Diffusions Nebelkammer

Allgemeines: Die Diffusions Nebelkammer arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die >>Expansionskammer<< . Wieder wird eine Atmosphäre übersättigten Dampfes geschaffen dessen Kondensation an den durch die Teilchen hervorgebrachten Ionen die Bahnen der Teilchen anzeigt. Im Gegensatz zur Expansionskammer wird aber die Diffusion eines Dampfes von einer warmen zu einer kalten Fläche genutzt. Auf seinem Weg zur kalten Fläche kühlt der Dampf unter den Taupunkt ab und so wird eine Zone mit übersättigtem Dampf geschaffen. So arbeitet die Diffusionskammer im Gegensatz zur Expansionskammer kontinuierlich da ständig an der warmen Fläche aus einer Vorratsflüssigkeit Dampf generiert wird, zur kalten Fläche diffundiert und dort kondensiert. Erstmals beschrieben wurde die Diffusions Nebelkammer 1936 von Langsdorf, und Lander und Nielson bauten 1953 eine Kammer die in Abarten heute noch gebräuchlich ist.

Die meisten Nebelkammer unterscheiden sich lediglich in der Art der Kühlung der kalten Fläche. Lander und Nielson verwendeten Trockeneis (gefrorene Kohlensäure) zur Kühlung bis auf -79°C. Diese Art der Kühlung erlaubt den Bau äußert einfacher Kammern wozu nicht wesentlich mehr als ein Marmaladenglas, etwas Karton, einen Schwamm und natürlich Trockeneis notwendig ist. Aufwendigere Konstruktionen, vorallem von großen Kammer, verwenden Kältemaschinen, wie in einem Kühlschrank. In der Komplexität dazwischen liegen Kammern welche zur Kühlung Peltierelemente verwenden und eine solche soll hier beschrieben werden.

Peltierelemente, einst exotische Bauelemente, werden mittlerweile viel verwendet, z.B. in Kühlboxen und sind durch die Massenproduktion recht billig geworden. Peltierelemente können, vereinfacht gesagt, Wärme mittels Stromfluß von einer Seite zu anderen transportieren so kühlt eine Seite ab und die andere erwärmt sich. Ein Problem ist der relativ geringe Wirkungsgrad der Elemente, der bei etwa 60% liegt. So muß an der warmen Seite nicht nur die transportierte Wärme, sondern auch die Verlustleistung abgeführt werden, was ein leistungsfähiges Kühlsystem voraussetzt.

Aufbau:

Für den ersten Aufbau wurde als Kammer ein Plexiglasrohr mit großem Durchmesser (ca. 12cm) verwendet.Sie entsprach der rechten Skizze. Obwohl die Kammer prinzipiel funktionierte, mußte eine andere Konstruktion versucht werden, da das Plexiglasrohr stark von der Kammerflüssigkeit (Isopropanol) angegriffen wurde und schon nach Stunden von einem Netz feiner Risse durchzogen war. Offenbar sind aber hauptsächlich Plexiglasrohre betroffen, Platten werden nicht so stark angegriffen.
Der nächste Versuch wurde mit einem Gehäuse aus Aluminium unternommen. Auch diese Kammer funktionierte, allerdings wurde durch die gute Wärmeleitung der Aluwände starke Strömungen erzeugt welche die Bahnspuren zerstören. Und der am Boden kondensierende Alkohol bildet eine Wärmebrücke an der Bodenplatte welche nach einiger Zeit die Kühlung beeinträchtig.

Die dritte Kammer wurde ähnlich dem ersten Versuch aufgebaut, allerdings wurde kein Plexiglas verwendet sondern ein Kasten aus Glasplatten mit Siliconkautschuk geklebt. Auf einer von Kühlwasser durchspülten Bodenplatte aus Plexiglas sind zwischen zwei Aluplatten die Peltierelemente befestigt. Die, in der über der oberen Platte in der übersättigten Zone, entstehenden Nebelspuren werden mit einer seitlichen Beleuchtung aus einem LED Zeile und einer Plexiglas Zylinderlinse sichtbargemacht.

Im oberen Teil der Kammer befindet sich eine mit Alkohol gefüllte umlaufende Rinne.Durch gelindes Erwärmen der Rinne mit einem elektrischen Heizer wird der Alkohol verdampft. Unter dem Verdampfer ist noch ein auf eine höhere Spannung (einige Hundert Volt) aufgeladenes Gitter eingebaut, welches den Zweck hat Ionen, welche von alten Bahnspuren stammen, zu beseitigen. Abgedeckt ist die Kammer mit einer Plexiglasplatte durch welche die Spuren beobachtet und fotographiert, b.z.w. gefilmt werden kann. Bis auf einen schmalen Schlitz zur Beleuchtung sind die Glaswände zur Vermeidung von Kondenzwasser und zur Wärmeisolierung mit schwarzem Filz beklebt. Auf diesen Schlitz ist direkt die Plexiglaszylinderlinse geklebt und davor in einigem Abstand die LED Zeile. Der auf der Bodenplatte kondensierte flüssige Alkohol wird über ein 50ml Reservoir mit einer einfachen, selbstgebauten Schlauchpumpe nach oben in die Verdampferrinnen transportiert und steht somit dem Prozess wieder zur Verfügung

Schaltung:

