구름실

Cloud chamber
"Cloud Chamber"가 여기로 리디렉션됩니다.비디오 게임 개발자는 Cloud Chamber (회사)를 참조하십시오.비디오 게임은 Cloud Chamber(비디오 게임)를 참조하십시오.
반물질
A Feynman diagram showing the annihilation of an electron and a positron (antielectron), creating a photon that later decays into an new electron–positron pair.
반입자

오니아

개념과 현상
장치들
사용하다
사람과 몸

윌슨 구름실이라고도 알려진 구름실은 이온화 방사선의 경로를 시각화하는 데 사용되는 입자 검출기입니다.

track of subatomic particle moving upward through cloud chamber and bending left (an electron would have turned right)
그림 1: 양전자의 존재를 증명하기 위한 구름실 사진.C에 의해 감시된다.앤더슨.

구름실은 물이나 알코올의 과포화 증기를 포함하는 밀폐된 환경으로 구성됩니다.에너지 하전 입자(예를 들어 알파 또는 베타 입자)는 충돌 시 정전력을 통해 가스 분자를 떨어뜨려 이온화된 가스 입자의 흔적을 만들어냄으로써 가스 혼합물과 상호작용합니다.생성된 이온은 가스 혼합물이 응축점에 있을 경우 주위에 작은 물방울의 안개 같은 흔적이 형성되는 응축 중심 역할을 합니다.이 물방울들은 물방울이 증기를 통해 떨어지는 동안 몇 초 동안 지속되는 "구름" 자국으로 보입니다.이 트랙들은 독특한 모양을 하고 있다.예를 들어, 알파 입자 트랙은 두껍고 곧은 반면, 베타 입자 트랙은 얇고 충돌에 의해 휘어지는 더 많은 증거를 보여줍니다.

구름 방은 1920년대부터 1950년대까지 거품 방이 등장할 때까지 실험적인 입자 물리학에서 중요한 역할을 했습니다.특히 칼 앤더슨이 1932년에 양전자를 발견하고 1936년에 뮤온을 발견했을 때는 구름실이 사용되었습니다.1947년 조지 로체스터와 클리포드 찰스 버틀러가 카온을 발견한 것도 구름실을 검출기로 [1]사용해 이뤄졌다.각각의 경우에서 우주선은 이온화 방사선의 근원이었다.그러나 그것들은 인공적인 입자 소스에도 사용되었습니다. 예를 들어, 맨하탄 [2]프로젝트의 일환으로 방사선 촬영 애플리케이션에도 사용되었습니다.

발명.

그림 2: 영국 케임브리지 캐번디시 연구소에 있는 C.T.R. 윌슨의 원래 구름실.

스코틀랜드의 물리학자 찰스 톰슨 리스 윌슨(1869–1959)은 구름실을 발명한 공로를 인정받고 있다.1894년 벤 네비스 정상에서 작업하던 중 브로큰 유령의 목격에 영감을 받아 그는 습한 공기 중의 구름 형성과 광학 현상을 연구하기 위한 확장 챔버를 개발하기 시작했다.매우 빠르게 그는 이온이 그러한 방에서 물방울 형성의 중심 역할을 할 수 있다는 것을 발견했다.그는 이 발견의 응용을 추구했고 1911년 최초의 구름 방을 완성했다.Wilson의 원래 챔버(그림 2 참조)에서는 밀폐된 장치 내부의 공기가 수증기로 포화된 후 다이어프램을 사용하여 챔버 내부의 공기를 확장(단열 팽창)하여 공기를 냉각시키고 수증기를 응축하기 시작했다.그래서 확장 구름 챔버라는 이름을 사용한다.이온화 입자가 챔버를 통과할 때, 수증기가 생성된 이온에 응축되어 입자의 흔적을 증기 구름에서 볼 수 있다.윌슨은 1927년 구름실에 대한 그의 연구로 노벨 물리학상의 절반을 받았다. (아더 콤프턴이 콤프턴 효과로 [3]절반의 상을 받은 것과 같은 해).이러한 챔버는 운전 조건이 지속적으로 유지되지 않기 때문에 펄스 챔버라고도 불립니다.Patrick Blackett은 견고한 스프링을 사용하여 챔버를 매우 빠르게 확장하고 압축하여 챔버를 초당 여러 번 입자에 민감하게 만들었습니다.시네 필름을 사용하여 영상을 기록했습니다.

확산 구름실은 1936년 알렉산더 랭스도르프에 [4]의해 개발되었다.이 챔버는 방사선에 지속적으로 민감하고 바닥이 -26 °C(-15 °F)보다 낮은 온도로 냉각되어야 한다는 점에서 확장 구름 챔버와 다릅니다.수증기 대신 알코올이 사용되는 이유는 빙점이 낮기 때문이다.드라이아이스 또는 펠티에 효과 열전 냉각에 의해 냉각되는 구름 챔버는 일반적인 시연 및 취미용 장치입니다. 여기에 사용되는 알코올은 일반적으로 이소프로필 알코올 또는 메틸화 알코올입니다.

