JP4537332B2 - 低温拡散型霧箱 - Google Patents

Description

本発明は主として学校その他の教育機関においての理科実験室、通常教室等で自然放射線の如き荷電粒子の飛跡を観察できるようにした軽量、コンパクトな低温拡散型霧箱に関する。

従来から自然放射線等の荷電粒子の飛跡を観察するために霧箱が使用されており、その多くは容積が大きい観察槽を備えている（特許文献１参照）。これの軽量化、コンパクト化を図るために近時は、電子冷却素子（ペルチェ素子）を利用して構成することが提案されている。例えば特許文献２及び３である。

これらの電子冷却素子利用の従来の霧箱では、観察槽内に配したエタノール含浸布を電気ヒーターで加熱してエタノール蒸気を発生させ、観察槽底部を電子冷却素子で冷却する。観察槽内に発生したエタノール蒸気は観察槽内の上下面間の温度勾配により槽内中央部より底部にかけて過飽和状態となり、α線やβ線等の荷電粒子が通過すると、荷電粒子によって生じたイオンを核として霧滴の列ができ、放射線の飛跡を観察できる。放射線の飛跡を安定して観察するために、観察槽上面ガラスに形成されたヒーターと電子冷却素子への供給電力を制御装置で調整し、槽内の上下面間の温度差ΔＴを６０〜７０℃に保っている。
実開平７−２９４９０号公報 特開平９−１８４８８７号公報 特開平１１−２４８８４４号公報

しかしながら、軽量、コンパクトな霧箱を実現させるための手段として用いられる電子冷却素子は高性能なものでも１３％程度の熱変換効率の冷却能力しかないため、カスケード接続の１ユニット素子では従来構造の観察槽底面部を−２０℃以下に冷却することは困難である。これを解決すべく冷却用のユニット数を増加させれば吸熱量は増加する反面、供給電力が増加するばかりでなく、冷却ユニットからの廃熱が増加することになり、これを除去するための冷却装置が大型になり、さらにこれを運転するための電力も増加する。また冷却ユニットの廃熱処理に水冷装置を使用するものでは、循環させる冷却水の水槽も大きくしなければならない等の問題が生じる。

これらの問題を解消するために、観察槽内を冷却する最小構成の電子冷却素子と飛跡観察用のエタノール蒸気を加熱し、過飽和層を形成させるヒーターの温度とを制御し、必要な温度差ΔＴを６０〜７０℃の一定範囲内に保つ工夫が提案されている。ただ、観察槽底部を−２０℃以下にできない場合には上面のヒーター温度のみを４０℃以上に上げることが必要になる。この制御によって一時的に温度差が保たれても、ヒーターの発熱増加分も底部の電子冷却素子が吸熱しなければならず、いずれは観察槽底部の冷却能力が不足して観察槽底部温度が上昇し続けて、安定した過飽和層の形成が困難となり、放射線飛跡の観察が難しくなる欠点がある。しかも一定範囲内の温度を保つための制御機構が必要であり、装置が複雑化し、軽量、コンパクト化は困難であった。

