DIFFÚZIÓS KÖDKAMRA MUTATNI A LÁTHATATLANT Győrfi Tamás Eötvös József Főiskola, Baja Raics Péter Debreceni Egyetem, Kísérleti Fizikai Tanszék

Átírás

1 DIFFÚZIÓS KÖDKAMRA MUTATNI A LÁTHATATLANT Győrfi Tmás Eötvös József Főiskol, Bj Rics Péter Debreceni Egyetem, Kísérleti Fiziki Tnszék A rdioktivitás és vele járó ionizáló sugárzások természet részét képezik. Végigkísérik z élet kilkulását, z emberi egyedfejlôdést. A sugárzásokt észlelô berendezéseknek számos típus ismeretes. A ködkmr volt z elsô olyn eszköz mellyel részecskék pályáj vlós idôben megjeleníthetôvé vált. A ködkmrák mûködésük lpján két csoportb oszthtók. Az expnziós vgy Wilson-féle ködkmrábn (1911, Nobel-díj 1927) túltelítettséget hirtelen térfogtcsökkenéssel hozzák létre. Az expnziósbn létrejövô nyomokt villnófény segítségével sztereofényképeken rögzítik, mint z híres Csiki Szly neutrínós kísérletnél is történt [1]. A kmrán belüli hômérséklet-grdiens diffúziós ködkmr (Lngsdorf 1939) mûködésének lpj. A diffúziós ködkmr folymtos megfigyelést tesz lehetôvé. Atommg- és részecskefiziki kuttásokr ködkmrákt z 1950-es évek végéig lklmzták. Okttási és demonstrációs célokr mnpság is kitûnôen hsználhtók. Mgyrországon elôször 1955-ben Hrehuss Gyul dolgozott ki egyszerû felépítésû, megbízhtó mûködésû diffúziós ködkmrát [2, 3], mely lklms volt középiskolábn történô felhsználásr. A késôbbiekben többféle egyszerû berendezést fejlesztettek ki okttási célokr [4, 5]. Újbbn Simon János ék építettek ngy felületû diffúziós ködkmrát [6]. Írásunkbn bemuttjuk PHYWE gyártmányú diffúziós ködkmr [7] mûködését, jellemzôit, benne megfigyelhetô különféle sugárzások nyomit, vlmint z ezek kiértékelésére létrehozott képfeldolgozó progrmokt. Tnulmányunk következô részében ködkmrávl végzett kísérleteket ismertetjük. Diffúziós ködkmr A Szerzôk tisztelettel jánlják munkájukt Csiki Gyul professzornk bból z lklomból, hogy z Európi Fiziki Társult EPS Történelmi Emlékhely Debrecen: A neutrínókísérlet, Csiki Gyul és Szly Sándor emléktáblát vtott tudományos ülésszk keretében október 25-én z MTA Atommgkuttó Intézetben. kettõs üvegfl 273 mm závárzt lkoholellátás 1. ábr. A PHYWE gyártmányú diffúziós ködkmr. 2. ábr. A diffúziós ködkmr keresztmetszete és mûködési elve. folydék lkoholvisszfolyás A sugárzások vizsgáltár Debreceni Egyetem Kísérleti Fizik Tnszékén tlálhtó PHYWE gyártmányú diffúziós ködkmrát hsználtuk (1. ábr), melyet Göttingeni Egyetemen fejlesztettek ki. Hzánkbn Pksi Atomerômû Tájékozttó és Látogtó Központj, budpesti Csodák Plotáj és Miskolci Egyetem Fizik Tnszéke rendelkezik még ilyen ngy felületû, cm 2 -es detektorrl, mely képes folymtosn megjeleníteni különféle sugárzások nyomit. Felépítése, mûködése A ködkmr vázltrjz és mûködési elve 2. ábrán láthtó. Alul, fekete színû fémlemezt hûtôgép 27 C-r hûti le. A felsô rész kettôs flú üvegdobozból áll jó hôszigetelés végett. Az üveglpok közötti fûtôszálk melegítik ködkmr felsô részét, megkdályozv lecspódást, vlmint ngyfeszültséggel 600 mm fûtõszálk pár 450 mm hûtés kettõs üvegtetõ telített gõz fémlp fûtõszál lkohol cstorn bemeneti nyílás 10 mm 22 FIZIKAI SZEMLE 2014 / 1

