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云室
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威尔逊发明的核辐射探测器
设备简介
设备发明
1895年秋，德国物理学家伦琴发现X射线的消息传到英国，1896年初，卡文迪什实验室主任J·J·汤姆孙就开始了空气受X射线照射后导电特性的研究，并提出气体电离理论．威尔逊因而有机会接触当时原始形式的X射线管．他用X射线照射云室，发现在膨胀比达到一定限度时形成了云雾．这个实验表明，X射线产生了大量的凝结核，它们和空气中产生的极少量的核同属一类．在此后的两年中，威尔逊用他发明的膨胀仪研究了X射线、新发现的铀射线、紫外线、尖端放电及其他方法在空气中产生的凝结核．实验结果表明，由纯粹电离作用产生的核使水蒸气凝聚所要求的最小过饱和值全都相同，由电离作用产生的凝结核在电场中的性质表明它们确实是带电离子．这就支持了J·J·汤姆孙的气体电离理论．这些研究报告于1898年秋送交了皇家学会．
带电粒子看不见，但带电粒子作为凝结核可以使水蒸气在它周围凝成雾珠，雾珠是看得见的．可以利用这个性质来显示带电粒子的踪迹．遗憾的是，由于威尔逊忙于别的研究工作，没有继续从事这方面的研究．
直到1910年，威尔逊重新开始了膨胀云室的研究，他现在思考的问题是使已知电荷的离子通过凝聚而成为可见的、可数的和可照相的痕迹的方法．当时，α和β射线的微粒性概念已得到人们的确认，他想，当带电粒子穿过空气时由于和空气中的气体分子碰撞而使气体分子电离，从而在入射粒子的运动路径上生成大量的正负离子对，过饱和的水蒸气将以这些正负离子为核心凝成雾珠，而雾珠是可见的和可照相的．有了这种想法，威尔逊开始着手试验膨胀仪器的最合适的形状，寻找拍摄云雾颗粒的瞬时照相的有效方法。1911年春，试验尚未完成．有一天，他用已做好的粗糙仪器试验一下能否看见某些痕迹，实验用的是X射线，虽然没抱多少成功的希望，但结果却令他欣喜：云室中出现了云雾构成的细小线条，这些线条就是由于射线作用而产生的电子的径迹．后来，他把闪烁镜上装有镭的金属片放到云室里，第一次看到了沿α粒子径迹凝聚成的非常漂亮的云雾图像；当让适当的放射源靠近云室时，还看到了快速β粒子的长线状径迹。1911年夏，可拍照的膨胀云室终于设计完成了，他用α粒子的径迹照片，证实了W·H布拉格不久前关于X射线粒子性的分析．威尔逊指出，要得到一张好的云室径迹照片，需要满足两个条件：首先，膨胀不能搅动气体．为了保证这一点，可使用扁而宽的云室，它的底可以突然下降，可根据要求增加容积．其次，云室内不能有“尘埃”粒子，也不能有离子，待观察的电离离子除外。为此，需在云室的顶部和底部之间加一个电场。
设备原理
云室是显示能导致电离的粒子径迹的装置，是最早的带电粒子探测器，由C．T．R．威尔逊1896年提出的，故称威尔逊云室。它的原理是：射出云室的高能粒子引起的离子在过饱和蒸汽中可成为蒸汽的凝结中心，围绕着离子将生成微小的液滴，于是粒子经过的路径上就出现一条白色的雾，在适当的照明下就能看到或拍摄到粒子运动的径迹，根据径迹的长短、浓淡以及在磁场中弯曲的情况，就可分辨粒子的种类和性质．云室的下底是可上下移动的活塞，上盖是透明的，一小块放射性物质(放射源)放在室内侧壁附近．实验时，在室内加适量酒精，使室内充满酒精的饱和蒸汽．然后使活塞迅速下移，室内气体由于迅速膨胀而降低温度，于是饱和蒸汽沿粒子经过的路径凝结，显示出粒子运动的径迹．
