Voir la radioactivité : Fabriquez une Chambre à Brouillard

Salut à tous,
aujourd'hui je vous propose une petite bidouille qui permet de rendre visible la radioactivité : la Chambre à Brouillard (cloud chamber en anglais).
C'est un truc qui partait simplement, puis j'ai eu le doigt pris dans l'engrenage, et voilà que c'est encore devenu un pavé... je vais voir pour faire un PDF s'il y en a qui préfèrent une lecture sur tablette.

Il y a d'excellents tutos sur le net, mais assez peu me convenaient car faisant appel à pas mal d'investissement : achat de modules, de refroidisseurs, etc.

Ici, je vous propose ma "cloud chamber" portative à base de récup... en gros, fabriquée à partir de pièces de glacière, de bouteille en plastique, couvercle de pot à cornichons et un démarreur de voiture.

Fonctionnement.

L'explication de Wikipédia :

Dans une enceinte semi-étanche à l’air ambiant (schéma ci-contre), une surface noire est portée à une température négative. En haut de la chambre, des supports permettent de contenir de l’alcool (éthanol) liquide. Une partie de l’alcool s’évapore grâce à sa pression de vapeur et lorsque ces vapeurs entrent en contact avec le bas de la chambre porté à une très basse température, elles se condensent sous forme de gouttelettes créant un brouillard (il existe naturellement des poussières microscopiques déclenchant la formation de ce brouillard).

Toutefois, une petite fraction des vapeurs d’alcool refroidies par l’intermédiaire de la surface froide ne se condensent pas et flottent au-dessus de la surface formant un volume sursaturé en vapeur qui est métastable (car constitué d’un gaz refroidi). Il suffira d’une perturbation dans la matière pour que ces vapeurs retournent à un état plus stable (l’état liquide). L’épaisseur du volume de gaz sensible est de quelques millimètres, située juste au-dessus de la surface de la chambre.

La transition d’un état à un autre (ici la condensation de l’alcool gazeux) est facilitée lorsque le milieu contient des impuretés (poussières), à l’exemple de la neige qui ne peut se former dans l’atmosphère que s’il existe des sites de nucléation permettant aux cristaux de germer.

Lorsqu’une particule nucléaire chargée traverse la matière, elle perd de l’énergie en ionisant sur son passage les atomes qu’elle rencontre. Les ions résultants deviennent ainsi des « impuretés » comme découvert par Wilson. Les vapeurs instables vont passer à l’état liquide en se condensant en gouttelettes là où les ions ont été créés : les ions « semés » tout au long du parcours de la particule vont rematérialiser le tracé de la particule dans la matière sous la forme de milliers de gouttelettes d’alcool. Un éclairage suffisamment fort permettra ensuite de mettre en évidence les tracés (une plaque noire est utile pour maximiser le contraste).

Seules des particules chargées peuvent créer au cours de leur trajectoire des ions dans la matière. Ainsi, les particules observables dans une chambre à brouillard seront les électrons (e^-), les positons (e⁺), les protons (p⁺), les alphas (He²⁺) et les muons (μ^+/-) (si l’on se limite au niveau de la mer, car en altitude d’autres particules sont observables comme les kaons, lambda et xi mais de façon très rare). Les particules neutres (neutron et gamma) seront détectables indirectement par les particules chargées qu’elles créeront dans la matière à la suite de leur interaction avec celle-ci.

Le but est donc de descendre aux alentours de -30°C.

On va utiliser un composant très particulier : le module peltier. C'est un dipôle qui présente deux usages :

- Si on maintient une différence de température entre les deux faces, il y aura une différence de potentiel entre ses bornes. On peut s'en servir pour produire du courant. Ce sera le sujet d'un autre poste avec l'effet Seebeck

- si on l'alimente, une face devient froide, l'autre chaude. En réalité, il s'agir d'un transfert thermique. C'est ce que l'on va utiliser ici : l'effet Peltier.

Il y a pas mal de courbes théoriques permettant d'estimer la température de la face froide (FF) à partir de celle de la face chaude (FC), ainsi que la dissipation, le voltage et l'intensité.