2 3. ábr. Ködfonlk kilkulás ködkmrábn [7]. elektromos mezôt hoznk létre z ionok kivonásár. A belsô üvegbúr oldl mentén helyezkedik el z elektromosn melegített lkoholcstorn, melybe isopropyl-lkohol (C 3 H 8 O) csepeg folymtosn. Ez fûtôszálk melegítô htásár párologni kezd, mjd szétterjed felsô (melegebb) rész felôl z lsó (hidegebb) tér felé. Az lkoholgôz pró cseppek formájábn lecspódik, mjd cseppfolyós lkohol felett kilkul egy túltelített ~1 cm mgsságú réteg, mely z érzékeny térfogtot lkotj. Az ezen áthldó, elektromosn töltött részecskék hgynk nyomokt ködkmrábn. A túltelített réteg mgsságát kollimált Th(B+C) lf-forrás segítségével állpítottuk meg. A ködkmr oldlán egy 10 mm átmérôjû nyílás tlálhtó források bevitelére. Ezt hsználtuk függôleges irányú hômérséklet-eloszlás meghtározásár is, melyet egy vs-konstntán termoelempárrl végeztünk el. A hômérséklet-grdiens jelentôs z lsó 0 20 mm-es mgsságbn: átlgosn ~2 C/mm. Nyomkilkulás A diffúziós ködkmrábn láthtóvá válik részecskék pályáj, információt szolgálttv zok típusáról és energiájáról. A túltelített rétegben z lkoholgôz nyomás z dott hômérséklethez trtozó telítési nyomás többszörösét is elérheti. H ebbe térbe jutnk z úgynevezett ködmgvk ( pály mentén keltett ionok), gôz ezekre pró cseppek lkjábn lecspódik, és így részecske pályáj láthtóvá válik (3. ábr). A láthtó méretre növekvô ködcseppek képzôdését túltelítettségi fok htározz meg. Az r sugrú ködcseppek kilkulás z lábbi (1) és (2) feltételek teljesülését követeli meg [8]: semleges részecske esetén: ionizáló részecske pályáj lkoholmolekul ionizált lkoholmolekul láthtó méretre növekvõ ködcsepp A sugárzás keltette ködfonlszerû nyomkilkulás hsonló hhoz jelenséghez, mikor egy repülô olyn ngy mgsságbn hld, hogy ôt mgát már nem, csk z áltl húzott kondenzcsíkot látjuk. Holtidô A diffúziós ködkmr holtideje bból szármzik, hogy nyomkilkulás után lokálisn megszûnik túltelítettség. Ekkor nyom helyén láthtó lesz kmr lján lévô fekete fémlemez. Ugynzon helyen nyom ismételten kkor lkulht ki, h köd leszállásávl ismét túltelítetté válik z dott térfogt. Ngy intenzitású Th(B+C) lf-forrás nyomiról készített videófelvételeken megszámoltuk, hogy hány képen keresztül nem volt láthtó nyom ugynzon helyen. A kpott képkockszámból és videó sebességébôl meghtároztuk holtidôt, melynek értéke ~1 s. Anyg és módszer A háttérsugárzásról és különféle mesterséges rdioktív források sugárzásink nyomiról nlóg és digitális (web) kmerák segítségével felvételeket készítettünk, melyeket sját fejlesztésû képfeldolgozó progrmokkl értékeltünk ki. Háttérsugárzás nyomi ködkmrábn A 4. ábr háttérsugárzás nyomit muttj be. A részecskék htótávolságuk, illetve fékezôképességük lpján különböztethetôk meg. A nyomok térben és 4. ábr. A háttérbeli lf- és bét-sugárzás nyomi ködkmrábn. S =ln P (r, T) E P E (, T) 1 r M ρ RT 2 f, (1) töltött részecskére: S =ln P (r, T) E P E (, T) 1 r M ρ RT 2 f e 2 ε 1, 8 πr 3 ε (2) hol P E z egyensúlyi gôznyomás, ρ közeg sûrûsége, M moláris tömeg, T hômérséklet, R gázállndó, ε dielektromos állndó és f felületi feszültség. A FIZIKA TANÍTÁSA 23

