YWS-1大型擴散云霧室（宇宙射線實時探測）

YWS-1大型擴散云霧室（宇宙射線實時探測）

1912年，德國科學家韋克多·漢斯帶著電離室在乘氣球升空測定空氣電離度的實驗中，發現電離室內的電流隨海拔的升高而變大，從而認定電流是來自地球以外的一種穿透力*的射線所產生的，于是有人為之取名為“宇宙射線”。

宇宙射線主要是有質子、氦核、鐵核等裸質子核組成的高能粒子流，也含有少量中性的γ射線和穿過地球的中微子流，由于星際磁場和星際介質的影響，宇宙線粒子在星際空間中經歷著復雜的傳播過程，這些帶電粒子受磁場影響而改變其原本方向。星際磁場就像一個攪拌機，將宇宙線粒子攪拌得各向同性。其中一些zui終穿過，大氣層到達地球。這里要指出的是，直接探測宇宙線必需在大氣層外進行，用衛星或在宇宙空間站上進行探測。因為除中微子外，幾乎所有外來的高能宇宙射線在穿過大氣層時都要與大氣中的氧氮原子核發生碰撞，并使其失去zui初的身份而轉化出次級宇宙線粒子。1938年法國物理學家俄歇發現這些超高能宇宙線的次級粒子又將有足夠能量產生下一代粒子，如此下去，就會在地面產生由電磁級聯形成的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宇宙線的手段——測量宇宙線和大氣相互作用產生的次級粒子，即所謂間接探測。我國西藏羊八井宇宙射線觀察站就是利用廣延大氣簇射對宇宙線進行探測。依據原初宇宙線的能量大小和大氣簇射產生粒子數目相關的原理，即原初能量越高，次級粒子數目越多，這樣就可根據探測到的次級粒子的數目來推知原初粒子能量。

從目前人類探測到的數據可知，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。也就是說宇宙線源這個天然高能加速器的能量是北京正負電子對撞機的一百億倍。科學家們困惑，天體上什么機制能使粒子達到10²⁰電子伏特的這樣高的能量。

今天，人類雖然不能準確說出宇宙射線是由什么地方產生的，但它們無償地為地球帶來了日地空間環境的寶貴信息。宇宙線是至細至微的物質粒子，但其揭示和反應的卻是zui宏大的宇宙的信息。宇宙線的研究，關乎于我們從何而來，又將去向何處的*問題。

為了有效和*對宇宙射線進行觀測，各國都相繼建立了觀測站。一般所采用的探測器大致分為二大類。一種是電信號探測器，我國西藏羊八井宇宙射線觀察站采用的閃爍體探測器就屬于這一類，其工作原理是當高能粒子穿過閃爍體時在其中損失能量使閃爍體發生熒光，這一光束經過光陰極轉換并經光電倍增管放大后變成一個電脈沖信號，然后輸入電子記錄系統，由磁帶進行全年不間斷記錄。另一種是徑跡探測器，它不僅能記錄帶電粒子所產生的電離的大小，還能看到其運動的軌跡，從而探知單個粒子所飛行的具體路徑。科學上zui早探測帶電粒子徑跡的探測器是由英國科學家威爾遜（wilson）1911年發明的云室，其手段是用機械的方法使容器內氣體的體積瞬間膨脹，引起溫度下降，從而使水蒸氣達到過飽和狀態。如果此時有帶電粒子通過，則會在它所經過的路徑上產生電離，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動路徑。云室對粒子物理的發展起了很大的作用，諸如正電子、μ子等許多基本粒子都是在觀察宇宙射線時籍由拍攝它們在云室里的運動軌跡而發現的。隨著科學的發展，后來科學家們又相繼制成了氣泡室、原子核乳膠等徑跡探測器。這些探測器都曾為現代高能物理學的發展發揮過重要的作用。

根據云室的原理，上海實博實業有限公司協同數位專家教授于2005年研制成大型擴散云霧室。它能用來顯示、觀察原本人類無法看見和感觸到的來自宇宙和地球上的射線的徑跡。當每秒鐘數目眾多的射線的徑跡連續不斷的展示在人們眼前時，使教科書上冷冰冰的名詞轉變成體會科學的生動的體驗，更能激發廣大學生對于（粒子）物理學的無限想象空間。大型擴散云霧室在全國高校第七屆物理演示研討會上榮獲一等獎，并被全國許多高校和科技館采納使用。

一、探測器特點

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

本儀器zui大的特點在于能連續不斷地顯示儀器所在的自然背景輻射及來自宇宙的和來自地球的自然輻射，由于探測器的工作過程是*自動的，所以操作簡單，且耗能低。

二、技術要求

1、觀察室應有良好的密封性能，保證蒸汽擴散過程十分穩定地達到動態平衡。

2、盡量減少過飽和蒸汽中非粒子徑跡所形成的霧狀本底和降低正負離子對復合的概率，電場所加的高電壓應達3kV～6kV。

3、觀察室的低端溫度應在30分鐘內達到-40℃以下。（本儀器制冷系統中的關鍵部件均采用德國丹佛斯公司的產品）

三、技術參數

1、顯示粒子徑跡的活動層：46cm×46cm×近似1cm

2、觀察室尺寸：65cm×65cm×20cm

3、工作液體：分析純無水乙醇

4、制冷劑：R404

5、蒸發槽加熱器工作電流：2.5～5A

6、電場電壓：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