Chambre à brouillard à expansion ou diffusion ?

Chambre à brouillard à expansion de C.T.R Wilson

250px-Wilson

En 1912, Charles Wilson inventa la chambre à expansion (ci-contre) qui fut améliorée jusqu’en 1950 pour l’étude du rayonnement cosmique. Les chambres à expansion peuvent fonctionner suivant un plan d’observation vertical, elles étaient donc parfaites pour étudier le passage des rayonnement cosmiques dont le flux vertical est 1000 fois plus intense par rapport à l’horizontal.  Dans une chambre à expansion la sursaturation est obtenue par l’expansion d’un volume de vapeur d’eau à l’aide d’un piston (détente du gaz). De par son principe de fonctionnement une chambre à expansion ne permettait de voir les tracés des particules que pendant une fraction de seconde par minute (juste après l’expansion du gaz). Avant de refaire une nouvelle expansion (et donc une nouvelle observation), il était nécessaire d’attendre 1 minute le temps que la vapeur soit en équilibre thermique avec la phase liquide.

La chambre à brouillard à diffusion mis au point par Langsdorf en 1939 permet de s’affranchir du fonctionnement « pulsé » des chambres à expansion en créant la couche sursaturée de manière permanente en utilisant de très basses températures : les particules deviennent alors visibles de manière continue dans le temps ce qui est idéal pour étudier la radioactivité émis par des sources. L’inconvénient des chambres à diffusion c’est qu’elles ne peuvent fonctionner que sur un plan horizontal (la gravité stabilisant la couche sursaturée) et donc ne peuvent être utilisées pour étudier le rayonnement cosmique dont le flux est faible à θ=90° (où θ est l’angle zénithale). La machine présenté sur le site est une chambre à brouillard à diffusion.

1) Principe de fonctionnement d’une chambre à brouillard à expansion (Chambre de Wilson)

cambridge wilson cloud chamber

Réplique de la chambre à brouillard à expansion de Wilson (au centre). La bouteille donne l’échelle. A droite, chambre à expansion de Rochester. Exposition du Palais de La Découverte sur le LHC, 11/2014.

Wilson apparatus

Schéma de la chambre à expansion de Wilson. La chambre (B) mesure 16,5 cm et est profonde de 3,4 cm.

La figure ci contre est un schéma de la chambre à expansion de Wilson en 1912. De l’air humide est contenu dans le cylindre en verre B où un piston peut glisser librement. L’ampoule A est mise sous vide par une pompe pendant que la valve C reste en position fermée. Lorsqu’on veut réaliser une expansion, la valve C est tirée et l’air contenu sous le piston rempli le volume A. Comme il n’y a plus d’air sous le piston, celui-ci, poussé par la pression du volume B, descend par gravité. En descendant le piston accroît le volume B.

A l’instant initial (avant de tirer sur la valve C), l’air contenu dans l’espace B est saturée en humidité (le piston trempe dans de l’eau), la pression partielle de la vapeur d’eau est égale à la pression de vapeur saturante correspondant à la température du système (T0). Lorsqu’on tire sur la valve C, le piston descend, le volume en B augmente et le gaz à l’intérieur se dilate et se refroidi de T0 à T1. Le refroidissement rapide amène le gaz (vapeur d’eau+air) dans un état sursaturé, c’est à dire qu’il contient plus de vapeur d’eau qu’il n’en devrait à la température T1. Une partie du « trop plein » de vapeur d’eau se condense en gouttelette sur des sites de nucléation (poussières), formant un brouillard. Pour permettre le changement d’état gazeux=>liquide la présence d’impureté/perturbation/poussière dans l’air est indispensable.

Wilson découvrit que pour des ratio d’expansion supérieur à 1,25 un brouillard se formait même si l’air était pur, dénué de poussières (pour enlever les poussière de l’air, il suffisait de réaliser de multiples expansion afin que les poussières soit collectés au fur et à mesure par les gouttelettes se condensant dessus). Un brouillard ne pouvant se former sans des sites de nucléations, une autre entité invisible était responsable de la formation de ce brouillard. Wilson constata en 1898 que les rayons X nouvellement découvert (1895) permettaient de former un brouillard facilement lorsque il irradiait la chambre et avec de l’air pur. Le brouillard pouvait se former car les rayons X formaient des ions dans l’air qui agissaient comme des poussières où les gouttelettes de la phase vapeur sursaturé  pouvait se former.

