Chambre à brouillard thermoélectrique refroidie à eau

Les modules thermoélectriques (cellules Peltier) permettent de fabriquer des chambres à brouillard compactes avec un équilibre qui se met en place rapidement : c’est le modèle présenté ici.

La surface d’interaction blanche est due à la cristallisation de l’humidité ambiante après quelques minutes de fonctionnement (test réalisé pour les besoins de la photo). Si l’on met de l’alcool (éthanol ou isopropanol), on pourra observer des particules. L’écran LCD indique la température du liquide de refroidissement. Les interrupteurs servent à contrôler l’éclairage et le champ électrique

Une prise 220V et un interrupteur permettent de démarrer la machine.

Principe de fonctionnement : 8 cellules Peltier sont placées sur un échangeur de chaleur dans lequel circule de l’eau chargée d’évacuer la puissance thermique produite par les Peltiers. La température de l’eau est maintenue à environ 30°C (dans les conditions extérieurs standard) grâce à un circuit de refroidissement (l’eau passe ensuite dans des radiateurs munis de ventilateurs afin d’évacuer son énergie).  

Le circuit électrique de la machine repose sur une alimentation 12V pouvant délivrer un fort ampérage (environ 60A) à partir d’une prise secteur 220V. Les tensions de sortie permettent d’alimenter les différents composants de la machine : le système d’éclairage à leds, les ventilateurs, les modules thermoélectriques, la pompe, la sonde de température et le module haute tension.

La haute tension est un élément important de l’expérience. Le champ électrique permet de drainer dans la couche sursaturée les ions créés par le passage des particules ce qui augmente la sensibilité de la chambre (plus de traces sont détectables). Le champ joue aussi sur la qualité des tracés en empêchant que les ions ne « s’éparpillent » trop et forment des traces épaisses. Enfin il neutralise en partie supérieur de l’enceinte les ions créés par le rayonnement naturel en évitant la formation de brouillard parasite perturbant l’observation. L’image ci-dessous montre l’aspect des particule alpha émis par l’Uraninite avec ou sans champ électrique :

champ

Gauche : pas de champ électrique. Droite : présence du champ électrique, les traces sont plus fines

La haute tension est produite à partir de la tension continue de l’alimentation via un circuit dédié et un générateur type Cockroft Walton (l’ancêtre des accélérateurs de particules). Cette tension est « inoffensive » dans le sens où par les qualités intrinsèques du circuit multiplicateur de tension l’ampérage est au maximum d’une centaine de micro Ampères (une résistance de 2Mohms limite encore le courant de sortie. Pour plus de détails cliquez ici).

Lt

Intensité (bleu) et potentiel (vert) de la haute tension

Fonctionnalités de la chambre à brouillard

Champ magnétique

Le design de la machine a été étudié afin de pouvoir introduire un aimant permanent (type Néodyme Fer Bore possèdant les champs rémanents les plus intenses) en-dessous et au plus près de la surface d’interaction sans perturber l’équilibre de l’enceinte. Le champ magnétique par l’intermédiaire de la force de Lorentz permet de dévier les particules légères (électrons et positons) provenant du rayonnement cosmique ou des sources radioactives introduites dans la chambre. En mesurant le rayon de courbure de la particule et en observant son sens de déviation on peut déterminer sa charge et estimer son énergie.

Le champ magnétique permet d’observer les créations de paires (e-,e+) lorsqu’un rayonnement gamma s’annihile et de discriminer les muons des électrons (l’électron ayant une masse 207 fois plus faible que le muon il sera dévié facilement par le champ magnétique tandis que le muon n’y sera que peu sensible).

A gauche, déviation d’un électron par le champ magnétique (une particule alpha provenant de la désintégration du radon est aussi présente mais elle n’est pas sensible à l’influence du champ du fait de sa très grande masse). A droite, création de paire positon/électron par annihilation d’un rayonnement gamma. Les deux particules sont déviées dans deux sens différents.

L’intensité du champ magnétique diminuant très rapidement avec la distance il faut que l’aimant soit le plus près possible du passage des particules. Il est ainsi possible de positionner un aimant de dimension maximale 7×16 cm et de 4,5 cm d’épaisseur à 25 mm de la surface d’interaction. L’emplacement de l’aimant est accessible en remontant le panneau latéral de la machine.

Emplacement de l’aimant dans la chambre. Exemple d’aimant (ici 10x5x2.5cm) que l’on peut introduire. Le champ magnétique produit avec un tel aimant est d’environ 140 mT

 

Chambre en verre

Le nettoyage régulier de l’enceinte (les poussières étant attirées par le champ électrique) a montré que la chambre se rayait facilement lorsque celle-ci était faite de plastique. Le verre est plus difficile à découper que le plexiglass mais il est inrayable et optiquement plus intéressant lorsque l’on doit photographier l’intérieur de l’enceinte ou retransmettre sur écran les évènements.

