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Wilsonsche Nebelkammer

Allgemeines: Die schon 1922 von Wilson erfundenen Nebelkammer erlaubte erstmals auf einfache Weise nicht nur die Anwesenheit sondern auch die Bahn von radioaktiven Teilchen zu erforschen. Die Wirkungsweise der Nebelkammer ist vergleichsweise einfach. In einer mit Dampf übersättigten Atmosphäre verursachen die entlang der Bahn des Teilchens entstandenen Ionen eine Kondensation des Dampfes und somit eine sichtbare Spur von Tröpfchen entlang der Bahn. Die notwendige Übersättigung wird durch adiabatische Expansion (Expansions Nebelkammer) eines mit Dampf gesättigten Volumens erreicht. Aufgrund dieses Prinzips ist die Kammer nur für relativ kurze Zeit, 10 bis 100 ms die Strahlung empfindlich. Eine andere Art ist die Diffusionsnebelkammer bei der eine dauernde Übersättigung und somit dauernde Empfindlichkeit erreicht werden kann.
 
Konstruktion: Die oben erwähnte Expansion kann auf verschiedenste Weise erreicht werden, meist wird ein Kolben oder eine Membran verwendet. Abgesehen von ganz einfachen, mit einem Gummiball von Hand betriebenen Kammern, eignet sich eine mit Druckluft betriebene Membrankammer gut für den Selbstbau. In der rechten vereinfachten Zeichnung ist der Aufbau ersichtlich. In einer Plexiglas- kammer wird mittels Preßluft eine Gummimembran aufgeblasen und so das Volumen des oberen Kammerteils verringert Zum gegebenem Zeitpunkt wird dann ein Ventil mit einem Hubmagneten geöffnet und so die Membran entlastet und eine schnelle Vergrößerung des oberen Kammerteils erreicht. Das Expansionsverhältnis wird durch die Größe des Überdrucks unter der Membrane eingestellt. Von besonderer Wichtigkeit für den erfolgreichen Betrieb einer Nebelkammer ist die richtige Beleuchtung, die aus einer Zeile aus 8 weißen Leuchtdioden und einer Zylinderlinse aus Plexiglas besteht. Diese Anordnung erzeugt ein flaches Lichtbündel welches die Kammer seitlich durchstrahlt so werden
die Nebelspuren durch Streuung des Lichtes hell auf dunklem Hintergrund sichtbar. Weiterhin muß in der Kammer ein elektrisches Feld von einigen Hundert V/cm erzeugt werden um etwa vorhandene Restionen, abzusaugen. In diesem Fall wird das Feld zwischen einem Metallgitter über der Membran und einem Metallring an der Deckscheibe erzeugt durch Anlegen einer Spannung von einigen Hundert Volt
Weiterhin benötigt man natürlich eine geeignete Ablaufsteuerung, die zu gegebener Zeit die einzelnen Funktionen ausführt. Diese Steuerung wurde mit einem PIC Prozessor 16 F 84 von Microchip auf gebaut. Zur Messung des Überdrucks und somit des Expansionsverhältnisses dient ein Halbleiterdrucksensor TPX 5100 von Motorola. Damit kann nicht nur der Überdruck präzise geregelt werden sondern auch der wichtige zeitliche Verlauf des Druckabfalls, Expansion aufgezeichnet werden. Auf dem linken Bild ist der Aufbau zu sehen. Links ist die Beleuchtungseinrichtung aus LED Zeile und Zylinderlinse zu sehen
In der Mitte die Kammer aus einem Plexiglasrohr. Das Drahtgitter auf halber Höhe ist mit schwarzem Filz belegt , der später mit Kammerflüssigkeit getränkt wird. Die schwarze Gummimembrane unten ist aus einem Motoradschlauch ausgeschnitten. Unter der Grundplatte sind die restlichen Komponenten (rechtes Bild) angeordnet. In der Mitte das selbstgebaute Expansionsventil, links davor der Drucksensor und rechts der kleine Membrankompressor. Zusätzlich zur LED Beleuchtung wurde noch eine stabförmige Blitzlampe mit Reflektor und Zylinderlinse angebaut. Diese Lampe ermöglicht eine sehr helle und sehr kurzzeitige Beleuchtung für Fotoaufnahmen
         Schaltung und Programm    
Zusätzlich zum autonomen Betrieb, kann die Kammer über ein Interface auch fremdgesteuert werden. Das zu ist z.B. der PC Parallel / Drucker Port geeignet oder jeder andere Port mit min. 6 TTL kompatiblen Ausgängen. So können verschiedene Betriebsparameter der Kammer verändert werden ohne jedesmal den Pic neu zu programmieren. Der Anschluß erfolgt über eine 25-polige Sub D Buchse. Die Anschlußreihenfolge entspricht der PC Druckerschnittstelle sodaß mit einem 1:1 Kabel gearbeitet werden kann. Ein einfaches Turbo Pascal Programm dient zur Ansteuerung der verschiedenen Funktionen.
25 pol. Sub D Buchse
2 Expansionsventil
3 Kompressorfreigabe
4 LED Ansteuerung
5 Triggerung Blitz
6 Saugspannung
7 Kameraauslöser
24 Gnd
25 Gnd
alle anderen Pins sind nicht belegt
 
