The fog in the photo-electric nucleus counter

Summary

The paper deals with some of those properties of the fog in the photo-electric condensation nucleus counter which affect the measurement of its extinction used as an index of nuclei concentration.

The relationship between extinction and the light path in the fog-tube which hitherto was known only for lengths up to 90 cm and not very accurately for technical reasons, was investigated with the aid of the photo-electric Twin-counter for a fog-tube length of 117·5 cm. It was found again that the optical density of the fog is proportional to a power of the length of the light path in the fog where its index varies somewhat with the extinction and its maximum is 1·37. Furthermore, the amplification of the extinction by the Twin-counter depends considerably on the extinction and amounts to 2·0 to 2·3 for extinctions smaller than 30% as measured with the Standard Counter.

The centre-piece of the investigation consists in the clarification of the phenomena that (i) with wide fog-tubes in certain rather restricted regions of extinction the minimum position of the pointer of the galvanometer used for measuring the extinction after expansion was reached in two stages, the second smaller stage («creep») taking place sometimes after several seconds; (ii) the reduction of the fog-tube diameter to 2.5 cm or less resulted in the complete elimination of the uncertainties in the measurements of the light intensity after the fog is formed by the adiabatic expansion.

The effect of turbulence in the fog-tube, of processes in the cloud itself during the first 10 to 20 seconds after expansion, of fogging of one or both of the sealing glass plates, of the temperature of the electrically heated glass sealing plates and of the distance of the photocell from the bottom sealing glass on the measurement of the extinction is discussed.

Among the processes in the fog itself, the effect of the coagulation of the droplets, of their evaporation without assuming re-condensation of the freed water content, and of the evaporation of the small droplets and re-condensation of their water-vapour on the larger ones is considered. It can be shown numerically that a creep of the right order of magnitude may be obtained from the last process suggested; furthermore, that the increase in extinction («creep») can occur only with droplets of specified sizes and combination of sizes, minute changes in their radii prevent appearance of creep and no creep can be produced by evaporation and re-condensation of the smaller droplets for extinctions lower than about 50% of the Standard Counter. The results of the computation agree very well with the statistics of the observed creep.

The disappearance of the creep in fog-tubes of air-column diameter of 2.5 cm and less is attributed to the quicker evaporation of the small and larger droplets due to the accelerated heat-flow from the walls of the narrower fog-tube on account of which the two stages of the pointer-movement of the galvanometer merge. This hypothesis was experimentally tested and it was shown that by appropriately altering the diameter of the light pencil also in counters with narrow fog-tubes creep can be produced and removed at will.

Fogging of the glass sealing plates caused by droplets precipitating under gravity or by turbulence which might produce «precipitation-creep», can be prevented by adequate heating of the glasses.

As a consequence to the present view on the creep of both kinds it follows that in counters where, with high or low concentration creep is observed, the second stage shouldnot be included in the galvanometer readings for measuring the extinction.

Finally, on the average in the first 50 seconds after expansion the fog disperses more slowly in the wider fog-tube than in the narrower with equal heating of the bottom sealing glass plates, a phenomenon which we attribute to the heat-flow from the walls. Afterwards, convection currents reverse the rate of dispersal when the bottom glass is heated with a current of 235 mA, whereas with heating currents of 100 and 150 mA the fog dissolves more slowly in the wider tube during the whole period of observation.

Zusammenfassung

Es werden einige Eigenschaften des Nebels im photo-elektrischen Kernzähler untersucht, welche die Messung seiner Extinktion, die ein Mass der Kernzahl ist, beeinflussen.

Die Beziehung zwischen Extinktion und dem Lichtweg im Nebelrohr, welche bisher nur für Längen des Lichtweges bis zu 90 cm und aus technischen Gründen nicht sehr genau bekannt war, wurde mittels eines photo-elektrischen Zwillings-Kernzählers für eine Länge von 117.5 cm studiert. Es wurde wieder festgestellt, dass die optische Dichte des Nebels proportional einer Potenz der Lichtweglänge im Nebel ist wobei sich der Exponent etwas mit der Extinktion ändert und sein Maximum 1.37 beträgt. Die Verstärkung der Extinktion durch den Zwilling-Kernzähler hängt beträchtlich von der Extinktion ab und sie beträgt 2.0 bis 2.3 für Extinktionen, die kleiner als 30% sind, wenn sie mit dem Standard-Kernzähler gemessen werden.