そこで本発明は叙上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、その目的は、観察槽内を冷却する電子冷却素子と飛跡観察用のエタノール蒸気を加熱するヒーターとの温度を制御することなしに観察槽の上下面間の温度差ΔＴを最適値に一定に保つことができ、多くの自然放射線飛跡を容易に観察できる軽量、コンパクトな低温拡散型霧箱を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明にあっては、底部に電子冷却素子３１を配した観察槽２内にエタノール蒸気の過飽和層を形成して、荷電粒子の飛跡を観察する霧箱において、観察槽２底部の面積が電子冷却素子３１の冷却面積の約２．２倍以下であることを特徴とする。
観察槽２の底部及び周囲は断熱材５によって覆うことができる。
また、具体的には、上部にエタノール蒸気発生手段１０を配し、内部に形成された過飽和層によって荷電粒子の飛跡を観察させる上部開放の観察槽２を備えた観察ボックス１と、内部に冷却機構３０を備え、観察ボックス１を支持している基台３５とから成り、観察槽２は、底部プレート３の周囲に壁部プレート４を立枠すると共に、底部プレート３の基台３５側裏面に配した冷却機構３０の外縁及び壁部プレート４外側の底部プレート３との接続面から少なくともエタノール蒸気発生手段１０までに断熱処理を施し、壁部プレート４には過飽和層を照射する照明手段２０を設けて成り、観察ボックス１の上部開放部はヒーター２６を設けた透視可能な観察窓板２５にて開閉自在に施蓋してあり、また冷却機構３０は、電子冷却素子３１を底部プレート３に配すると共に、電子冷却素子３１に連絡した放熱フィン３２、排気ファン３３を基台３５内に配装して成り、観察槽１底部の面積が電子冷却素子３１の冷却面積の約２．２倍以下であることを特徴とする。
底部プレート３と観察窓板２５のヒーター２６との間には直流電圧が印加されるものとしてある。
電子冷却素子３１は、同寸法の２つのペルチェ素子をカスケード接続によって１ユニット素子とすることができ、その冷却能力は例えば約−４０℃であるものとすることができる。
観察槽２内の過飽和層を照射する照明手段２０はＬＥＤとすることができる。
観察窓板２５は、２層に配置したガラス相互間にヒーター２６を配して成るものとでき、例えば上下２層に配置した透明ガラス相互間に透明フィルム状のヒーター２６を配した２層式フィルムガラスとすることができる。

以上のように構成された本発明に係る低温拡散型霧箱にあって、観察槽２内に形成されたエタノール蒸気の過飽和層には、電子冷却素子３１と観察ボックス１上部開放部を閉塞している観察窓板２５に設けたヒーター２６とによって、荷電粒子の飛跡を観察させるに足る所定の温度差ΔＴを生じさせ、観察槽２の上方からの観察によってその飛跡を視認させる。
観察槽２底部の面積が電子冷却素子３１の冷却面積の２．２倍以下であることで、観察槽２上面より流入する外部の熱量やエタノールを蒸発させるエタノール蒸気発生手段１０からの熱量、および２層式フィルムガラス（２５）のヒーター２６による発熱量等の総熱量を小さくでき、これらの熱量を吸収する電子冷却素子３１の吸熱能力に余裕をもたせる。このことは、電子冷却素子３１による冷却能力が約−４０℃であることと相俟ち、観察槽２底部の温度を一定に保ち、過飽和層における温度差ΔＴを確保するための２層式フィルムガラス（２５）のヒーター２６温度の制御を不要にさせる。
観察槽２における底部プレート３と観察窓板２５のヒーター２６との間に印加してある直流電圧は、過飽和層内に生じた荷電粒子による霧滴の核（イオン）を除去し、荷粒電子の飛跡をクリアに観察させる。
観察槽２を断熱処理する断熱材５は観察槽２の底部及び周囲を覆い、また観察槽２内を照射する照明手段２０がＬＥＤであることと相俟ち、観察槽２内に対して外部の外気による温度環境の影響を排除し、観察槽２内の温度上昇を抑制する。

本発明は以上説明したように構成されているため、観察槽２内を冷却する冷却機構３０における電子冷却素子３１と観察窓板２５のヒーター２６との温度を制御することなしに、観察槽２の上下面間で形成する過飽和層における温度差ΔＴを最適値である６０〜７０℃の一定範囲に保つことができる。また、電子冷却素子３１の冷却能力に余裕ができること、これに伴う観察窓板２５のヒーター２６に対する制御機構の付帯が不要となることと相俟って、装置全体を軽量、コンパクトにでき、多くの荷電粒子である自然放射線の飛跡を容易に観察できる。

すなわちこれは底部に電子冷却素子３１を配した観察槽２内にエタノール蒸気の過飽和層を形成して、荷電粒子の飛跡を観察する霧箱において、観察槽２底部の面積が電子冷却素子３１の冷却面積の約２．２倍以下であることとしたからである。これによって、冷却効率を向上でき、吸熱能力に余裕をもたせ、例えば２層式フィルムガラスから成る観察窓板２５に設けたヒーター２６に対する温度制御機構の付帯を不要とし、観察槽２内の過飽和層における温度差ΔＴの安定化等を得ることができる。