Die Elektrik der Nebelkammer besteht hauptsächlich aus diversen Netzteilen. Die meiste Energie verbraucht der Peltierkühler. Es wurden jeweils zwei Elemente in Reihe geschaltet und verbrauchen je Reihe einen Strom von 3A bei 16V. Der Heizer gibt sich mit bescheidenen 0.6A bei 10V Spannung zufrieden und die LED Zeile verbraucht nur 180mA bei 20V Spannung. Die 600V Spannung zur Entionisierung wird nur sehr hochohmig (2 Mohm) belastet. Zur Temperaturmessung werden zwei Pt100 Widerstände verwendet deren Messspannung mit einem Digitalvoltmeter angezeigt werden.
In den Stromquellen wird eine große Verlustleistung umgesetzt, und da für die Peltierelemente sowieso eine Wasserkühlung vorhanden ist werden die Transistoren der Stromquellen mit einem Bypass mit gekühlt

Links oben ein Bild der Kammer vor dem Zusammenbau und daneben ein Bild der Rückseite mit dem wassergekühltem Kühlkörper.Zwischen Kühlkörper und Ventilator befinden sich drei Einstellpotis ,von oben nach unten, für Peltierstrom, LED Strom und Heizerstrom
Links das Bild der fertigen Kammer. Auf der Oberseite links der abnehmbare Kammerdeckel und daneben der Einfüllstutzen für das Alkohol-Reservoir.
An der Frontplatte ist rechts der Netzstecker, darüber der Netzschalter. Daneben die umschaltbare Temperaturanzeige für Bodenkühlung und Verdampferheizung. Ganz links der Nippel zum Einblasen einer radioaktiven Gasprobe.

Betrieb:

Zur Kühlung der Bodenplatte werden vier Peltierelemente vom Typ TEC1 127 0 6T125 mit den rechts stehenden Daten verwendet.Bei einer Kühlwassertemperatur von 15°C wird bei einem Peltierstrom von 3A (insgesamt 6A) eine Bodenplattentemperatur von, je nach Kühlwasser-durchfluß, -15 bis -17°C erreicht. Ein höherer Strom brachte keine wesentliche weitere Erniedrigung der Temperatur. So werden die Elemente weit unter ihren Grenzdaten betrieben was auch einen positiven Einfluß auf deren Lebensdauer hat. Auch scheint der Unterschied zwischen -15 und -17°C keinen Einfluß auf die Sichtbarkeit der Bahnspuren zu haben.

max. Verlustleistung	90W
Kühlleistung	60W
max. Spannung	15.2V
max.Strom	6A

Nach der Füllung des Reservoirs mit etwa 30ml Iso-Propanol wird die Wasserkühlung und dann die Nebelkammer eingeschaltet. Der Netzschalter schaltet gleichzeitig all Funktionen der Kammer (Peltier, Heizer, LED's, Pumpe ) ein. Nach etwa 10 Minuten ist die Bodenplatte auf etwa -15°C abgekühlt, der anfänglich sichtbare Tröpfchenregen lichtet sich und die ersten Bahnspuren werden sichtbar. Mit einer Füllung des Reservoirs von 30ml Propanol kann bei Föderleistung der Schlauchpumpe von 0.5 ml/min, einer Bodenplattentemperatur von -16°C und einer Heizertemperatur von 40°C kann nun ein kontinuierlicher Betrieb der Kammer über Stunden aufrecht erhalten werden.Der Nulleffekt durch die Umgebungsradioaktivität und Höhenstrahlung beträgt etwa 10 Spuren pro Minute.

Interessant ist die zu beobachtende Bahnkrümmung mancher Spuren, die wohl von dem durch den Peltierstrom erzeugten Magnetfeld herrührt.
Die empfindliche Schicht ist etwa 5 mm dick und je nach Höhe der Bahnen über der Bodenplatte sind die Spuren scharf begrenzt oder mehr diffus.

Durch ein eingebrachtes radioaktives Präparat kann man die Zahl der Spuren deutlich erhöhen. Ein Nachteil ist, daß das tief über der Bodenplatte angebrachte Präparat schnell abkühlt und sich dann mit einer Alkoholschicht überzieht, welche die ausgestrahlten Alpha- und Betateilchen stoppt. Die durchdringenden Gammastrahlen ergeben leider kaum brauchbare Bahnen. Ein Ausweg findet sich in der Anwendung eines radioaktiven Gases.

Ein solches steht in der Form von Radon leicht zur Verfügung. Dazu wird ein Glühstrumpf in eine kleine Plastikspritzflasche gebracht. Beim Zerfall des im Glühstrumpf enthaltenen Thoriums entsteht laufend ₈₆Radon²²⁰ (Thoron). Diese wird mit leichtem Druck auf die Spritzflasche über einen Schlauch in die Kammer geleitet.Dort zerfällt es unter Aussendungvon Alphateilchen mit einer Halbwertszeit von 56s in in ₈₄Polonium²¹⁶ welches mit einer Halbwertszeit von 0.15 s ebenfalls unter Aussendung von Alphateilchen zerfällt. Dieunteren Bilder sind drei typische Bahnspuren des Thoronzerfalls. Sie bestehen sehr oft aus zwei sichtbaren Spuren, awhrscheinlich eine vom Radonzerfall und die andere vom kurz darauf folgendem Poloniumzerfall

Aufgenommen wurden die Bilder als Standbilder aus einem mittels einer Kamera und einem DVD Recorder aufgenommenen Films erhalten, deshalb erreicht die Qualität nur Videoauflösung und gibt leider nicht die Brillianz,Schärfe und Dynamik wieder die bei direkter Betrachtung entsteht. Im rechten Fenster können Sie einen 14 Sekunden Videoclip
(Avi Format ) laden das einen kleinen Ausschnitt der Nebelkammer Aktionen zeigt. Allerdings ist das File 1.8 MByte groß sodaß man sich beim downloaden schon etwas in Geduld üben muß.