雲室

雲室是在一定空間里模擬的雲霧條件下進行不同雲物理實驗研究的設備，容積有大有小。容積為立方米以上的大體積雲室是固定的，可用於進行多種雲物理實驗研究；容積為幾到幾十升的小型混合雲室主要用於外場自然冰核觀測，也可進行播雲催化劑成冰性能的檢測。

雲室中的氣體大多是空氣或氬氣，蒸氣大多是乙醇或甲醇。根據徑跡上小液滴的密度或徑跡的長度可測定粒子的速度；將雲室和磁場聯用，根據徑跡的曲率和彎曲方向可測量粒子的動量和電性，從而可確定粒子的性質。在歷史上，雲室對粒子物理起過重大作用，曾用它發現了μ介子（μ+、μ-）、Κ、Λ、Ε等粒子。

1895年秋，德國物理學家倫琴發現X射線的消息傳到英國，1896年初，卡文迪什實驗室主任J·J·湯姆孫就開始了空氣受X射線照射后導電特性的研究，並提出氣體電離理論．威爾遜因而有機會接觸當時原始形式的X射線管．他用X射線照射雲室，發現在膨脹比達到一定限度時形成了雲霧．這個實驗表明，X射線產生了大量的凝結核，它們和空氣中產生的極少量的核同屬一類．在此後的兩年中，威爾遜用他發明的膨脹儀研究了X射線、新發現的鈾射線、紫外線、尖端放電及其他方法在空氣中產生的凝結核．實驗結果表明，由純粹電離作用產生的核使水蒸氣凝聚所要求的最小過飽和值全都相同，由電離作用產生的凝結核在電場中的性質表明它們確實是帶電離子．這就支持了J·J·湯姆孫的氣體電離理論．這些研究報告於1898年秋送交了皇家學會．

帶電粒子看不見，但帶電粒子作為凝結核可以使水蒸氣在它周圍凝成霧珠，霧珠是看得見的．可以利用這個性質來顯示帶電粒子的蹤跡．遺憾的是，由於威爾遜忙於別的研究工作，沒有繼續從事這方面的研究．

直到1910年，威爾遜重新開始了膨脹雲室的研究，他現在思考的問題是使已知電荷的離子通過凝聚而成為可見的、可數的和可照相的痕迹的方法．當時，α和β射線的微粒性概念已得到人們的確認，他想，當帶電粒子穿過空氣時由於和空氣中的氣體分子碰撞而使氣體分子電離，從而在入射粒子的運動路徑上生成大量的正負離子對，過飽和的水蒸氣將以這些正負離子為核心凝成霧珠，而霧珠是可見的和可照相的．有了這種想法，威爾遜開始著手試驗膨脹儀器的最合適的形狀，尋找拍攝雲霧顆粒的瞬時照相的有效方法。1911年春，試驗尚未完成．有一天，他用已做好的粗糙儀器試驗一下能否看見某些痕迹，實驗用的是X射線，雖然沒抱多少成功的希望，但結果卻令他欣喜：雲室中出現了雲霧構成的細小線條，這些線條就是由於射線作用而產生的電子的徑跡．後來，他把閃爍鏡上裝有鐳的金屬片放到雲室里，第一次看到了沿α粒子徑跡凝聚成的非常漂亮的雲霧圖像；當讓適當的放射源靠近雲室時，還看到了快速β粒子的長線狀徑跡。1911年夏，可拍照的膨脹雲室終於設計完成了，他用α粒子的徑跡照片，證實了W·H布拉格不久前關於X射線粒子性的分析．威爾遜指出，要得到一張好的雲室徑跡照片，需要滿足兩個條件：首先，膨脹不能攪動氣體．為了保證這一點，可使用扁而寬的雲室，它的底可以突然下降，可根據要求增加容積．其次，雲室內不能有“塵埃”粒子，也不能有離子，待觀察的電離離子除外。為此，需在雲室的頂部和底部之間加一個電場。