Dans la pratique, on a tendance à descendre aux alentours de -20°C avec un seul module et la FC à 0°C (au contact de la glace qui fond).
C'est trop juste pour faire fonctionner notre appareil.
C'est pourquoi on utilise deux modules l'un sur l'autre : le premier refroidit la chambre, et le second refroidit le module qui refroidit la chambre. Cette configuration permet en général de descendre en dessous de -30°C.

Mais attention, ce procédé a beaucoup de limites, et ne peut pas être étendu à plus de modules, car il ne faut pas oublier que chacun dissipe une quantité phénoménale de chaleur en fonctionnement normal : P=U*I = 12*4 soit 48W.

Il faut donc refroidir la chambre, tout en évacuant la chaleur dissipée par les deux modules. D'où le rendement désastreux d'une chambre à brouillard sur Peltier.


Les modules usuels.
On trouvera principalement des TEC-1-12705 :



En fait, cela suit une codification assez simple.

TE : Thermo Electric.
C : Taille Standard / S : Small. Exemple de petit module : TES1-3104
1 ou 2 : le nombre d'éléments. En général 1, mais parfois on rencontre des modules doubles comme le TEC2-25408 (ce qui permettrait de faire directement une chambre à nuage).
127 : le nombre de paires de semi-conducteurs (osef)

05 : l'intensité max du courant. En général c'est plutôt la température qui va faire claquer le module, car ils se régulent un peu tout seul. Par exemple, celui que j'utilise consomme 4,5A au démarrage, et descend à environ 4A quand il est refroidi. Comme c'est un semi-conducteur, c'est la mauvaise réfrigération qui peut le détruire : le module laisse passer plus de courant, et chauffe, donc laisse passer plus de courant, et ça s'emballe. C'est pour cela qu'on les protège avec des fusibles thermiques.


Donc le TEC1-12705 est un module peltier standard à un seul élément, 127 paires PN et tolérant 5 ampères maximum.

Il est important de noter que le rendement de ces modules n'est pas vraiment intéressant, de l'ordre de quelques pourcents. C'est pour cela qu'on l'utilise quand on doit s'affranchir de toute partie mécanique où que les appareils ne doivent pas nécessiter de maintenance, en gros, dans l'espace (générateur thermoélectrique à radio-isotope par ex) et pour les glacières électriques

Donc si on alimente un module, une face va devenir froide, car sa chaleur sera transférée sur l'autre face. Ceci se produit jusqu'aux limites du composant : la face chaude peut claquer.
Si en revanche, on refroidit la face chaude, alors on évacue la chaleur, donc on peut refroidir un peu plus la face froide. Sommairement, on a ici une pompe à chaleur. C'est pour cela que l'on utilise ces modules dans les glacières électriques...et aussi pour cela que ces appareils claquent si on empêche la chaleur de s'évacuer (poussière, linge posé dessus, etc.).



Activation du mode DIY-Récup : 3....2....1....

Alors il existe une foultitude de tutos pour fabriquer l'appareil en achetant toutes les pièces. Je ne vais pas réinventer la roue de ce côté, donc n'hésitez pas à parcourir le net à la recherche des plus belles constructions.

Celle de Cloudylabs est superbe par ex :

http://www.cloudylabs.fr/wp/wp-content/uploads/2019/06/LittleAircooledCloudChamberv2.pdf

Un doc pour les matheux :
https://addi.ehu.es/bitstream/handle/10810/17990/Detection_of_particles_with_a_cloud_chamber.pdf


1) Récupérons nos modules.

Comme précisé un peu plus haut, on trouve des modules Peltier assez facilement dans les bennes électroménager, voire sur leboncoin, car ils sont utilisés dans les glacières électriques, ainsi que les mini-frigos.

Je m'attendais au cours de la récup à tomber sur des modules grillés, mais la réalité a été tout autre.

Une tireuse à bière réfrigérée :
Après un démontage laborieux (vis triangle et résistorx et plastique thermosoudé, tout semblait fonctionner, mais pas de réfrigération.




C'est la soudure sur le fusible thermique qui avait sauté....


Réparation : 10s

Une glacière électrique de voiture :



C'était presque couru d'avance : le fusible thermique lui-même était HS. C'est fréquent, notamment parce que les utilisateurs couvrent parfois l'appareil qui n'évacue plus la chaleur, ou l'utilisent dans l'habitacle en plein Soleil. Le fusible est prévu pour claquer avant le module. C'est environ 15cts et un petit quart d'heure de réparation, mais la plupart du temps ça finit à la décharge. Un peu comme avec bon nombre de cafetières, dont le fusible de la résistance chauffante finit par claquer à force de laisser le plateau à vide.

