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云室
本詞條是多義詞，共2個義項
威爾遜發(fā)明的核輻射探測器
設備簡介
設備發(fā)明
1895年秋，德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的消息傳到英國，1896年初，卡文迪什實驗室主任J·J·湯姆孫就開始了空氣受X射線照射后導電特性的研究，并提出氣體電離理論．威爾遜因而有機會接觸當時原始形式的X射線管．他用X射線照射云室，發(fā)現(xiàn)在膨脹比達到一定限度時形成了云霧．這個實驗表明，X射線產(chǎn)生了大量的凝結核，它們和空氣中產(chǎn)生的極少量的核同屬一類．在此后的兩年中，威爾遜用他發(fā)明的膨脹儀研究了X射線、新發(fā)現(xiàn)的鈾射線、紫外線、尖端放電及其他方法在空氣中產(chǎn)生的凝結核．實驗結果表明，由純粹電離作用產(chǎn)生的核使水蒸氣凝聚所要求的最小過飽和值全都相同，由電離作用產(chǎn)生的凝結核在電場中的性質表明它們確實是帶電離子．這就支持了J·J·湯姆孫的氣體電離理論．這些研究報告于1898年秋送交了皇家學會．
帶電粒子看不見，但帶電粒子作為凝結核可以使水蒸氣在它周圍凝成霧珠，霧珠是看得見的．可以利用這個性質來顯示帶電粒子的蹤跡．遺憾的是，由于威爾遜忙于別的研究工作，沒有繼續(xù)從事這方面的研究．
直到1910年，威爾遜重新開始了膨脹云室的研究，他現(xiàn)在思考的問題是使已知電荷的離子通過凝聚而成為可見的、可數(shù)的和可照相的痕跡的方法．當時，α和β射線的微粒性概念已得到人們的確認，他想，當帶電粒子穿過空氣時由于和空氣中的氣體分子碰撞而使氣體分子電離，從而在入射粒子的運動路徑上生成大量的正負離子對，過飽和的水蒸氣將以這些正負離子為核心凝成霧珠，而霧珠是可見的和可照相的．有了這種想法，威爾遜開始著手試驗膨脹儀器的最合適的形狀，尋找拍攝云霧顆粒的瞬時照相的有效方法。1911年春，試驗尚未完成．有一天，他用已做好的粗糙儀器試驗一下能否看見某些痕跡，實驗用的是X射線，雖然沒抱多少成功的希望，但結果卻令他欣喜：云室中出現(xiàn)了云霧構成的細小線條，這些線條就是由于射線作用而產(chǎn)生的電子的徑跡．后來，他把閃爍鏡上裝有鐳的金屬片放到云室里，第一次看到了沿α粒子徑跡凝聚成的非常漂亮的云霧圖像；當讓適當?shù)姆派湓纯拷剖視r，還看到了快速β粒子的長線狀徑跡。1911年夏，可拍照的膨脹云室終于設計完成了，他用α粒子的徑跡照片，證實了W·H布拉格不久前關于X射線粒子性的分析．威爾遜指出，要得到一張好的云室徑跡照片，需要滿足兩個條件：首先，膨脹不能攪動氣體．為了保證這一點，可使用扁而寬的云室，它的底可以突然下降，可根據(jù)要求增加容積．其次，云室內(nèi)不能有“塵埃”粒子，也不能有離子，待觀察的電離離子除外。為此，需在云室的頂部和底部之間加一個電場。
設備原理