3 5. ábr. Kis energiájú elektronok nyomi [7]. idôben véletlenszerûen oszlnk el bomlások véletlenszerûsége mitt: nem lehet elôre megmondni, hogy hol és mikor fog megjelenni következô nyom. A rövid, egyenes, vstgbb nyomvonlk 222 Rn és bomlástermékeinek lf-részecskéihez trtoznk. Az lf-részecskék úthossz levegôben 3 5 cm, és ez lkoholgôzben is hsonló. Az elektronoknk kicsi fjlgos ionizációjuk. Ezért vékony, hosszú röppályák gyors elektronokr utlnk. A lssú elektronok pályáj (5. ábr) rövidebb és zegzugos gykori ütközések, irányváltozttások mitt. Az elektronok kmr térfogtábn végbemenô negtív bét-bomlásból szármznk (rdon és leányelemei) vgy kívülrôl bevitt forrásból. A müonok z elektronokhoz képest vlmivel vstgbb, hosszú egyenes nyomot hgynk (6. ábr) és pályájuk kmrán kívül is folyttódik. A fotonok úgy hozhtnk létre nyomokt, hogy például kiütnek egy elektront z tomból fotoeffektussl, vgy Compton-szórás révén meglökik zokt. Emitt ismét zegzugos nyomok keletkeznek. A gmm-sugárzás diffúziós ködkmr 1-2 mm vstg fémdobozán, illetve z 1 cm-es üvegen áthldv lig gyengül, viszont bét- és lf-részecskék elnyelôdnek benne, így külsô forrás fotonji könnyen zonosíthtók. 1. táblázt Az lklmzott források és jellemzôik források felezési idô energi (kev) lf-források Th(B+C) 1 10,6 ór 6050; U 7, év 4366; 4398; 232 Th 1, év 3953; U 4, év 4147; ábr. A ködkmrábn megjelenô müon. Mesterséges rdioktív források sugárzásink nyomi A diffúziós ködkmr oldlán lévô nyíláson keresztül egy pálc segítségével különféle forrásokt (1. táblázt) juttttunk be z érzékeny térfogtb és kilkuló folymtokt rögzítettük. Az lf-részecskék nyomi láthtók legjobbn ködkmrábn. Ezért méréseinkhez áltlábn Th(B+C) forrást hsználtuk, mely 228 Th-ból készült preprátum. Az elektromos térrel egy fényes csvrfelületre z emnációból kigyûjtött ThB, zz 212 Pb sugárforrás önbszorpció-mentes. Ebbôl monoenergiás lf-részecskék lépnek ki 6,050 illetve 8,785 MeV energiávl 10,6 ór felezési idejû 212 Pb bomlását követôen. A bomlási sort 7. ábrán muttjuk be. 7. ábr. A Th(B+C) bomlási sor. 228 Th (1,9 év) 224 R (3,62 np) 220 Rn (55 s) 216 Po (0,145 s) 222 Rn 3,8 np 4986; Pb (10,6 h) ThB 241 Am 432,2 év 5443; 5486 bét-forrás 90 Sr/Y 28,6 év / 64,1 ór 546 / 2284 (mx) neutron-forrás 239 PuBe év <E n > ~ Az lf-spektrumbn további vonlk is tlálhtók, de ezeket kisebb intenzitásuk és ködkmr gyenge energifeloldás mitt e felvételeken nem lehet megkülönböztetni. 6,047 MeV b b 212 Bi (60,5 m) ThC 35,94% 64,06% b 208 Tl (3,1 m) 212 Po (3,1 s) 208 Pb (stbil) + 8,785 MeV 24 FIZIKAI SZEMLE 2014 / 1

4 8. ábr. A pályáj végén kiszélesedô lfrészecske-nyom. Töltött részecskék fékezôdése A részecskék pályájuk mentén pozitív-negtív töltéshordozókból álló felhôt keltenek, miközben energiájuk csökken. Ez folymt z ionizáció. R hosszúságú út megtétele után részecskék energiáj 0 lesz, ezt nevezzük htótávolságnk. Az ütközések mitt részecskék zegzugos, L hosszúságú pályát futottk be: L R. A htótávolság L-nek kezdeti impulzus irányár vett vetülete. Nehéz töltött részecskék ΔE ionizációs energivesztesége Δx úton Bethe és Bloch áltl levezetett képlettel számíthtó ki [9, 10]. A pálymenti ionizációt Brgg-görbe írj le, mely z egységnyi úthosszon keltett ionpárok számát muttj htótávolság függvényében. A Bethe- és Bloch-képlet ugynezt fejezi ki z egységnyi úton ledott energiávl részecskesebesség négyzetétôl függôen. Csökkenô sebesség esetén z energiveszteség növekszik, z ionizáló képesség pály végén megnô, mjd htótávolságnál megszûnik. Ez láthtó diffúziós