雲室是顯示能導致電離的粒子徑跡的裝置，是最早的帶電粒子探測器，由C．T．R．威爾遜1896年提出的，故稱威爾遜雲室。它的原理是：射出雲室的高能粒子引起的離子在過飽和蒸汽中可成為蒸汽的凝結中心，圍繞著離子將生成微小的液滴，於是粒子經過的路徑上就出現一條白色的霧，在適當的照明下就能看到或拍攝到粒子運動的徑跡，根據徑跡的長短、濃淡以及在磁場中彎曲的情況，就可分辨粒子的種類和性質．雲室的下底是可上下移動的活塞，上蓋是透明的，一小塊放射性物質(放射源)放在室內側壁附近．實驗時，在室內加適量酒精，使室內充滿酒精的飽和蒸汽．然後使活塞迅速下移，室內氣體由於迅速膨脹而降低溫度，於是飽和蒸汽沿粒子經過的路徑凝結，顯示出粒子運動的徑跡．

由於雲室靈敏時間短，工作效率低等原因，在核物理實驗中已很少應用。但在高能物理，特別是在宇宙射線研究中，膨脹雲室仍不失為一種有用的探測工具。利用純凈的蒸氣絕熱膨脹，溫度降低達到過飽和狀態，這時帶電粒子射入，在經過的路徑產生離子，過飽和氣以離子為核心凝結成小液滴，從而顯示出粒子的徑跡，可通過照相拍攝下來。

結構主要由以下各部分組成：兩個銅質同心圓筒構成的冷媒夾層、與冷媒夾層同心的雲室內筒、壓縮機製冷系統、電加熱器、保溫絕熱層、冰晶接取裝置、多點測溫儀、超聲霧化器、顯微鏡和冷台等。

雲室製冷方法有兩種：在雲室壁外的夾套中加入酒精和乾冰，或使用製冷壓縮機將蒸發管繞焊在雲室壁外側直接使雲室降溫。後者取消了夾套，操作雖較方便，但云室溫度有較大的波動，使冰核活化溫度難以確定。改進：設計容量為20 L的冷媒夾套，將壓縮機製冷的蒸發管路螺旋狀布設並浸泡在冷媒中，冷媒採用1: 1的乙二醇水溶液，以避免酒精蒸汽對冰核活化的抑制作用，這種配比的冷媒溶液在高於一35℃時不出現結晶，不致影響其熱傳導效率，較好地解決了雲室溫度波動問題。

最低製冷溫度可達一28℃左右，完全能滿足一般實驗和檢測的要求，在壓縮機的自動啟停過程中，由於冷媒的熱容已足夠大，雲室溫度較為穩定。為使雲室溫度能快而穩地過渡到某一較高的實驗溫度，還設計了1個功率為1kW的電加熱器，平均分佈在冷媒夾套的中下部，實驗時可根據需要接通或關閉。

雖然雲室工作空間由冷媒夾套包圍，但仍存在一定的溫度梯度，不可能等溫。雲室壁首先冷卻，水平方向以中心溫度略高，形成周邊空氣下沉而中心空氣上升的混合對流；因為雲室上蓋不可能製冷又須有開口，在有些實驗操作中還需全部打開上蓋，因此，雲室垂直向(特別是接近上部)有更大的溫度梯度。正是因為存在垂直溫度梯度，雲室中的冰核並不是在某一個確定的溫度下活化的，只能取平均溫度作為冰核活化溫度。

