霧箱

霧箱

イギリス、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所にある CTR ウィルソンのオリジナルの霧箱。
用途	電離放射線の可視化
注目すべき実験	陽電子の発見
発明家	チャールズ・T・R・ウィルソン
関連商品	バブルチャンバー ワイヤーチャンバー

霧箱はウィルソン箱とも呼ばれ、電離放射線の通過を視覚化するために使用される粒子検出器です。

霧箱は、水またはアルコールの過飽和 蒸気を含む密閉された環境で構成されています。エネルギーの高い荷電粒子 (たとえば、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叩き出すことでガス混合物と相互作用し、イオン化されたガス粒子の軌跡を形成します。結果として生じたイオンは凝縮中心として機能し、ガス混合物が凝縮点にある場合は、その周囲に小さな液滴の霧のような軌跡が形成されます。これらの液滴は、蒸気の中を落下する間、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。たとえば、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薄く、衝突による偏向の証拠がより多く見られます。

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。霧箱は、バブルチェンバーが登場するまで、1920年代から1950年代にかけて実験粒子物理学で重要な役割を果たしました。特に、カール・アンダーソン（1936年にノーベル物理学賞受賞）による1932年の陽電子の発見（図1を参照）と1936年のミューオンの発見は、霧箱を使用しました。ジョージ・ロチェスターとクリフォード・チャールズ・バトラーによる1947年のカオンの発見は、霧箱を検出器として使用して行われました。^[1]これらのいずれの場合も、宇宙線が電離放射線の発生源でした。しかし、マンハッタン計画の一環としての放射線撮影アプリケーションなど、人工の粒子発生源とともに使用されました。^[2]

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(1869–1959)は霧箱を発明したとされています。1894年にベン・ネビス山の頂上で作業中にブロッケン現象を目撃したことに触発され、ウィルソンは湿った空気中の雲の形成と光学現象を研究するための膨張室の開発を始めました。彼はすぐに、イオンがそのような室内で水滴形成の中心として機能でき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し、次にダイヤフラム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を凝縮し始めました。そのため、膨張雲室という名前が使用されています。^[3]イオン化粒子がチャンバーを通過すると、水蒸気が結果として生じるイオンに凝縮し、粒子の軌跡が蒸気雲の中に見えるようになります。画像を記録するには 映画フィルムを使用しました。

パトリック・ブラケットは、さらに開発を進め、硬いバネを使ってチャンバーを非常に急速に膨張・圧縮し、チャンバーを1秒間に数回粒子に反応させるようにしました。このタイプのチャンバーは、動作条件が継続的に維持されないため、 パルスチャンバーとも呼ばれます。

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ノーベル物理学賞の半分を受賞したのと同じ年）。^[4]

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た。^[5]この霧箱は、放射線に対して継続的に感作される点と、底部を比較的低い温度、一般に−26℃（−15℉）以下に冷却する必要がある点で、膨張霧箱と異なる。水蒸気の代わりに、凝固点が低いアルコールが使用される。ドライアイスやペルチェ効果熱電冷却によって冷却される霧箱は、デモンストレーションや趣味の装置としてよく使われる。霧箱で使用されるアルコールは、一般にイソプロピルアルコールまたはメタノールである。^[6]

ここでは拡散型霧箱について説明します。シンプルな霧箱は、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で構成されています (図 3 を参照)。霧箱の温かい側に液体アルコールの供給源が必要で、液体が蒸発して蒸気を形成し、ガス中を落下して冷却され、冷たい下部プレート上で凝縮します。何らかの電離放射線が必要です。

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ます。アルコールは冷却されるにつれて下降し、冷たい凝縮器が急激な温度勾配を提供します。その結果、過飽和環境になります。エネルギーの高い荷電粒子がガスを通過すると、イオン化トレイルが残ります。アルコール蒸気は、イオン化粒子が残したガスイオントレイルの周囲で凝縮します。これは、アルコールと水分子が極性であるため、近くの自由電荷に向かって正味の引力が発生するためです (図 4 を参照)。その結果、霧のような雲が形成され、凝縮器に向かって落下する液滴の存在によって確認できます。トラックがソースから放出されると、その発生点は簡単に特定できます。^{[7]図 5 は、}ラザフォード散乱を受ける Pb-210 ピン型ソースからのアルファ粒子の例を示しています。