En 1912, il introduisit des substances radioactives dans la chambre à brouillard et découvrit que les rayonnements alpha et béta étaient capable de créer des ions là ou les particules étaient passées. C’est sur ces ions que se condensait les vapeurs d’eau lors de l’expansion de la chambre matérialisant sous la forme de millier de gouttelettes le chemin qu’avait emprunté la particule dans la matière.

condensation droplet

Photographie de tracés de rayonnement cosmique dans une chambre à expansion. Les tracés sont constitués de millier de gouttelettes d’eau microscopique. Pour illustrer ce fait, les ions ont eu le temps de diffuser avant que la condensation ne prennent place dans la chambre ce qui a crée des tracés très large (largeur réel 5 mm). Les gouttelettes (diamètre 0,2-0,4 mm) ont eu le temps de grossir pendant 0,045 s avant que la photo ne soit prise. On observe quelques agrégats de condensations (augmentation soudaine de densité) sur les tracés, due à des électrons secondaire de quelques keV. Plus de précisions ici.

Processus de création des ions :

La matière est constituée d’atomes eux même constitué d’électrons gravitant autour d’un noyau contenant des protons et neutron. Une particule alpha est un fragment nucléaire expulsé lors de la désintégration d’un noyau. Il s’agit d’un noyau d’Hélium (2 proton, 2 neutron) ionisé 2 fois (il ne s’agit pas d’un atome, électriquement neutre avec ses électrons, mais bien d’un noyau). Lorsque la particule alpha se déplace dans la matiére, ses charges positives vont attirer les électrons atomiques des atomes voisins. Ces derniers vont perdre leurs électrons et vont devenir des atomes ionisés, des cations (+).

Les électrons éjectés des atomes par le passage de la particule alpha vont se déplacer librement dans la matière pour peu qu’ils aient suffisamment d’énergie et faire leurs propres traces. Les électrons de plus faible énergies seront capturés rapidement par une molécule neutre formant un ion moléculaire négatif, un anion (-).  Ces ions (cations et anions) agissent en tant que sites de nucléations en tant que « support » où les vapeurs d’eau peuvent se condenser (ces dernières le peuvent si l’expansion vient d’avoir lieu dans la machine et à amené le volume d’air dans un état sursaturé en vapeur d’eau). Les ions étant crées là où est passée la particule chargée on observe alors une traînée de gouttelettes d’eau (des mélanges eau + alcool sont aussi utilisé) matérialisant le chemin qu’a emprunté la particule. Suivant la vitesse et la charge électrique de cette dernière, la propension à créer des ions sera différente et donnera des tracés d’aspect différents permettant d’identifier la particule ayant traversé la chambre (électron, proton, muon ou alpha).

Exemple de chambre à expansion :

expansionCloud

La petite bouteille plastique contient du gaz thoron. La pompe à vélo à son piston inversé : lorsqu’on tire sur la pompe un vide partiel se crée dans l’enceinte et les particules apparaissent pendant quelques secondes.

Pour voir une chambre à expansion en vidéo : lien youtube

2) Principe de fonctionnement d’une chambre à brouillard à diffusion (Chambre de Langsdorf)

cloudylabs diffusion cloud

Les chambres à brouillard à diffusion sont pédagogiquement plus intéressante pour étudier la radioactivité car la visualisation des rayonnements se fait de façon continu et sur de grandes surfaces sensible.

Le principe de fonctionnement à des température négative impose que le solvant soit de l’alcool car sa température de solidification est bien plus basse que l’eau (-114°C).

Dans une enceinte semi-étanche à l’air ambiant (schéma ci-dessous), une surface noire est portée à une température de -30°C . En haut de la chambre des supports permettent de contenir de l’éthanol liquide. Une partie de l’alcool s’évapore naturellement grâce à sa pression de vapeur et lorsque les vapeurs d’alcool entrent en contact avec le bas de la chambre porté à une très basse température, elles se condensent sous forme de gouttelettes créant un brouillard, l’air contenant toujours une quantité appréciable de poussières.

principe

Toutefois, une petite fraction des vapeurs d’alcool refroidies par l’intermédiaire de la surface froide ne se condensent pas et flottent au dessus de la surface formant un volume sursaturé en vapeur instable. Il suffira d’une perturbation dans ce volume de gaz instable pour que ces vapeurs retournent à un état plus stable (l’état liquide). L’épaisseur du volume de gaz sensible est de quelques millimètres, situé juste au dessus de la surface de la chambre.

La transition d’un état à un autre (ici la condensation de l’alcool gazeux) est facilitée lorsque le milieu contient des impuretés (poussières) à l’exemple de la neige qui peut se former dans l’atmosphère que si il existe des sites de nucléation permettant aux cristaux de germer. Lorsqu’une particule nucléaire chargée traverse la matière, elle perd de l’énergie en ionisant sur son passage les atomes qu’elle rencontre. Les ions résultants deviennent des « impuretés » où le gaz peut se condenser.

Vue rapprochée de deux particules alpha en fin de parcours. Les tracés des particules, traversant le volume de gaz sensible dans la chambre à brouillard, sont constitués de milliers de gouttelettes microscopiques d’alcool.

Les vapeurs instables vont passer à l’état liquide en se condensant en gouttelettes là où les ions ont été crées : les ions « semés » tout au long du parcours de la particule vont matérialiser le tracé de la particule dans la matière sous la forme de milliers de gouttelettes d’alcool. Un éclairage suffisamment fort permettra ensuite de mettre en évidence les tracés (la plaque noire du fond permet de maximiser le contraste).