 

Inbetriebnahme:
  Ablaufsteuerung  
1 Druck aufbauender eingebaute Kompressor
2 Kamera auslösen, aufgrund der langen Verzögerung der Kamera nach dem Auslösen bis zur Aufnahme des Bildes muß die Kamera sehr früh getriggert werden
3 Saugspannung abschalten
4 Expansions Impuls zum Öffnen des Magnetventils, die Verzögerung bis zum vollständigen Druckabfall beträgt 25 ms
5 nach einer Verzögerung von 90 ms Auslösung des Blitzes
6 Wiedereinschalten der Saugspannung
Vor dem Verschließen der Kammer wurde der Abdeckfilz mit etwas ( ~5ml) einer 50:50 Methanol / Wasser Mischung getränkt. Da noch kein geeignetes radioaktives Präparat (vorzugsweise Alpha Strahler) zur Verfügung stand, wurde die Hoffnung auf die allgegenwärtige natürliche Höhenstrahlung gesetzt.
Zuerst wurden die Druckverhältnisse gemessen. Auf dem rechten Oszillogramm zeigt die obere Kurve die Ansteuerung des Magnetventils und unten der Druck in der Kammer.Die Verzögerung des Ventils beträgt 20 ms und die Kammer expandiert in 5 ms. Die ersten Versuche waren dann enttäuschend, zu sehen waren nur Nebelschwaden und keine Teilchenspuren. Aber nach etwa 10 Minuten Betrieb klärte sich die Kammer und die ersten Spuren waren zu sehen. Allerdings ist das Lichtbündel noch zu hoch und somit wird auch der schwarze Filz beleuchtet. Zusätzliche, das Lichtbündel begrenzende, Blenden sollten dieses Problem lösen.
 
Das Expansionsverhältnis für einen bestimmten Überdruck unter der Gummimembran wurde durch Ausmessen des entstehenden Kugelabschnitts bestimmt und im rechten Diagramm aufgetragen. Die Abweichung bei den höchsten Werten ist die Begrenzung der Ausdehnung des Gummis durch das obere Gitter
Nach den Erfolgen mit der Höhenstrahlung und der natürlichen Umgebungsradioaktivität wurde eine Quelle mit einer kleinen (~50 mg) Probe aus Pechblende eingebaut. Dieses Mineral welches,neben Spuren von Polonium, Radium u.A. hauptsächlich Uran enthält ist in einem Messingröhrchen eingebracht. Im rechten Bild ist dieses Röhrchen am oberen Bildrand zu sehen, und der Büschel der von dieser Quelle emittierten Alpha Teilchen. Wie erwartet haben alle Teilchen etwa die gleiche Reichweite von etwa 2 cm. Um trotz der kleinen Aktivität der Quelle mehrere Spuren zu erhalten wurden für das rechte Bild vier einzelne Aufnahmen addiert. Nach längerem Betrieb der Kammer ist ein Beschlagen der Deckscheibe festzustellen, wodurch die Spurenbilder unscharf werden. Durch kurzes Erwärmen mit einem Föhn ist das aber leicht zu beheben ist
Da viele der, die Spur verursachenden, Teilchen elektrisch geladen sind können sie durch Magnetfelder abgelenkt werden. Am einfachsten gelingt dies bei den leichten Elektronen. Das rechte Bild zeigt die Spur zweier Elektronen, die durch das Feld einer Spule auf Kreisbahnen gezwungen werden. Die Spule hat 20 Wicklungen und wird mit einem Strom von 20A erregt. Leider wird durch die Verlustwärme der Spule die Funktion der Nebelkammer sehr gestört sodaß nur verschwommene Spuren zu erhalten sind
Der obige Film im Flash-Format mit ca. 450kByte ist aus 25 Einzelaufnahmen erstellt.
 
Flashfilm ca. 500kByte