また、観察槽２の底部及び周囲は断熱材５によって覆ってあるから、外気からの観察槽２内への熱の流入がなく、照明手段２０がＬＥＤであることと相俟ち、観察槽２内に発生する熱量が少なく、冷却機構３０における電子冷却素子３１からの外部への排熱のための放熱フィン３２、排気ファン３３も小型化できる。更に従来であれば水冷方式による冷却装置を必要としたものに比しても、冷却水容器等の付帯機器が不要であることと相俟ち、装置全体がコンパクトになる。そればかりでなく、冷却水のための水道設備との連絡接続が不要であるから、装置自体の移動も容易であると共に、例えば教育機関では水道設備を有しない一般教室であっても簡単に利用できる。

尚、上記の課題を解決するための手段、発明の効果の項夫々において、図面中に記載した構成各部を示す部分との参照を容易にするために符号を付記した。この図面中の符号によって示された構造・形状等に本発明は限定されない。

以下図面を参照して本発明を実施するための最良の一形態を説明する。図において示される符号１は上部開放の平面でほぼ矩形状を呈する所定深さの観察ボックスであり、この観察ボックス１は、内部に冷却機構３０を備えた基台３５上に支持されている。尚、基台３５自体は、例えば外部との通気が可能な例えばパンチングメタルボード材による周囲壁で囲繞されたボックス状に構成されている。

観察ボックス１は、周囲が断熱された観察槽２、この観察槽２内にエタノール蒸気を供給し充満させるエタノール蒸気発生手段１０、観察槽２内の過飽和層を照射・照明する照明手段２０を内部に備え、観察域となる上部開口部分は透明な２層式フィルムガラスから成る観察窓板２５によって開閉自在に施蓋されている。

観察槽２は平面でほぼ矩形状を呈する所定深さのボックス状に形成されていて、観察ボックス１内に位置決め収納されている。観察槽２自体は、平面でほぼ矩形状で、辺縁が立枠状となっている扁平皿状の底部プレート３の辺縁の内側に透明材から成る壁部プレート４を立設することによって上部開放のボックス状になっている。また底部プレート３の基台３５側裏面の中央部位に配される冷却機構３０の外縁及び壁部プレート４外側すなわちこの壁部プレート４外側面と観察ボックス１内側面との間に充填されるようにして例えば発泡合成樹脂材による断熱材５が配装されている。特に、壁部プレート４外側の断熱材５は、底部プレート３との接続面から、少なくとも観察槽２の上部に配してあるエタノール蒸気発生手段１０部位に至るまでに配されている。この断熱材５によって観察槽２の底部の外縁及び周囲を覆うことで観察槽２の内外で熱遮断し、観察槽２内が外部で生じる温度変化の影響を受けないように配慮している。尚、底部プレート３表面は、観察槽２の上方から観察槽２内で自然放射線を容易に観測・視認できるように例えば黒色にしてある。

エタノール蒸気発生手段１０は観察槽２における壁部プレート４の上部外側に、観察槽２を囲繞して配置形成されている。エタノール蒸気発生手段１０自体は、壁部プレート４の上部外側に上方開口の断面で溝形の蒸気発生部１１を配装し、この蒸気発生部１１内の底部に発熱部１２を設け、この発熱部１２上の蒸気発生部１１内に例えば脱脂綿、スポンジ材等の如き吸収材１３を収納するようになっている。そしてエタノール液を例えばスポイト等によって吸収材１３に供給して含浸させておき、これを発熱部１２上にセットすることでエタノール蒸気を発生させ、観察槽２内に充満させることで観察槽２の下部に過飽和層を形成する。発熱部１２は吸収材１３に対してエタノール蒸気を発生させるに足る所定の熱量を付与するもので、図示を省略した電源スイッチによってＯＮ−ＯＦＦされ、またその温度は約３０℃に設定されている。

