Камера Вильсона - один из самых простых способов построить собственный детектор частиц. С помощью камеры Вильсона вы можете визуализировать следы, оставленные космическим излучением, радиоактивностью окружающей среды или радиоактивными образцами, такими как минералы, содержащие уран или торий. Исторически камеры Вильсона принадлежали к старейшим типам детекторов частиц, а сегодня они используются в основном в демонстрационных целях. В камере Вильсона диффузионного типа перенасыщенный пар (обычно спирт) конденсируется вдоль следов, оставленных ионизирующими частицами, тем самым делая следы видимыми. Более подробное описание принципа работы вы можете найти в статье Википедии.
Камера Вильсона, описанная в этом руководстве, имеет следующие особенности.
- Активная площадь 60 x 60 мм2
- охлаждение Пельтье (сухой лед не требуется)
- источник высокого напряжения для увеличения видимости следов
- белые светодиоды для освещения камеры
- вся электроника установлена в корпусе, вырезанном лазером, с причудливыми световыми вывесками
Есть еще пара других проектов облачных камер, которые помогли мне с этой сборкой. Дизайн этой камеры был адаптирован Дэвидом Асейтуно. Также очень помогли следующие инструкции от nothinglabs.
Шаг 1. Соберите материалы
Для этого проекта я использовал следующие материалы
- TEC2-25408 (ebay.de)
- Блок питания ATX (amazon.de)
- Cooler Master Hyper 412S (amazon.de) + второй вентилятор (amazon.de)
- Стеклянный колокол 11 x 16 см (amazon.de)
- белая светодиодная лента (amazon.de)
- электрическая мухобойка (amazon.de)
- Медная пластина 60 x 60 мм, толщиной 2 мм
- Пластина из черного акрила 400 x 700 мм, толщиной 3 мм
- перекидной переключатель
- Светодиод 3 мм + держатель лицевой панели
- губка
- самоклеящаяся черная виниловая пленка
- Труба ПВХ, ID 5 мм (amazon.de)
- 28 болтов M3 длиной 10 мм + гайки + шайбы
- 8 пластиковых винтов M5 длиной 20 мм + гайки + шайбы
- 4 винта M4 длиной 40 мм + гайки + шайбы
- термопаста (см. рекомендации на следующем шаге)
- 99,9% изопропанол
Кроме того, я использовал некоторые компоненты, напечатанные на 3D-принтере, множество проводов Dupont, кабели ATX Molex, немного упаковочной пены и горячий клей (потому что без горячего клея невозможно создать проект) и белую бумагу для выпечки для рассеивания светодиодов.. Используемые инструменты включают 3D-принтер, лазерный резак, паяльник, дрель и ИК-термометр. В качестве радиоактивных образцов я использовал торированные сварочные стержни (amazon.de) и небольшой кусочек урановой обманки (уранинита), который иногда можно найти на ebay.
Шаг 2: испытание элемента Пельтье
Для работы камеры Вильсона температура должна быть ниже -25 ° C. Во многих других инструкциях это достигается каскадированием двух элементов Пельтье и запуском нижнего элемента при более высоком напряжении. Я пробовал много разных конфигураций, включая два или даже три ТЕС, работающих при разном напряжении, но всегда получал примерно одинаковую температуру. В конце концов, я использовал двухступенчатый элемент ТЕС, который, возможно, немного дороже, чем два одноступенчатых элемента с той же охлаждающей способностью, но для него требуется только одно напряжение. ТЭО крепился к кулеру процессора с помощью тепловых трубок. Хотя эти кулеры для ЦП предназначены для работы с тепловыми трубками, обращенными вверх, они также обеспечивают достаточную охлаждающую мощность при использовании в перевернутом виде. ТЭО был прикреплен к кулеру процессора термопастой. Сначала я использовал популярный Arctic MX-4, но я не рекомендую его, потому что он имеет очень высокую вязкость и его трудно равномерно наносить на большие поверхности. Также его трудно удалить, потому что он очень липкий. Видимо, мне даже удалось скрепить им две ТИК на постоянной основе. Наконец, я перешел на другую термопасту (которая также была дешевле), как показано на рисунке, это снизило температуру почти на 10 ° C (!). TEC был подключен к выходу 12 В (желтые провода) блока питания ATX. Как показано на рисунке, к источнику питания была подключена перемычка (см. Также шаг 11), так что он включается сразу после нажатия переключателя на задней панели. Вентиляторы процессорного кулера также управлялись блоком питания. Следите за тем, чтобы ТЭО располагался правильной стороной вверх, т.е. красный провод должен быть направлен вправо, как показано на рисунке. Через несколько минут мне удалось достичь температуры около -42 ° C. Если вы не достигли температуры ниже -25 ° C, проверьте тепловую муфту.