由于云室灵敏时间短，工作效率低等原因，在核物理实验中已很少应用。但在高能物理，特别是在宇宙射线研究中，膨胀云室仍不失为一种有用的探测工具。利用纯净的蒸气绝热膨胀，温度降低达到过饱和状态，这时带电粒子射入，在经过的路径产生离子，过饱和气以离子为核心凝结成小液滴，从而显示出粒子的径迹，可通过照相拍摄下来。
构成及性能
负温的获得
云室制冷方法有两种：在云室壁外的夹套中加入酒精和干冰，或使用制冷压缩机将蒸发管绕焊在云室壁外侧直接使云室降温。后者取消了夹套，操作虽较方便，但云室温度有较大的波动，使冰核活化温度难以确定。改进：设计容量为20 L的冷媒夹套，将压缩机制冷的蒸发管路螺旋状布设并浸泡在冷媒中，冷媒采用1: 1的乙二醇水溶液，以避免酒精蒸汽对冰核活化的抑制作用，这种配比的冷媒溶液在高于一35℃时不出现结晶，不致影响其热传导效率，较好地解决了云室温度波动问题。
最低制冷温度可达一28℃左右，完全能满足一般实验和检测的要求，在压缩机的自动启停过程中，由于冷媒的热容已足够大，云室温度较为稳定。为使云室温度能快而稳地过渡到某一较高的实验温度，还设计了1个功率为1kW的电加热器，平均分布在冷媒夹套的中下部，实验时可根据需要接通或关闭。
温度分布
虽然云室工作空间由冷媒夹套包围，但仍存在一定的温度梯度，不可能等温。云室壁首先冷却，水平方向以中心温度略高，形成周边空气下沉而中心空气上升的混合对流；因为云室上盖不可能制冷又须有开口，在有些实验操作中还需全部打开上盖，因此，云室垂直向(特别是接近上部)有更大的温度梯度。正是因为存在垂直温度梯度，云室中的冰核并不是在某一个确定的温度下活化的，只能取平均温度作为冰核活化温度。
过冷雾的形成
云室用人工呼气，水汽在冷环境下凝结出雾滴，或者直接通入超声雾化器产生的常温雾。这两种方法对云室温度及云室内的空气造成很大扰动，而且通一次雾的维持时间很短，大约几分钟，若多次呼气或多次通入常温雾，又会造成云室中的水面过饱和，给检测带来误差，因此迄今为止小型云室的造雾一直是一个难题。容积较大的云室如美国CSU等温云室是连续通入过冷雾直至冰核化完成，但检测结果需作稀释订正。改进：云室在结构上增加了一个铜质内筒，来自超声雾化器的常温雾从底部沿内筒与原云室壁的5 mm间隙中上升。云室壁与冷媒接触温度最低，雾得以预冷，然后上升到内筒上沿，再翻入云室中沿壁下沉，到中下部又随混合对流上升，进而弥散到整个云室内筒。实测表明：经间隙预冷处理的过冷雾流的温度比云室内温度略低0. 2-0. 3℃，避免了瞬时高过饱和的发生。控制雾化器的送雾流量，还可实现雾的连续或断续供应，解决了过冷雾维持时间短的问题，从而更好地模拟了冰核的活化和冰晶增长的温湿条件。云室的排污口(位于云室下部)在检测时是关闭的，否则会有雾的泄漏和冰晶的丢失，送雾时，云室盖上有一小孔，用于排出多余气体，以保证雾能够断续或连续供应。
冰晶接取
冰晶接取装置的结构为：在一块厚为10 mm的黄铜板上，用导热硅脂贴放一块按900均分的可盛放4个玻璃片的紫铜圆盘(厚度稍大于玻璃片)，在该铜盘的上方放置留有玻片暴露口的糖盘(与紫铜圆盘同心)。观测自然冰核时，可使用糖盘接取冰晶目测计数。在检测人工冰核时，可使用玻璃片接取显微镜计数的方法，通过转动提柄上部的指针确定玻片暴露或关闭的状态，依次暴露的玻璃片，最多可用4块。
检测冰晶的上下限：混合云室检测冰晶的下限为糖盘法能检测到的单位容积内最低冰晶数，云室内筒的有效容积为13. 5 L，按全盘出现1个冰晶计算，其检测下限为0. 074个/L。检测上限为玻璃片法能检测到的单位容积内最高冰晶数，显微镜视野面积为0. 0095cm(与放大倍数有关)，云室内筒的有效容积为3.14x9x58.5≈15L，按每视野出现50个冰晶计算，其检测上限约为9 x 10个/L。