Seules des particules chargées peuvent créer au cours de leurs trajectoires des ions dans la matière. Ainsi, les particules observables dans une chambre à brouillard seront les électrons (e-), les positons (e+), les protons (p+), les alphas (He2+) et les muons (μ+/-) . D’autres particules sont observables en altitude.

Les particules neutres (neutron, gamma, rayon X) seront détectables indirectement par les particules chargées qu’elles créeront dans la matière suite à leur interaction avec celle-ci (spallation, effet photoélectrique, Compton..).

.

Fabrication d’une chambre à brouillard à diffusion

Le modèle de Langsdorf demande une température minimum de -25°C pour observer les particules. De manière générale, plus la plaque sera refroidie et plus la couche sursaturé sera épaisse et meilleure sera la qualité des tracés.

Plusieurs techniques sont disponibles pour créer un froid aussi intense :

La Carboglace

Modèle de chambre à brouillard à diffusion à base de Carboglace (qui se met sous la plaque noire).

Il s’agit des chambres à diffusion les plus simples. La Carboglace se présente sous forme de CO2 solide dont la température de sublimation à l’air ambiant est de -78,5°C. Il est possible d’obtenir une plaque froide aux alentours de -50°C ce qui est suffisant pour faire apparaître les particules. 10 à 20 minutes sont nécessaire afin d’obtenir une plaque avec une température homogène (il faut veiller à ce que la plaque soit constamment en contact avec la glace carbonique). L’inconvénient majeur de cette technique est qu’il faut disposer d’un approvisionnement constant en Carboglace (qui ne se stocke pas) ce qui peut représenter un investissement coûteux à la longue. Cependant il est possible de visualiser confortablement de grandes surfaces d’interaction si les turbulences sont maîtrisés.

.

 .

Les cellules Peltier

La chambre à brouillard à eau glacée de Pasco.

La chambre à brouillard à air de nothinglabs.com

Les cellules Peltier sont des plaques de céramiques à effet thermoélectrique. Elles sont constituées de jonctions semi conductrices n,p mises en série qui fonctionnent en courant continu. Lorsque une tension est appliquée de l’énergie est absorbée sur la plaque supérieure (devenant froide) l’énergie étant restitué sur l’autre plaque (devenant chaude). La chaleur de la plaque chaude doit être dissipée afin que la plaque froide soit maintenue une température négative suffisante.

.

La dissipation de la plaque chaude peut se faire avec un échangeur de chaleur à air ou à eau.

Dans le premier cas un dissipateur identique aux modèles de ceux utilisés pour refroidir les processeurs peut convenir (modèle de chambre à droite). Il faut disposer de ventilateurs puissants pour évacuer efficacement les calories (le bon fonctionnement du système dépend de la température de l’air extérieur).

Le refroidissement à eau permet de dissiper efficacement la chaleur émise du ou des peltiers via un échangeur thermique spécifique. Pour les systèmes fermés, l’eau doit être ensuite refroidi ce qui n’est pas le cas pour les systèmes ouvert (connexion sur un robinet d’eau froide et rejet dans le lavabo). Un exemple de système ouvert est présenté à gauche. Le dispositif fonctionnera tant que le réservoir contient des glaçons.

Les chambres à brouillard à effet Peltier ont l’avantage de ne pas nécessiter de consommable à l’instar des modèles à base de carboglace. L’inconvénient majeur est que la taille de la surface d’interaction est limitée et que toute accroissement de cette taille s’accompagne d’une augmentation du temps de mise en place de l’équilibre thermodynamique. Ce temps peut être réduit si davantage de modules thermoélectrique sont utilisés ce qui demande un système de dissipation thermique plus conséquent.

Système à compression (changement de phase)

La chambre à brouillard de Phywe (45×45 cm)

Une dernière technique permettant d’avoir des températures négatives est l’utilisation de groupe froid (principe du réfrigérateur à base d’un système à compression). C’est un montage délicat qui contient plusieurs pièces lourdes comme le compresseur, un condenseur, un évaporateur et un détendeur avec un fluide frigorigène (gaz sous pression). Ce genre de système est réservé pour la réalisation de machines autonomes de grandes dimensions (surface jusqu’à 80×80 cm avec la Phywe PJ80 !). Une quinzaine de minutes est nécessaire afin d’obtenir une plaque à température homogène (environs -35°C). Les températures extérieurs ont peu d’influences sur les performances du groupe froid. Le prix de telles machines s’échelonne de 25 à 85 k€ HT. Ces machines ne sont pas construites pour l’expérimentation, il est difficile d’introduire des sources, seulement du Thoron, mais la visualisation du rayonnement naturel est stupéfiante sur de si grandes surfaces.

 .

.