雲室用人工呼氣，水汽在冷環境下凝結出霧滴，或者直接通入超聲霧化器產生的常溫霧。這兩種方法對雲室溫度及雲室內的空氣造成很大擾動，而且通一次霧的維持時間很短，大約幾分鐘，若多次呼氣或多次通入常溫霧，又會造成雲室中的水面過飽和，給檢測帶來誤差，因此迄今為止小型雲室的造霧一直是一個難題。容積較大的雲室如美國CSU等溫雲室是連續通入過冷霧直至冰核化完成，但檢測結果需作稀釋訂正。改進：雲室在結構上增加了一個銅質內筒，來自超聲霧化器的常溫霧從底部沿內筒與原雲室壁的5 mm間隙中上升。雲室壁與冷媒接觸溫度最低，霧得以預冷，然後上升到內筒上沿，再翻入雲室中沿壁下沉，到中下部又隨混合對流上升，進而彌散到整個雲室內筒。實測表明：經間隙預冷處理的過冷霧流的溫度比雲室內溫度略低0. 2-0. 3℃，避免了瞬時高過飽和的發生。控制霧化器的送霧流量，還可實現霧的連續或斷續供應，解決了過冷霧維持時間短的問題，從而更好地模擬了冰核的活化和冰晶增長的溫濕條件。雲室的排污口(位於雲室下部)在檢測時是關閉的，否則會有霧的泄漏和冰晶的丟失，送霧時，雲室蓋上有一小孔，用於排出多餘氣體，以保證霧能夠斷續或連續供應。

冰晶接取裝置的結構為：在一塊厚為10 mm的黃銅板上，用導熱硅脂貼放一塊按900均分的可盛放4個玻璃片的紫銅圓盤(厚度稍大於玻璃片)，在該銅盤的上方放置留有玻片暴露口的糖盤(與紫銅圓盤同心)。觀測自然冰核時，可使用糖盤接取冰晶目測計數。在檢測人工冰核時，可使用玻璃片接取顯微鏡計數的方法，通過轉動提柄上部的指針確定玻片暴露或關閉的狀態，依次暴露的玻璃片，最多可用4塊。

檢測冰晶的上下限：混合雲室檢測冰晶的下限為糖盤法能檢測到的單位容積內最低冰晶數，雲室內筒的有效容積為13. 5 L，按全盤出現1個冰晶計算，其檢測下限為0. 074個/L。檢測上限為玻璃片法能檢測到的單位容積內最高冰晶數，顯微鏡視野面積為0. 0095cm(與放大倍數有關)，雲室內筒的有效容積為3.14x9x58.5≈15L，按每視野出現50個冰晶計算，其檢測上限約為9 x 10個/L。

雖然雲室具有兩種接取冰晶的方法，二者相比，糖液法不確定因素較多(如：震動影響、盤壁影響、小冰晶不易進入糖溶液、冰晶數密度大時難以分辯等)，所以對人工冰核成冰性能進行檢測時，一般使用玻璃片法。

我國除建造了容積為96m和2m固定式雲室以及多個小容積的攜帶型混合雲室外, 還有研究特定冰核活化機制的靜力擴散雲室和均勻水滴凍結實驗裝置。利用這些設備, 在冰核活化的研究、播雲催化劑的研製和自然冰核的觀測等方面曾做了許多工作。目前, 在雲霧降水物理學中被廣泛應用的雲室的構造和基本性能如下。

3L攜帶型混合雲室

雲室主體為雙層夾套構造, 夾層充滿冷卻劑。檢測時從最低溫度開始, 在溫度回升過程中檢測冰核的活化溫度譜。它們具有操用簡便, 易攜帶進行現場檢測的優點, 但由於體積小, 邊界效應較大, 致使檢測結果離散偏大。

2m³等溫雲室

雲室主體為上、下半球形帶夾套的中空圓柱體，內徑1.2m, 最大高度2.08 m。載冷劑在夾套中循環，夾套外有10cm 厚的聚酯發泡層保溫。利用超聲霧化器造霧。雲室附建有稀釋風洞, 其檢測結果可與CUS 等溫雲室的檢測結果相互比較。

96m³中型雲室

雲室主體高14.8m, 內徑3m。溫度可調範圍30～- 45℃, 造霧系統分為蒸汽霧、噴水造霧, 超聲造霧, 可進行多種模擬檢測試驗。

1m³等溫雲室

雲室高1.76 m, 內徑0.88 m。雲室溫度可預先設定, 自動調節, 達到預置溫度后可長時間保持, 溫度波動低於0.1℃。雲室的霧由超聲霧化器產生, 濕度、滴譜濃度可手動調節。

