷式（5段）拡散霧箱
- ウィルソンチャンバーのビデオ
- 電離放射線による目に見える軌跡を持つ霧箱（短く太い：α粒子、長く
- 膨張霧箱内の放射性同位元素からの粒子飛跡。（左）Am-241線源からのアルファ飛跡と、その娘核種であるPa-233由来と思われるベータ飛跡1つ。（右）Sr-90/Y-90線源からのベータ飛跡。
標高2877メートルのピク・デュ・ミディにあるPhywe PJ45霧箱（表面サイズ45×45cm）で撮影された画像。この珍しい写真は、霧箱で検出可能な4つの粒子、すなわち陽子、電子、ミューオン（おそらく）、そしてアルファ粒子を一枚の写真で示している。- 展示ケースに展示されたもう一つの霧箱
参照
注記
- ^ 「1936年のノーベル物理学賞」。ノーベル賞。 2015年4月7日閲覧。
- ^ CL Morris; et al. (2011). 「24 GeV/c陽子によるフラッシュラジオグラフィー」 . Journal of Applied Physics . 109 (10): 104905–104905–10. Bibcode : 2011JAP...109j4905M . doi : 10.1063/1.3580262 .
- ^ Ples, Marek (2020年4月2日). 「ラボスナップショット：拡張霧箱」 . weirdscience.eu . 2023年7月3日閲覧。
- ^ 「1927年のノーベル物理学賞」www.nobelprize.org . 2015年4月7日閲覧。
- ^ Frisch, OR (2013-10-22). Progress in Nuclear Physics, Band 3. Elsevier. p. 1. ISBN 9781483224923。
- ^ Ples, Marek (2019年4月15日). 「ラボスナップショット：拡散霧箱」 . weirdscience.eu . 2023年7月3日閲覧。
- ^ a b Zani, G. ブラウン大学物理学部、ロードアイランド州、米国。「ウィルソン霧箱」 2017年8月1日アーカイブ、Wayback Machineにて。2016年5月13日更新。
- ^アンダーソン, カール D. (1933-03-15). 「正電子」 .フィジカル・レビュー. 43 (6): 491– 494. Bibcode : 1933PhRv...43..491A . doi : 10.1103/PhysRev.43.491 .
- ^ 「1960年のノーベル物理学賞」www.nobelprize.org . 2015年4月7日閲覧。
参考文献
- Das Gupta, NN; Ghosh SK (1946). 「ウィルソン霧箱とその物理学への応用に関する報告」Reviews of Modern Physics . 18 (2): 225– 365. Bibcode : 1946RvMP...18..225G . doi : 10.1103/RevModPhys.18.225 .
外部リンク
- 2014年9月14日にWayback Machineにアーカイブ、ピーター・ウォザーズ、王立研究所、2012年12月]