Chambre à brouilard 1.0 (2014)

La chambre à brouillard est le premier détecteur de particule qui à été inventé ,sous le nom de chambre Wilson, son inventeur reçu même le Prix Nobel de 1927 pour son invention. Son mécanisme était un peu différent, mais la physique est la même. C'est un appareil capable de mettre en évidence les particules issues de désintégration nucléaire et de les rendre visible à l’œil nu. Le dispositif est une enceinte close, dans laquelle on va créer un environnement instable qui sera réactif à la moindre perturbation passant dans la chambre.

Nous allons essayer de réaliser une chambre à brouillard le plus simplement possible et cela en utilisant un module Pelletier à la place de la neige carbonique (Chambre à brouillard classique). Ce premier prototype va nous servir à démontrer la faisabilité du projet ainsi que de mieux étudier la physique qu'il met en évidence. Le but final étant de fabriquer une chambre à brouillard “pédagogique” c'est à dire qui soit facilement utilisable, qui fonctionne en continue, et qui soit d'une taille appréciable (environ 30 cm cube)

Ce projet fait essentiellement appel à des connaissances en thermodynamique, en physique nucléaires et quelques notions d'électroniques (pour les capteurs dans la chambre éventuellement).

Il vous ai peu être déjà arrivé de cogner une bière qui sort du congélateur et d'observer avec stupéfaction la congélation instantanée de la bière à l'intérieur? Ce qu'il se passe c'est que le liquide dans la bouteille était à une température en dessous de son point de solidification mais de part l'absence de point de nucléation dans la bière cette dernière na pas réussi à effectuer ça transition de phase, elle est donc dans un état d'équilibre mais très instable, c'est un état métastable. En cognant la bouteille vous apporté une énergie mécanique qui déclenche la transition de phase, le choc perturbe l'état d'équilibre et le bière se congèle instantanément. On peut aussi visualiser cela avec l'analogie mécanique du puit:

En créant un gradient de chaleur dans la chambre, l'alcool à tendance a plus se vaporiser dans l'air,on a donc une grosse quantité de vapeur d'alcool dans le haut de la chambre,qui est en contact avec une zone de plus en plus froide,cette transition lente amène l’alcool a se re-liquéfier sur la face froide dans le bas de la chambre. Mais il y aura une fine zone au dessus (environ 1 cm) ou l'alcool ne vas pas réussir à le liquéfier, il va être dans un état de super-saturation et saisira la moindre occasion (de l’énergie) pour atteindre un état d’équilibre plus stable , sous ça forme liquide. (“ C'est la condition physique où la pression partielle d'un gaz dans un mélange gazeux dépasse la pression de vapeur saturante, en particulier dans l'air.” Wikipedia)

Ces vapeurs d'alcool en état métastable vont alors se condenser si la moindre perturbation passe dans l'enceinte (qu'on appel des points de nucléation) l'alcool se liquéfie alors sous forme de micro gouttelettes. Les particules nucléaires qui vont passer dans ce gaz d'alcool vont agir comme une perturbation local, on obtient des petites traces blanches d'alcool qui représente les trajectoires de ces particules.

“Phénomène physique naturel au cours duquel des noyaux atomiques instables, dits radio isotopes, se transforment spontanément (« désintégration »), en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, en des noyaux atomiques plus stables ayant perdu une partie de leur masse. Les rayonnements ainsi émis sont appelés, selon le cas, des rayons α, des rayons β ou des rayons γ.” Wikipedia

De part la nature variées de ses particules, les traces qu'elles vont laisser dans l'alcool permettent de les identifier.

L’expérience consiste à créer un environnement supersaturée en isopropyl pur à 99%, et d'introduire une source à l’intérieur pour observer les traces. Cet état s'obtient en créant un gradient de chaleur horizontal dans la chambre, grâce aux flux de convection il y'a une circulation d'alcool ce qui donne une zone de détection d’environ 1 cm dans le bas de la chambre. Dans ce premier montage, l’expérience est au plus simple, on ne joue pas avec la pression , et nous avons une unique source de froid dans le bas de la chambre.

