高感度霧箱で宇宙線、自然放射線を観察する

基本粒子研究室客員研究員  林 熙崇

2015年3月更新

宇宙線やβ線は霧箱内で飛跡の元となるイオンの発生数が少なく、α線のように簡単には見えません。逆にα線は電離作用が大きく、多くのα線が入射すると感度のいい霧箱はすぐにイオン過剰になって飛跡が見えなくなります。α線を含めて、すべての放射線を観察できるようにしたのが林式高感度霧箱です。

林式高感度霧箱を作ろう

[1]霧箱を作る

(1)  霧箱本体の製作

①      本体の外枠を作る

(a). 横縞のダンプラに折る場所の線を書き入れる

(b). 線の位置で折り曲げる

(c). 各線のところで折り曲げて、残った部分をホチキスで固定する

(d). 縦縞のダンプラを横縞ダンプラの終わったところから巻きつけていく

(e). ぐるりと一周して図の位置で縦縞ダンプラをカットする

(f). ホチキスでダンプラ2枚を固定する

②      霧箱本体の底を作る

(a). ガムテープを貼ってない方の枠を上にして、その上にベルベットの布をかぶせて4辺をガムテープで固定し、さらにゴムバンドでベルベット布をおさえる

(b). ベルベット布の上にストレッチフイルムをかぶせる。

(c). ストレッチフイルムをゴムバンドを2か所にかけて固定する。

③      枠の上部端面に黒ガムテープを全面に張る。(ラップフイルムを霧箱本体上部に張ったときにラップが上面に密着するようにする。)

④      霧箱本体の容器完成

(2)アルコール蒸発用の側面紙を作る

(紙の繊維による毛細管現象でアルコールは動作中、常に補給される)

(a)アルコール蒸発用の黒画用紙(遮光紙を兼ねる)を切り取る

(2枚つくる)

(b) アルコール蒸発用黒色波型段ボール(黒でなくてもよい)を切り取る

(3)  断熱箱を作る

(a). 側面と底の発泡スチロール板をガムテープで仮止めする

(b). 箱を完成させる

[2]高感度霧箱を動作させる

(1)全体組立て模式図

(2)組み立て手順

①    発泡スチロール箱にドライアイスを入れ、その上にアルミ板を置く

 

②霧箱をアルミ板の上に置き、霧箱内にエタノール(プロパノール)を入れる。

液量は底面のベルベット布から約3~5mm程度の深さのプールになる量である。(約350ml入れる)

 

③エタノール(プロパノール)蒸気拡散用に 霧箱の内側側面に細目の波型段ボール紙2枚と黒紙2枚が入っている。まず波型段ボールを一枚ずつエタノール(プロパノール)液中に入れて、万遍なく段ボール紙に十分な量のエタノール(プロパノール)を含ませて、霧箱側面に張り付けるように一枚ずつセットする。(下端が底から浮いていないことを確認する)

 

④黒紙2枚を用意し、エタノール(プロパノール)中に一枚ずつ入れて、万遍なくエタノール(プロパノール)を含ませる。波型段ボール紙の内側に張り付けるように一枚ずつセットする。(下端が底から浮いていないことを確認する)

 

注、 エタノール(プロパノール)液が紙に吸収されて少なくなり、底のベルベット布が液面上に一部露出するようなら、ベルベット布が沈むまで追加のエタノール(プロパノール)を注ぐ.

⑤ラップで蓋をし、しわがよらないように引っ張ってぴんとさせ、ゴムバンドで固定する。

 

⑥LED群を観測者に近い位置のラップの上に置き、照明光が真下から20~30度くらい斜め前方に向くように乗せる。LED群の側面から出ているコードを霧箱と発泡スチロールを一体に止めたゴムバンドで軽く抑えるようにセットする。

 

⑦LED群の上に遮光用黒紙をかぶせて、プラグを12V電源につないで点灯する。

 

⑧冷却開始から10分ほどすると飛跡が見えてくる。

 

*注意、霧箱にはエタノール(プロパノール)を使用しています。引火の危険性があることを頭に入れて実験しましよう。

*霧箱上面ラップは写真のようなポリエチレン、ポリメチルペンテン等のラップが良かった。(塩化ビニールのラップは良くなかった)

[3]自然放射線を観察する

宇宙線や自然界に存在する放射線の作る飛行機雲様の飛跡が見えるまで待ちましょう。飛行機雲様の飛跡が安定して見え始めたら、

(1) 飛跡の観察をしましょう。どんな形のものがあるでしょうか、また飛跡の濃さはどうでしょうか?

(2) 飛跡の形、長さ、飛来方向、1分間に出来る本数などを計測してみるのも面白いですね。

(3) どうして放射線源がないのに、たくさんの飛跡が見えるのでしょうか。その線源はいったいどこにあるのでしょうか、不思議ですね。

[4]α線、β線、γ線の観察

放射性元素から放出される放射線はα線、β線、γ線の3種類です。
* α線は空気中に漂っていたラドンガスが霧箱のラップをかぶせるときに霧箱内部に取り込まれて、霧箱内部で崩壊して飛跡をつくります。
* β線は建物をつくっているコンクリートや壁土に微量に含まれているウランやトリウムなどの放射性元素から放出されたものが見えます。
* γ線は荷電粒子ではないので直接は見えませんが、γ線が(霧箱内の分子の)原子からはじき出した電子の飛跡(コンプトン散乱)を見ることが出来ます。

 キャンプなどで使用する照明用ガスランタンのホヤとして使用されるマントルには、輝度を増すために、古いマントルには酸化トリウムを含むものがあります。このトリウムは半減期が非常に長い放射性物質です。
 トリウム232は半減期が約141億年と、宇宙の年齢とほとんど変わらないくらいの寿命で崩壊してα線を出してラジウム228になります。そしてこのラジウムは半減期6.7年でβ線を出してアクチニウム228に、アクチニウム228は半減期6.13時間でβ崩壊してトリウム228に崩壊していきます。そしてこのトリウム228はα崩壊してラジウム224になり、さらにα崩壊して気体のラドン220になり、ラドンは半減期約56秒でポロニウム216になり、ポロニウムは0.145秒で鉛212に変わります。このような崩壊の系列がトリウム崩壊系列です。ウラン238も同様にどんどん崩壊して別の物質になっていきます。そして鉛の安定核で止まります。この崩壊の系列がウラン崩壊系列です。自然界では現在もこれらの崩壊は続いていて、できた放射性物質から放射された放射線が私達の周囲を飛び交っています。

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