云室是顯示能導致電離的粒子徑跡的裝置，是最早的帶電粒子探測器，由C．T．R．威爾遜1896年提出的，故稱威爾遜云室。它的原理是：射出云室的高能粒子引起的離子在過飽和蒸汽中可成為蒸汽的凝結中心，圍繞著離子將生成微小的液滴，于是粒子經(jīng)過的路徑上就出現(xiàn)一條白色的霧，在適當?shù)恼彰飨戮湍芸吹交蚺臄z到粒子運動的徑跡，根據(jù)徑跡的長短、濃淡以及在磁場中彎曲的情況，就可分辨粒子的種類和性質．云室的下底是可上下移動的活塞，上蓋是透明的，一小塊放射性物質(放射源)放在室內(nèi)側壁附近．實驗時，在室內(nèi)加適量酒精，使室內(nèi)充滿酒精的飽和蒸汽．然后使活塞迅速下移，室內(nèi)氣體由于迅速膨脹而降低溫度，于是飽和蒸汽沿粒子經(jīng)過的路徑凝結，顯示出粒子運動的徑跡．
由于云室靈敏時間短，工作效率低等原因，在核物理實驗中已很少應用。但在高能物理，特別是在宇宙射線研究中，膨脹云室仍不失為一種有用的探測工具。利用純凈的蒸氣絕熱膨脹，溫度降低達到過飽和狀態(tài)，這時帶電粒子射入，在經(jīng)過的路徑產(chǎn)生離子，過飽和氣以離子為核心凝結成小液滴，從而顯示出粒子的徑跡，可通過照相拍攝下來。
構成及性能
負溫的獲得
云室制冷方法有兩種：在云室壁外的夾套中加入酒精和干冰，或使用制冷壓縮機將蒸發(fā)管繞焊在云室壁外側直接使云室降溫。后者取消了夾套，操作雖較方便，但云室溫度有較大的波動，使冰核活化溫度難以確定。改進：設計容量為20 L的冷媒夾套，將壓縮機制冷的蒸發(fā)管路螺旋狀布設并浸泡在冷媒中，冷媒采用1: 1的乙二醇水溶液，以避免酒精蒸汽對冰核活化的抑制作用，這種配比的冷媒溶液在高于一35℃時不出現(xiàn)結晶，不致影響其熱傳導效率，較好地解決了云室溫度波動問題。
最低制冷溫度可達一28℃左右，完全能滿足一般實驗和檢測的要求，在壓縮機的自動啟停過程中，由于冷媒的熱容已足夠大，云室溫度較為穩(wěn)定。為使云室溫度能快而穩(wěn)地過渡到某一較高的實驗溫度，還設計了1個功率為1kW的電加熱器，平均分布在冷媒夾套的中下部，實驗時可根據(jù)需要接通或關閉。
溫度分布
雖然云室工作空間由冷媒夾套包圍，但仍存在一定的溫度梯度，不可能等溫。云室壁首先冷卻，水平方向以中心溫度略高，形成周邊空氣下沉而中心空氣上升的混合對流；因為云室上蓋不可能制冷又須有開口，在有些實驗操作中還需全部打開上蓋，因此，云室垂直向(特別是接近上部)有更大的溫度梯度。正是因為存在垂直溫度梯度，云室中的冰核并不是在某一個確定的溫度下活化的，只能取平均溫度作為冰核活化溫度。
過冷霧的形成
云室用人工呼氣，水汽在冷環(huán)境下凝結出霧滴，或者直接通入超聲霧化器產(chǎn)生的常溫霧。這兩種方法對云室溫度及云室內(nèi)的空氣造成很大擾動，而且通一次霧的維持時間很短，大約幾分鐘，若多次呼氣或多次通入常溫霧，又會造成云室中的水面過飽和，給檢測帶來誤差，因此迄今為止小型云室的造霧一直是一個難題。容積較大的云室如美國CSU等溫云室是連續(xù)通入過冷霧直至冰核化完成，但檢測結果需作稀釋訂正。改進：云室在結構上增加了一個銅質內(nèi)筒，來自超聲霧化器的常溫霧從底部沿內(nèi)筒與原云室壁的5 mm間隙中上升。云室壁與冷媒接觸溫度最低，霧得以預冷，然后上升到內(nèi)筒上沿，再翻入云室中沿壁下沉，到中下部又隨混合對流上升，進而彌散到整個云室內(nèi)筒。實測表明：經(jīng)間隙預冷處理的過冷霧流的溫度比云室內(nèi)溫度略低0. 2-0. 3℃，避免了瞬時高過飽和的發(fā)生。控制霧化器的送霧流量，還可實現(xiàn)霧的連續(xù)或斷續(xù)供應，解決了過冷霧維持時間短的問題，從而更好地模擬了冰核的活化和冰晶增長的溫濕條件。云室的排污口(位于云室下部)在檢測時是關閉的，否則會有霧的泄漏和冰晶的丟失，送霧時，云室蓋上有一小孔，用于排出多余氣體，以保證霧能夠斷續(xù)或連續(xù)供應。