虽然云室具有两种接取冰晶的方法，二者相比，糖液法不确定因素较多(如：震动影响、盘壁影响、小冰晶不易进入糖溶液、冰晶数密度大时难以分辩等)，所以对人工冰核成冰性能进行检测时，一般使用玻璃片法。
我国除建造了容积为96m和2m固定式云室以及多个小容积的便携式混合云室外, 还有研究特定冰核活化机制的静力扩散云室和均匀水滴冻结实验装置。利用这些设备, 在冰核活化的研究、播云催化剂的研制和自然冰核的观测等方面曾做了许多工作。目前, 在云雾降水物理学中被广泛应用的云室的构造和基本性能如下。
3L便携式混合云室
云室主体为双层夹套构造, 夹层充满冷却剂。检测时从最低温度开始, 在温度回升过程中检测冰核的活化温度谱。它们具有操用简便, 易携带进行现场检测的优点, 但由于体积小, 边界效应较大, 致使检测结果离散偏大。
2m³等温云室
云室主体为上、下半球形带夹套的中空圆柱体，内径1.2m, 最大高度2.08 m。载冷剂在夹套中循环，夹套外有10cm 厚的聚酯发泡层保温。利用超声雾化器造雾。云室附建有稀释风洞, 其检测结果可与CUS 等温云室的检测结果相互比较。
96m³中型云室
1m³等温云室
小型混合云室有两个不能替代的特点:
但是冰核的活化对温湿度条件极为敏感, 小型混合云室受体积限制温度难以严格控制, 云室中过冷雾维持时间短, 通雾容易引起云室中气样体积、温度和湿度的扰动等不足, 势必会造成很大的不确定性。
15L 便携式混合云室
15L混合云室最低制冷温度可达- 28℃左右, 云室温度较为稳定, 测温仪间的测量误差为±0.1℃, 检测冰晶的上下限分别为9×104 个/L 、0.074 个/L。
设备应用
大气冰核浓度的观测与研究
大气中的气溶胶粒子通过其对水的相变促进作用影响云的微物理结构和降水过程, 从而影响天气气候过程。这些已引起国际大气科学界的关注。鉴于中国北方广大地区冰晶过程在降水过程中起重要作用, 20 世纪60—70 年代在中国曾开展过多次大气冰核的观测, 结果表明: 与风沙过程有关的自然飘尘和人类活动排放的气溶胶粒子是冰核的主要来源。80 年代北方层状云人工增雨研究中, 观测分析了中国北方广大地区云凝结核浓度的区域分布特点。90 年代以后, 游来光等于1995 年和1996 年两次组织了北京地区春季大气冰核浓度的观测, 发现冰晶浓度与云中气溶胶粒子浓度, 两者有较好的正相关关系。
β- AgI 为六方晶系, 晶体的点阵参数非常接近于冰, 其微粒在温度低于- 4℃下能充当冰核, 通过异质核化在过冷云中产生冰晶。如能再降低AgI 与冰点阵参数的差别, 则可能进一步提高其成冰效率。在这方面国内外进行过一些实验工作, 旨在产生AgI与其他物质的复合气溶胶, 来改变AgI 晶体的点阵参数, 从而达到提高焰剂的成冰性能。焰剂配方成冰性能的优劣, 主要通过云室的检测来了解。1999 年结题的“人工增雨新催化技术系统研究”, 对国内现有的各种AgI 焰剂在2m等温云室中统一进行了成核率检测和分析。
液氮( LN) 消雾成冰性能的实验研究
液氮( LN) 播入冷云中与饱和湿空气和云滴混合, 同其它催化剂一样有贝吉龙过程(Bergeron) 的出现, 产生大量的冰晶胚胎和冰晶。张铮等对液氮的消雾成冰性能进行了研究, 实验结果表明: 液氮成核率与云雾温度的相关不明显, 但与液氮的播撒量有关。曹学成、任婕、王伟民、韩光等研究了液氮( LN) 成冰核作用和特征, 结果表明: 0～- 5℃的高温段, LN 的成冰核率>1010.g ; - 5～- 10℃其成冰核率为10～10.g ; ≤- 10℃其成冰核率为10～10.g 。由于在高温段LN 有较高的成冰核率, 因此, 在人工增雨对冷云催化作业和对人工消除过冷雾的催化作业方面, 有了更宽的温度使用范围。
