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La Camera a Nebbia

Vedere le particelle nucleari è possibile ! Con un pò di pazienza noi di PhysicsOpenLab abbiamo costruito una camera a nebbia: uno strumento che permette, ad esempio, di rivelare le tracce dei raggi cosmici, che continuamente “piovono” sulla Terra, provenienti dalle regioni più remote dell’universo.

Una camera a nebbia non è altro che una scatola ben chiusa, contenente vapore di alcool sovra-saturo, tanto concentrato da essere pronto a condensarsi non appena interviene qualcosa a cambiare le sue condizioni. Ecco perché quando il rivelatore è attraversato dalle particelle cosmiche, che sono elettricamente cariche, il vapore di alcool condensa in minutissime goccioline. La traccia delle particelle diventa così subito visibile sotto forma di una lunga e sottile traccia bianca, che si dissolve nel giro di pochi secondi.

Costruire una camera a nebbia, anche se richiede molta pazienza, non è difficile, ed è poco costoso. In questo post andiamo a descrivere la costruzione della “nostra” camera a nebbia.

Introduzione

La camera a nebbia che costruiremo è del tipo a diffusione. Come accennato sopra questa camera a nebbia è fondamentalmente un contenitore a tenuta d’aria riempito con una mistura di aria e vapore d’alcool. L’alcool liquido evapora da un serbatoio e si diffonde attraverso l’aria della camera. Raffreddando la base con del ghiaccio secco (ghiaccio di anidride carbonica che è ad una temperatura costante di –79 °C mentre sublima) si ottiene un intenso gradiente di temperatura lungo la verticale. In questo modo si forma sul fondo una zona di vapore d’alcol sovrasatura. Lo strato sensibile è instabile: ha una quantità di vapore d’alcol freddo in misura maggiore di quella che può mantenere. Il processo di condensazione scatta al passaggio della particella carica con energia sufficiente a ionizzare atomi lungo il suo cammino. Questi ioni sono i nuclei di condensazione attorno ai quali le goccioline di liquido formano una scia.
L’immagine sotto mostra lo schema di principio dell’apparecchio.

Le tracce lasciate dalle particelle dipendono dal tipo di particella e dalla loro energia. Le particelle α (nuclei di elio) lasciano tracce corte e larghe dato che il loro range in aria è solo di pochi centimetri, le particelle β (elettroni) danno luogo a tracce sottili, a volte rettilinee, a volte con percorsi accidentati, a seconda che siano diffuse o meno. Le tracce più “spettacolari”: evidenti, lunghe e rettilinee vengono prodotte dai muoni cosmici che sono particelle molto energetiche e quindi danno origine ad una ionizzazione piuttosto intensa.
L’immagine sotto fornisce una rappresentazione delle tracce tipiche visibili in una camera a nebbia.

Storia della Camera a Nebbia

(Dal manuale CERN SCoolLAB DIY Cloud Chamber)

La camera a nebbia è uno dei più antichi rilevatori di particelle e ha portato ad una serie di importanti scoperte nella storia della fisica delle particelle. E’ stata inoltre coinvolta in due premi Nobel !

Charles T. R. Wilson (1869 – 1959)

Questo fisico scozzese ha studiato la formazione delle nubi ed i fenomeni ottici nell’aria umida. Scoprì presto che, in pratica, aveva inventato un rivelatore di particelle. Ha perfezionato la prima camera di espansione nel 1911 e ha ricevuto il premio Nobel nel 1927.

Carl Anderson (1905 – 1991)

Questo fisico americano ha scoperto il positrone nel 1932 e il muone nel 1936 usando una camera a nebbia ad espansione. Ha ricevuto il premio Nobel nel 1936. Anderson ha usato l’alcool invece dell’acqua per formare una nebbia più sensibile e ha applicato forti campi magnetici alla sua camera.

Costruzione

Il primo componente della camera a nebbia è il basamento che ha lo scopo di contenere il ghiaccio secco e di fornire adeguata coibentazione in modo da garantire la massima durata di funzionamento con una “carica” di ghiaccio secco. Per il basamento abbiamo optato per una solida struttura in legno, ulteriormente isolata internamente con lastre di polistirene espanso (styrodur). Al centro è stato posto un “cuscinetto” di gommapiuma con lo scopo di assicurare il massimo contatto tra il ghiaccio secco e la base in alluminio della camera. L’immagine sotto mostra il basamento della nostra camera a nebbia.

Le dimensioni esterne del basamento sono di 40 cm x 40 cm, la parte interna isolata con il polistirene ha invece dimensioni più ridotte : 30 cm x 30 cm, lo spazio per il ghiaccio secco è ulteriormente ridotto per via delle lastre di polistirene e per la gomma piuma, questo permette di non “sprecare” troppo ghiaccio secco durante il funzionamento della camera. L’immagine sotto fa vedere il basamento riempito con una adeguata quantità di ghiaccio secco.

Il ghiaccio secco (o neve carbonica) viene ricavato facendo espandere anidiride carbonica in forma compressa, come quella presente negli estintori. Per un run della nostra camera a nebbia sono necessari almeno un paio di kilogrammi di neve carbonica.
La neve carbonica va maneggiata con cura perchè può causare ustioni da freddo : è obbligatorio indossare guanti protettivi. Va inoltre conservata in contenitore coibentati, come mostrato nella immagine sotto, allo scopo di conservarla per il maggior tempo possibile.