冰晶接取
冰晶接取裝置的結構為：在一塊厚為10 mm的黃銅板上，用導熱硅脂貼放一塊按900均分的可盛放4個玻璃片的紫銅圓盤(厚度稍大于玻璃片)，在該銅盤的上方放置留有玻片暴露口的糖盤(與紫銅圓盤同心)。觀測自然冰核時，可使用糖盤接取冰晶目測計數(shù)。在檢測人工冰核時，可使用玻璃片接取顯微鏡計數(shù)的方法，通過轉動提柄上部的指針確定玻片暴露或關閉的狀態(tài)，依次暴露的玻璃片，最多可用4塊。
檢測冰晶的上下限：混合云室檢測冰晶的下限為糖盤法能檢測到的單位容積內(nèi)最低冰晶數(shù)，云室內(nèi)筒的有效容積為13. 5 L，按全盤出現(xiàn)1個冰晶計算，其檢測下限為0. 074個/L。檢測上限為玻璃片法能檢測到的單位容積內(nèi)最高冰晶數(shù)，顯微鏡視野面積為0. 0095cm(與放大倍數(shù)有關)，云室內(nèi)筒的有效容積為3.14x9x58.5≈15L，按每視野出現(xiàn)50個冰晶計算，其檢測上限約為9 x 10個/L。
雖然云室具有兩種接取冰晶的方法，二者相比，糖液法不確定因素較多(如：震動影響、盤壁影響、小冰晶不易進入糖溶液、冰晶數(shù)密度大時難以分辯等)，所以對人工冰核成冰性能進行檢測時，一般使用玻璃片法。
我國除建造了容積為96m和2m固定式云室以及多個小容積的便攜式混合云室外, 還有研究特定冰核活化機制的靜力擴散云室和均勻水滴凍結實驗裝置。利用這些設備, 在冰核活化的研究、播云催化劑的研制和自然冰核的觀測等方面曾做了許多工作。目前, 在云霧降水物理學中被廣泛應用的云室的構造和基本性能如下。
3L便攜式混合云室
云室主體為雙層夾套構造, 夾層充滿冷卻劑。檢測時從最低溫度開始, 在溫度回升過程中檢測冰核的活化溫度譜。它們具有操用簡便, 易攜帶進行現(xiàn)場檢測的優(yōu)點, 但由于體積小, 邊界效應較大, 致使檢測結果離散偏大。
2m3等溫云室
云室主體為上、下半球形帶夾套的中空圓柱體，內(nèi)徑1.2m, 最大高度2.08 m。載冷劑在夾套中循環(huán)，夾套外有10cm 厚的聚酯發(fā)泡層保溫。利用超聲霧化器造霧。云室附建有稀釋風洞, 其檢測結果可與CUS 等溫云室的檢測結果相互比較。
96m3中型云室
1m3等溫云室
云室高1.76 m, 內(nèi)徑0.88 m。云室溫度可預先設定, 自動調(diào)節(jié), 達到預置溫度后可長時間保持, 溫度波動低于0.1℃。云室的霧由超聲霧化器產(chǎn)生, 濕度、滴譜濃度可手動調(diào)節(jié)。
小型混合云室有兩個不能替代的特點:
但是冰核的活化對溫濕度條件極為敏感, 小型混合云室受體積限制溫度難以嚴格控制, 云室中過冷霧維持時間短, 通霧容易引起云室中氣樣體積、溫度和濕度的擾動等不足, 勢必會造成很大的不確定性。
15L 便攜式混合云室