Le verre étant deux fois plus dense que le plastique, il y a plus de particules observables par la multiplication des rayonnements gamma dans le verre. Il arrive aussi, assez rarement, qu’un proton (ou neutron) interagisse dans la paroi pour éjecter d’autre protons que l’on peut ensuite détecter (image ci-dessous).

Diffusion élastique proton-proton. Cliquer pour plus d’explications

Eclairage – Système de diffusion d’alcool

Le système d’éclairage consiste en un double réseau de 80 LEDs qui éclairent de façon rasante la surface d’interaction tout en minimisant les réflexions parasites. La technologie LED permet de ne pas perturber l’équilibre thermodynamique car la proportion d’infrarouge émis est réduite par rapport aux systèmes d’éclairage à incandescence. Le boitier de contrôle (contenant l’indicateur LCD de température) dispose d’un interrupteur permettant d’éteindre l’éclairage, utile lors de l’introduction de sources radioactives fluorescentes (radium, tritium, autunite, oxyde d’uranium…).

La photo ci-dessus montre de gauche à droite le couvercle, le réseau de LEDs et la chambre en verre. Ces éléments se séparent pour procéder plus facilement au nettoyage  car les poussières, mais aussi les cycles d’évaporation/condensation de l’alcool laissent des traînées sur les vitres qu’il faut enlever avec un tissu.

L’alcool liquide (éthanol à 90% ou isopropanol) se place sur les ailettes disposées sur le couvercle. Environ 2 cm3 d’alcool déposés sur les ailettes permettent d’observer les rayonnements pendant une trentaine de minutes comme le témoigne cette vidéo :

L’alcool se condensant sur la surface d’interaction il est possible de récupérer cet alcool pour une autre expérience. Cependant celui ci contiendra une proportion d’eau non négligeable issu de la condensation de l’humidité ambiante sur la surface.

Encombrement – Puissance

L’image ci dessus montre l’encombrement de la machine. L’ordinateur portable 15.6″ donne l’échelle. La chambre à brouillard mesure 42 x 34 cm, pour une hauteur de 33 cm.

 La puissance électrique de la machine est de 650W.

Résumé des caractéristiques techniques

Boite de transport et de stockage de la machine. Le plateau inférieur est muni de roulettes pour faciliter son déplacement. Il est possible d’ajouter deux cadenas pour verrouiller le tout.

 

  • Pensée pour l’expérimentation… :   Les 8 cellules Peltiers permettent de voir les premières particules 1 min après l’allumage, sur une surface active de 16 x 8 cm. Il est possible de placer un aimant permanent (dimensions max 7×16 cm H : 4,5 cm) quelques centimètres sous la surface ce qui permet de disposer d’un champ magnétique intense sans perturber l’équilibre à l’intérieur de l’enceinte. La machine se déplace facilement via sa boite de transport. Dimension machine : 42 x 34 cm, H=33 cm (pieds inclus). Boite de transport : 36 x 46 cm H=38 cm. Le poids est d’environ 10 kg.
  • … et l’observation : Circuit d’eau fermé ne nécessitant aucun dispositif extérieur, une seule prise 220V suffit à faire fonctionner la machine. Mise en place facile de toutes sources radioactives dans la chambre. Le design de couleur sombre permet de faire des photographies d’interaction en minimisant les réflexions parasites. L’enceinte en verre (inrayable) est totalement transparente (au-dessus et sur les côtés) pour que les interactions soient visibles par plusieurs personnes en même temps. L’éclairage est homogène sur toute la surface active. Le bruit produit par la machine n’est pas assourdissant compte tenu du nombre de ventilateur (8, à vitesse de rotation modérée).
  • Fiabilité : Les parties importantes de la machine sont facilement accessibles pour effectuer la maintenance (renouvellement de la pâte thermique). Les circuits électriques (haute tension, éclairage, distribution de puissance) sont simplifiés au maximum pour éviter toutes pannes. En cas de défaillance : les petits composants (éclairage, indicateur LCD, haute tension, ventilateurs, boitier de contrôle) sont remplacés gratuitement si les pièces défectueuses sont renvoyés à Cloudylabs, ce sans limitation de durée. De manière générale, la machine est garantie 2 ans. 