• Chambre à détente
• Chambre à brouillard “classique” avec neige carbonique
• Chambre à brouillard à module Peltier

Nous allons donc utiliser un module Pelletier afin de refroidir le bas de la chambre, nous devons atteindre une température théorique d'au moins -22°C (température de sublimation de l'alcool). Ce sont des modules très pratique mais il ont en rendement très faible (forcement de part leur conception la face froide est très proche de la chaude ce qui ruine le rendement par effet joule..) De plus il faut bien comprendre que pour que la face froide soit froide il faut évacuer la chaleur sur la face chaude, si non le Pelletier finie par cramer . C'est un dispositif qui marche par différence de température (environ 45°C à pleine puissance) c'est a dire que si la face chaude est à 30°C la face froide peut descendre à presque -20°C. Il faut donc inclure un système de refroidissement ou d’évacuation de la chaleur du cote chaud du module. On peut soit opter pour un système de Watercooling, soit de ventilateurs, soit un simple radiateur dans un bac d'eau. Ici j'ai trouvé une solution permettant de descendre à moins de -20°C mais seulement pendant quelque minutes. J'ai plongé un radiateur de pc dans un verre d'eau que j'ai mi au congélateur, j'ai obtenu un glaçon avec un radiateur incrusté:

Image

Pour descendre encore plus bas en température j'ai salé l'eau pour que mon glaçon soit plus froid que 0°C. En mesurant la face froide du module j'ai atteint une température de -16°C.

Au bout d’une minute environ, on voit une légère brume se former a quelques millimètres au-dessus du module, c’est signe que nous sommes proches de la super saturation d’alcool dans cette zone. On peut y voir des micros gouttelettes de condensation qui se forment sur les poussières dans l’air. Lorsque la température est suffisament froide, on voit les premières trainées blanches apparaitre, le détecteur fonctionne. Données : t° (glace)=-4°C et t°(Peltier)= -11,6°C En utilisant une caméra on film l’expérience pour mieux analyser ce qui se passe, on observe des traces de largeurs et de longues différentes, elles correspondent aux différentes particules émises par notre source, dans notre cas des particules alpha (2 protons + 2 neutrons) et beta (électron ou antiélectron avec hélicité) qui ne sont pas bien visibles dans notre cas. Ce sont les trainées blanches que l’on peut voir ici (alpha) :

« La masse relativement importante de la particule α réduit d'autant sa vitesse pour une énergie donnée. Comme l'énergie associée à la radioactivité alpha est toujours inférieure à 10 MeV1, autour de 5 MeV dans la majorité des cas – soit une vitesse de 15 300 km/s –, elle n'est pas suffisante pour que les particules α émises soient relativistes. Ce fait, associé à leur caractéristique de particules chargées (Z=2), leur confère une pénétration faible (quelques centimètres dans l'air). » (Wikipedia) On peut même observer des désintégrations de ces particules après émission de l’échantillon, on a donc accès aux différents produits de la désintégration nucléaires.

image de desintegration

On peut se demander si la 2eme trace sur la 2eme photo ne provient pas d’une 2eme désintégration. Mais si on observe le temps écoulé entre les deux traces (quelques centièmes de secondes) et la différence de pénétration dans l’air entre les deux traces (la 2eme étant plus longue que la première) on conclut que c’est simplement une coïncidence, c’est simplement une 2ème particule alpha qui est passée juste après la première. Néanmoins à l’œil il est possible d’observer ce phénomène de désintégration en sacade.

Si l’on ajoute un aimant néodyme dans l’enceinte on peut voir quelque chose d’intéressant :

image experience + aimant neo

On peut voir que le champ produit par l’aimant perturbe très légèrement la trajectoire de la particule, cette déformation que l’on voit dans la 2eme photo à lieu après passage de la particule, ce sont uniquement les micros gouttelettes d’alcool qui sont affectées.

Dans les photos suivantes on peut mieux observer la déformation de la trajectoire de la particule causée par le champ magnétique :

image de deflection de la trace

Nous avons donc réussi à réaliser une chambre à brouillard avec un minimum de matériel, bien entendu son fonctionnement est limité tant dans la qualité de la détection que dans la robustesse. Cette expérience montre aussi les limitations de ce montage, il est impossible de réaliser des mesures qualitatives précises. Néanmoins, réussir à mettre en évidence un phénomène complexe comme la fission de l’uranium avec si peu de moyen et dans sa cuisine est remarquable, Wilson réalisa cette expérience il y a bientôt 90 ans!

On peut par exemple utiliser un montage à 2 Peltier monté en parallèle, on augmente ainsi la capacité de refroidissement du module placé sur le dessus. On peut aussi ajouter un montage permettant de créer un champ électrique dans l’enceinte et ainsi mieux canaliser la zone de détection, en particulier si l’on s’intéresse a la détection de muons cosmiques. On peut augmenter le contraste en remplaçant les LEDs blanche par un laser vert. Et améliorer la prise de vue en utilisant une caméra haute vitesse.

Contact:

• Mail : andreasferon@hotmail.com
• Tel : 0626012817
• Andreas Feron M1