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霧箱（ウィルソンチャンバーとも呼ばれる）は、電離放射線の通過を可視化するために使用される粒子検出器である。
霧箱は、水またはアルコールの過飽和蒸気[ 1 ]を含む密閉された環境で構成されています。高エネルギーの荷電粒子（例えば、アルファ粒子またはベータ粒子）は、衝突時に静電気力によってガス分子から電子をはじき飛ばすことで気体混合物と相互作用し、イオン化されたガス粒子の軌跡を生成します。生成されたイオンは凝縮中心として働き、気体混合物が凝縮点にある場合、その周囲に霧状の小さな液滴の軌跡が形成されます。これらの液滴は、蒸気中を落下する間、数秒間持続する「雲」の軌跡として目視できます。これらの軌跡には特徴的な形状があります。例えば、アルファ粒子の軌跡は太くてまっすぐですが、ベータ粒子の軌跡は細く、衝突による偏向の痕跡が多く見られます。
霧箱は、1900年代初頭にスコットランドの物理学者チャールズ・トムソン・リース・ウィルソンによって発明されました。彼は、バブルチャンバーが登場するまでの1920年代から1950年代にかけて、実験素粒子物理学において重要な役割を果たしました。特に、 1932年の陽電子（図1参照）と1936年のミューオンの発見は、いずれもカール・アンダーソン（1936年にノーベル物理学賞を受賞）によって行われ、霧箱が使用されました。1947年にジョージ・ロチェスターとクリフォード・チャールズ・バトラーによってカオンが発見された際も、検出器として霧箱が使用されました。[ 2 ]これらのいずれの場合も、宇宙線が電離放射線源でした。しかし、マンハッタン計画の一環としての放射線撮影など、人工的な粒子源にも使用されました。[ 3 ]
スコットランドの物理学者、チャールズ・トムソン・リース・ウィルソン（1869年～1959年）は、霧箱の発明者として知られています。 1894年にベン・ネビス山頂で研究中にブロッケン現象を目撃したことに触発され、湿った空気中の雲の形成や光学的現象を研究するための膨張室の開発に着手しました。彼はすぐに、イオンがそのような膨張室で水滴形成の中心として機能することを発見しました。彼はこの発見の応用を追求し、1911年に最初の霧箱を完成させました。
ウィルソンのオリジナルのチャンバーでは、密閉された装置内の空気が水蒸気で飽和され、次に隔膜を使用してチャンバー内の空気を膨張させ（断熱膨張）、空気を冷却して水蒸気の凝縮を開始しました。そのため、膨張霧箱という名前が使用されています。[ 4 ]電離粒子がチャンバーを通過すると、生成されたイオンに水蒸気が凝縮し、粒子の軌跡が蒸気雲の中に見えます。画像の記録には映画フィルムが使用されました。
パトリック・ブラケットは、さらに改良を加え、硬いバネを用いてチャンバーを非常に高速に膨張・圧縮させることで、チャンバーが1秒間に数回粒子に敏感に反応するようにした。この種のチャンバーは、動作条件が連続的に維持されないため、パルスチャンバーとも呼ばれる。
ウィルソンは霧箱の研究で1927年にノーベル物理学賞の半分を受賞した（アーサー・コンプトンがコンプトン効果で半分を受賞したのと同じ年）。[ 5 ]
拡散霧箱は、 1936 年にアレクサンダー・ラングスドルフによって開発されました。[ 6 ]この霧箱は、放射線に連続的に感光する点と、底部を比較的低い温度、一般的には-26 °C (-15 °F)より低い温度まで冷却する必要がある点で、膨張霧箱とは異なります。水蒸気の代わりに、凝固点が低いアルコールが使用されます。ドライアイスまたはペルチェ効果熱電冷却で冷却される霧箱は、一般的なデモンストレーション用および趣味用の装置です。これらで使用されるアルコールは、一般的にイソプロピルアルコールまたはメチルアルコールです。[ 7 ]