Quelques contraintes :

  • Mise en place de l’expérience : après environ 1 mois d’utilisation la couche de pâte thermique à l’interface Peltier/échangeur de chaleur s’assèche et dégrade les performances thermiques. Il faut prévoir de renouveler périodiquement cette pâte thermique (fournie avec la machine). Cette opération de maintenance se fait facilement sans démontage fastidieux.
  • Fonctionnement : il faut veiller à ne pas utiliser la machine dans des endroits confinés le bon refroidissement des Peltiers dépendant de la température de l’air extérieur. La rapidité de mise en place de l’équilibre dépend des conditions extérieures : éviter les endroits exposés aux courants d’air ou trop humide. Dans de tels endroits, l’équilibre se met en place moins rapidement que d’habitude (3-4 min). La quantité d’alcool introduite au départ joue aussi sur la rapidité de mise en place de l’équilibre.

 

Que peut t-on voir ?

  • des particules alpha, issus du gaz Radon naturel, de minéraux ou de sources artificielles. Parfois on peut observer des collisions élastiques de particules alpha sur des noyaux,
  • des électrons, issus par exemple du rayonnement naturel et qui sont aisément déviés par la force de Lorentz avec un champ magnétique. On voit aisément que les électrons subissent au cour de leurs parcours des collisions inélastiques avec les électrons atomiques ou les noyaux du milieu,
  • des protons, issu du rayonnement cosmique, facilement reconnaissable par leurs traces très longues et rectiligne, avec parfois des collisions remarquable sur les noyaux du milieu,
  • des muons, bien que ceux ci soit très discret compte tenu de leurs vitesses relativiste !
  • Les interactions des rayonnements électromagnétique dans la matière (effet photoélectrique, Compton ou de création de paires).

Que peut t-on faire ?

  • En prenant une photographie d’une trajectoire courbée, on peut mesurer le rayon de courbure et calculer l’énergie de la particule. Ce faisant on se rend compte du spectre d’énergie continu des électrons émis lors de la désintégration Béta, une source électronique donnant des trajectoires à rayons de courbures différent.
  • Le concept de demi-vie des radionucléides est visible avec le Radon 220 en observant le nombre de traces laissées par les désintégrations alpha qui diminue rapidement avec le temps (divisé par 2 toutes les 55 secondes).
  • Des expériences simple illustrant le concept d’écran (feuille de mica stoppant progressivement des particules alpha), aluminium stoppant des électrons…
  • Le renforcement de l’intensité du rayonnement cosmique en altitude (surtout pour la composante hadronique type protons)
  • Des expériences un peu plus poussée pour l’instant non décrite sur le site (expérience de Rutherford, source neutronique type AmBe…)

Dans le menu à droite la section Interactions des particules illustrée montre de nombreux exemples historiques d’interactions observées dans des chambres à brouillard qui ont permis d’élaborer la physique des particules.

 

Autres machines existantes

Il existe quelques (3) chambres à brouillard thermoélectrique disponible à la vente sur internet.  Malheureusement la totalité de ces machines sont lentes c’est à dire qu’elles demandent un temps d’attente minimum de 10 à 20 minutes après l’allumage avant de pouvoir observer les premières particules et aucune ne peut héberger un aimant pour soumettre la surface à un champ magnétique. La chambre Cloudylabs a un « temps d’attente » de moins d’une minute et peut supporter des aimants jusqu’à 4 kg.

Electron (dévié par le champ B) et particules alpha d’une source de Ra 226 (ancienne aiguille de montre). La chambre Cloudylabs permet de montrer ces évènements peu de temps après l’allumage

Les temps d’attente un peu longs de ces machines s’expliquent par le peu d’éléments thermoélectriques utilisés. De manière générale, plus il y a de modules Peltiers et plus la surface d’interaction se refroidit rapidement car on augmente la puissance thermique absorbable sur la surface. Mais à mesure que l’on ajoute des éléments thermoélectriques il faut que le système puisse dissiper la chaleur produite par ces modules qui est énorme (la température de la plaque chaude du peltier peut atteindre 100°C ). L’ajout de modules thermoélectriques supplémentaires pour gagner en réactivité nécessite un échangeur dimensionné par rapport à la charge thermique à évacuer. Des matériaux supplémentaires pour la dissipation du caloporteur (air ou eau) sont nécessaires ce qui augmente encore la complexité du dispositif (tuyauteries, câblages électriques, radiateurs et ventilateur performant, alimentation puissante… et prévoir un emplacement pour un aimant si c’est possible !)

Schéma d’un module Peltier standard. Sous 12V, la consommation est d’environ 6A. L’effet Joule y est donc très important

Ces machines sont construites avec seulement un ou deux modules Peltier car techniquement, un échangeur thermique standard suffit à évacuer les calories produites ce qui est plus simple à fabriquer. En revanche il faut attendre une dizaine de minutes le temps que la surface d’interaction soit à la bonne température (la nature de la surface active a aussi un rôle important dans cette réactivité).