高品質且低價格的雲霧室之製作
顏志穎 林昀萱 曹淮宇 林麟杰 嚴祖強*
國立中山大學 物理系 *通訊作者：[email protected] （投稿日期：民國 105 年 09 月 30 日，接受日期：105 年 11 月 04 日） 摘要：雲霧室是學習近代物理和粒子物理的重要實驗，但是傳統的實驗設備不易 操作，使得實驗成效不佳，而且儀器價格昂貴，許多學校沒有購置供學生使用。 本研究嘗試使用容易取得的材料，建造價格低廉且操作安全的雲霧室，並要求其 具有易於調整、改造和維修，以及可使用強力磁鐵外加磁場等特性。在研究過程 中，我們設計出了一個造價低於一千台幣的雲霧室，不但易於製作及操作，而且 實驗成效很好，甚至可以將此雲霧室實驗帶到街頭、中學教室甚至大學實驗室， 讓人人都能看見並且驚嘆生活中的宇宙射線及基本粒子現象，進而產生對近代物 理的興趣。 關鍵詞：宇宙射線、近代物理、基本粒子、雲霧室壹、 前言
在 20 世紀的物理進程中，雲霧室是近代物理和基本粒子物理的重要實驗設備，雲霧室 的軌跡串連了許多尖端的物理發現和諾貝爾獎。學生在學習近代物理時，都會渴望能夠做一 做雲霧室的實驗，看一看雲霧室的軌跡。然而，傳統的教學實驗設備不易操作、成效不佳， 而且儀器價格昂貴，和實驗成效不成比例，使得許多學校沒有購置雲霧室供學生使用及學習。 另一方面，近代社會由於科學知識普及，許多教學實驗都被要求要能個人化、家庭化、 甚至街頭化，實驗設備需能讓使用者親自動手組裝及操作，藉以激發學習興趣，加強學習效 果。因此本研究企圖使用生活中能取得的材料來建造性能良好、價格低廉，而且操作安全的 雲霧室，希望此雲霧室可讓一般人都能探索生活中的宇宙射線及基本粒子現象，產生對於近 代物理學的興趣。 10.6212/CPE.2017.1801.06貳、 實驗原理及實驗設置
雲霧室的工作原理是將一個密閉腔室內充滿過飽和的酒精蒸氣；過飽和的酒精蒸氣極不 穩定，稍有擾動或是凝結核出現都會使酒精蒸氣凝結成較大的水滴狀。當輻射源射出基本粒 子時，高能量的粒子會在路徑上碰撞氣體分子，使得氣體分子游離以及產生擾動，酒精蒸氣 就會以該氣體分子作為凝結核產生凝結，再經由光的散射顯示出粒子的軌跡。若雲霧室中有 設置強磁場，則可以由帶電粒子軌跡的彎曲，判斷此粒子的電性。 為了要使酒精蒸氣過飽和，雲霧室需要降低其內部的溫度，降溫系統的剖面圖如圖 1 所 示。一、雲霧室外殼：提供密閉空間
雲霧室為密閉空間且內部充滿過飽和的酒精蒸氣，需要透明以便觀測。本裝置把外殼尺 寸縮小，使兩側壁只有二公分的距離，用以加強磁場對帶電粒子運動的影響。並且加強中間 的壓克力結構，作為強力磁鐵的支撐架，以免磁鐵吸引力過強使雲霧室崩塌。二、致冷晶片：幫助雲霧室降溫
本裝置使用兩片 TEC1-12706 致冷晶片作為主要的降溫元件，使雲霧室底部能夠快速降 溫，實驗時使用舊的電腦電源供應器提供電流。致冷晶片又稱作 Peltier 元件是由半導體晶片 所組成，注入電流之後，熱力學的冷機效應會使致冷晶片上下兩個面產生溫差。本裝置使用 兩片致冷晶片，藉以減少單一致冷晶片上下兩個面的溫差，可以使雲霧室底部快速達到-27 ℃ 以下的溫度。三、水冷頭：幫助致冷晶片降溫
根據熱力學的原理，冷機在兩端溫差較小時，效率才會高。致冷晶片要能充分降溫，需 即時把它的熱面的熱能移走，才能維持冷機把熱能由冷端移至熱端的效率。若是熱面的溫度 太高，就會使得冷面的溫度無法下降。此實驗使用水冷的方式移走熱面的熱能，由一個水冷 頭作為吸收熱能的界面，使致冷晶片的熱面降溫，以達到冷卻效果。四、沉水馬達：抽冰水循環降溫
此裝置使用沉水馬達抽取室溫的水，利用水循環移走致冷晶片的熱面的熱能。五、光源：觀察粒子軌跡
雲霧室內使用 LED 作為光源，經由光的散射顯示基本粒子的軌跡。光源的亮度及角度都 需要做適當的調整，才能使觀察者容易看到軌跡。六、輻射源
實驗時使用的輻射源為含有放射性物質的釷鎢電焊條，如圖 2 所示。其價格便宜，且釷 的含量只有 2%，輻射量在安全範圍內且又能提供足夠的放射粒子，使實驗觀察更加的清晰。
七、隔熱材料
使用隔熱材料包覆致冷晶片和水冷頭，以避免由空氣中吸收過多的熱能，降低系統的工 作效率。在此使用的材料為木紋軟墊和紙箱。八、製作方法
首先準備好底座、裁切好的木紋軟墊以及一個水冷頭，如圖 3 所示，此處以一個圓形塑 膠盒作為底座。將木紋軟墊貼牢在底座上方，再將水冷頭放置在木紋軟墊內。如圖 4 所示。 接著準備裁切完成的紙板及兩片致冷晶片；致冷晶片均是冷面朝上、熱面朝下，上面那 片連結到電源供應器的 5 V 電源，下面那片連結到電源供應器的 12 V 電源，並且把裁切好的 紙板套在致冷晶片周圍以固定晶片和隔絕熱源，圖 5 中顯示了需將上方的致冷晶片的冷面塗 黑，以便觀察粒子軌跡。最後再將圖 6 中的雲霧室外殼放在致冷晶片上方。參、 實驗結果及討論
首先，在降溫效能方面，實驗中用兩層致冷晶片製作的冷卻系統，以室溫水進行水冷降 溫時，可在四分鐘之內，將雲霧室降溫至約-27 ℃。 在粒子軌跡的觀察方面，雲霧室到達工作溫度後放入輻射源，即可看到明顯的輻射粒子 軌跡；圖 7 中顯示出此雲霧室中觀察到的粒子軌跡，軌跡清晰可見，顯示此雲霧室的工作效 能非常好。圖 8 及圖 9 比較了有無外加磁場情況下，帶電粒子運動軌跡的變化，圖中明顯看 到磁場使粒子運動軌跡彎曲。 表一中列出了製作此一雲霧室之各項零組件之價格。表中呈現出總價格為 646 元，大幅 的低於原先訂定的“少於 1000 元”之目標，成功達成此研究之目的。表中有許多 0 元的項 目，是以容易取得的回收品作為材料，以便於雲霧室之製作、維修及改進；主要的費用支出 在於降溫系統，這些器材都是很容易在網拍取得的。肆、 結論
