Komora mgłowa Wilsona chłodzona ogniwem Peltiera

Komory mgłowe Wilsona typu dyfuzyjnego wymagają wydajnego chłodzenia swej spodniej części, aby zapewnić odpowiednią różnicę temperatur w stosunku do górnej, ogrzewanej części, co pozwala na uzyskanie pary przesyconej. Do chłodzenia można wykorzystać suchy lód lub odpowiednie moduły chłodzące, np. ogniwa Peltiera. Komorę chłodzoną suchym lodem omawiałem niedawno [LINK], dziś chciałbym przedstawić komorę drugiego typu.

Autorem projektu jest Czytelnik bloga (pozdrowienia!). Oddaję głos Autorowi:

Wprowadzenie

W internecie można znaleźć instrukcje, jak zrobić komory mgłowe, ale zdecydowana większość opisuje komory wykorzystujące suchy lód. Zdecydowaną zaletą komór tego typu są jej rozmiary oraz prostota budowy.

Podstawowa wada tego rozwiązania to logistyka związana z suchym lodem:

• brak lokalnego źródła suchego lodu - musiałbym go kupować w internecie i płacić za przesyłkę.
• czas dostawy sprawia, że nie można komory włączyć, kiedy ma się ochotę, tylko trzeba to zaplanować, dostosować się do czasów wysyłki
• nie mam jak przechowywać suchego lodu - po kupieniu partii miałbym najwyżej kilka dni na nacieszenie się komorą, zanim cały suchy lód wyparuje.

Zupełnym przypadkiem znalazłem artykuł napisany przez doktora Steve'a Barretta w którym opisuje on zasady działania oraz swoją konstrukcję komory opartej na peltierach: 
https://www.liverpool.ac.uk/~sdb/CloudChamber/

Później znalazłem projekt komory na stronie pewnego Francuza, który posłużył mi za ogólny wzór:
https://www.cloudylabs.fr/wp/aircool/

Zdecydowałem się na komorę tego typu właśnie dlatego, że omija mnie logistyka suchego lodu, ale są też inne zalety:

• bardzo szybki czas przygotowania do pracy. Wystarczy nasączyć gąbkę izopropylem, podłączyć komorę do prądu i poczekać ok. 5 min.
• koszty utrzymania są bardzo niskie. Cała komora pobiera ok. 100 W i zużywa 5 ml alkoholu izopropylowego na włączenie.

Podstawową wadą tego typu komory jest jej rozmiar. W moim przypadku średnica powierzchni chłodzącej to zaledwie 5,5 cm. Z drugiej strony dzięki temu zajmuje mało miejsca na półce. Można próbować zrobić komorę o większej powierzchni chłodzącej wykorzystującą więcej peltierów. Przy czym wtedy potrzeba kilku radiatorów, a zużycie prądu proporcjonalnie wzrasta.

Części i zasady działania

Aby komora działała, trzeba osiągnąć temperaturę co najmniej -20 st. C. Do tego potrzebny będzie duży radiator. W moim przypadku jest to chłodzenie do procesora Fortis 3 które wybrałem, ponieważ jest to stosunkowo duże i wydajne chłodzenie, które udało mi się kupić używane za niewielkie pieniądze.

Na początku próbowałem użyć tzw. stockowego chłodzenia do procesora. Niestety okazało się ono niewystarczające.

Co istotne, nie zrobiłem żadnej permanentnej modyfikacji chłodzenia do procesora. Jeśli komora mi się znudzi, to mogę ją rozmontować a chłodzenie zamontować do komputera lub odsprzedać.

Ogniwo Peltiera które zastosowałem to TEC1-12715, kupione na aliexpresie.

Polecam włączyć peltiera testowo i zaznaczyć pisakiem ciepłą i zimna stronę. Zapobiegnie to śmiesznej sytuacji, w której zamontujemy peltiera odwrotnie :-)

Jako samą komorę wykorzystałem znaleziony na aliexpresie wykonany z plexi pojemnik na przyprawy o średnicy ok 6,5 cm.

Uwaga - plexi traci swoją przejrzystość przy dłuższym kontakcie z alkoholem izopropylowym. Rozważałem zastosowanie pojemnika ze szkła, ale plexi zapewnia lepszą izolację termiczną. Aby uniknąć zamglenia plexi po każdym użyciu komory przepłukuję pojemnik pod wodą.

W górnej części komory zamontowałem gąbkę nasączoną izopropylem.

Aby ułatwić parowanie izopropylu, w gąbce zamontowałem 2 oporniki 150 ohm połączone szeregowo które po prostu się grzeją.

Do zasilania wykorzystałem trochę zmodyfikowany 12 V zasilacz serwerowy HPHSTNS-PL29, ale stary zasilacz do PC też powinien dać radę.

Konstrukcja

Płytkę chłodzącą o średnicy 6 cm wyciąłem szlifierką ze stalowej blachy grubości 1 mm. Większość projektów w internecie wykorzystuje płyty aluminiowe. Ja wykorzystałem blachę stalową, ponieważ taką miałem akurat pod ręką. Aluminium może być lepsze, ponieważ po włączeniu komory na płytce zbiera się wilgoć i płytka stalowa po pewnym czasie zacznie rdzewieć. 