ködkmrábn, mikor részecskenyom pály végén kiszélesedik (8. ábr). Ennek megjelenésébôl részecske hldási irányár is lehet következtetni. Részecskenyomok kiértékelése A ködkmrábn megfigyelhetô nyomkilkulások felvételeit VisulBsic fejlesztôi környezetben létrehozott képkiértékelô-progrm segítségével nlizáltuk [11]. A képeken részecskenyomok hosszúság, vstgság, láthtóság mérhetô, melyek megkülönböztetik ôket egymástól. A nyomvonlk hosszúság függ részecskék energiájától és irányától. A vstgságból ( ködfonl eltûnésének idejébôl) részecskék ionizációs képességére lehet következtetni. Mximális hosszúságú nyomokt ködkmr síkjávl párhuzmosn érkezô részecskék hgynk. A ferdén érkezôknek csk vetülete láthtó. Amikor például részecskék függôlegesen htolnk túltelített lkoholrétegbe, kkor csk egy pontot látunk. Szbd szemmel történô megfigyelés lpján nehéz eldönteni, hogy miért rövidebb z dott nyom: kisebb energiájú részecske z érzékeny térfogtbn ment végig, vgy egy ngyenergiájú hldt át ferdén. A Brgggörbének megfelelôen kiszélesedô nyom segít ennek eldöntésében. Ismert összetételû közegben hosszúságmérésbôl részecskék energiáj meghtározhtó. Ezekbôl z dtokból energieloszlás, htótávolság-energifüggés számolhtó ki. Az áltlunk készített progrm mûködésének lpj, hogy ködkmrábn fehér (szürkés) színû nyomok láthtók fekete háttéren. Az vi vgy bmp formátumbn készített felvételeken pixelek színe lpján megkeressük részecskenyomokt, megállpítjuk kezdô és végkoordinátájukt, melyekbôl hosszúság kiszámolhtó. A részecskenyomot lkotó pixelek szám megdj z dott nyom területét, terület és hosszúság hánydos pedig szélességét. A vizsgálndó nyomok minimális hosszúság és hlványság állíthtó, így méret és fényerôküszöb változttásávl z érzékenység szbályozhtó. A kpott dtok (kezdô és végkoordinát, hosszúság, terület, vstgság) Excel-tábláztb kerülnek. Mivel egy-egy részecskenyom több képen keresztül is láthtó, ezért kiértékelés következô lépésében megkeressük z dott nyomvonl egymás utáni képei közül legngyobb hosszúságút és ennek jellemzôit külön elmentjük. Problémát okoz, hogy képeken egyidejûleg több nyom is tlálhtó. A több képen láthtó részecskenyomok dti közti párosítást z lpján végezzük el, hogy z egymást követô pillntfelvételek befoglló tégllpji egymásb ágyzottk és kis eltéréssel közös z átlójuk is. A ngy nyomsûrûség mitt sok esetben nyomok kiértékelése egyesével nehezen végezhetô el, ezért ilyenkor zok összterületének változását vizsgáljuk z idô függvényében. A képfeldolgozó progrmot úgy fejlesztettük tovább, hogy vizsgálni kívánt részt ki kell jelölni z dott felvételen, és ezt követôen elôállítjuk z dott képernyôrészen belüli részecskenyomok dtink tábláztát. A felvételek kiértékelése során szbd felhsználású Lince (L iner Intercept) szoftvert [12] is lklmztuk részecskék nyomhosszúságánk meghtározásár, vlmint hitelesítésére. A szoftver sját fejlesztésû képfeldolgozó progrmunk ellenôrzésére is szolgált. Irodlom 1. J. Csiki, A. Szly: The recoil effect of the neutrino in the betdecy of 6 He. Int. Conf. on Mesons nd Recently Discovered Prticles, Pdov Venezi, Sept IV.8 IV.6, , vlmint: J. Csiki: Photogrphic evidence for the existence of the neutrino. Il Nuovo Cimento 5/4 (1957) A kísérletrôl és berendezésrôl részletesebben lásd: Dóczy R.: A neutrínó visszlökô htásánk észlelése He-6 bét-bomlásábn 50 évvel ezelôtt. Fiziki Szemle 55/10 (2005) Hrehuss Gy.: Diffúziós ködkmr. Fiziki Szemle 6 (1956) A FIZIKA TANÍTÁSA 25