Der Hauptteil der vorliegenden Untersuchung beschäftigt sich mit der Klärung der folgenden zwei Probleme:

• (i) In gewissen, ziemlich beschränkten Gebieten der Extinktion erreicht der Zeiger des zur Messung der Extinktion in weiten Nebelrohren verwendeten Galvanometers die grösste Ablenkung nach der Expansion in zwei Etappen, die zweite wesentlich kleinere—die «Kriechen» genannt wird—manchmal erst nach einigen Sekunden.

• (ii) Die Verkleinerung des Durchmessers des Nebelrohres auf 2.5 cm oder weniger beseitigt völlig jede Unsicherheit in der Messung der Lichtstärke, nachdem sich der Nebel infoge der adiabatischen Expansion gebildet hat.

Es wird der Einfluss der Turbulenz im Nebelrohr, der Prozesse im Nebel während der ersten zehn oder zwanzig Sekunden nach der Expansion, des Beschlagens eines oder beider Abschlussgläser des Nebelrohres, der Temperatur des elektrisch geheizten Abschlussgläser und der Einfluss der Entfernung der Photozelle vom Bodenabschlussglas auf die Messung der Extinktion diskutiert.

Von den Prozessen im Nebel wird der Effekt der Koagulation der Nebeltröpfchen, ihrer Verdunstung ohne Wiederkondensation des freigewordenen Wasserdampfes, und der Verdunstung der kleinen Tröpfchen mit Wiederkondensation ihres Wasserdampfes an den grösseren betrachtet. Es wird rechnerisch gezeigt, dass der letzte der erwähnten Prozesse ein Kriechen des Galvanometer-Zeigers von der richtigen Grössenordnung erzeugen kann. Ferner, dass dieses Kriechen nur bei Tröpfchen ganz bestimmter Grösse und bestimmten Grössenkombinationen auftreten kann. Ganz kleine Änderungen in den Tröpfchenradien verhindern das Auftreten des Kriechens und Kriechen kann nicht durch Verdunstung und Wiederkondensation der kleinen Tröpfchen hervorgerufen werden, wenn die Extinktion weniger als 50% des Standard-Kernzählers beträgt. Die Ergebnisse der Rechnung stimmen sehr gut mit der Statistik des tatsächlich beobachteten Kriechens überein.

Für das Verschwinden des Kriechens in Nebelrohren mit Durchmessern von 2.5 cm oder weniger wird die raschere Verdunstung der kleinenund grösseren Tröpfchen infolge des beschleunigten Wärmeflusses von den Wänden des engeren Nebelrohres verantwortlich gemacht, wodurch die zwei Etappen der Zeigerbewegung des Galvanometers verschmelzen. Diese Hypothese wurde experimentell geprüft und es wurde gezeigt, dass durch geeignete Änderung des Querschnittes des Lichtbündels auch in engeren Nebelrohren Kriechen willkürlich erzeugt oder beseitigt werden kann.

Das Beschlagen der Abschlussglasplatten, welches durch die auf sie fallenden oder durch Luftströmungen gegen sie geschleuderten Nebeltröpfchen verursacht wird, und das gleichfalls unter Umständen ein Kriechen erzeugt, kann durch entsprechende Heizung der Gläser verhindert werden.

Die jetzige Auffassung des Kriechens beider Arten zwingt zur Annahme der Regel, dass die zweite Etappe der Zeigerbewegung, falls sie auftritt, ausseracht gelassen werden muss.

Schliesslich sei erwähnt, dass im Mittel und bei gleicher Heizung des Bodenabschlussglases in den ersten 50 Sekunden nach der Expansion, der Nebel in einem weiteren Nebelrohr langsamer verschwindet als in einem engeren, eine Erscheinung, für die der Wärmefluss von den Wänden verantwortlich gemacht wird. Später kehren Konvektionsströme die Geschwindigkeit der Nebelauflösung um, falls das Bodenglas mit 235 mA geheizt wird, während bei einer Heizung mit nur 100 oder 150 mA der Nebel während der ganzen Beobachtungszeit von 3 Minuten im weiteren Nebelrohr sich langsamer auflöst.