小型混合雲室有兩個不能替代的特點:

一是對大氣冰核進行採樣觀測以了解大氣冰核的本底濃度及時空的變化;

二是播雲催化劑的研製和檢測, 特別是在檢測彈載催化劑的成核率時, 可以把它設在爆炸現場附近進行檢測。

但是冰核的活化對溫濕度條件極為敏感, 小型混合雲室受體積限制溫度難以嚴格控制, 雲室中過冷霧維持時間短, 通霧容易引起雲室中氣樣體積、溫度和濕度的擾動等不足, 勢必會造成很大的不確定性。

15L 攜帶型混合雲室

15L混合雲室最低製冷溫度可達- 28℃左右, 雲室溫度較為穩定, 測溫儀間的測量誤差為±0.1℃, 檢測冰晶的上下限分別為9×104 個/L 、0.074 個/L。

大氣冰核濃度的觀測與研究

大氣中的氣溶膠粒子通過其對水的相變促進作用影響雲的微物理結構和降水過程, 從而影響天氣氣候過程。這些已引起國際大氣科學界的關注。鑒於中國北方廣大地區冰晶過程在降水過程中起重要作用, 20 世紀60—70 年代在中國曾開展過多次大氣冰核的觀測, 結果表明: 與風沙過程有關的自然飄塵和人類活動排放的氣溶膠粒子是冰核的主要來源。80 年代北方層狀雲人工增雨研究中, 觀測分析了中國北方廣大地區雲凝結核濃度的區域分佈特點。90 年代以後, 游來光等於1995 年和1996 年兩次組織了北京地區春季大氣冰核濃度的觀測, 發現冰晶濃度與雲中氣溶膠粒子濃度, 兩者有較好的正相關關係。

高效碘化銀焰劑及其成冰性能的研究

β- AgI 為六方晶系, 晶體的點陣參數非常接近於冰, 其微粒在溫度低於- 4℃下能充當冰核, 通過異質核化在過冷雲中產生冰晶。如能再降低AgI 與冰點陣參數的差別, 則可能進一步提高其成冰效率。在這方面國內外進行過一些實驗工作, 旨在產生AgI與其他物質的複合氣溶膠, 來改變AgI 晶體的點陣參數, 從而達到提高焰劑的成冰性能。焰劑配方成冰性能的優劣, 主要通過雲室的檢測來了解。1999 年結題的“人工增雨新催化技術系統研究”, 對國內現有的各種AgI 焰劑在2m等溫雲室中統一進行了成核率檢測和分析。

液氮( LN) 消霧成冰性能的實驗研究

液氮( LN) 播入冷雲中與飽和濕空氣和雲滴混合, 同其它催化劑一樣有貝吉龍過程(Bergeron) 的出現, 產生大量的冰晶胚胎和冰晶。張錚等對液氮的消霧成冰性能進行了研究, 實驗結果表明: 液氮成核率與雲霧溫度的相關不明顯, 但與液氮的播撒量有關。曹學成、任婕、王偉民、韓光等研究了液氮( LN) 成冰核作用和特徵, 結果表明: 0～- 5℃的高溫段, LN 的成冰核率>1010.g ; - 5～- 10℃其成冰核率為10～10.g ; ≤- 10℃其成冰核率為10～10.g 。由於在高溫段LN 有較高的成冰核率, 因此, 在人工增雨對冷雲催化作業和對人工消除過冷霧的催化作業方面, 有了更寬的溫度使用範圍。

稀土化合物成冰性能的實驗研究

在人工影響天氣工作中, 國內外廣泛地使用著碘化銀, 為了克服實用播種中碘化銀氣溶膠的某些缺點( 如陽光引起活性衰減) , 也有採用水溶膠形式播種的, 然而, 兩者都要消耗大量白銀。為了尋找新的經濟而有效的成冰催化劑, 多年來各國不少研究者對許多無機和有機化合物的成冰性能作了實驗研究。