Jedną stronę płytki pomalowałem czarną farbą w sprayu, która niestety zaczęła trochę odpadać od stawiania na niej metalowych próbek.

Oryginalnie płytka chłodząca miała kształt kwadratu o wymiarach 7x7 cm, ale peltier nie był w stanie jej schłodzić do wymaganej temperatury.

Główny element łączący radiator, peltiera oraz pojemnik z plexi zaprojektowałem i wydrukowałem na drukarce 3D. 

Wykorzystuje on oryginalne mocowanie radiatora do płyty głównej. Nachodzi on od góry na krawędzie płytki chłodzącej i dociska ją do zimnej strony peltiera, a ciepłą stronę peltiera - do radiatora.

Przewidziałem w nim mały otwór na wprowadzenie kabli do wewnątrz komory.

Już na etapie planowania stwierdziłem, że gąbki nie chcę przyklejać do pojemnika, ponieważ wtedy przy jego zdjęciu wisiał by on na kablach przylutowanych do oporników, które są w gąbce.

Gruby miedziany drut służy jako wspornik do trzymania gąbki, ale płynie też nim prąd wracający z oporników.

Działanie

Filmik z działania komory - jako źródło posłużył 5 cm kawałek elektrody spawalniczej zawierającej tor-232:

Na tym filmiku jeszcze lepiej widać ślady:

Z kolei ślady cząstek alfa z Am-241 widać bardzo słabo i tylko w znacznej odległości od źródła w prawym górnym rogu:

Jest to o tyle zastanawiające, że w elektrodzie WT-20 tor-232 stanowi zaledwie 2 % stopu, a w dodatku jest on jednorodną masą z metalem, który pochłania większość cząstek alfa i na zewnątrz wydostają się tylko te z powierzchni. Z kolei w przypadku czujki dymu użytej przez Czytelnika ameryk-241, występuje w znacznie większej koncentracji i w postaci "gołej", aby jak najwięcej cząstek alfa mogło wydostać się do komory czujnika. 

Wnioski

Zaprezentowana komora jest ukończona w ok. 75%. Planowane dalsze kroki:

• Pozostał mi problem oświetlenia. Muszę z zewnątrz świecić latarką i znaleźć właściwy kąt, pod którym ślady we mgiełce są widoczne, a różne źródła wymagają różnych kątów. Wydaje mi się, że jasna lampka biurkowa świecąca możliwie nisko, prawie równolegle do powierzchni, będzie najlepszym rozwiązaniem tej kwestii.

• Dodatkowo powinienem od spodu płytki chłodzącej zamontować izolację termiczną z gąbki. Nie zrobiłem tego jeszcze ponieważ przeszkadzałaby ona przy rozmontowywaniu komory. Zamontuję ją jak będę pewien, że nie trzeba jej więcej rozbierać.

• Jak widać na zdjęciach drut trzymający gąbkę jest zawinięty kilka razy. Docelowo tak nie będzie, ale nie wiem jeszcze, na jaką długość chcę go przyciąć.

• Do zrobienia jest też jakaś podstawka, ponieważ obecnie komora stoi po prostu na czubkach miedzianych heatpipów.

• Wypadało by uporządkować trochę kable, bo na chwilę obecną całość grozi zwarciem.

• Pojemnik z plexi nie jest najlepszym pomysłem, dzisiaj zauważyłem, że na całej powierzchni pojawiły się na nim drobne ryski. W następnej iteracji użyję kubka z podwójną ścianką.

Komora w czasie pracy pobiera ok 100 W. Temperatura płytki chłodzącej schodzi do ok -28 st. C w środku i -25 st. C przy krawędziach.

Jest to czwarta iteracja komory. Pierwsze dwie nie były wstanie schłodzić peltiera dostatecznie, trzecia działała, ale była zrobiona na pożyczonym radiatorze i trzymała się na słowo honoru.

Od pomysłu do pierwszego sukcesu minęło ok 6 miesięcy, i następne 1,5 miesiąca do stanu obecnego. W praktyce spowodowane to było brakiem czasu, zniechęceniem po nieudanych próbach i żonglowaniem innymi projektami.

Mogę polecić wykonanie komory Wilsona tą metodą. Wbrew pozorom jest to stosunkowo proste, a sama komora daje dużo radości.

***

Czytelnikowi dziękuję za przesłanie zdjęć i szczegółowe opisanie konstrukcji. Zaletą tego projektu są kompaktowe wymiary całej instalacji, jak również możliwość wykonania z powszechnie dostępnych części i bez konieczności używania suchego lodu. Z kolei Was jak zwykle zapraszam do zgłaszania uwag, jak również dzielenia się własnymi projektami.

***

Zachęcam też do wspierania bloga, zarówno pośrednio, poprzez zakup dozymetrów [LINK], jak i bezpośrednio, przez Patronite lub BuyCoffeeTo