Cette page présente les constructions existantes de chambres à brouillard thermoélectrique dans le monde. Cinq modèles existent sur le marché (3 fonctionnant à air, 2 à eau). Deux machines supplémentaires fonctionnant à eau ont été développées à titre expérimental dans des universités il y a quelques années mais le concept n’a pas été poussé plus loin.
Chambre à brouillard à air (images de gauche): en haut Nothinglabs.com (550€), en bas diffusioncloud.ch (2600€).
Chambre à brouillard à eau (images de droite) : en haut Sachem High School, NY, en bas Université de Frankfurt
Chambres à brouillard à eau Phywe (en haut, 1836€), Pasco scientific (en bas à droite 500€)
Chambre à brouillard à air : nadascientific.com (en bas à gauche 9750 € !)
Plusieurs critères sont à considérer lorsque l’on désire réaliser une chambre à brouillard :
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la réactivité : combien de temps doit t-on attendre après l’allumage de la machine avant de pouvoir observer une particule ?
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la taille de la surface d’interaction : plus la surface est grande, plus on voit d’évènements nucléaires (notamment les longs parcours chaotiques des électrons). Pour observer le parcours intégral d’un rayonnement alpha, il faut une surface au moins longue de 4 cm (pour E = 5 MeV). Un électron de 1 MeV a un parcours de 3,5 m dans l’air.
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la possibilité d’expérimentation : peut-on soumettre la chambre à un champ magnétique suffisamment intense, afin de dévier les particules légères (via un aimant permanent) ? La qualité d’observation des particules est-elle optimale ? (cela dépend de l’intensité du champ électrique, de l’homogénéité de la température de la surface d’interaction, de l’éclairage). Peut-on introduire facilement des sources radioactives ?
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la forme de l’enceinte : d’un point de vue optique, la qualité d’observation est meilleure à travers une surface plane et en verre (une enceinte en plastique possède toujours des micro rayures qui diffusent l’éclairage ce qui perturbe l’observation ou les photographies)
la compacité : il est plus facile (et sécurisé) d’utiliser une machine ayant tout ses organes à « l’intérieur » plutôt qu’éparpillé à l’extérieur (alimentation, pompe à eau, éclairage…)
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le bruit : un critère qui peut compter lors d’un exposé
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la durabilité : Peut-on réaliser facilement la « maintenance » dans la chambre à brouillard ou doit-on tout démonter ?
Le critère le plus important serait à mon sens la réactivité car les chambres à brouillard sont des machines vouées à être exposées à un public néophyte. Il sera plus « rassurant » pour un expérimentateur face à son public, de savoir qu’il peut réaliser en quelques dizaines de secondes une expérience où l’on voit passer des particules et qu’il pourra aussitôt commenter. Malheureusement, la totalité des machines du commerce sont lentes, c’est à dire qu’elles demandent un temps d’attente minimum de 10 à 20 minutes après l’allumage avant de pouvoir observer les premières particules, et ce quelque soit la technique utilisé (sauf avec l’azote liquide).
Electrons et particules alpha d’une source de Ra 226. La chambre Cloudylabs permet de montrer ces évènements moins d’une minute après l’allumage
Ces temps d’attente un peu longs s’expliquent par le peu d’éléments thermoélectriques présents dans ces machines du commerce. De manière générale, plus il y a de modules Peltiers et plus la surface d’interaction se refroidit rapidement car on augmente la puissance thermique absorbable sur la surface. Mais à mesure que l’on ajoute des éléments thermoélectriques, il faut que le système puisse dissiper la chaleur produite par ces modules, qui est énorme (la température de la plaque chaude du peltier peut atteindre 100°C !). L’ajout de modules thermoélectrique supplémentaires pour gagner en réactivité nécessite donc la conception d’un échangeur dimensionné par rapport à la charge thermique à évacuer. En aval, des matériaux supplémentaires pour la dissipation du caloporteur (air ou eau) sont nécessaires, ce qui augmente encore la complexité du dispositif (tuyauteries, câblages électriques, radiateurs et ventilateurs performants, alimentation puissante…).
Schéma d’un module Peltier standard de 4×4 cm. Sous 12V, la consommation est d’environ 6A. L’effet Joule y est donc très important.
Les machines du commerce citées ci-dessus sont construites avec seulement un ou deux module Peltier car techniquement, un échangeur thermique standard suffit à évacuer les calories produites : la machine est donc plus simple à fabriquer. En revanche, il faut donc attendre une dizaine de minutes le temps que la surface d’interaction soit à la bonne température (la nature de la surface active a aussi un rôle important dans cette réactivité).
Un autre paramètre à prendre en compte est le temps mis par la machine pour retourner à un autre équilibre une fois que le premier à été perturbé. En ouvrant le couvercle de l’enceinte pour placer une autre source radioactive, on introduit de l’air humide et chaud créant des turbulences dans la couche sursaturée en place. Si la puissance thermique absorbable sur la surface active est faible, il faudra attendre un certain temps qu’un nouvel équilibre s’établisse pour voir les particules. En effet, l’air introduit en changeant d’échantillon va aussi se refroidir (la condensation de l’air humide dégage de l’énergie) et diminue de fait la puissance disponible pour la formation de la couche sursaturée.
La vidéo ci-dessous montre les turbulences produites en changeant de source dans la machine. La stabilité revient une dizaine de secondes après avoir refermé le couvercle.