Le concept
Le principe d'une chambre à brouillard est de créer un espace confiné dans lequel se trouvent des vapeurs, typiquement d'isopropanol, très dense. Lors du passage de particules chargées, celles-ci ionisent les molécules ambiantes, et les vapeurs se condensent en une traînée de brouillard aux alentours du chemin parcouru, un peu comme les traînées blanches créées par les avions dans le ciel.
Très bonne explication, plus détaillée, sur wikipedia : Chambre à brouillard.
La chambre à brouillard construite ici repose sur une différence de température entre le bas et le haut de la chambre. Le haut de la chambre est à température ambiante, alors que le bas est refroidi à environ -30°C. Une réserve d'alcool isopropylique est placée en haut de la chambre, et s'évapore. Les vapeurs d'alcool étant plus lourdes que l'air, elles tombent vers le bas et se refroidissent. L'air froid pouvant "contenir" moins de vapeur, on obtient une couche d'alcool saturée dans la partie basse de la chambre. Le froid de la chambre est ici obtenu à l'aide de modules Peltier.
Construction
Comme indiqué plus haut, le cœur du montage repose sur une température basse au niveau de la partie basse de la chambre. Le socle de la chambre sera une plaque métallique (au début, du cuivre sur les photos, mais qui deviendra une plaque d'aluminium dans la version finale), et donc le tout est de refroidir la plaque. Le refroidissement est fait ici par effet Peltier, c'est-à-dire par des modules (en blanc dans la figure 1) qui, en appliquant une tension à leur borne (environ 12V ici), produisent une différence de température entre leur deux faces, qui peut aller jusqu'à 60°C dans de bonnes conditions.
Bien sûr, le peltier est orienté tel que la partie haute est le côté froid, et sera donc collé (avec de la pâte thermique) au socle de la chambre à brouillard. La partie basse, donc chaude des peltiers devra être refroidie. En effet, chaque peltier sera alimenté par environ 60W. Étant donné que la différence de température entre la partie chaude et froide des peltiers est plus ou moins fixe (disons 60°C), en gardant la partie chaude à +30°C on obtient une partie froide à -30°C. Si la partie chaude des peltiers n'est pas refroidie activement, elle pourrait monter très haut en température (plus de 100°C).
Les modules peltiers sont donc refroidis par un système de refroidissement liquide typique, qu'on pourrait par exemple trouver pour certains ordinateurs. Sur la figure 1 on aperçoit le premier élément du système de refroidissement : deux échangeurs thermiques en aluminium, qu'on voit mieux dans la figure 2. Un liquide va circuler dans les échangeurs pour capter la chaleur des peltiers, puis le liquide sera envoyé plus loin dans un radiateur.
Pour légèrement améliorer la différence de température entre le socle de la chambre et le système de refroidissement à eau, j'ai utilisé deux couches de peltier, comme on peut l'apercevoir dans la figure 3. Pour des raisons d'efficacité des modules peltiers, les 4 peltiers du bas fonctionnent sur 12V alors que les 4 peltiers du haut fonctionnent sur 3V.
C'est plus pratique lorsque tout est placé dans une boite, et c'est ce qui est fait dans la photo 4. Des tuyaux et des jonctions en Y permettent de faire fonctionner les échangeurs à eau en parallèle.
Étant donné qu'on veut voir un fin brouillard apparaître dans la boite, il est préférable d'avoir un bon contraste pour le voir. C'est pour cette raison que le socle de la boite est une plaque d'aluminium anodisée en noir, et c'est aussi pour cette raison que j'ai rajouté des bandes de lumière LED autour de la boite, qu'on voit sur la figure 5. La lumière va éclairer les traces de brouillard en blanc, qu'on verra nettement sur fond noir.
Si le "coeur" du dispositif de refroidissement est maintenant plus ou moins terminé, il reste une grosse partie : le système de refroidissement liquide. Ce système prend de la place, et donc il est commode de faire une grosse boite pour contenir le tout, ce qu'on voit sur la photo 6.