Шаг 3: Подготовьте источник высокого напряжения
ВНИМАНИЕ: Будьте осторожны при работе с высоким напряжением
Хотя электрическая мухобойка, вероятно, не способна убить человека (если, возможно, ваша ДНК не испортилась в результате неудачной попытки телепортации;-)), вы будете возиться с электроникой, поэтому постарайтесь сохранить ее в безопасности.
Я снял с мухобойки цепь генерации высокого напряжения. Схема работала на двух батареях 1,5 В, так что позже ее можно было подключить к проводам 3,3 В (оранжевым) блока питания ATX. Печатная плата содержала кнопку мгновенного действия, которая заряжает конденсатор, как только кнопка отпускается, HV снова медленно разряжается. Чтобы напряжение оставалось постоянным, я заменил кнопку переключателем. Также светодиодный индикатор состояния был заменен светодиодом, устанавливаемым на панель, и я подключил разъемы Dupont на входе и выходе. Я не уверен, насколько высокое генерируемое напряжение, я могу только сказать, что оно где-то выше диапазона измерения моего мультиметра (1 кВ), но ниже точки, где оно разрушается.
Шаг 4: компоненты, напечатанные на 3D-принтере
Я прикрепил файлы stl для всех деталей, напечатанных на 3D-принтере. Верхняя пластина используется как основание для стеклянного колокола и для крепления светодиодных лент. Верхний кронштейн необходим дважды для соединения труб из ПВХ, которые используются для крепления губки и высоковольтной сети. Другой кронштейн используется для крепления медной пластины к кулеру процессора.
Шаг 5: приготовьте медную пластину
Просверлите четыре отверстия (диаметром 4,5 мм) в медной пластине на расстоянии 50 мм (см. Прилагаемый pdf-файл). Также прикрепите к пластине черную виниловую пленку. Я оставил края свободными, потому что между пластиной и винтами, фиксирующими пластину, должно быть электрическое соединение для высокого напряжения. Винты M4 входят в кронштейн, напечатанный на 3D-принтере, который позже используется для крепления медной пластины.
Шаг 6: высоковольтная сеть и губка
Электросеть для высокого напряжения была отрезана от мухобойки и, кстати, к ней уже был прикреплен провод. Я установил сетку примерно на 4 см над медной пластиной, чем меньше расстояние, тем выше будет электрическое поле. Пластиковые винты были приклеены к трубам из ПВХ, и сетка была прикреплена соответствующими гайками. Губка пройдет над решеткой, и я отрегулировал длину труб из ПВХ, чтобы она по-прежнему помещалась внутри стеклянного колпака. Я решил, что удобно держать губку на большом расстоянии от холодной плиты, чтобы испарилось больше спирта.
Шаг 7: корпус для лазерной резки
Я разработал коробку с помощью инструмента Makercase, а затем модифицировал ее в Fusion 360. Как уже упоминалось, корпус был вырезан из черного акрила толщиной 3 мм, и я прикрепил файлы dxf. Вы можете спросить себя, почему корпус выглядит как швейцарский сыр. Это связано с тем, что сначала у меня возникли проблемы с недостаточным понижением температуры после того, как кулер процессора был установлен в корпусе, поэтому я начал добавлять все больше и больше отверстий для вентиляции. Наконец, как уже упоминалось, использование другого типа термопаста позволило мне значительно улучшить температуру, поэтому, вероятно, камера также будет работать с меньшим количеством вентиляционных отверстий.