本研究成功的製作出了高品質且低價格的雲霧室，實驗成效很好，可以很容易且清晰的 觀察到基本粒子之軌跡。除了造價少於 1000 元之外，而且具有良好的操作安全性，易於調 整、改造和維修，以及可使用強力磁鐵外加磁場等特性。 此雲霧室由於組裝簡單，體積小，可以很方便的在各種場合使用，包括︰大學及高中的 教學實驗室、大學及高中的普通教室、非傳統之教室或實驗室、公眾演講之場合、博物館、 非傳統性之展示場所（例如︰街頭的實驗演示）。讓人人都能看見並且驚嘆生活中的宇宙射 線及基本粒子現象，進而產生對近代物理的興趣。由於本設置的零組件都很容易取得，且價格低廉，這個裝置也很適合作為大學及高中學 生動手做的實驗項目。特別是其中的元件所牽涉到的物理現象及物理原理都很豐富，使得這 個實驗具有很好的深度及廣度，適合作為一個深入學習物理的載具。 這個雲霧室還有許多需要研究的項目，特別是關於基本粒子的物理性質之精確測量方 面，例如︰如何測量粒子的能量、速度、質量、帶電量，我們希望未來能發展出可以進行各 項精確量測的實驗器材。
伍、 圖表與照片
圖 1：雲霧室側面結構圖 圖 2：含放射性物質的釷鎢電焊條圖 3：底座、隔熱木紋軟墊及水冷頭
圖 4：第一階段組裝完成圖
圖 5：第二階段組裝完成圖
圖 7：雲霧室中的粒子軌跡
圖 8：無外加磁場的粒子軌跡
表一：此雲霧室之各項零組件價格 編號 項目 金額(元) 1 塑膠盒(雲霧室底座) 0 2 厚紙板(隔熱用) 0 3 致冷晶片 TEC1-12706 兩片 170 4 水冷頭 150 5 導熱膏(致冷晶片贈送) 0 6 壓克力雲霧室 28 7 釷鎢電焊條 28 8 舊電腦電源供應器 0 9 沉水馬達 260 10 塑膠水管(水循環用) 10 總金額 646
致謝
本研究是由科技部科普計畫補助（計畫編號：MOST 104-2515-S-110-001）。參考文獻
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4. Safety and Health Topics | Radiation: https://www.osha.gov/SLTC/radiation/
5. Serway, R. A. & Jewett, J. W. (2013) Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics (9th ed.). Boston: Cengage Learning.
6. Specification of Thermoelectric Module TEC1-12706: http://www.thermonamic.com/TEC1-12706-English.PDF
Homemade Cloud Chamber with High Performance and Low
Cost
Chih-Ying Yen, Yun-Hsuan Lin, Huai-Yu Cao, Lin-Jie Lin
, Tsu-Chiang Yen*
Department of Physics, National Sun Yat-sen University*Corresponding author: [email protected]
Abstract
Cloud chamber is an important experiment in the learning of modern physics and particle physics. However, commercial apparatuses are not easy to operate, resulting in poor performance. Also, most apparatuses are expansive; therefore many schools do not purchase it for students. This research tried to build up a low-cost and safe to use cloud chamber with easy-to-get materials. It must be easy to adjust, adapt, and maintain. It is also required to apply external magnetic field with strong permanent magnets. A cloud chamber with a cost lower than NT$1000 was accomplished. It was easy to build and operate with high performance, satisfying the afore-mentioned requirements. Moreover, this apparatus can be used in outdoor, high schools, and university laboratories. This advantage enables people to observe the amazing of cosmic rays and elementary particle phenomena in the daily life and inspire their interest in modern physics.
