特開 2023-129766 拡散霧箱

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023129766

(43)【公開日】2023-09-20

(54)【発明の名称】拡散霧箱

(51)【国際特許分類】

   G01T 5/04 20060101AFI20230912BHJP

【ＦＩ】

G01T5/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022034008

(22)【出願日】2022-03-07

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 刊行物（令和３年８月５日発行 株式会社内田洋行 ペルチェ式簡易霧箱カタログ） 集会（別紙１、研修会資料） 販売（別紙２及び別紙３）

(71)【出願人】

【識別番号】000152228

【氏名又は名称】株式会社内田洋行

(71)【出願人】

【識別番号】392012630

【氏名又は名称】大和精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107113

【弁理士】

【氏名又は名称】大木 健一

(72)【発明者】

【氏名】足利 昌俊

(72)【発明者】

【氏名】森川 将成

【テーマコード（参考）】

2G188

【Ｆターム（参考）】

2G188CC39

2G188DD13

2G188DD45

(57)【要約】

【課題】入射する荷電粒子の飛跡を観察するための拡散霧箱に関し、構造が簡単で容易に扱え、安定した観察が可能で、かつ安価なものとする。
【解決手段】観察槽１の底部に観察面が設けられ、冷却槽２の上部には、観察面１４の熱を下方へ移動させるペルチェ素子２２と、これからの熱を受け入れる冷却板２５とが設けられ、その下部には、その上面が冷却板２５に接してこれを冷却する保冷剤２６と、保冷剤２６を断熱する下部断熱材２７とが設けられる。下部断熱材２７は弾性を有し、保冷剤２６を冷却板２５に向けて付勢している。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射する荷電粒子の飛跡を観察するための観察槽と、前記観察槽の下部に位置し前記観察槽を冷却する冷却槽とを備える拡散霧箱において、
前記観察槽の上部には、蒸気を発生させる蒸気発生手段が設けられ、
前記観察槽の底部には、その略中央に位置する観察面と、前記観察面の周囲の底板とが設けられ、
前記冷却槽の上部には、前記観察面の下方に位置するとともに前記観察面と小さな熱抵抗で接し、上方の熱を下方へ移動させる熱電素子と、前記底板の下方に位置する中間断熱材と、前記熱電素子の下方に位置するとともに前記熱電素子と小さな熱抵抗で接し、前記熱電素子からの熱を受け入れる冷却板とが設けられ、
前記冷却槽の下部には、その上面が前記冷却板に接してこれを冷却する冷材と、前記冷材の下方に位置して前記冷材を断熱する下部断熱材とが設けられることを特徴とする拡散霧箱。

【請求項2】

前記熱電素子は、前記観察面と大きさが略同じであり、かつ、前記冷却板よりも小さく、
前記冷却板は、凹凸のない板状であり、
前記冷材は、前記冷却板と大きさが略同じであり、かつ、前記冷却槽の内径と大きさが略同じであることを特徴とする請求項１記載の拡散霧箱。

【請求項3】

前記下部断熱材は弾性を有し、前記冷材を前記冷却板に向けて付勢することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の拡散霧箱。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蒸気の凝結作用を用いて荷電粒子の飛跡を検出するための装置である霧箱に関し、特に、観察槽内部に温度勾配を作って過飽和状態を作り出す拡散霧箱に関する。

【背景技術】

【0002】

学校その他の教育機関の理科実験において、自然放射線のような荷電粒子の飛跡を観察するために霧箱、特に簡便に観察できる拡散霧箱が用いられている。霧箱の原理は、飽和蒸気量（気体が含むことのできる最大の蒸気の量）よりも多くの蒸気を含んだ状態である過飽和状態の気体中に荷電粒子や放射線を入射させると気体分子のイオン化が起こり、そのイオンを凝結核として液滴が生じ、この様子を光を当てて撮影することで、放射線の動きが線（放射線の軌跡、飛跡）となって見える、というものである。