70 年代初期, Matsubara 曾報道七種稀土元素氧化物的成冰性能, 並認為它們的成冰能力是中等的, 但卻無與之對比的標準。在此基礎上, 莫天麟等用化學方法製備了幾種混合稀土化合物水溶膠, 對它們的形成條件、凍結性能方面作了初步篩選, 得到氟化稀土(RF3) 、碘酸稀土[R(IO3)3]水溶膠與碘化銀水溶膠平均凍結溫度相近的結果。基於我國稀土資源豐富, 研究稀土化合物的成冰性能, 尋找目前廣泛使用的碘化銀催化劑的非銀催化劑替代品, 不但可以擴展稀土新的應用領域, 獲得自主知識產權, 而且對於人工影響天氣的可持續發展, 保護生態環境，都具有現實意義。

冰雪晶碰並勾連增長的實驗與觀測分析

在雲生命期中, 單憑凝結是不能增長到毫米量級雨滴的, 要有碰並過程, 但直徑<50μm 的滴碰並效率很低。從雲滴凝結增長到有效碰併到降雨似乎是很漫長的過程。然而人們常常觀測到雲在lh內形成降水, 有時l～2h 內就形成降雹, 這歸功於冰晶的出現、相變。實驗與外場觀測發現, 冰晶增長亦有一個與液滴碰並增長相似的加速過程, 冰晶碰並液滴( 過冷) 形成霰, 進而碰並過冷水滴長大成冰雹; 冰晶間相互碰並勾連、攀附, 快速增長為雪花或雪團, 如融化成毫米量級的雨滴, 將水質點增長加快, 加速降水進程。

人們早就注意觀測研究冰雪晶間碰並勾連現象, 認為它主要與溫度有關, l～- 5℃是多發區, 其機制主要是粘連, - 12～- 17℃次之, 主要是勾連、攀附；晶型最多的是片狀及輻枝狀, 還有針狀成束晶。黃庚等認為冰晶的增長過程僅在水面飽和、過飽和條件下發生。其中- 13～- 17℃碰並勾連效率最高, 該層的枝、星狀晶是勾連、攀附的主要區域, 亦為冰晶繁生的主要區域、生長率最快, 是人工增雨播撒人工冰核催化效率較高的溫度段。總之, 冰雪晶碰並勾連的研究對自然降水( 雪) , 尤其在人工引晶催化增雨中很有意義。

雲室的改進及對粒子物理學的貢獻：

威爾遜雲室能使那些小得無法直接觀察的粒子的運動軌跡顯示出來，甚至也可把那些高速粒子發生相互撞擊使運動方向發生改變的情形拍攝下來。因此，它一經發明便立即受到人們的普遍重視與運用，對於檢驗理論和探索新型粒子做出了不可磨滅的貢獻。

1923年康普頓(Arthur Holly Compton,1892一1962年)發現了X射線散射后波長變長的現象，即康普頓效應，他用光子與電子碰撞時動量與能量守恆定律作出解釋。在人們對此將信將疑時，威爾遜用雲室拍攝到的反衝電子的徑跡，令人信服地證實了康普頓散射理論，為愛因斯坦光子說提供了實驗依據。由於這項工作及他發明的雲室，他和康普頓共獲1927年度諾貝爾物理獎。

後來，人們利用威爾遜雲室又發現了許多新型粒子。首先是正電子的發現.1932年，美國加州理工學院的C· D"安德森(Carl David Anderson,1883一1964年)利用威爾遜雲室研究宇宙射線，在宇宙射線的雲室照片中發現了正電子的徑跡，這是利用雲室發現的第一個反粒子—正電子，從而證實了狄拉克(P. A. M. Dirac)關於存在正電子的預言。安德森因此榮獲1936年度諾貝爾物理獎.1937年，安德森又用它發現了湯川秀樹在1935年從理論上預言的(介)子.1955年，我國科學家王淦昌和他的合作者利用大型雲室發現了反西格馬負超子.