5 3. Hrehuss Gy., Molnár B.: Egyszerû szerkezetû diffúziós ködkmr okttási célokr. Fiziki Szemle 32 (1982) Jeges K.: Diffúziós ködkmr ionlecsptássl. Fiziki Szemle 30 (1980) Sjó-Bohus L., Brnföldi G. G., Hlász G., Hernáth Sz., Horváth Á.: Eductionl Cloud Chmber To Improve Nucler Litercy Simon J.: Wilson: vizuális részecske detektor ködkmr. Posztoczky Károly csillgvizsgáló mtôr csillgászti szkköre, Tt, (mgánközlés) 7. PHYWE series of publictions: Visulistion of rdioctive prticles / Diffusion cloud chmber (Lbortory Experiments Physics, PHYWE SYSTEME GmbH, Göttingen, Germny) Burchm W. E.: Nucler Physics. McGrw-Hill, New York, 1963, Fényes T.: Atommgfizik. 2. kidás, Kossuth Egyetem Kidó, Debrecen, Rics P.: Atommg- és részecskefizik, DE Kísérleti Fiziki Tnszék, Debrecen, Gyôrfi T.: Atommgfizik z okttásbn. Környezeti rdioktivitás vizsgált és szemléltetése. Doktori (PhD) értekezés, Debreceni Egyetem, %b6rfi%20tm%c3%1s 12. S. L. dos Sntos e Lucto: Lince Liner Intercept v Deprtment of Mteril Science, Drmstdt University of Technology, service/softwre/sv_softwre.en.jsp AZ»ELECTRIS CSENGETYÛ«egy örökzöld fiziki játék Bolyi Frks jegyzeteiben Gündischné Gjzágó Mári Htvn Amint rról Fiziki Szemle néhány korábbi számábn (1994/3, 2007/8, 2012/12) is olvshttunk, Bolyi Frks 1804 májusától 1852 októberéig mtemtikát, fizikát, kémiát és csillgásztot tnított mrosvásárhelyi Református Kollégiumbn. A tnórákhoz kpcsolódó jegyzetei diákji kézírásábn több száz oldlon megôrzôdtek és megtlálhtók Mrosvásárhelyen Teleki Bolyi Könyvtárbn, vlmint z MTA Könyvtáránk Mikrofilmtárábn, Budpesten. Egy igen tömör foglmzású mgyr nyelvû jegyzetben 1 egész sor elektromozó géppel, elektroforrl vgy kondenzátorteleppel mûködtethetô elektromos játék felsorolását tláljuk. Ilyen például Zegner mchin, cuglizó-, klvírozó msin, electris csengetyû, lábit mozgtó pok stb., melyeknek leírását, rjzát z elektromos Segner-kerék kivételével jegyzet nem trtlmzz. Három ltin nyelvû jegyzetben viszont rjzot és leírást is tlálunk például z elektromos csengettyûrôl. 2 A következôkben legáttekinthetôbb rjz lpján (1. ábr) z elektromos csengettyû felépítését és mûködését fogjuk vizsgálni. A vízszintes helyzetû szigetelt fémrúdon (Conductor isoltus) 3 kis fémhrng függ: két szélsô, d és c jelzésû fémszálon, középsô, e jelzésû selyemszálon. A középsô hrngot földelték. Az és b fémgolyócskák selyemcérnán (resc. = rescindens = szigetelô) lógnk. H vízszintes fémrudt z elektromozógéprôl, elektroforról vgy kondenzátorteleprôl ( btteri ) feltöltjük, csengettyû mûködni kezd. Ugynis d és 1. ábr. Bolyi Frks elektromos csengettyûjének korbeli rjz. 2. ábr. Múlt százd elejérôl szármzó elektromos csengettyû Bolyi Frks Líceum szertárából. 1 Az említett mgyr nyelvû jegyzet megfelelô oldlink könyvtári jelzete B 563/4 v 5. 2 Az elektromos csengettyû rjzát trtlmzó jegyzetoldlk jelzetei: BF 427/99 v, B 652/59 v, B 649/15 v. Az elsôként említett jegyzet Bolyi Frks kézírás és 1815-ös keltezésû. Az fent közölt ábr B 649 jegyzetbôl vló. 26 FIZIKAI SZEMLE 2014 / 1