冷たいコンデンサープレートのすぐ上には、イオン化の軌跡に敏感なチャンバーの容積があります。放射性粒子によって残されたイオンの軌跡は、凝縮と雲の形成の最適なトリガーとなります。この敏感な容積は、急激な温度勾配と安定した条件を採用することで高さが増します。^[7]強い電界は、雲の軌跡をチャンバーの敏感な領域まで引き下げ、チャンバーの感度を高めるためによく使用されます。電界は、チャンバーの敏感な領域の上に凝縮が形成され、継続的な降水によって軌跡が不明瞭になることによって、大量の背景の「雨」がチャンバーの敏感な領域を不明瞭にするのを防ぐのにも役立ちます。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接線光源が必要です。多くの場合、軌跡は、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明らかではありません。

霧箱全体に磁場をかけると、ローレンツ力の法則に従って、正と負に帯電した粒子は反対方向に曲がります。しかし、趣味で小さな装置を使って十分に強い磁場を作るのは困難です。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ました。^[8]

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、グレイザーは1960年にノーベル物理学賞を受賞した。泡箱は同様に亜原子粒子の軌跡を明らかにするが、霧箱の原理を逆転させて、超臨界蒸気中の滴の軌跡としてではなく、過熱液体（通常は液体水素）中の泡の軌跡として検出する。泡箱は霧箱よりも物理的に大きくすることができ、はるかに密度の高い液体材料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る。これらの要因により、数十年にわたって泡箱が急速に主要な粒子検出器となり、霧箱は1960年代初頭までに基礎研究で事実上取って代わられた。^[9]

スパークチャンバーは、ガスを充填したチャンバー内で絶縁されていない電線のグリッドを使用し、電線間に高電圧を印加する電気装置です。エネルギーのある荷電粒子は、ウィルソン霧箱と同様に、粒子の進路に沿ってガスのイオン化を引き起こしますが、この場合、周囲の電界は、最初のイオン化の位置で火花の形で本格的なガスの破壊を引き起こすのに十分高いです。これらの火花の存在と位置は電気的に記録され、その情報は、デジタル コンピューターなどで後で分析するために保存されます。

同様の凝縮効果は、湿った空気中の大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けるウィルソン雲（凝縮雲とも呼ばれる）として観測されます。

• 自家製霧箱。薄い：β粒子）。アニメーション版も参照
• 
  水冷式熱電霧箱の例
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  霧箱で観察されたトーライト鉱物の放射能
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  4.6kVイオンスクラバーを備えた拡散霧箱
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  自作TEC / 水冷式（5段）拡散霧箱
• ウィルソンチャンバーのビデオ
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  FZUでのヨーロッパ研究者の夜中の霧箱。
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  電離放射線の跡が見える霧箱（短く太い：α粒子、長く、
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  膨張霧箱内の放射性同位元素からの粒子の軌跡。(左) Am-241 源からのアルファ軌跡と、その娘核種 Pa-233 からのベータ軌跡が 1 つ。(右) Sr-90/Y-90 源からのベータ軌跡。
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  ピク・デュ・ミディの標高2877メートルにあるPhywe PJ45霧箱（表面サイズは45×45cm）で撮影された画像。この珍しい写真では、霧箱で検出可能な4つの粒子、すなわち陽子、電子、ミューオン（おそらく）、アルファが1枚の写真で示されています。
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  展示ケースに展示されたもう一つの霧箱

• 原子核乳剤– 高速荷電粒子の記録と調査にも使用される
• バブルチャンバー
• スパークチャンバー
• ギルバート U-238 原子力研究所の子供向け科学キット (1950–1951)
• 飛行機雲
• ネフェレスコープ

• Das Gupta, NN; Ghosh SK (1946)。「ウィルソン霧箱と物理学への応用に関する報告」。現代物理学レビュー。18 (2): 225–365。Bibcode : 1946RvMP ...18..225G。doi :10.1103/RevModPhys.18.225。

ウィキメディア・コモンズには霧箱に関連するメディアがあります。

• 2014-09-14にWayback Machineにアーカイブ、ピーター・ウォザーズ、王立研究所、2012年12月]