大型扩散云雾室——宇宙射线观察

【仪器介绍】

YWS-1大型扩散云雾室（宇宙射线实时探测）如图43-1所示，根据云室的原理，它能用来显示、观察原本人类无法看见和感触到的来自宇宙和地球上的射线的径迹。当每秒钟数目众多的射线的径迹连续不断的展示在人们眼前时，能激发广大学生对于（粒子）物理学的无限想象空间。

一、探测器

探测器有宽阔的观察视场（46cm×46cm）能方便而直接地用肉眼看到所有带电粒子的运动轨迹以及这些粒子的入射方向。

本仪器最大的特点在于能连续不断地显示仪器所在的自然背景辐射及来自宇宙的和来自地球的自然辐射，由于探测器的工作过程是完全自动的，所以操作简单，且耗能低。

二、技术要求

1．观察室应有良好的密封性能，保证蒸汽扩散过程十分稳定地达到动态平衡。

2．尽量减少过饱和蒸汽中非粒子径迹所形成的雾状本底和降低正负离子对复合的概率，电场所加的高电压应达3kV～6kV。

3．观察室的低端温度应在30分钟内达到-40℃以下。

【操作与现象】

开启电源，设置合适的工作参数。在仪器的观察屏上，将看到数目众多的射线的径迹连续不断的展现在人们的面前，我们可以根据这些径迹的形状和路径来判断粒子的类型，进而研究各种射线。

【原理解析】

启动演示装置后，在云雾室里产生一个足够大的温度梯度，使蒸汽（酒精）连续不断地由高温处向低温处扩散，并在低温处产生蒸汽的过饱和状态。当带电粒子射入蒸汽的过饱和层时，则会与蒸汽分子碰撞产生电离，蒸汽分子失去电子而形成正离子，而失去的电子被其它气体分子俘获形成负离子，过饱和的蒸汽分子被吸附在正负离子上，以这些电离的离子为凝结中心，凝成一连串小液滴，有侧面光照时，这些小液滴对光有散射作用，这样从暗背景中便能观察到明亮的粒子径迹。

【知识拓展】

1912年，德国科学家韦克多·汉斯带着电离室在乘气球升空测定空气电离度的实验中，发现电离室内的电流随海拔的升高而变大，从而认定电流是来自地球以外的一种穿透力极强的射线所产生的，于是有人为之取名为“宇宙射线”。

宇宙射线主要是有质子、氦核、铁核等裸质子核组成的高能粒子流，也含有少量中性的γ射线和穿过地球的中微子流，由于星际磁场和星际介质的影响，宇宙线粒子在星际空间中经历着复杂的传播过程，这些带电粒子受磁场影响而改变其原本方向。星际磁场就像一个搅拌机，将宇宙线粒子搅拌得各向同性。其中一些最终穿过，大气层到达地球。这里要指出的是，直接探测宇宙线必需在大气层外进行，用卫星或在宇宙空间站上进行探测。因为除中微子外，几乎所有外来的高能宇宙射线在穿过大气层时都要与大气中的氧氮原子核发生碰撞，并使其失去最初的身份而转化出次级宇宙线粒子。1938年法国物理学家俄歇发现这些超高能宇宙线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，如此下去，就会在地面产生由电磁级联形成的μ子、电子、正电子以及γ射线粒子的组合物，这就是所谓的“广延大气簇射”。正是广延大气簇射提供给我们另一种探测宇宙线的手段——测量宇宙线和大气相互作用产生的次级粒子，即所谓间接探测。我国西藏羊八井宇宙射线观察站就是利用广延大气簇射对宇宙线进行探测。依据原初宇宙线的能量大小和大气簇射产生粒子数目相关的原理，即原初能量越高，次级粒子数目越多，这样就可根据探测到的次级粒子的数目来推知原初粒子能量。
从目前人类探测到的数据可知，宇宙线的的能量约从109电子伏特到1020电子伏特，而迄今为止，人造粒子加速器的最高能量约为1013电子伏特。也就是说宇宙线源这个天然高能加速器的能量是北京正负电子对撞机的一百亿倍。科学家们困惑，天体上什么机制能使粒子达到1020电子伏特的这样高的能量。今天，人类虽然不能准确说出宇宙射线是由什么地方产生的，但它们无偿地为地球带来了日地空间环境的宝贵信息。宇宙线是至细至微的物质粒子，但其揭示和反应的却是最宏大的宇宙的信息。