蒸気発生部１１は、これの開口縁が観察槽２の開口縁と高さ位置でほぼ対応しており、外縁には発生させたエタノール蒸気を外方に飛散させないように例えば堰板１４を設け、エタノール蒸気発生手段１０周囲を囲繞することで、観察槽２内にこれの上部からエタノール蒸気を案内供給するように配慮する。

照明手段２０は、観察槽２周囲を囲繞するように底部プレート３の外側に観察槽２内に向けて多数で配列してあり、その光源は例えば発光ダイオードであるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）としてある。ＬＥＤとすることで、照射による熱の発生が少なく、観察槽２内に不要な熱変動を生じさせない。また図示を省略した電源スイッチによってＯＮ−ＯＦＦされる。

観察ボックス１の上部開口を開閉自在に施蓋する観察窓板２５は、観察槽２内に所定の温度差ΔＴを形成するヒーター２６を内蔵している透明板である。その構造は、例えば上下に配した２層の透明なガラス板を隙間を配して貼り合わせると共に、下側のガラス板における隙間側である内側面にヒーター２６となる電極付きの透明抵抗フィルムを貼着して成る。そしてヒーター２６には、観察槽２の上下面間でエタノール過飽和層を発生させるに必要な最適温度差ΔＴを６０〜７０℃に設定するための交流電流が電極２７に流されている（図４、図５参照）。またこのヒーター２６と観察槽２の底部プレート３との間には、図１に示すように過飽和層内に生じた荷電粒子による霧滴の核（イオン）を除去するための直流高電圧が印加されている。

この観察窓板２５は、観察ボックス１の開口部における側壁内縁に配設したパッキン材２８上に、観察ボックス１の開口部内にやや強制的にでも着脱自在に嵌め入れられることで観察ボックス１上部を閉塞する。この観察窓板２５は観察ボックス１を閉塞したとき、エタノール蒸気発生手段１０における蒸気発生部１１内に収納した吸収材１３の上面とは、エタノール蒸気が観察槽２内に進出するに十分な空隙を設定している。

また冷却機構３０は、観察槽２における底部プレート３裏面に当接させて配した電子冷却素子（ペルチェ素子）３１と、この電子冷却素子３１に熱伝達可能に連絡して基台３５内に配した放熱フィン３２と、放熱フィン３２周囲の熱を外部に放出させる排気ファン３３とを備える。

この冷却機構３０における電子冷却素子３１は、カスケード接続で上下２段の面状の１ユニット素子によるものである。すなわち、この電子冷却素子３１は同寸法の２つのペルチェ素子を重ね合わせたｌユニット素子であり、その冷却能力を図４に示す。図４（ａ）は冷却機構３０に接する１段目の素子の印加電流と冷却面温度との関係を、同じく図４（ｂ）には底部プレート３の裏面に接する２段目の素子のそれを示している。ところでペルチェ素子の冷却面温度を下げるには印加電流を増加させねばならないが、ある値以上の電流を印加すると素子内部の発熱量の増加により冷却能力が低下する。しかしながら、本発明のように観察槽２の底部面積を冷却素子３１の冷却面積の２．２倍以下とすることで吸熱能力に余裕をもたせた場合には、発熱による素子全体の抵抗値の増加により流れる電流が減少し、冷却面の温度上昇を自動的に抑制できる最適電流値で素子を駆動することができる。本発明では、１段目のペルチェ素子に印加する電流を５．０Ａ、２段目のペルチェ素子に印加する電流を２．５Ａに設定することで、冷却面の温度を監視するセンサー類や印加電流値を制御するための付帯装置を付けることなしに、観察槽２の底部プレート３の裏面温度を常時−４０℃以下の安定した冷却温度に維持できる。そのため、２層式フィルムガラスから成る観察窓板２５のヒーター２６の温度を２５℃〜３０℃以内とすることによって、観察槽２内における過飽和層を形成するための温度差ΔＴ＝６０℃以上を達成可能にする。