ここでは拡散型霧箱について説明します。単純な霧箱は、密閉された環境、温かい上部プレート、冷たい下部プレートから構成されます（図3参照）。霧箱の温かい側には液体アルコールの供給源が必要で、そこで液体アルコールが蒸発して蒸気となり、ガスの中を落下する際に冷却されて冷たい下部プレート上で凝縮します。また、何らかの電離放射線も必要です。
イソプロパノール、メタノール、またはその他のアルコール蒸気がチャンバーを飽和させる。アルコールは冷却されるにつれて落下し、冷たいコンデンサーによって急激な温度勾配が生じる。その結果、過飽和環境となる。高エネルギーの荷電粒子がガスを通過すると、電離痕が残る。アルコール蒸気は、電離粒子によって残された気体イオン痕の周囲で凝縮する。これは、アルコールと水の分子が極性を持つため、近くの自由電荷に対する正味の引力が生じるためである（図4参照）。その結果、霧状の雲のような形成物が生じ、コンデンサーに落下する液滴の存在によって確認できる。トラックが線源から放出されると、その発生源を容易に特定できる。[ 8 ]図5は、Pb-210ピン型線源からのアルファ粒子がラザフォード散乱を受ける例を示している。
冷コンデンサープレートのすぐ上には、電離トラックに敏感なチャンバーの領域があります。放射性粒子が残したイオンの軌跡は、凝縮と雲の形成に最適なトリガーとなります。この敏感な領域の高さは、急な温度勾配と安定した条件を利用することによって増加します。[ 8 ]強力な電場は、雲の軌跡をチャンバーの敏感な領域に引き下げ、チャンバーの感度を高めるためによく使用されます。電場はまた、チャンバーの敏感な領域の上部で発生する凝縮によって、大量の背景「雨」がチャンバーの敏感な領域を覆い隠し、絶え間ない降雨によって軌跡を覆い隠すのを防ぐ役割も果たします。黒い背景は雲の軌跡を観察しやすくし、通常は黒い背景に対して白い液滴を照らすために接線方向の光源が必要です。多くの場合、コンデンサープレートに浅いアルコールのプールが形成されるまで軌跡は明らかになりません。
霧箱に磁場をかけると、ローレンツ力の法則に従って、正電荷と負電荷の粒子は反対方向に曲がる。小型の趣味用装置では、十分な強さの磁場を得ることは難しい。この方法は、1928年に発表されたポール・ディラックの理論的証明に従って、1932年に陽電子の存在を証明するためにも使用された。[ 9 ]
泡箱は1952年にアメリカのドナルド・A・グレイザーによって発明され、彼はこの功績により1960年にノーベル物理学賞を受賞しました。泡箱は同様に素粒子の軌跡を明らかにし、霧箱の原理を逆転させて、過飽和蒸気中の滴の軌跡ではなく、通常は液体水素である過熱液体中の泡の軌跡として検出します。泡箱は霧箱よりも物理的に大きく作ることができ、はるかに密度の高い液体物質で満たされているため、はるかにエネルギーの高い粒子の軌跡を明らかにすることができます。これらの要因により、泡箱は数十年にわたって主要な粒子検出器となり、1960年代初頭までに霧箱は基礎研究において事実上取って代わられました。[ 10 ]
スパークチャンバーは、ガスが充填されたチャンバー内に絶縁されていない電線のグリッドを配置し、電線間に高電圧を印加する電気装置です。高エネルギーの荷電粒子は、ウィルソン霧箱と同様に、粒子の経路に沿ってガスを電離させます。この場合、周囲の電界は、最初の電離箇所で火花という形で本格的なガス放電を引き起こすのに十分な高さになります。これらの火花の発生と位置は電気的に記録され、その情報はデジタルコンピュータなどで後から分析するために保存されます。
同様の凝縮効果は、湿った空気中での大規模な爆発やその他のプラントル・グラウエルト特異点効果において、ウィルソン雲（凝縮雲とも呼ばれる）として観測される。