Enfin, le mini-frigo 230V :
Le précédent utilisateur n'arrivait plus à l'allumer. En apparence les circuits sont ok.



Mais le petit circuit sélecteur (chaud/froid) présente une trace de brûlure côté composant :



Et circuit :


Un oeil attentif remarquera sur le courant secteur 230V côtoie allégrement la partie basse tension...ainsi que les interrupteurs accessibles. Pourtant, l'appareil n'est pas isolé du tout !
Franchement, ce truc est dangereux par conception et c'est peut être par chance que le précédent proprio ne s'est pas électrocuté. Hors de question de le réparer.

Donc j'ai deux circuits convertisseurs 230V->12V et trois modules Peltier, ainsi que leurs radiateurs.

2) L'alimentation de la Chambre à brouillard


Le premier prototype a consisté à relier tout simplement les deux modules en sandwich avec chacun son alim à découpage.
Alors attention, ici, il y a du courant secteur à proximité d'eau, donc je ne vais pas trop détailler la manip (même si à peu près évidente).

En gros, j'ai placé les alims dans une boite à sucre, avec une mise à la masse de la carcasse (sécurité obligatoire ici).
Chacune alimente son propre module Peltier



Et en rab, la première alimente un ventilateur pour refroidir les circuits (notez le rack de disque dur et le ventilo de PC de récup), tandis que la seconde alimente un rail de leds blanches (voir plus bas).





J'avais cependant quelques scrupules à présenter ce projet avec du courant domestique. Je me suis alors demandé s'il n'y avait pas encore plus simple.

Puis je me suis souvenu avoir réparé l'année dernière un genre de batterie de secours récupérée dans une benne.
En gros, c'est une batterie de démarrage pour voiture : courant de pointe, 200A sous environ 13,5V



Composée d'une batterie 12V Lithium-fer-phosphate.



12V ou 5V ?
La chambre avec P1 et P2 sous 12V fonctionne mais moins bien que si P2, le module en contact avec la chambre devrait être alimenté en 5V (voire plutôt 4,2V) et non 12V.
En fait, si le module au contact de la chambre est sous 5V, il refroidit un peu moins (le delta face chaude/froide est moins élevé).... mais il chauffe beaucoup moins ! Environ 8W au lieu de 50W, donc dans la pratique, la température descendra beaucoup plus bas ainsi.


J'ai donc choisi cette batterie, qui permet d'alimenter à la fois en sortie 12V, mais aussi en 5V, d'une pierre deux coups.
La panne était très simple, classique, mais pénible à réparer : le connecteur de charge en micro USB était dessoudé de la carte.

Ça rend l'ensemble assez léger, mais aussi indépendant du courant domestique. La contrepartie étant que l'utilisation est limitée à environ 25 minutes.

A noter que l'on pourrait utiliser n'importe quelle batterie 12V (voiture) pour le module Peltier 12V, et n'importe quelle powerbank USB capable de débiter 2A pour le module Peltier 5V.


3) Le Schéma du 2e prototype :




4) Les modules Peltier

J'ai récupéré le radiateur du mini-frigo. Je conseille avant la mise en place de tester chaque module quelques secondes pour bien percevoir quelle face est chaude ou froide. Théoriquement, quand vous avez le négatif en bas à gauche, et le positif en bas à droite, vous avez la face froide devant vous :



On place alors deux modules P1 (en 12V) et P2 (en 5V) l'un sur l'autre avec la même orientation : P1-Chaude sur radiateur, P2-Chaude sur P1-Froide, et P2-Froide sur la plaque de la chambre à brouillard.

Il est très important :
- d'isoler thermiquement plaque de la chambre à brouillard. Ici via du polystyrène.
- que le contact entre chaque élément soit optimal. Sur les modules, il y avait tellement de pâte thermique que je n'avais pas besoin d'en ajouter, mais il est conseillé de le faire si les modules sont neufs.

Ici, on n'a plus qu'à poser la plaque de la chambre et visser pour bien serrer.




5) La chambre à brouillard.


