YWS-1大型擴(kuò)散云霧室（宇宙射線實(shí)時(shí)探測(cè)）

1912年，德國(guó)科學(xué)家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測(cè)定空氣電離度的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)電離室內(nèi)的電流隨海拔的升高而變大，從而認(rèn)定電流是來(lái)自地球以外的一種穿透力*的射線所產(chǎn)生的，于是有人為之取名為“宇宙射線”。

宇宙射線主要是有質(zhì)子、氦核、鐵核等裸質(zhì)子核組成的高能粒子流，也含有少量中性的γ射線和穿過(guò)地球的中微子流，由于星際磁場(chǎng)和星際介質(zhì)的影響，宇宙線粒子在星際空間中經(jīng)歷著復(fù)雜的傳播過(guò)程，這些帶電粒子受磁場(chǎng)影響而改變其原本方向。星際磁場(chǎng)就像一個(gè)攪拌機(jī)，將宇宙線粒子攪拌得各向同性。其中一些zui終穿過(guò)，大氣層到達(dá)地球。這里要指出的是，直接探測(cè)宇宙線必需在大氣層外進(jìn)行，用衛(wèi)星或在宇宙空間站上進(jìn)行探測(cè)。因?yàn)槌形⒆油猓瑤缀跛型鈦?lái)的高能宇宙射線在穿過(guò)大氣層時(shí)都要與大氣中的氧氮原子核發(fā)生碰撞，并使其失去zui初的身份而轉(zhuǎn)化出次級(jí)宇宙線粒子。1938年法國(guó)物理學(xué)家俄歇發(fā)現(xiàn)這些超高能宇宙線的次級(jí)粒子又將有足夠能量產(chǎn)生下一代粒子，如此下去，就會(huì)在地面產(chǎn)生由電磁級(jí)聯(lián)形成的μ子、電子、正電子以及γ射線粒子的組合物，這就是所謂的“廣延大氣簇射”。正是廣延大氣簇射提供給我們另一種探測(cè)宇宙線的手段——測(cè)量宇宙線和大氣相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子，即所謂間接探測(cè)。我國(guó)西藏羊八井宇宙射線觀察站就是利用廣延大氣簇射對(duì)宇宙線進(jìn)行探測(cè)。依據(jù)原初宇宙線的能量大小和大氣簇射產(chǎn)生粒子數(shù)目相關(guān)的原理，即原初能量越高，次級(jí)粒子數(shù)目越多，這樣就可根據(jù)探測(cè)到的次級(jí)粒子的數(shù)目來(lái)推知原初粒子能量。

從目前人類探測(cè)到的數(shù)據(jù)可知，宇宙線的的能量約從10⁹電子伏特到10²⁰電子伏特，而迄今為止，人造粒子加速器的zui高能量約為10¹³電子伏特。也就是說(shuō)宇宙線源這個(gè)天然高能加速器的能量是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的一百億倍。科學(xué)家們困惑，天體上什么機(jī)制能使粒子達(dá)到10²⁰電子伏特的這樣高的能量。

今天，人類雖然不能準(zhǔn)確說(shuō)出宇宙射線是由什么地方產(chǎn)生的，但它們無(wú)償?shù)貫榈厍驇?lái)了日地空間環(huán)境的寶貴信息。宇宙線是至細(xì)至微的物質(zhì)粒子，但其揭示和反應(yīng)的卻是zui宏大的宇宙的信息。宇宙線的研究，關(guān)乎于我們從何而來(lái)，又將去向何處的*問(wèn)題。