【0003】

拡散霧箱は、人工的に過飽和状態を作り出すために、霧箱中に温度勾配（上方が温かく下方が冷たい状態）を発生させる。具体的には、上方で水やアルコールを加熱して蒸発させるとともに、箱の底面を冷却手段で－３０℃程度に冷却する。この状態において、蒸気は下へ向かい冷やされて液体となるが、その間に過飽和状態となる領域が出現する。ここに入射する荷電粒子を観察する。

【0004】

拡散霧箱は、－３０℃程度という低温状態を生じさせるために強力な冷却手段を備える必要があるが、教育機関の理科実験という用途を考慮すると当該冷却手段は構造が簡単で容易に扱え、かつ安価なものであることが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－２３２４１６公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

拡散霧箱で放射線の軌跡を確認するには、底面の温度を少なくとも－３０℃まで下げる必要がある。そのための冷却手段としてドライアイスや液体窒素などが使用されてきたが、その準備は大変であるばかりでなく、適切な温度勾配を安定して生じさせることが難しかった。－２０℃まで冷却可能な保冷剤が使用されるものが登場したが、－３０℃まで下げることは難しく、安定した観察が困難である。

【0007】

それらの点を改善するために、特許文献１は、冷却手段として熱電素子であるペルチェ素子を使用している。しかし、ペルチェ素子により－３０℃以下に下げるには、大型の電源と大型のヒートシンクが必要となり、機器の大型化・高価格化という問題が生じる。ペルチェ素子は、吸熱側で吸収した熱に消費電力分を加えた熱が放熱側で発生するため、この放熱側の熱を放熱手段により外気などへ放熱し冷却する必要がある。－３０℃以下まで冷却するためには拡散霧箱の観察領域から大量の熱を奪う必要があるので強力な放熱手段が必須であり、ヒートシンクの大型化は避けられない。ヒートシンクの大型化はコストアップをもたらす。また、大量の熱の移動のためにはペルチェ素子の消費電流が大きくなり、大型の電源が必須である。消費電流が大きくなることは、ヒートシンクのさらなる大型化と電源のコストアップをもたらす。

【0008】

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、構造が簡単で容易に扱え、安定した観察が可能であり、かつ安価な拡散霧箱を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この発明に係る拡散霧箱は、
入射する荷電粒子の飛跡を観察するための観察槽と、前記観察槽の下部に位置し前記観察槽を冷却する冷却槽とを備える拡散霧箱において、
前記観察槽の上部には、蒸気を発生させる蒸気発生手段が設けられ、
前記観察槽の底部には、その略中央に位置する観察面と、前記観察面の周囲の底板とが設けられ、
前記冷却槽の上部には、前記観察面の下方に位置するとともに前記観察面と小さな熱抵抗で接し、上方の熱を下方へ移動させる熱電素子と、前記底板の下方に位置する中間断熱材と、前記熱電素子の下方に位置するとともに前記熱電素子と小さな熱抵抗で接し、前記熱電素子からの熱を受け入れる冷却板とが設けられ、
前記冷却槽の下部には、その上面が前記冷却板に接してこれを冷却する冷材と、前記冷材の下方に位置して前記冷材を断熱する下部断熱材とが設けられている。
前記下部断熱材は弾性を有し、前記冷材を前記冷却板に向けて付勢するものでもよい。

【0010】

前記熱電素子は、前記観察面と大きさが略同じであり、かつ、前記冷却板よりも小さく、
前記冷却板は、凹凸のない（具体的には、フィンを備えない）板状であり、
前記冷材は、前記冷却板と大きさが略同じであり、かつ、前記冷却槽の内径と大きさが略同じである。
前記冷却板及び前記冷材は大きいほうが望ましい。前記観察槽及び／又は前記冷却槽の内径一杯とすることができる。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、前記熱電素子と前記冷材の組み合わせにより、従来のドライアイスや液体窒素を使用する場合と比べて容易に扱うことができ、従来の冷材のみを用いる場合と比べて安定した観察を行うことができ、しかも、従来のペルチェ素子のみを備える場合と比べて安価な拡散霧箱を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態に係る拡散霧箱の斜視図である。