15L混合云室最低制冷溫度可達- 28℃左右, 云室溫度較為穩(wěn)定, 測溫儀間的測量誤差為±0.1℃, 檢測冰晶的上下限分別為9×104 個/L 、0.074 個/L。
設備應用
大氣冰核濃度的觀測與研究
大氣中的氣溶膠粒子通過其對水的相變促進作用影響云的微物理結構和降水過程, 從而影響天氣氣候過程。這些已引起國際大氣科學界的關注。鑒于中國北方廣大地區(qū)冰晶過程在降水過程中起重要作用, 20 世紀60—70 年代在中國曾開展過多次大氣冰核的觀測, 結果表明: 與風沙過程有關的自然飄塵和人類活動排放的氣溶膠粒子是冰核的主要來源。80 年代北方層狀云人工增雨研究中, 觀測分析了中國北方廣大地區(qū)云凝結核濃度的區(qū)域分布特點。90 年代以后, 游來光等于1995 年和1996 年兩次組織了北京地區(qū)春季大氣冰核濃度的觀測, 發(fā)現(xiàn)冰晶濃度與云中氣溶膠粒子濃度, 兩者有較好的正相關關系。
β- AgI 為六方晶系, 晶體的點陣參數(shù)非常接近于冰, 其微粒在溫度低于- 4℃下能充當冰核, 通過異質核化在過冷云中產(chǎn)生冰晶。如能再降低AgI 與冰點陣參數(shù)的差別, 則可能進一步提高其成冰效率。在這方面國內(nèi)外進行過一些實驗工作, 旨在產(chǎn)生AgI與其他物質的復合氣溶膠, 來改變AgI 晶體的點陣參數(shù), 從而達到提高焰劑的成冰性能。焰劑配方成冰性能的優(yōu)劣, 主要通過云室的檢測來了解。1999 年結題的“人工增雨新催化技術系統(tǒng)研究”, 對國內(nèi)現(xiàn)有的各種AgI 焰劑在2m等溫云室中統(tǒng)一進行了成核率檢測和分析。
液氮( LN) 消霧成冰性能的實驗研究
液氮( LN) 播入冷云中與飽和濕空氣和云滴混合, 同其它催化劑一樣有貝吉龍過程(Bergeron) 的出現(xiàn), 產(chǎn)生大量的冰晶胚胎和冰晶。張錚等對液氮的消霧成冰性能進行了研究, 實驗結果表明: 液氮成核率與云霧溫度的相關不明顯, 但與液氮的播撒量有關。曹學成、任婕、王偉民、韓光等研究了液氮( LN) 成冰核作用和特征, 結果表明: 0～- 5℃的高溫段, LN 的成冰核率>1010.g ; - 5～- 10℃其成冰核率為10～10.g ; ≤- 10℃其成冰核率為10～10.g 。由于在高溫段LN 有較高的成冰核率, 因此, 在人工增雨對冷云催化作業(yè)和對人工消除過冷霧的催化作業(yè)方面, 有了更寬的溫度使用范圍。
稀土化合物成冰性能的實驗研究
在人工影響天氣工作中, 國內(nèi)外廣泛地使用著碘化銀, 為了克服實用播種中碘化銀氣溶膠的某些缺點( 如陽光引起活性衰減) , 也有采用水溶膠形式播種的, 然而, 兩者都要消耗大量白銀。為了尋找新的經(jīng)濟而有效的成冰催化劑, 多年來各國不少研究者對許多無機和有機化合物的成冰性能作了實驗研究。
70 年代初期, Matsubara 曾報道七種稀土元素氧化物的成冰性能, 并認為它們的成冰能力是中等的, 但卻無與之對比的標準。在此基礎上, 莫天麟等用化學方法制備了幾種混合稀土化合物水溶膠, 對它們的形成條件、凍結性能方面作了初步篩選, 得到氟化稀土(RF3) 、碘酸稀土[R(IO3)3]水溶膠與碘化銀水溶膠平均凍結溫度相近的結果。基于我國稀土資源豐富, 研究稀土化合物的成冰性能, 尋找目前廣泛使用的碘化銀催化劑的非銀催化劑替代品, 不但可以擴展稀土新的應用領域, 獲得自主知識產(chǎn)權, 而且對于人工影響天氣的可持續(xù)發(fā)展, 保護生態(tài)環(huán)境，都具有現(xiàn)實意義。
