自制云室观察射线径迹

梁振华

(德清县第一中学 浙江 湖州 313200)

如图1所示，云室由英国科学家威尔逊发明，它通过产生过饱和蒸气来观测带电粒子的径迹，由于其采用绝热膨胀的方式来产生过饱和蒸气，操作复杂，观察时间短，并且无法连续工作.

图1 威尔逊云室

本装置利用温差产生过饱和蒸气，通过高温端产生酒精蒸气，低温端将蒸气冷却到过饱和状态，而带电粒子穿过过饱和酒精蒸气空间时，会在其运动路径将酒精蒸气凝结为液滴从而可以被观察到.根据这一原理，设计并制作出了高低温扩散云室，并使用实际生活中的相关物品作为发射源，观察射线径迹.

1 原理

云室主要类型有膨胀型云室和扩散型云室，都是通过产生过饱和蒸气来观察带电粒子，不同的是，膨胀型云室是用机械方法使得容器内气体体积瞬间绝热膨胀，从而得到过饱和蒸气；而扩散型云室内的顶部温度较高，底部温度较低，蒸气从顶部高温端向底部低温端扩散时，会在底部附近形成过饱和蒸气.当带电粒子(如α粒子、电子等)穿过该过饱和蒸气区域时，就会在飞行路径上使气体(空气) 电离，形成的“电子-离子对”会吸附过饱和酒精蒸气分子，从而凝结为小液滴，在强光的照射下，便可以观察到带电粒子的径迹[1,2].

本云室利用上端恒温加热板和底部制冷片在温室内建立较大的温差，能够在短时间快速形成过饱和蒸气层，而且可以长时间观察.整个装置一体化设计，操作时只需加入酒精和放射源，一键开机后短时间内就可以观察到射线的径迹.

2 云室所需材料的选择

云室制作前需要确定如何维持冷热两端的温度差，并且最好大于50 ℃.通过查找，笔者选择了TEC2-19008型号的制冷片(图2)和塔式风冷结合作为冷端制冷.

图2 制冷片

通过实际测量在28 ℃的室温下，制冷片表面温度可以快速的达到-20 ℃左右.热端加热装置采用12 V,10 W的硅胶加热板，并使用智能温控模块使热端的温度可以根据外界温度调节和恒温控制.制冷片、加热板、温度控制器的供电使用了学校淘汰电脑中的机箱电源.

云室常用的工作介质有酒精、乙二醇、异丙醇等挥发性液体，根据学校现有条件选择了浓度为95%的医用酒精，在云室顶部加热板下粘贴有毛毡布用于储存酒精.由于现阶段高中学校中没有具有放射性专用辐射源，通过查询，发现在实际生产生活中有些物品具有一定的放射性，本实验选择了烟雾报警器中的241Am、氩弧焊中使用的钍钨电极和涂有二氧化钍的汽灯纱罩中的232Th，如图3～5这3种材料都是民用产品，含有放射性物质很少.

图3 烟雾报警器 图4 钍钨电极

利用铅管制作了铅罐，如图6所示 ，用于存放辐射源，避免射线辐射危害.

图5 汽灯纱罩 图6 铅罐

为了能够使观察更为方便，云室照射光源采用360°环状LED灯；云室密闭结构由透明亚克力板粘合而成，可以在四周各个方向观察.

3 云室的设计与制作

云室装置的主要结构如图7所示，由冷端、热端、透明密闭容器组成.制冷片发热端与塔式散热器相连，连接处涂有导热硅脂，散热器用3个高速风扇加强散热效果，如图8所示.

图7 云室装置设计图

图8 冷端及散热器

制冷片冷端与热传导性能较高的边长10 cm的黑色正方形铝板相连，铝板边长10 cm、厚度5 mm，表面黑色阳极氧化处理.铝板与散热器之间用泡沫棉隔离，提高制冷效率与保温效果.4块透明亚克力板和薄铝板粘合成长10 cm,宽10 cm,高20 cm的长方体云室及观察室，如图9所示.

图9 透明玻璃罩与加热板

实验时将长方体倒扣在黑色铝板上，形成一个密闭的环境.长方形顶部薄铝板内侧粘贴有毛毡布用于储存酒精，薄铝板外侧贴有硅胶加热板，提高顶端酒精蒸气温度和加快酒精蒸气蒸发.加热板与智能温控模块采用可插拔连接线相连，便于拿起长方体云室时加注酒精和取放辐射源.

利用黑色亚克力板制作不透光底座外壳，使用制图软件制作激光雕刻图纸，如图10所示，将各部分安装位置精确定位，并在适当位置开设散热通风口.各部分元件安装后，装置一体化，如图10所示，使用220 V供电，放置酒精液体和辐射源后，一键开机即可.

图10 实验装置

4 射线径迹的观察

4.1 241Am辐射源

拆解离子式烟雾报警器中的离子室，如图11所示，内部还有微量的241Am，241Am主要发生α衰变，放出α射线.

图11 烟感器与含有241Am的电离室

如表1所示，241Am发射的α粒子能量在4.79～5.49 MeV之间，表1中α 粒子的能量、对应的发射概率、在空气中的射程和在酒精气体中的射程，其中α粒子在空气中的射程由经验公式R=12.4Eα-26.2(mm)计算得到.由于射线径迹呈现区域为酒精气体和空气的混合物，故观察到的射线径迹长度在19.85～25.41 mm之间.但由于过饱和蒸气区比较薄，不一定能呈现完整的射线径迹.

表1 241Am衰变发射α粒子的能量及射程

4.2 232Th辐射源

232Th辐射源可以用含有微量氧化钍的钍钨电极或涂有微量氧化钍的汽灯纱罩，将钍钨电极裁剪成小段，直接放置于云室底部铝板上即可作为辐射源.表2为232Th衰变发射α粒子的能量及射程

表2 232Th衰变发射α粒子的能量及射程

4.3 射线径迹的观察

拿起有机玻璃罩，在云室底部黑色铝板上涂上一层酒精液体，并在铝板中间放上放射源；在有机玻璃罩顶部的毛毡布上滴上5 mL酒精；再将有机玻璃罩盖在云室底部铝板上，并将加热板导线连接好；打开电源开关，制冷片和加热板开始工作，灯光同时打开；根据室温调节加热板设定温度，一般比室温高20 ℃左右.

整个装置开始工作后3～5 min，云室底部会形成稳定的过饱和蒸气区，即可看到云室底部附近呈现出明显的白色径迹；若云室内没有放入放射源，可以看到质子、β射线和宇宙射线等径迹，如图12所示.

图12 实验现象