【図2】同拡散霧箱の構成要素を示す斜視図である。

【図3】同拡散霧箱の使用状態を示す斜視図（写真）である。

【図4】同拡散霧箱を垂直面で切断したときの断面斜視図である。

【図5】同拡散霧箱を垂直面で切断したときの断面図である。

【図6】同拡散霧箱の観察槽底板、冷却槽の断熱材、熱電素子及び冷却板を示す分解斜視図である。

【図7】同拡散霧箱を垂直面で切断したときの模式的な断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

発明の実施の形態について、図面を参照して説明を加える。

【0014】

図１及び図２からわかるように、発明の実施の形態に係る拡散霧箱は、入射する荷電粒子の飛跡を観察するための観察槽１と、観察槽１の下部に位置し、観察槽１を冷却する冷却手段２２を含む冷却槽２と、観察槽１の内部を照明するLED照明台３と、冷却手段２２及びLED照明台３並びに後述の蒸気発生手段１２のヒーターをオンオフする制御部４と、それらに電流を供給する電源部５とを備える。冷却手段２２及びヒーターと制御部４は接続ケーブル（電線）２１，４１で接続される。LED照明台３と制御部４は図示しないケーブル（電線）で接続される。制御部４には電源ケーブル５１が接続され、電源部５から電流が供給される。観察槽１の上面には透明の上部キャップ７が取り付けられる。冷却槽２の底面には半透明の下部キャップ８が取り付けられる。LED照明台３のLEDユニット３１は複数のLEDを線状に配列してなるユニット（LEDテープ等）であり、生じた霧が観察しやすいように、観察槽１の底板には照射されず、生じた霧部のみに照射される。

【0015】

図３は、冷却手段２２及びLED照明台３をオンにしたときの本件拡散霧箱の様子を示す。LED照明台３により観察槽１の内部が明るく照らされ、その内部が冷却され霜が生じていることがわかる。観察槽１の側面の一部は透明部材で作られている（図４の符号１ａ参照）。冷却手段２２により観察槽１の下部の温度は－３０℃程度に冷却され、上部との間に温度勾配が生じている。後述の蒸気発生手段１２により水やアルコールを加熱して蒸発させると蒸気は下へ向かい冷やされて液体となるが、その間に過飽和状態となる領域が出現する。観察槽１の側面に設けられる線源挿入口１１から線源６（例えば天然鉱物の閃ウラン鉱）を、過飽和状態となる領域の近傍に挿入する。すると観察範囲（冷却手段２２の上部）で荷電粒子の軌跡を観察することができる（図７の符号A参照）。線源６は金属製の線源保持棒６１の先端に取り付けられている。使用しないときは金属製の保護キャップ６２で覆われている。

【0016】

次に、図４乃至図７を参照して本件拡散霧箱の断面の構造、及びその冷却手法について説明を加える。説明の便宜上、図７中の要素の各寸法は多少デフォルメを加えており、大きさの点で図５とは一致しない。図７中の矢印は、熱の流れを示す。

【0017】

観察槽１の上部には、水やアルコールの蒸気を発生させる蒸気発生手段１２が設けられている。蒸気発生手段１２は、水やアルコールを染み込ませるためのスポンジと、蒸気を発生させるためのヒーターとを含み、蒸気を観察槽１の内部に放出するように観察槽１の内側に設けられている。

【0018】

観察槽１の底部には、その略中央に観察面１４が設けられるとともに、観察面１４以外の部分を覆うように観察槽底板１３が設けられている。観察面１４には、荷電粒子の軌跡を観察しやすく、かつ効率よく冷却できるように黒アルマイトのアルミシール２９が用いられる。観察槽底板１３の表面も黒色である。冷却の効率の点からは、図７の観察範囲Aに対応する観察面１４を、観察に支障のない範囲でなるべく小さくすることが好ましい。