稀土化合物成冰性能的实验研究
在人工影响天气工作中, 国内外广泛地使用着碘化银, 为了克服实用播种中碘化银气溶胶的某些缺点( 如阳光引起活性衰减) , 也有采用水溶胶形式播种的, 然而, 两者都要消耗大量白银。为了寻找新的经济而有效的成冰催化剂, 多年来各国不少研究者对许多无机和有机化合物的成冰性能作了实验研究。
70 年代初期, Matsubara 曾报道七种稀土元素氧化物的成冰性能, 并认为它们的成冰能力是中等的, 但却无与之对比的标准。在此基础上, 莫天麟等用化学方法制备了几种混合稀土化合物水溶胶, 对它们的形成条件、冻结性能方面作了初步筛选, 得到氟化稀土(RF3) 、碘酸稀土[R(IO3)3]水溶胶与碘化银水溶胶平均冻结温度相近的结果。基于我国稀土资源丰富, 研究稀土化合物的成冰性能, 寻找目前广泛使用的碘化银催化剂的非银催化剂替代品, 不但可以扩展稀土新的应用领域, 获得自主知识产权, 而且对于人工影响天气的可持续发展, 保护生态环境，都具有现实意义。
冰雪晶碰并勾连增长的实验与观测分析
在云生命期中, 单凭凝结是不能增长到毫米量级雨滴的, 要有碰并过程, 但直径<50μm 的滴碰并效率很低。从云滴凝结增长到有效碰并到降雨似乎是很漫长的过程。然而人们常常观测到云在lh内形成降水, 有时l～2h 内就形成降雹, 这归功于冰晶的出现、相变。实验与外场观测发现, 冰晶增长亦有一个与液滴碰并增长相似的加速过程, 冰晶碰并液滴( 过冷) 形成霰, 进而碰并过冷水滴长大成冰雹; 冰晶间相互碰并勾连、攀附, 快速增长为雪花或雪团, 如融化成毫米量级的雨滴, 将水质点增长加快, 加速降水进程。
人们早就注意观测研究冰雪晶间碰并勾连现象, 认为它主要与温度有关, l～- 5℃是多发区, 其机制主要是粘连, - 12～- 17℃次之, 主要是勾连、攀附；晶型最多的是片状及辐枝状, 还有针状成束晶。黄庚等认为冰晶的增长过程仅在水面饱和、过饱和条件下发生。其中- 13～- 17℃碰并勾连效率最高, 该层的枝、星状晶是勾连、攀附的主要区域, 亦为冰晶繁生的主要区域、生长率最快, 是人工增雨播撒人工冰核催化效率较高的温度段。总之, 冰雪晶碰并勾连的研究对自然降水( 雪) , 尤其在人工引晶催化增雨中很有意义。
设备贡献
威尔逊云室能使那些小得无法直接观察的粒子的运动轨迹显示出来，甚至也可把那些高速粒子发生相互撞击使运动方向发生改变的情形拍摄下来。因此，它一经发明便立即受到人们的普遍重视与运用，对于检验理论和探索新型粒子做出了不可磨灭的贡献。
1923年康普顿(Arthur Holly Compton,1892一1962年)发现了X射线散射后波长变长的现象，即康普顿效应，他用光子与电子碰撞时动量与能量守恒定律作出解释。在人们对此将信将疑时，威尔逊用云室拍摄到的反冲电子的径迹，令人信服地证实了康普顿散射理论，为爱因斯坦光子说提供了实验依据。由于这项工作及他发明的云室，他和康普顿共获1927年度诺贝尔物理奖。
后来，人们利用威尔逊云室又发现了许多新型粒子。首先是正电子的发现.1932年，美国加州理工学院的C· D"安德森(Carl David Anderson,1883一1964年)利用威尔逊云室研究宇宙射线，在宇宙射线的云室照片中发现了正电子的径迹，这是利用云室发现的第一个反粒子—正电子，从而证实了狄拉克(P. A. M. Dirac)关于存在正电子的预言。安德森因此荣获1936年度诺贝尔物理奖.1937年，安德森又用它发现了汤川秀树在1935年从理论上预言的(介)子.1955年，我国科学家王淦昌和他的合作者利用大型云室发现了反西格马负超子.