1925年在卡文迪什實驗室，年輕的布拉開特(M. S. Blackett,1897一1974年)在盧瑟福和威爾遜的指導下致力於用雲室研究a粒子撞擊氮原子核的問題。他從拍攝到的兩萬多張雲室照片中得到了8張照片，證實了盧瑟福1919年所做的世界上最早實現的人工核反應實驗。

1932年布拉開特(P. M. S. Blacken)和奧恰利尼(U. P. S. Occhialini)合作，開始用威爾遜雲室研究宇宙射線。由於宇宙射線稀少，如果讓雲室隨機地膨脹和拍照，大約每百張照片中只有2一5張上有宇宙射線的徑跡，這使他們想到雲室攝影的自動化問題。解決的辦法是在豎直放置的雲室上下兩側各置一蓋革計數管，使得經過雲室的宇宙射線必將先後穿過兩個計數管。布拉開特設計了一種電路，只有從兩個計數管來的訊號相藕合時才能觸發雲室的膨脹而產生記錄照片。布拉開特用這種自動化技術控制雲室攝影，約80%的照片上都有射線徑跡。他們通過對大約7 000張照片的分析，證實了幾個月前安德森發現的正電子，直觀地說明了正負電子對的產生和湮滅過程.1933年布拉開特轉到倫敦大學伯克貝克學院擔任教授。在那裡，他繼續用雲室方法研究宇宙射線，他研製出了用於雲室的大而積勻強磁場裝置，並用這台裝置拍攝了大量宇宙射線徑跡的照片。由於布拉開特對雲室技術的改進及由此對核物理和宇宙射線的一系列新發現而榮獲1948年度諾貝爾物理獎。

1952年，美國加州大學的格拉塞(D. A. Ulaser)在雲室中直接用液體代替氣體一蒸汽混合物而發明了泡室。泡室的出現為探測高能帶電粒子又提供了一種有效手段，為此格拉塞榮獲1960年度諾貝爾物理獎。

(1)小型攜帶型混合雲室在對大氣冰核進行觀測採樣; 對播雲催化劑研製和檢測特別是在檢測彈載催化劑的成核率時, 有它獨特的方便性。可以把它設在現場附近進行檢測。但是小型混合雲室受體積限制, 溫度難以嚴格控制, 雲室中過冷霧維持時間短，通霧容易引起雲室中氣樣體積、溫度和濕度的擾動等不足。再加之檢測程序不嚴格和統一, 勢必會造成很大的不確定性, 使檢測結果存在量級差異。今後，為了使雲室具有更好的穩定性和重複性, 應該在雲室的製冷系統、過冷霧的設計和冰晶接取方法上進行改進。

(2)作為優秀的人工降水用催化劑應該是經濟有效、便於使用的。一般用成冰閾溫和成核率來度量物質的成冰性能。選用催化劑時, 要注意, 作為催化劑的物質應是資源豐富, 價格便宜, 無毒和無腐蝕性的。還要注意其對運輸、保存的條件不太苛刻。在播撒時產生微粒的方法要簡便易行, 單位時間內核的發生率要高。

一個更加現代的設計是擴散雲室，這個裝置中雲室的頂部與底部維持著一個大的溫度差，通常使用乾冰來冷卻雲室底部，頂部的室溫則意味著頂部氈製品中的酒精就會沿室壁向下翻滾並和室底附近的重冷空氣混合在一起，隨後懸浮在那裡，雲室中充滿了空氣和酒精蒸汽當溫度低時的底部擴散時蒸汽變成了過飽和狀態。底部的低溫意味著一旦蒸汽下降，它就會被過度冷卻，也就是在一個不可能產生蒸汽的溫度下成蒸汽狀態，所以蒸汽容易凝結成液態，一點宇宙射線就會讓蒸汽電離，也就是說宇宙射線奪走了許多氣體分子的電子，使原子帶電，於是被電離的粒子互相吸引引發凝結過程，形成一個宇宙粒子的路徑。