【0019】

冷却槽２の上部には、観察面１４の下方に位置し、観察面１４と小さな熱抵抗で接し、上方の熱を下方へ移動させる冷却手段２２である熱電素子（ペルチェ素子）２２U、２２Lとが設けられている。２つの熱電素子２２Uと２２Lは積層されている。さらに、観察槽底板１３の下方に位置する断熱材（中間断熱材）２４と、熱電素子２２Lの下方に位置するとともに熱電素子２２Lと小さな熱抵抗で接し、熱電素子２２Lからの熱を受け入れる放熱用のアルミ製プレート（冷却板）２５とが設けられている。２つの熱電素子２２Uと２２Lの間、及び、熱電素子２２Lと放熱用のアルミ製プレート２５の間には、放熱用シリコン接着剤２３が塗布され、それらの間の熱伝導性を高めている。断熱材２４は、観察とは無関係な部分から余計な熱を吸収しないようにするためのものである。したがって、観察槽底板１３と放熱用のアルミ製プレート２５の間の熱抵抗は大きい。

【0020】

冷却槽２の下部には、その上面が放熱用のアルミ製プレート２５に接してこれを冷却する保冷材（冷材）２６と、保冷剤２６の下方に位置して保冷剤を断熱する下部断熱材としてのスポンジ２７U、２７Lが設けられている。スポンジ２７U、２７Lは冷却槽２の底面の下部キャップ８から熱が保冷剤２６に伝わらないように断熱するとともに、その弾性で保冷剤２６を放熱用のアルミ製プレート２５に向けて押し付けている（付勢）。保冷剤２６は－２０℃程度に冷却可能なものである。アルミ製プレート２５及び保冷剤２６の大きさが重要であり、可能な限り大きく、具体的には観察槽１の内径一杯に設計されている。大きくすることでアルミ製プレート２５から保冷剤２６への熱の移動を容易にするとともに、保冷剤２６の体積を大きくすることでそれが吸収できる熱量を増やしている。

【0021】

熱電素子２２Lから熱を受ける冷却板の表面積が大きくないと、冷却効果を十分に得ることができない。通常はフィンを使用して表面積を大きくするが、本件冷却槽２では保冷材を使用するため冷却板はフラットにする必要があり、フィンは使用できない（フィンを使用すると保冷材との間に隙間・空気の層が生じて効率的な熱伝導が行えない）。そのため、冷却板として熱伝導率の高いアルミを使用し、かつ、熱電素子２２U、２２Lと比較して数倍程度大きな面積のフラットなアルミ製プレート２５を使用している。保冷剤２６は、アルミ製プレート２５を十分にカバーできる大きなサイズの専用品である。

【0022】

図６に示すように、観察槽底板１３は、観察槽１の内径にほぼ等しい円盤であり、その中心部分には、熱電素子２２U、２２Lよりもやや小さい略正方形の開口が設けられている。観察槽底板１３の下に位置する断熱材２４は観察槽底板１３と同様の形状であるが、熱電素子２２U、２２Lを逃げるように欠き取りがある。観察槽底板１３、断熱材２４及び放熱用のアルミ製プレート２５には、熱電素子２２U、２２Lを囲むように組立ネジ２８用の４つの穴が設けられている。組立ネジ２８により観察槽底板１３、断熱材２４及び放熱用のアルミ製プレート２５が組み立てられ、熱電素子２２U、２２Lが放熱用のアルミ製プレート２５に密着する。

