Nebelkammer

Wer mit Teilchen- oder Kernphysik zu tun hat, wird sie zwangsläufig kennen: die Nebelkammer. Eine Nebelkammer wird verwendet um ionisierende Teilchenstrahlung, wie Alpha- oder Betastrahlung, sichtbar zu machen. In der modernen Hochenergiephysik findet man sie allerdings vergeblich, denn heutzutage greift man auf leistungsstärkere Detektoren (beispielsweise Atlas, CMS) zurück, die die Teilchenspuren genauer vermessen können. Zu Demonstrationszwecken werden die alten Nebelkammern aber immer noch verwendet.

Es gibt verschiedene Arten von Nebelkammern (Expansionsnebelkammer, Diffusionsnebelkammer), das grundlegende Prinzip ist jedoch immer das selbe. In einem Gasvolumen wird ein Alkohol-Luft-Gemisch durch Kühlung oder schnelle Expansion des Volumens zur Übersättigung gebracht. Durchquert ein geladenes Teilchen nun dieses Volumen, kondensiert der Alkoholdampf entlang der Teilchentrajektorie und die Teilchenspur wird durch einen Kondensationsstreifen sichtbar. Das geladene Teilchen erzeugt durch Stoßionisation der Luftmoleküle Kondensationskeime, an denen der Alkoholdampf kondensieren kann. Je nach Teilchenart sehen die Spuren in der Nebelkammer unterschiedlich aus. Eine sehr dicke und kurze Spur lässt sich einem Alpha-Teilchen (Heliumkern) zuordnen. Ist die Spur dagegen lang und dünn, handelt es sich um Beta-Teilchen (Elektron oder Positron). Gammastrahlung (Photonen) oder Neutronen kann man mit dieser Methode nicht sichtbar machen, da die Teilchen ungeladen sind. Legt man lotrecht zur Teilchentrajektorie zusätzlich noch ein Magnetfeld an, werden die Spuren durch die Lorentzkraft gekrümmt, weshalb man so auf die Energie beziehungsweise auf den Impuls des geladenen Teilchens schließen kann.

Die einfachste Nebelkammer, die man mit relativ leicht zugänglichen Komponenten zuhause nachbauen kann, ist die Diffusionsnebelkammer. Vier Peltier-Elemente sorgen in einem kleinen Volumen für die Kühlung des Alkohol-Luft-Gemisches. Der Alkoholdampf wird durch einen Schwamm, der mit Isopropanol getränkt wurde und sich an der Oberseite des Volumens befindet, bereitgestellt. Knapp überhalb der kalten Seite der Peltier-Elemente bildet sich ein dünner übersättigter Bereich des Alkohol-Luft-Gemisches, der nun dazu verwendet werden kann um Teilchenspuren zu detektieren.

Zum Bau werden lediglich folgende Elemente benötigt:

• vier Peltier-Elemente mit 50W Kühlleistung, bzw. 90W elektrischer Leistung
• ein Netzgerät
• Isopropanol (Industriealkohol zur Reinigung)
• ein geeignetes Gehäuse (ich benutze eine kleine Glasschale für Teelichter)
• stabiles Stahlblech, worauf man die Peltier-Elemente montieren kann

Der Aufbau sieht folgendermaßen aus:

Die heißen Seiten der Peltier-Elemte müssen mit Wasser gekühlt werden, ansonsten staut sich die Wärme und die kalte Seite wird nicht kalt genug, um den Alkoholdampf kondensieren zu lassen. Dazu wurde ein kleiner Kühlkörper aus Blech gefertigt, auf dem die Peltier-Elemente sitzen und der durch fließendes Wasser aus dem Wasserhahn gekühlt wird.

Nachdem das Netzteil und die Wasserkühlung eingeschaltet wurden, dauert es eine kurze Zeit bis die Peltier-Elemente kalt genug sind. Ist die Arbeitstemperatur erreicht (ungefähr -20°C bis -10°C), sieht man über der kalten Seite der Peltier-Elemente einen leichten Nebel. Hin und wieder sieht man in diesem Nebel eine kurze Spur aufblitzen, die von der natürlichen Radioaktivität der Umgebung stammt. Mit einem radioaktivem Präparat, zum Beispiel eine kleine Americium Probe aus einem Rauchmelder, könnte die Anzahl der Spuren merklich gesteigert werden. Allerdings habe ich mich bis jetzt noch nicht getraut, einen Rauchmelder auseinander zu bauen und das gefährliche Metall aus der Actinoiden-Gruppe daraus zu bergen.

Da man auch ohne radioaktivem Präparat Teilchenspuren der natürlichen Radioaktivität der Umgebung sehen kann, ist immerhin die Funktionsweise dieser einfachen Nebelkammer gezeigt. Weitere Versuche mit einem Alpha-Strahler werden vielleicht bei vorhandener Schutzausrüstung durchgeführt.