A) La plaque froide

Les plus attentifs auront remarqué que la plaque de la chambre à brouillard est composée d'un couvercle de pot à cornichon, décapé au papier de verre des deux côtés afin de mettre le métal à nu.



Côté chambre, la plaque a été peine vite fait à la bombe en noir, afin d'obtenir un bon contraste.



Rétrospectivement, c'est ok pour quelques tests, mais il y a peu de peintures qui tiennent à la fois -40°C et l'alcool... d'où les nolbreux éclats sur les vidéos. Je conseillerais de partir sur une plaque d'alu anodisée noire pour de meilleurs résultats.

B) Le corps.

Une bouteille de plastique ayant le même diamètre que le couvercle. Un peu de scotch pour réaliser l'étanchéité au pire

C) Les réservoirs à alcool


Deux morceaux d'éponge, collés à la superglu sur le haut du corps de la bouteille (vers la zone "chaude" de la chambre, à température ambiante). Il y a peu d'autres colles qui tiendront les conditions d'utilisation.

D) L'éclairage
Le premier proto utilisait sans souci ma lampe LED de VTT. L'idéal est de placer le faisceau pour éclairer la surface de la plaque, donc à faiseau tangentiel à la plaque :





Mais c'était assez peu pratique; j'ai utilisé un rail de led de récup. L'avantage de celui-ci est qu'il fonctionne déjà en 12V (3 leds en série), donc pouvant être alimenté en parallèle sur le 12V du module Peltier P1.



E) La circuiterie.

Pour le côté 5V, j'ai tout simplement récupéré un câble USB 5V, et relié le rouge sur le rouge ainsi que le noir sur le noir (quoi de plus simple). La consommation du module sous cette tension tourne autour de 1,6A. Il faut donc prévoir une alim d'au moins 2A, même si la plupart sont protégées. L'ensemble est connecté avec un domino, qui rend les tests au multimètre plus faciles), et le tout étanchéifié avec un oeuf en plastique bien connu :



Pour le côté 12V, c'est un peu plus olé olé, car nous avons vu plus haut que la batterie peut débiter 200 Ampères sans soucis. Si on fait un court-circuit, on pourra faire de belles étincelles avec projections de métal brûlant.
Perso, j'ai branché au plus près de la batterie, en série, un fusible 10A de voiture afin d'éviter tout souci :



F) La source froide :

Certains utilisent des ventilateurs de PC, mais je trouve que ça rend l'ensemble un peu plus complexe, alors que le refroidissement par liquide est bien plus efficace. J'ai utilisé la glace du dégivrage de mon congélo dans un plat en verre, avec le radiateur qui trempe dedans. De l'eau à 10°C fait aussi l'affaire, mais c'est plus long pour atteindre la température d'utilisation.
Une note concernant les refroidisseurs de CPU : certains ne sont pas prévus pour descendre en dessous de 0°C; le fluide gèle. Un point à vérifier.

G) L'alcool :

Le point névralgique de cette technologie. Cela fonctionne avec de l'alcool à 90°C (sans additif) mais fonctionne bien mieux avec de l'alcool isopropylique à 99,9% (un nettoyant commun pour ceux qui font de l'impression 3D, à environ 8E/L). Perso, j'ai testé avec du 91% sans trop de problème, mais le 99,9% m'a donné les meilleurs résultats. Chaque expérience consomme environ 1mL d'alcool si on ne le récupère pas. Inutile d'acheter au litre donc

H) La source radioactive :
Elle n'est pas nécessaire, car on pourra détecter plusieurs dizaines de particules par minute. Je vous propose deux vidéos, une avec quelques particules du bruit de fond, et une seconde avec ma source d'Américium 241, issue d'un ancien détecteur de fumée.



Elle crache un peu (33kBq), mais en alpha d'environ 5,4MeV principalement, et gamma très faible (environ 60keV), donc plutôt inoffensif au contact.

Conseils pour commencer :

- La chambre doit être sèche. Perso je laisse un sac absorbeur d'humidité un peu avant utilisation afin de ne pas diminuer la concentration d'alcool, car le froid brutal va condenser l'humidité de l'air ambiant sur la plaque.

- On a tendance à utiliser beaucoup trop d'alcool, surtout pas ! Pour les dimensions de se projet, une dizaine de gouttes sur les éponges tout au plus suffisent. Il ne faut pas que la plaque froide soit "mouillée" par de l'alcool. C'est l'évaporation naturelle des éponges (en haut, dans la zone chaude), qui va créer un nuage en saturation au contact de la plaque.