Le système de refroidissement liquide est tout à fait classique. C'est-à-dire qu'il contient un échangeur thermique qui va transférer la chaleur du système qu'on veut refroidir (les peltiers) au liquide de refroidissement. Deux radiateurs, chacun équipé de deux ventilateurs 12x12cm, dans lesquels passe le liquide, permettent de dissiper la chaleur du liquide de refroidissement vers l'air ambiant. Enfin, le liquide de refroidissement circule dans cette boucle grâce à une pompe 12V.
Enfin, il faut faire la boite de la chambre à brouillard. Le socle existe déjà, c'est la plaque en aluminium noir, mais il faut fabriquer les 5 autres faces de la boite. Cette boite doit être transparente, et je l'ai pour l'instant fabriquée en polystyrène (non expansé !). On peut la voir sur la figure 7. Cette boite est amovible, il est possible de l'enlever pour accéder à la plaque métallique du bas. Du feutre est collé à l'intérieur en haut de la boite comme récipient d'isopropanol. Du fil résistif parcourt le feutre pour le chauffer, et donc faire évaporer l'isopropanol. Il y a environ 2 mètres de fil 60Ω/m, c'est à dire environ 5W lorsque branché sur 12V. L'espace dans la boite en fer est comblé d'isolant, de la mousse polyuréthane expansive.
Le polystyrène n'est pas un bon choix pour la boite, ce plastique raye très facilement. Et l'isopropanol a tendance à attaquer la colle plastique. Je fabriquerai une boite en verre prochainement.
Résultat
La chambre à brouillard fonctionne assez facilement. Premièrement il faut imbiber les feutres de la boite en polystyrène d'isopropanol, puis verser un peu d'isopropanol sur la plaque métallique noire. Étaler de l'isopropanol sur les parois verticales de la chambre semble aider à avoir plus de vapeurs. Ensuite, placer une source radioactive sur la plaque métallique, mettre la boite transparente sur son socle, puis brancher le tout.
Résultat sur la vidéo figure 8
Comme indiqué dans la description de la vidéo, j'utilise des baguettes de soudure dopées au dioxide de thorium. Le thorium est radioactif (voir sa fiche IRSN) et se désintègre en émettant des particules α (alpha), qui sont en fait des noyaux d'helium. Ces noyaux sont dépourvus d'électrons et ont donc une charge de +2e. Le passage des particules chargées dans le brouillard ionise quelques particules ce qui fait se condenser le brouillard à l'endroit où la particule passe, créant les traces blanches que l'on voit. Des rayons gammas sont aussi émis, mais ils ne sont pas chargés (ce sont des photons), et donc sont invisibles dans la chambre.
Les traces qu'on voit sont plus ou moins grandes. Ces différentes longueurs sont dues à la direction d'émission des particules, qui est parfaitement aléatoire. En effet, les vapeurs d'alcool ne sont suffisamment concentrées pour former un brouillard que sur une couche d'environ 1cm d'épaisseur dans le bas de la boîte. Si une particule est émise dans le socle ou vers le haut de la boîte, on ne la verra (quasiment) pas. Pour bien voir la trace d'une particule, il faut qu'elle soit émise parfaitement à l'horizontale. Les petites traces vues dans la vidéo de la figure 8 sont donc des particules émises vers le haut ou bas, et qui ne restent que très peu de temps dans la couche d'1cm d'épaisseur.
L'activité (le nombre de désintégrations radioactives par seconde) des baguettes est faible, d'où le peu de traces visibles. D'un autre côté, la faible activité des baguettes fait qu'elles ne sont pas dangereuses. D'ailleurs, ces particules α dont on voit les traces ne sont pas dangereuses à l'extérieur du corps. Elles sont stoppées par une simple feuille de papier, et donc facilement par la peau.
Liens utiles
Très bon site sur les chambres à brouillard : www.cloudylabs.fr. J'aurais du le visiter bien avant, il y a plein de conseils sur la fabrication des chambres à brouillard, leur fonctionnement, et de très belles vidéos.