冰雪晶碰并勾連增長的實驗與觀測分析
在云生命期中, 單憑凝結是不能增長到毫米量級雨滴的, 要有碰并過程, 但直徑<50μm 的滴碰并效率很低。從云滴凝結增長到有效碰并到降雨似乎是很漫長的過程。然而人們常常觀測到云在lh內(nèi)形成降水, 有時l～2h 內(nèi)就形成降雹, 這歸功于冰晶的出現(xiàn)、相變。實驗與外場觀測發(fā)現(xiàn), 冰晶增長亦有一個與液滴碰并增長相似的加速過程, 冰晶碰并液滴( 過冷) 形成霰, 進而碰并過冷水滴長大成冰雹; 冰晶間相互碰并勾連、攀附, 快速增長為雪花或雪團, 如融化成毫米量級的雨滴, 將水質點增長加快, 加速降水進程。
人們早就注意觀測研究冰雪晶間碰并勾連現(xiàn)象, 認為它主要與溫度有關, l～- 5℃是多發(fā)區(qū), 其機制主要是粘連, - 12～- 17℃次之, 主要是勾連、攀附；晶型最多的是片狀及輻枝狀, 還有針狀成束晶。黃庚等認為冰晶的增長過程僅在水面飽和、過飽和條件下發(fā)生。其中- 13～- 17℃碰并勾連效率最高, 該層的枝、星狀晶是勾連、攀附的主要區(qū)域, 亦為冰晶繁生的主要區(qū)域、生長率最快, 是人工增雨播撒人工冰核催化效率較高的溫度段。總之, 冰雪晶碰并勾連的研究對自然降水( 雪) , 尤其在人工引晶催化增雨中很有意義。
設備貢獻
威爾遜云室能使那些小得無法直接觀察的粒子的運動軌跡顯示出來，甚至也可把那些高速粒子發(fā)生相互撞擊使運動方向發(fā)生改變的情形拍攝下來。因此，它一經(jīng)發(fā)明便立即受到人們的普遍重視與運用，對于檢驗理論和探索新型粒子做出了不可磨滅的貢獻。
1923年康普頓(Arthur Holly Compton,1892一1962年)發(fā)現(xiàn)了X射線散射后波長變長的現(xiàn)象，即康普頓效應，他用光子與電子碰撞時動量與能量守恒定律作出解釋。在人們對此將信將疑時，威爾遜用云室拍攝到的反沖電子的徑跡，令人信服地證實了康普頓散射理論，為愛因斯坦光子說提供了實驗依據(jù)。由于這項工作及他發(fā)明的云室，他和康普頓共獲1927年度諾貝爾物理獎。
后來，人們利用威爾遜云室又發(fā)現(xiàn)了許多新型粒子。首先是正電子的發(fā)現(xiàn).1932年，美國加州理工學院的C· D"安德森(Carl David Anderson,1883一1964年)利用威爾遜云室研究宇宙射線，在宇宙射線的云室照片中發(fā)現(xiàn)了正電子的徑跡，這是利用云室發(fā)現(xiàn)的第一個反粒子—正電子，從而證實了狄拉克(P. A. M. Dirac)關于存在正電子的預言。安德森因此榮獲1936年度諾貝爾物理獎.1937年，安德森又用它發(fā)現(xiàn)了湯川秀樹在1935年從理論上預言的(介)子.1955年，我國科學家王淦昌和他的合作者利用大型云室發(fā)現(xiàn)了反西格馬負超子.