Шаг 8: световые вывески
Я подумал, что было бы неплохо добавить несколько световых вывесок на корпус, потому что светодиоды делают почти все круче. Итак, я напечатал на 3D-принтере некоторые элементы, используя прозрачную нить HD Glass (файлы stl прилагаются). Детали были напечатаны с высотой слоя 0,4 мм и 100% заполнением. Я также использовал функцию «включить глажение» в Cura, чтобы получить более гладкий верхний слой. Качество отпечатков на моем 3D-принтере оказалось не лучшим, потому что нить очень липкая. После печати я прикрепил к обратной стороне несколько кусочков белой светодиодной ленты горячим клеем. Поскольку для знака HV требуется только один светодиод, а светодиодная лента содержит три светодиода, я просто заблокировал остальные светодиоды черной лентой. Я также нанесла немного горячего клея на светодиоды перед тем, как рассеять свет (трюк, который я узнал в этом руководстве). Наконец, детали были прикреплены к корпусу также с помощью горячего клея.
Шаг 9: Подготовьте верхнюю пластину
Подготовьте верхнюю пластину, приклеив светодиодную ленту с внутренней стороны и пропустив провода через отверстие. Здесь я прикрепил бумагу для выпечки к светодиодам, чтобы рассеять свет. Затем пластина, напечатанная на 3D-принтере, была прикреплена к верхней пластине корпуса для лазерной резки с помощью винтов и гаек M3.
Шаг 10: прикрепите верхнюю пластину
Нанесите термопасту на верхнюю часть элемента Пельтье, затем поместите верхнюю пластину (корпус + напечатанное на 3D-принтере кольцо) сверху. После этого медная пластина ложится поверх элемента ТЕС. Я также вырезал квадратные кусочки из упаковочной пены и положил их между ними. Медная пластина фиксируется с помощью 3D-печатного кронштейна с помощью винтов M4. Я прикрепил провод к одному из винтов, который позже был подключен к высокому напряжению. После сборки рекомендуется подключить все к источнику питания и еще раз измерить температуру. Как видите, мне удалось достичь -36 ° C. По моему опыту, наиболее важным для работы камеры является достижение низкой температуры. Если температура не ниже -25 ° C, вы, вероятно, не увидите никаких следов.
Шаг 11: соберите корпус
Соберите корпус, как на прилагаемых картинках. Стенки скрепляются винтами M3 длиной 10 мм и гайками, которые вставляются в Т-образные пазы. Также я укрепил корпус горячим клеем, где это возможно, и приклеил к основанию небольшие ножки из пенопласта. Блок питания ATX крепился к задней панели винтами M3. Корпус был более или менее намеренно спроектирован так, чтобы быть немного выше, чем нужно. Чтобы установить кулер процессора на нужную высоту, я положил снизу небольшие кусочки поролона. Печатная плата высокого напряжения была установлена на нижнюю пластину с помощью проставки для печатной платы. Светодиод и флип-переключатель были прикреплены к передней панели. Вентиляторы, ТЭО и все светодиодные ленты были подключены к выходу 12 В блока питания (желтые провода). Плата ВН была подключена к выходу 3,3 В (оранжевый провод). Выход ВН подключается к медной пластине через провод на одном из винтов. Другой выходной сигнал можно пропустить через отверстие в верхней пластине, напечатанной на 3D-принтере, а затем подключить к металлической сетке. По моему опыту полярность высокого напряжения не имеет значения. Похоже, это не соответствует тому, что высокое напряжение увеличивает чувствительность за счет дрейфа ионизационных треков в активной области, как предлагается в статье в Википедии. Я скорее верю, что это помогает убрать лишние заряды, которые накапливаются в камере, как предлагали другие люди. Поскольку внутри корпуса очень мало места, кабели приходится немного теснить. Я попытался удержать все кабели на месте с помощью кабельных стяжек.