【0023】

次に動作について説明を加える。
制御部４で冷却手段２２とLED照明台３をオンにすると、LED照明が点灯し同時に熱電素子（ペルチェ素子）２２U、２２Lが駆動される。上側の熱電素子２２Uの電流は、下側の熱電素子２２Lの電流よりも大きくする。５分程度で観察槽１の観察面１４の上部は－３０℃程度またはそれ以下に低下する。上部キャップ７を取り、アルコール（イソプロピルアルコールIPA)もしくは無水エタノールを蒸気発生手段１２のスポンジに十分しみこませ、これを蒸気発生手段１２のヒーターで蒸発させる。図示しないヒーターの作用により蒸気が発生するとともに、観察槽１内部の上部と下部の冷却された観察面１４との温度差が大きくなり過冷却状態が生じる。この状態で線源６を観察面１４の近傍にくるように設置する。上部キャップ７を取り付けて観察槽１の上から観察を行う。

【0024】

図７中の矢印は熱の流れを示す。熱電素子（ペルチェ素子）２２U、２２Lは、観察面１４から熱を奪い下方へ移動させ、放熱用のアルミ製プレート２５へ渡す。アルミの熱伝導度は高いので熱はアルミ製プレート２５の全体に伝わり、その下面全体を通じて保冷剤２６に吸収される。アルミ製プレート２５と保冷剤２６の接触面積が大きいので熱の移動は効率的に行われる。熱電素子２２Lとアルミ製プレート２５の接触面積はそれよりも小さいが、その間に放熱用シリコン接着剤２３が存在し熱抵抗が小さく、熱の移動はやはり効率的に行われる。熱電素子２２U、２２L以外の部分には断熱材２４が存在するので観察槽底板１３の部分の熱は移動せず、もっぱら観察面１４の部分が吸熱される。このため、観察面１４に対応する観察範囲Aの部分のみを効率的に冷却することができる。保冷剤２６は、スポンジ２７U、２７Lにより断熱されているので、もっぱらアルミ製プレート２５からの熱を吸収する。

【0025】

発明の実施の形態によれば、アルミ製プレート２５及び保冷剤２６をなるべく大きくするとともに、観察面１４をなるべく小さくすることで、観察範囲Aの部分を効率的に冷却することができた。保冷剤２６を備えることにより、大型のヒートシンクが不要になり小型化できた。また、消費電力もペルチェ素子のみの場合と比べて数分の一に減らすことができた。これらによりコストの削減も可能になった。

【0026】

発明の実施の形態によれば、ドライアイスや液体窒素を使用する場合と比べて容易に扱うことができた。保冷剤のみを用いる場合と比べて安定した観察を行うことができるようになった。

【0027】

今回の発明は、冷却するための部材（対象物の温度を接触により下げるための冷材）として-20℃くらいまで冷却可能な一般的な保冷材を使用したが、塩化カルシウムや塩化マグネシウム、塩化ナトリウムなどを氷と混ぜたものを冷材として使用することも可能である。冷材は袋に詰めたものを使用し、取扱しやすくしている。しかも、一般的な冷凍庫内で冷却が可能である。これをフラットな冷却板２５に密着させることで上記効果を奏することができる。

【0028】

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

【符号の説明】

【0029】

１ 観察槽
１ａ LED光透過部分
１１ 線源挿入口
１２ 蒸気発生手段
１３ 観察槽底板
１４ 観察面（黒アルマイトのアルミシール）
２ 冷却槽
２１ 接続ケーブル
２２ 冷却手段
２２Ｕ 上部ペルチェ素子（熱電素子）
２２Ｌ 下部ペルチェ素子（熱電素子）
２３ 放熱用シリコン接着剤
２４ 断熱材（中間断熱材）
２５ 放熱用のアルミ製プレート（冷却板）
２６ 保冷剤（冷材）
２７Ｕ 上部スポンジ（下部断熱材）
２７Ｌ 下部スポンジ（下部断熱材）
２８ 組立ネジ
２９ 黒アルマイトのアルミシール
３ LED照明台
３１ LEDユニット
４ 制御部
４１ 接続ケーブル
５１ 電源ケーブル
６ 線源
６１ 線源支持棒
６２ 保護キャップ
７ 上部キャップ
８ 下部キャップ
Ａ 観察範囲

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】