1925年在卡文迪什實驗室，年輕的布拉開特(M. S. Blackett,1897一1974年)在盧瑟福和威爾遜的指導下致力于用云室研究a粒子撞擊氮原子核的問題。他從拍攝到的兩萬多張云室照片中得到了8張照片，證實了盧瑟福1919年所做的世界上最早實現(xiàn)的人工核反應實驗。
1932年布拉開特(P. M. S. Blacken)和奧恰利尼(U. P. S. Occhialini)合作，開始用威爾遜云室研究宇宙射線。由于宇宙射線稀少，如果讓云室隨機地膨脹和拍照，大約每百張照片中只有2一5張上有宇宙射線的徑跡，這使他們想到云室攝影的自動化問題。解決的辦法是在豎直放置的云室上下兩側各置一蓋革計數(shù)管，使得經(jīng)過云室的宇宙射線必將先后穿過兩個計數(shù)管。布拉開特設計了一種電路，只有從兩個計數(shù)管來的訊號相藕合時才能觸發(fā)云室的膨脹而產(chǎn)生記錄照片。布拉開特用這種自動化技術控制云室攝影，約80%的照片上都有射線徑跡。他們通過對大約7 000張照片的分析，證實了幾個月前安德森發(fā)現(xiàn)的正電子，直觀地說明了正負電子對的產(chǎn)生和湮滅過程.1933年布拉開特轉到倫敦大學伯克貝克學院擔任教授。在那里，他繼續(xù)用云室方法研究宇宙射線，他研制出了用于云室的大而積勻強磁場裝置，并用這臺裝置拍攝了大量宇宙射線徑跡的照片。由于布拉開特對云室技術的改進及由此對核物理和宇宙射線的一系列新發(fā)現(xiàn)而榮獲1948年度諾貝爾物理獎。
1952年，美國加州大學的格拉塞(D. A. Ulaser)在云室中直接用液體代替氣體一蒸汽混合物而發(fā)明了泡室。泡室的出現(xiàn)為探測高能帶電粒子又提供了一種有效手段，為此格拉塞榮獲1960年度諾貝爾物理獎。
未來展望
(1)小型便攜式混合云室在對大氣冰核進行觀測采樣; 對播云催化劑研制和檢測特別是在檢測彈載催化劑的成核率時, 有它獨特的方便性。可以把它設在現(xiàn)場附近進行檢測。但是小型混合云室受體積限制, 溫度難以嚴格控制, 云室中過冷霧維持時間短，通霧容易引起云室中氣樣體積、溫度和濕度的擾動等不足。再加之檢測程序不嚴格和統(tǒng)一, 勢必會造成很大的不確定性, 使檢測結果存在量級差異。今后，為了使云室具有更好的穩(wěn)定性和重復性, 應該在云室的制冷系統(tǒng)、過冷霧的設計和冰晶接取方法上進行改進。
(2)作為優(yōu)秀的人工降水用催化劑應該是經(jīng)濟有效、便于使用的。一般用成冰閾溫和成核率來度量物質的成冰性能。選用催化劑時, 要注意, 作為催化劑的物質應是資源豐富, 價格便宜, 無毒和無腐蝕性的。還要注意其對運輸、保存的條件不太苛刻。在播撒時產(chǎn)生微粒的方法要簡便易行, 單位時間內(nèi)核的發(fā)生率要高。
最新構造
一個更加現(xiàn)代的設計是擴散云室，這個裝置中云室的頂部與底部維持著一個大的溫度差，通常使用干冰來冷卻云室底部，頂部的室溫則意味著頂部氈制品中的酒精就會沿室壁向下翻滾并和室底附近的重冷空氣混合在一起，隨后懸浮在那里，云室中充滿了空氣和酒精蒸汽當溫度低時的底部擴散時蒸汽變成了過飽和狀態(tài)。底部的低溫意味著一旦蒸汽下降，它就會被過度冷卻，也就是在一個不可能產(chǎn)生蒸汽的溫度下成蒸汽狀態(tài)，所以蒸汽容易凝結成液態(tài)，一點宇宙射線就會讓蒸汽電離，也就是說宇宙射線奪走了許多氣體分子的電子，使原子帶電，于是被電離的粒子互相吸引引發(fā)凝結過程，形成一個宇宙粒子的路徑。
參考資料
[1]
一個觀測冰核的15 L混合云室 · 知網(wǎng)[引用日期2021-11-03]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