- Inclinez légèrement la plaque froide, afin de créer un petit différentiel de température, brassant beaucoup mieux le nuage. Vous pourrez constater ci-dessous lors des tests que les résultats les plus spectaculaires se produisent lorsque le nuage "glisse" vers le bas.

- Laisser l'ensemble refroidir sur votre source froide avant d'alimenter les modules, afin que le dissipateur déjà froid. Vous gagnerez plusieurs minutes sur la batterie.

- L'ensemble est assez difficile à capturer en image, mais très joli à l’œil nu. Il ne faut pas hésiter à monter en résolution, quitte à recompresser ensuite. Perso j'ai pris en 4K à 60fps pour avoir un truc à peu près correct, quitte à bouffer 1Go par minute

On éteint les lumières ?



De mon côté, les premières particules deviennent visibles au bout de 4 minutes, puis cela s'amplifie pendant toute l'utilisation, qui dure environ 23 minutes.

On peut remarquer les trainées des particules alpha : a noter que la source est tellement forte (>30kBq) que les trajectoires sont un fin brouillard en sortie de la source, tandis que les traînées sont plus visibles en bout de course. Les particules alpha cèdent d'ailleurs une grosse partie de leur énergie en fin de course. Pour les intéressés, c'est en rapport au transfert linéique d'énergie et à la courbe de Bragg.




Quand on incline la chambre, les vapeurs d'alcool se renouvellent beaucoup plus vite, mettant en évidence les particules à proximité de la source :


En vidéo ?

Sans source radioactive, avec juste le rayonnement de fond : on voit différents types de particules passer, principalement des bêta.



Avec la source d'Américium 241 :




Pistes supplémentaires :


- Comme précisé plus haut, je conseillerais de partir sur une plaque en aluminium anodisé afin de ne pas s'embêter avec la peinture qui s'écaille. J'en avais pas trouvé en récup pendant la réalisation de ce projet, mais cela doit se trouver assez facilement dans un bricotruc.

- Bien entendu, la voie royale pour obtenir une belle chambre à brouillard, c'est la glace carbonique. Là, pas besoin d'électronique du tout, juste une cuve. Mais cela demande une logistique, et n'est pas du tout renouvelable.

- J'ai testé mais sans pousser jusqu'au bout, la technique des mélanges réfrigérants, notamment avec du chlorure de calcium, que l'on trouve dans les absorbeurs d'humidité chimiques
https://wiki.scienceamusante.net/index.php?title=M%C3%A9langes_r%C3%A9frig%C3%A9rants

–40°C	100 g de glace pilée (0°C) + 125 g de chlorure de calcium hydraté CaCl2•6H2O cristallisé
–49°C	100 g de glace pilée (0°C) + 150 g de chlorure de calcium hydraté CaCl2•6H2O cristallisé
–55°C	100 g de glace pilée (0°C) + 143 g de chlorure de calcium hydraté CaCl2•6H2O cristallisé

Amha, il y aurait de quoi faire un truc sans électronique et assez reproductible car il faudrait ensuite déshydrater la solution pour obtenir à nouveau le chlorure de calcium.

Il est possible d'ajouter une grille portée à haute tension (cf le topic sur le compteur Geiger Müller pour le générateur), afin d'améliorer la visualisation, en plaquant les particules alpha à la surface de la plaque froide par un champ chargé positivement.

Voilà, vous aurez vus aujourd'hui des particules alpha et bêta et bravo si vous avez lu jusqu'ici 

tarsonis a écrit:

en gros, fabriquée à partir de pièces de glacière, de bouteille en plastique, couvercle de pot à cornichons et un démarreur de voiture.

Salut, merci, c'est très impressionnant...

La liste de matos nécessaire me fait un peu penser aux crafts de Fallout

Merci

Kyraly a écrit:
La liste de matos nécessaire me fait un peu penser aux crafts de Fallout

J’ai oublié l’essentiel : une éponge et de la colle  
C’est vrai que si je fais une fiche pdf avec une infographie, cela pourra avoir un air de craft improbable

D’ailleurs, si tu as le plan du fusil a rail...