구조 및 운용

그림 3: 확산형 구름실알코올(일반적으로 이소프로판올)은 챔버 상부의 덕트에 있는 히터에 의해 증발됩니다.냉각 증기는 검은색 냉장판으로 내려가고 거기서 응축됩니다.온도구배에 의해 바닥판 위쪽에 과포화증기층이 형성된다.이 지역에서는 방사선 입자가 응결을 유도하여 구름 자국을 형성한다.
그림 4: 확산 구름실 내에서의 응축 자국 형성 방법.
그림 5: 확산 구름실에서는 (1)점 부근의 Pb-210 핀원으로부터의 5.3MeV 알파 입자 트랙이 (2)점 부근에서 루더포드 산란되어 약 30도의 각도 세타만큼 편향된다.3번 지점 부근에서 다시 한번 흩어지다가 마침내 가스에 잠긴다.챔버 가스의 표적 핵은 질소, 산소, 탄소 또는 수소 핵일 수 있다.탄성 충돌 시 운동 에너지를 충분히 받아 (2) 지점 부근에서 짧은 가시 반동 트랙을 발생시킨다. (척도는 센티미터 단위)

확산형 구름 챔버에 대해서는 여기서 설명하겠습니다.단순한 구름실은 밀폐된 환경, 따뜻한 상판 및 차가운 바닥판으로 구성됩니다(그림 3 참조).액체가 증발하는 챔버의 따뜻한 쪽에 액체 알코올 공급원이 필요하여 가스를 통과하면서 냉각되고 차가운 바닥판에 응축되는 증기를 형성합니다.이온화 방사선이 필요합니다.

이소프로판올, 메탄올 또는 기타 알코올 증기가 챔버를 포화시킵니다.알코올은 냉각되면서 떨어지고 냉응축기는 급격한 온도 구배를 제공합니다.그 결과, 과포화 환경이 됩니다.에너지 하전 입자가 가스를 통과할 때 이온화 흔적을 남깁니다.알코올 증기는 이온화 입자가 남긴 가스 이온 흔적 주변에서 응축됩니다.이는 알코올과 물 분자가 극성을 띠기 때문에 가까운 자유 전하로 향하는 순 유인력이 생기기 때문입니다(그림 4 참조).그 결과, 응축기로 낙하하는 물방울의 존재로 볼 수 있는 안개 낀 구름과 같은 형성이 됩니다.트랙이 소스로부터 방출되면, 트랙의 원점을 [5]쉽게 확인할 수 있습니다.그림 5는 Rutherford 산란을 받고 있는 Pb-210 핀형 선원으로부터의 알파 입자의 예를 나타내고 있다.

차가운 콘덴서 플레이트 바로 위에는 이온화 트랙에 민감한 챔버의 부피가 있습니다.방사성 입자가 남긴 이온 흔적은 응축과 구름 형성을 위한 최적의 트리거를 제공합니다.이 민감한 볼륨은 급격한 온도 구배와 안정적인 [5]조건을 사용하여 높이를 높입니다.강한 전장은 종종 챔버의 민감한 영역까지 구름 트랙을 끌어내리고 챔버의 감도를 높이기 위해 사용됩니다.또한 전기장은 대량의 백그라운드 "비"가 챔버의 민감한 영역을 가리는 것을 방지하는 역할을 할 수 있으며, 챔버의 민감한 부피 위에 응결이 형성되어 일정한 강수량에 의해 트랙이 가려집니다.검은 배경은 구름 자국을 보다 쉽게 관찰할 수 있도록 하며, 일반적으로 검은 배경에 흰 물방울을 비추려면 접선 광원이 필요합니다.종종 콘덴서 플레이트에 얕은 알코올 풀이 형성되기 전까지는 흔적이 뚜렷하지 않습니다.

자기장이 구름실 전체에 적용되면, 로렌츠 힘의 법칙에 따라 양전하 입자와 음전하 입자가 반대 방향으로 구부러집니다. 하지만, 강한 자기장은 작은 취미주의자 설정으로는 달성하기 어렵습니다.

기타 입자 검출기

버블 챔버는 도널드 A에 의해 발명되었다. 1952년 미국의 글레이저는 이 공로로 1960년 노벨 물리학상을 받았다.버블 챔버는 비슷하게 아원자 입자의 흔적을 드러내지만, 과열된 액체, 보통 액체 수소의 버블 흔적처럼 보입니다.버블 챔버는 물리적으로 구름 챔버보다 더 크게 만들 수 있으며, 훨씬 더 밀도가 높은 액체 물질로 채워져 있기 때문에 훨씬 더 에너지 있는 입자의 흔적을 드러냅니다.이러한 요인들은 수십 년 동안 거품 챔버를 입자 검출기로 빠르게 만들어 1960년대 초 [6]기초 연구에서 구름 챔버를 효과적으로 대체했다.