1925年在卡文迪什实验室，年轻的布拉开特(M. S. Blackett,1897一1974年)在卢瑟福和威尔逊的指导下致力于用云室研究a粒子撞击氮原子核的问题。他从拍摄到的两万多张云室照片中得到了8张照片，证实了卢瑟福1919年所做的世界上最早实现的人工核反应实验。
1932年布拉开特(P. M. S. Blacken)和奥恰利尼(U. P. S. Occhialini)合作，开始用威尔逊云室研究宇宙射线。由于宇宙射线稀少，如果让云室随机地膨胀和拍照，大约每百张照片中只有2一5张上有宇宙射线的径迹，这使他们想到云室摄影的自动化问题。解决的办法是在竖直放置的云室上下两侧各置一盖革计数管，使得经过云室的宇宙射线必将先后穿过两个计数管。布拉开特设计了一种电路，只有从两个计数管来的讯号相藕合时才能触发云室的膨胀而产生记录照片。布拉开特用这种自动化技术控制云室摄影，约80%的照片上都有射线径迹。他们通过对大约7 000张照片的分析，证实了几个月前安德森发现的正电子，直观地说明了正负电子对的产生和湮灭过程.1933年布拉开特转到伦敦大学伯克贝克学院担任教授。在那里，他继续用云室方法研究宇宙射线，他研制出了用于云室的大而积匀强磁场装置，并用这台装置拍摄了大量宇宙射线径迹的照片。由于布拉开特对云室技术的改进及由此对核物理和宇宙射线的一系列新发现而荣获1948年度诺贝尔物理奖。
1952年，美国加州大学的格拉塞(D. A. Ulaser)在云室中直接用液体代替气体一蒸汽混合物而发明了泡室。泡室的出现为探测高能带电粒子又提供了一种有效手段，为此格拉塞荣获1960年度诺贝尔物理奖。
未来展望
(1)小型便携式混合云室在对大气冰核进行观测采样; 对播云催化剂研制和检测特别是在检测弹载催化剂的成核率时, 有它独特的方便性。可以把它设在现场附近进行检测。但是小型混合云室受体积限制, 温度难以严格控制, 云室中过冷雾维持时间短，通雾容易引起云室中气样体积、温度和湿度的扰动等不足。再加之检测程序不严格和统一, 势必会造成很大的不确定性, 使检测结果存在量级差异。今后，为了使云室具有更好的稳定性和重复性, 应该在云室的制冷系统、过冷雾的设计和冰晶接取方法上进行改进。
(2)作为优秀的人工降水用催化剂应该是经济有效、便于使用的。一般用成冰阈温和成核率来度量物质的成冰性能。选用催化剂时, 要注意, 作为催化剂的物质应是资源丰富, 价格便宜, 无毒和无腐蚀性的。还要注意其对运输、保存的条件不太苛刻。在播撒时产生微粒的方法要简便易行, 单位时间内核的发生率要高。
最新构造
一个更加现代的设计是扩散云室，这个装置中云室的顶部与底部维持着一个大的温度差，通常使用干冰来冷却云室底部，顶部的室温则意味着顶部毡制品中的酒精就会沿室壁向下翻滚并和室底附近的重冷空气混合在一起，随后悬浮在那里，云室中充满了空气和酒精蒸汽当温度低时的底部扩散时蒸汽变成了过饱和状态。底部的低温意味着一旦蒸汽下降，它就会被过度冷却，也就是在一个不可能产生蒸汽的温度下成蒸汽状态，所以蒸汽容易凝结成液态，一点宇宙射线就会让蒸汽电离，也就是说宇宙射线夺走了许多气体分子的电子，使原子带电，于是被电离的粒子互相吸引引发凝结过程，形成一个宇宙粒子的路径。
参考资料
[1]
一个观测冰核的15 L混合云室 · 知网[引用日期2021-11-03]
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