Al di sopra del basamento viene posta una lastra di alluminio anodizzato nero, spessore 2 mm, che formerà la base della nostra camera a nebbia, come mostrato nella immagine seguente. Viene utilizzato l’alluminio perchè è un ottimo conduttore di calore, è inoltre necessario che sia di colore nero per far risaltare le tracce delle particelle. E’ consigliabile utilizzare direttamente alluminio anodizzato nero piuttosto che verniciarlo dato che la vernice facilmente si stacca quando l’alluminio viene raffreddato ed entra in contatto con l’acool isopropilico.

Alla lastra di alluminio viene fissata una cornice in legno, per contenere, al suo interno la camera a nebbia vera e propria. Su due lati della cornice vi sono due scanalature che hanno lo scopo di ospitare due strisce di led ciascuna. Questi led sono ad alta potenza, alimentati a 12 Vdc, e sono utilizzati per la illuminazione della camera. Sui lati interni della cornice in legno sono poste delle strisce di feltro per rendere più stabile la camera e per evitare che il plexiglass si rovini a contatto con la superfice del legno.

Nella immagine sotto si vede un dettaglio della striscia di led.

La camera a nebbia vera e propria è costituita da quattro lastre di plexiglass incollate fra loro. Attenzione che l’incollaggio delle lastre di acrilico deve essere fatto con una procedura particolare che consiste nel fare aderire le parti da incollare ed applicare un velo di solvente nel punto di giunzione. Il solvente penetra per capillarità, fonde un sottile strato che subito dopo polimerizza nuovamente, realizzando così una sorta di saldatura. L’immagine sotto mostra la lastre di acrilico dopo l’operazione di incollaggio. Per assicurare la tenuta della camera può essere opportuno passare un velo di silicone trasparente lungo le giunzioni.

Sui bordi delle lastre (bordo superiore e bordo inferiore) va poi applicata una guarnizione di silicone (quelle che si usano per gli infissi vanno benissimo). La camera va poi inserita nella cornice di legno ed appoggiata sulla base di alluminio, come mostrato nella immagine sotto.

La parte superiore della camera viene chiusa con un coperchio. Il coperchio che abbiamo realizzato è di plexiglass inserito in una cornice di legno. Sulla lastra di plexiglass sono fissati quattro elementi riscaldanti, funzionanti a 12 Vdc che produco una temperatura di 40 °C. A contatto con gli elementi riscaldanti viene posta una lastra di alluminio sulla cui superfice interna sono collocati i feltri che vengono imbevuti di alcool isopropilico per attivare la camera.
In questo modo il lato superiore della camera viene mantenuto ad una temperatura di circa 40 °C, mentre il lato inferiore viene mantenuto a circa -79 °C. Il coperchio superiore, con il feltro imbevuto, funge anche da serbatoio di alcool isopropilico.
Tra il lato superiore ed il lato inferiore della camera viene inoltre mantenta una differenza di potenziale di circa 1000 Vdc che ha lo scopo di “pulire” l’interno della camera da pulviscolo che potrebbe innescare la condensazione non voluta dell’alcool.

L’alcool isopropilico (o isopropanolo) va maneggiato con cura, i suoi vapori sono tossici ed è altamente infiammabile.
Il prodotto da noi utilizzato è quello di marca teslanol, facilmente reperibile come prodotto detergente. E’ importante che l’alcool utilizzato sia puro e non contenga acqua.
Da letteratura i migliori risultati si ottengono con l’alcool isopropilico anche se risultano utilizzabili sia l’alcool etilico che l’alcool metilico.

L’apparecchiatura è stata completata con una scatola di controllo che ospita gli interruttori di accensione delle quattro strisce di LED e delle resistenze elettriche, tutte alimentate a 12 Vdc.

Vi è inoltre il generatore HV, i cui poli vengono collegati alla lastra di alluminio superiore ed alla base.

Le immagini seguenti mostrano la camera a nebbia completa.

Funzionamento

Per il funzionamento della camera a nebbia è necessario avere una adeguata quantità di ghiaccio secco o neve carbonica che va inserita all’interno del basamento della camera, avendo cura di assicurare un buon contatto termico con la lastra di alluminio. Il feltro sul coperchio superiore va imbevuto con l’alcool isopropilico, però attenzione che non va utilizzato troppo alcool altrimenti comincia a “piovere” alcool.
Fatto questo la camera va “chiusa”, si accendono le resistenze di riscaldo, le luci a LED e l’alta tensione per far depositare la polvere presente.

Dopo qualche minuto si comincia a vedere una tenue nebbia di minutissime goccioline, se le gocce sono troppe significa che si è utilizzato troppo alcool. Quando le condizioni termiche e di densità del vapore di alcool sono quelle giuste si potranno vedere le tracce lasciate dalle particelle dei raggi cosmici e delle radioattività ambientale.

Se si dispone di qualche sorgente campione (alfa o beta), la si può collocare all’interno della camera e vedere le tracce delle particelle che dipartono dal campione, come nel video riportato sotto.

Forse le condizioni giuste non si trovano al “primo colpo” però dopo qualche tentativo il risultato è assicurato !

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