為了有效和*對(duì)宇宙射線進(jìn)行觀測(cè)，各國(guó)都相繼建立了觀測(cè)站。一般所采用的探測(cè)器大致分為二大類。一種是電信號(hào)探測(cè)器，我國(guó)西藏羊八井宇宙射線觀察站采用的閃爍體探測(cè)器就屬于這一類，其工作原理是當(dāng)高能粒子穿過(guò)閃爍體時(shí)在其中損失能量使閃爍體發(fā)生熒光，這一光束經(jīng)過(guò)光陰極轉(zhuǎn)換并經(jīng)光電倍增管放大后變成一個(gè)電脈沖信號(hào)，然后輸入電子記錄系統(tǒng)，由磁帶進(jìn)行全年不間斷記錄。另一種是徑跡探測(cè)器，它不僅能記錄帶電粒子所產(chǎn)生的電離的大小，還能看到其運(yùn)動(dòng)的軌跡，從而探知單個(gè)粒子所飛行的具體路徑。科學(xué)上zui早探測(cè)帶電粒子徑跡的探測(cè)器是由英國(guó)科學(xué)家威爾遜（wilson）1911年發(fā)明的云室，其手段是用機(jī)械的方法使容器內(nèi)氣體的體積瞬間膨脹，引起溫度下降，從而使水蒸氣達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)。如果此時(shí)有帶電粒子通過(guò)，則會(huì)在它所經(jīng)過(guò)的路徑上產(chǎn)生電離，以這些電離的粒子為凝聚中心凝成一連串的小水滴，從而顯示出粒子的運(yùn)動(dòng)路徑。云室對(duì)粒子物理的發(fā)展起了很大的作用，諸如正電子、μ子等許多基本粒子都是在觀察宇宙射線時(shí)籍由拍攝它們?cè)谠剖依锏倪\(yùn)動(dòng)軌跡而發(fā)現(xiàn)的。隨著科學(xué)的發(fā)展，后來(lái)科學(xué)家們又相繼制成了氣泡室、原子核乳膠等徑跡探測(cè)器。這些探測(cè)器都曾為現(xiàn)代高能物理學(xué)的發(fā)展發(fā)揮過(guò)重要的作用。

根據(jù)云室的原理，上海實(shí)博實(shí)業(yè)有限公司協(xié)同數(shù)位專家教授研制成大型擴(kuò)散云霧室。它能用來(lái)顯示、觀察原本人類無(wú)法看見(jiàn)和感觸到的來(lái)自宇宙和地球上的射線的徑跡。當(dāng)每秒鐘數(shù)目眾多的射線的徑跡連續(xù)不斷的展示在人們眼前時(shí)，使教科書(shū)上冷冰冰的名詞轉(zhuǎn)變成體會(huì)科學(xué)的生動(dòng)的體驗(yàn)，更能激發(fā)廣大學(xué)生對(duì)于（粒子）物理學(xué)的無(wú)限想象空間。大型擴(kuò)散云霧室在全國(guó)高校第七屆物理演示研討會(huì)上榮獲一等獎(jiǎng)，并被全國(guó)許多高校和科技館采納使用。

一、探測(cè)器特點(diǎn)

探測(cè)器有寬闊的觀察視場(chǎng)（46cm×46cm）能方便而直接地用肉眼看到所有帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡以及這些粒子的入射方向。

本儀器zui大的特點(diǎn)在于能連續(xù)不斷地顯示儀器所在的自然背景輻射及來(lái)自宇宙的和來(lái)自地球的自然輻射，由于探測(cè)器的工作過(guò)程是*自動(dòng)的，所以操作簡(jiǎn)單，且耗能低。

二、技術(shù)要求

1、觀察室應(yīng)有良好的密封性能，保證蒸汽擴(kuò)散過(guò)程十分穩(wěn)定地達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

2、盡量減少過(guò)飽和蒸汽中非粒子徑跡所形成的霧狀本底和降低正負(fù)離子對(duì)復(fù)合的概率，電場(chǎng)所加的高電壓應(yīng)達(dá)3kV～6kV。

3、觀察室的低端溫度應(yīng)在30分鐘內(nèi)達(dá)到-40℃以下。（本儀器制冷系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件均采用德國(guó)丹佛斯公司的產(chǎn)品）

三、技術(shù)參數(shù)

1、顯示粒子徑跡的活動(dòng)層：46cm×46cm×近似1cm

2、觀察室尺寸：65cm×65cm×20cm

3、工作液體：分析純無(wú)水乙醇

4、制冷劑：R404

5、蒸發(fā)槽加熱器工作電流：2.5～5A

6、電場(chǎng)電壓：6kV

7、低溫板工作溫度：-30℃～-40℃

8、光源：15W×2（熒光燈）

9、電壓：AC220V，50Hz

10、功耗：1kVA

11、重量：95kg