また、この電子冷却素子３１の冷却（吸熱）面積は観察槽２の底部面積に対して約０．４５倍程度以上、好ましく０．５倍程度以上にしてあり、また観察槽２の底部における平面形状に相似の平面形状を呈している。逆にいうと、観察槽２の底部面積を電子冷却素子３１の冷却面積の２．２倍程度以下、好ましくは２倍程度以下とする。もとより、電子冷却素子３１による冷却（吸熱）はこれの冷却能力、冷却面積が十分に確保されればよいから、その平面形状、配列形態等は特に限定されない。

尚、本実施の形態において、平面ほぼ正方形状の観察槽２の各辺の内法幅員は約１００ｍｍ、深さは約７０ｍｍとし、電子冷却素子３１により冷却された底部プレート３の表面温度を−３０℃〜−３２℃とし、観察槽２の底部面積を電子冷却素子３１の冷却面積の約２倍程度であるとすると、観察窓板２５におけるヒーター２６の温度を約３０℃とすることで観察槽２内の下部に十分な厚さ（高さ）の過飽和層を電源スイッチＯＮから約５分で形成することができた。

次にこれの使用の一例を説明する。観察窓板２５を取り外してエタノール蒸気発生手段１０における蒸気発生部１１の吸収材１３に所定量のエタノール液を供給含浸させ、観察窓板２５にて観察ボックス１の上部開口を施蓋する。次いで電源の投入によって電子冷却素子３１を冷却する一方、発熱部１２を発熱させてエタノール蒸気を発生させて観察槽２内に供給する。すると観察槽２内にエタノール蒸気の過飽和層が形成され、そこで観察ボックス１の上方から観察槽２内部を観察すると、自然放射線の如き荷電粒子の飛跡が観察槽２内で出現するのを確認できる。

本発明を実施するための最良の形態を示す正断面図である。 同じく側断面図である。 同じく平面図である。 同じく観察窓板の断面図である。 同じく観察窓板の平面図である。 同じく電子冷却素子における冷却特性、すなわち印加電流と冷却温度との関係を表すグラフであり、その（ａ）は１段目の電子冷却素子、その（ｂ）は２段目の電子冷却素子におけるものである。

符号の説明

１…観察ボックス ２…観察槽
３…底部プレート ４…壁部プレート
５…断熱材
１０…エタノール蒸気発生手段 １１…蒸気発生部
１２…発熱部 １３…吸収材
１４…堰板
２０…照明手段（ＬＥＤ）
２５…観察窓板（２層式フィルムガラス） ２６…ヒーター
２７…電極 ２８…パッキン材
３０…冷却機構 ３１…電子冷却素子
３２…放熱フィン ３３…排気ファン
３５…基台

Claims (4)

1. 上部にエタノール蒸気発生手段を配し、内部に形成された過飽和層によって荷電粒子の飛跡を観察させる観察槽を備えた上部開放の観察ボックスと、内部に冷却機構を備え、観察ボックスを支持している基台とから成り、観察槽は、底部プレートの周囲に壁部プレートを立枠すると共に、底部プレートの基台側裏面に配した冷却機構の外縁及び壁部プレート外側の底部プレートとの接続面から少なくともエタノール蒸気発生手段までを断熱材によって覆って断熱処理を施し、壁部プレートには過飽和層を照射するＬＥＤによる照明手段を設けて成り、観察ボックスの上部開放部はヒーターを設けた透視可能な観察窓板にて開閉自在に施蓋してあり、また冷却機構は、同寸法の２つのペルチェ素子をカスケード接続によって１ユニット素子とした電子冷却素子を底部プレートの基台側裏面に配すると共に、電子冷却素子に連絡した放熱フィン、排気ファンを基台内に配装して成ることを特徴とする低温拡散型霧箱。
2. 観察槽底部の面積が電子冷却素子の冷却面積の約２．２倍以下である請求項１に記載の低温拡散型霧箱。
3. 底部プレートと観察窓板のヒーターとの間には直流電圧が印加されている請求項１または２に記載の低温拡散型霧箱。
4. 観察窓板は、２層に配置したガラス相互間にヒーターを配して成る請求項１乃至３のいずれかに記載の低温拡散型霧箱。

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