progetto di: Marco Baruzzo, Carlo Fonda (@SciFabLab)
Tutti i fisici (ma non solo) durante i loro studi universitari si sono sentiti raccontare come la camera a nebbia abbia rivoluzionato la fisica delle particelle. Uno strumento di inizio ‘900 totalmente analogico capace di mostrare il passaggio di particelle cariche senza l’ausilio di nessun supporto elettronico. Peccato che nella maggior parte delle università, compresa la nostra, non fosse possibile ammirarne uno.
Spinti dalla curiosità di poter osservare il passaggio delle particelle che ci circondano abbiamo cominciato un vero sforzo di R&D volto alla costruzione di una camera a nebbia che sia facile da costruire, con materiali facili da reperire, economica e che possa restare accesa il più possibile.
Dopo una rapida ricerca era chiaro le che possibilità fossero tre: utilizzare ghiaccio secco o azoto liquido, costruire un frigorifero molto potente oppure utilizzare delle celle termoelettriche. La prima possibilità implica dover comprare in continuazione ghiaccio secco, materiale che non si trova normalmente dal ferramenta, la costruzione di un frigo da zero esula dalle nostre conoscenze ( per ora=) ) quindi non ci resta che concentrarci sulle celle termoelettriche (TEC), dette anche celle di Peltier.
Le TEC sono componenti elettronici capaci di generare una differenza di temperatura (ΔT) tra due superfici quando viene applicata una differenza di potenziale ai loro connettori.
Online sembrava che la temperatura a cui dovevamo puntare fosse dell’ordine della ventina di gradi sotto lo zero Celsius e in teoria guardando le specifiche delle TEC in commercio non sembrava molto difficile da ottenere. Ovviamente non è stato così.
Senza dilungarmi troppo sulle varie scoperte fatte nel tempo, elenco i punti salienti:
- una parte delle TEC vendute hanno difetti di produzione. Testarle sempre prima di utilizzarle.
TEC con un corto al suo interno
- le TEC normali producono a fatica un ΔT di 30/35° tra le due superfici senza raffreddare nulla (con superfici isolate)
- dissipando la superfice calda della TEC con un dissipatore ad aria la superfice non sarà mai più fredda dell’aria (in media 20°) e quindi la superfice fredda non sarà mai a meno di -15°
- anche un dissipatore ad acqua può dare lo stesso problema. Per questo suggeriamo di utilizzare acqua fredda a una temperatura inferire ai 10°, così da raggiungere i -25° sul alto freddo della TEC
- due TEC sovrapposte una sull’altra possono aumentare il ΔT totale, ma la difficoltà di pilotarle alla giusta corrente/tensione e tenerle in un buon contatto rende il sistema molto complesso e instabile
- una TEC non è molto spessa, posso crearsi corti termici dovuti al colare della pasta termo-conduttiva
- i tappetini di silicone termicamente conduttivi non sono adatti a questa applicazione. Privilegiare una u buona pasta termo-conduttiva
- la distribuzione e la quantità della pasta termo-conduttiva deve essere ideale
- nel caso di un sistema a più TEC il contatto termico potrebbe non essere buono contemporaneamente su tutte le celle
- l’isolamento della superfice che si va a raffreddare è fondamentale, isolare con materiale isolante (spugna, polistirolo, etc) tutte le parti fredde.
L’isolamento delle piastra fredda è molto importante. In questa immagine si vede come la piastra non fosse stata isolata abbastanza e il freddo fosse “visibile” dall’esterno.
Per riassumere, alla fine noi ci siamo affidati ad una TEC doppio stadio (TEC2), formata da due strati di semiconduttori già attaccati assieme, raffreddata a liquido con acqua tra gli 0° e 5° C.
Da dei primi test preliminari su una camera a nebbia molto piccola, eravamo riusciti ad ottenere delle semi-invisibili scie, quindi abbiamo puntato direttamente alla costruzione di una camera a nebbia “grande”, 22×22 cm².
Prima traccia di una particella osservata con un prototipo di camera a nebbia allo SciFabLab , ottobre 2017.
Per raffreddare un’area così grande abbiamo utilizzato 6 TEC2, che producevano una temperatura media di -33° C con acqua a 0° C, per poi migliorare il sistema inserendo altre 2 celle, arrivando ad un totale di 8 TEC2 per un area di circa 500 cm². Con acqua a 0° C siamo riusciti ad ottenere temperature dell’ordine dei -40° C stabili anche d’estate.
6 TEC2 raffreddate per controllare il loro funzionamento. Da notare il fatto che la loro superfice arriva a -55° C quando non devono raffreddare alcun materiale.
In questa immagine si vede come erano posizionate le 6 TEC2 dentro la prima versione della camera a nebbia. Si nota come i cavi siano inglobati nell’isolamento (per evitare contatti con la piastra fredda) e ci sia del nastro attorno alle celle per evitare che la pasta conduttiva possa fare “corto termico” tra le due facce.
Setup con 8 TEC2
Dato l’utilizzo di 6, poi 8, TEC2 abbiamo dovuto costruirci un dissipatore liquido apposito abbastanza largo da coprire tutte le TEC2. Il dissipatore è basato su una lastra di rame con lamelle saldate immerse in acqua e glicole.
L’illuminazione in una camera a nebbia è estremamente importante, solo un raggio di luce radente alla superfice riesce a illuminare le tracce nel modo corretto e farle quindi risaltare sullo sfondo nero. Per questo abbiamo sviluppato una nostra idea per l’illuminazione sfruttando un foglio di acrilico trasparente spesso 1 cm. Questo viene tagliato in modo da andare a formare sia la “guida luce” che trasporta la luce dei LED dentro la camera sia il contenitore in cui l’alcool che si deposita sul fondo della camera.
Test sulla guida luce della camera a nebbia
Per la produzione dei vapori d’alcool abbiamo utilizzato un sistema complesso ma che permetteva di lasciare la superficie superiore della scatola libero per poter osservare le tracce anche da sopra. Il sistema prevede l’utilizzo di una grondaia e un riscaldatore per poter far evaporare l’alcool. Il riscaldatore è formato da un cordino in acciaio che funge da resistenza.
Il risultato del nostro lavoro può essere visto in questo video.
DIY Cloud Chamber Part list (Sept.-Nov. 2018):
- 6x (or 8x) Peltier Cells TEC2-25408T125
- 2x (recycled) Watertank Coolers
- 1x Aquarium Water Pump
- 1x DIY heat exchanger (copper, 25 cm size)
- 1x chamber bottom plate (aluminum, 25 cm size)
- 1x DIY light-guide (lasercut acrylic, 35 cm size)
- 1x Arduino Mega2560
- 1x Arduino Shield with LCD Display and Encoder
- 1x Arduino Shield with 16 relays
- 1x Arduino Shield with 8 Type-K termocouple input
- 6x (or 8x) Hall Effect Current Sensors
- 1x IKEA Transparent Plastic Box (20 cm size)
- 100cm of Extra Bright LEDs Ribbon
- 2x Regulated (non-switching) Power Supplies 12V 30A
- 1x Regulated Power Supply 12V 5A
- 1x peristaltic pump (for Isopropyl Alcohol)
- 1x Trolley