스파크 챔버는 챔버 내의 절연되지 않은 전선 그리드를 사용하여 배선 사이에 고전압이 인가되는 전기 장치입니다.에너지 하전 입자는 윌슨 구름 챔버에서와 같은 방식으로 입자의 경로를 따라 기체의 이온화를 유발하지만, 이 경우 주변 전기장은 초기 이온화 위치에서 스파크의 형태로 본격적인 가스 파괴를 일으킬 만큼 충분히 높습니다.그런 다음 이러한 스파크의 존재와 위치를 전기적으로 등록하고 나중에 디지털 컴퓨터 등에 의해 분석하기 위해 정보를 저장합니다.

유사한 응축 효과는 윌슨 구름(응축 구름이라고도 함)에서 습한 공기의 대규모 폭발 및 기타 프란틀-글라우르트 특이점 효과에서 관찰할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ "The Nobel Prize in Physics 1936". The Nobel Prize. Retrieved 7 April 2015.
  2. ^ C.L. Morris; et al. (2011). "Flash radiography with 24 GeV/c protons". Journal of Applied Physics. 109 (10): 104905. doi:10.1063/1.3580262.
  3. ^ "The Nobel Prize in Physics 1927". www.nobelprize.org. Retrieved 2015-04-07.
  4. ^ Frisch, O.R. (2013-10-22). Progress in Nuclear Physics, Band 3. p. 1. ISBN 9781483224923.
  5. ^ a b Zani, G. 물리학부, RI USA. "윌슨 구름실"2016년 5월 13일 갱신.
  6. ^ "The Nobel Prize in Physics 1960". www.nobelprize.org. Retrieved 2015-04-07.

레퍼런스

갤러리

  • Particle tracks from radioisotopes in an expansion cloud chamber. (Left) Alpha tracks from Am-241 source, with one beta track possibly from its daughter radionuclide, Pa-233. (Right) Beta tracks from Sr-90/Y-90 source.

    팽창 구름 챔버의 방사성 동위원소로부터의 입자 트랙. (왼쪽) Am-241 선원의 알파 트랙, 딸 방사성 핵종인 Pa-233의 베타 트랙이 있을 수 있다. (오른쪽) Sr-90/Y-90 선원의 베타 트랙.

  • 홈메이드 클라우드 챔버.

  • Image taken in the Pic du Midi at 2877 m in a Phywe PJ45 cloud chamber (size of surface is 45 x 45 cm). This rare picture shows in a single shot the 4 particles that are detectable in a cloud chamber : proton, electron, muon (probably) and alpha

    Phywe PJ45 구름실 2877m에 있는 Pic du Midi에서 촬영한 이미지(표면 크기는 45×45cm).이 희귀한 사진은 구름 챔버에서 검출 가능한 4개의 입자, 즉 양성자, 전자, 뮤온(아마도) 및 알파를 한 번에 보여줍니다.

  • Cloud chamber with visible tracks from ionizing radiation (short, thick: α-particles; long, thin: β-particles). See also Animated Version

    이온화 방사선의 가시적인 궤적이 있는 구름실(짧고 두꺼운: α 입자, 길고 얇은: β 입자).애니메이션 버전도 참조

  • 클라우드 챔버가 작동하는 비디오

  • Example of watercooled thermoelectric cloud chamber

    수냉식 열전 구름실 예시

  • Cloud chamber with cloud tracks created by particles of ionising radiation (Image taken after injection of radon)

    이온화 방사 입자에 의해 생성된 구름 궤적이 있는 구름실(라돈 주입 후 촬영된 이미지)

  • Alpha particles from a Radium source in a cloud chamber

    구름실 내 라듐 소스에서 나오는 알파 입자

  • Radon-220 decay in a cloud chamber

    구름실 내 라돈-220 붕괴

  • Alpha particles and electrons (deflected by a magnetic field) from a thorium rod in a cloud chamber

    구름실 내 토륨 로드로부터의 알파 입자 및 전자(자기장에 의해 편향됨)

  • Radioactivity of a Thorite mineral seen in a cloud chamber

    구름실 내 토라이트 광물의 방사능

  • Diffusion Cloud Chamber with 4.6kV Ion Scrubber

    4.6kV 이온 스크러버가 있는 확산 구름실

  • Homebrewed TEC / Water-cooled (5-Stage) Diffusion Cloud Chamber

    홈브루드 TEC/수냉식(5단계) 확산 구름실

  • Wilson 챔버 비디오

외부 링크

Wikimedia Commons에는 Cloud Chambers 관련 미디어가 있습니다.