Шаг 12: Завершение
После сборки корпуса сетку высокого напряжения и губку можно положить на холодную пластину. Подключите провод высоковольтной сети и закройте камеру стеклянным колпаком, после чего сборка будет завершена.
Шаг 13: визуализация излучения
Чтобы камера заработала, тщательно смочите губку изопропанолом и поместите образец в середину медной пластины. При включении камеры через несколько минут на дне должен образоваться туман из спирта, и должны появиться следы. Если вы включите высокое напряжение, видимость дорожек должна сильно увеличиться. В частности, высокое напряжение делает дорожки более сфокусированными и менее растянутыми.
Пока я пробовал два образца, первый - несколько кусков торированного сварочного прутка, содержащего 2% оксида тория. Эти образцы легко доступны, и их довольно легко обрабатывать, поскольку они не производят пыли или большого количества радиоактивного газа (Th-232 производит Rn-220, но период полураспада последнего очень короткий). Th-232 является первым изотопом в одной из цепочек естественного распада, т.е. образец будет содержать ряд радиоактивных изотопов и излучает альфа, бета и гамма-излучение. Второй образец, который я получил, представлял собой кусок камня, содержащий минеральную урановую обманку (оксид урана). По фотографиям и видео уже видно, что этот образец имеет гораздо более высокую активность. U-238 является первым изотопом в другой цепи естественного распада, и поэтому образец содержит все изотопы этого ряда, среди которых несколько альфа-, бета- и гамма-излучателей. Я бы не рекомендовал держать дома большее количество этого минерала, потому что активность довольно высока. Кроме того, он производит некоторое количество пыли, а также газообразный Rn-222. Это означает, что даже если вы храните его в контейнере из свинца, радиоактивный газ будет диффундировать.
В чем может быть проблема, если вы не видите треков? Вначале очень часто случалось, что я действительно видел, как образуется туман из спирта, но никаких следов. Обычно камера работала без корпуса, но не после того, как я закрыл корпус. Это привело меня к подозрению, что температура не становится достаточно низкой, поэтому я пробовал различные комбинации различных элементов ТЕС. Также у меня вначале был только один вентилятор для кулера процессора и меньше щелей в корпусе для вентиляции. Я также пробовал жидкостный кулер для процессора, но я никогда не достигал намного более низких температур, чем в текущей конфигурации. В конце концов, самым большим улучшением для меня стала замена термопаста. Я не совсем уверен, что это была исключительно температурная проблема, она также могла быть связана с турбулентностью воздуха внутри камеры, вызванной вентиляторами, которые препятствуют образованию стабильного облака пара. Кроме того, также могут иметь значение температура и влажность окружающей среды.
Шаг 14: Будущие улучшения
Я бы сказал, что одним из самых больших недостатков является малая активная площадь этой камеры. Это не проблема, если вы измеряете небольшие образцы, но для визуализации окружающей радиоактивности или космических мюонов было бы лучше иметь большую площадь. В принципе, можно просто увеличить размер медной пластины, но для достижения той же температуры необходимо также увеличить размер элементов TEC или использовать несколько элементов. В этом случае вам, вероятно, также понадобится другой кулер для горячей стороны пельтье. Чтобы достичь действительно больших площадей, также есть возможность использовать компрессор для охлаждения, как показано в этой впечатляющей камере Вильсона от CloudyLabs.
В таком виде камера может работать непрерывно не менее 15 минут. Чтобы добиться действительно непрерывной работы, необходимо добавить насос, который собирает конденсированный спирт снизу и перемещает его обратно вверх. Наконец, можно также установить нагревательный провод наверху, чтобы увеличить градиент температуры и, тем самым, толщину активного слоя.