Further investigations of the fog in the photo-electric condensation nucleus counter

Summary The effect on extinction of isothermal distillation, shrinking of the droplets by evaporation without recondensation of the liberated water vapour, coagulation and differential settling of the fog droplets which take place in the fog of a photo-electric nucleus counter and which can produce a small additional extinction («creep») in the first seconds after its formation, were numerically examined. The relative contribution of each process to the total creep observed is assessed. It is found that isothermal distillation can produce amounts of creep (up to 1.70%) which exceed considerably those caused by evaporation or coagulation. The results of these computations explain the occurrence of creep with concentrations greater than approx. 25 000 nuclei/cm³ in fog-tubes of 3.85 cm air-column diameter.That the disappearance of creep in fog-tubes of diameters 2.5 cm and less is due to the accelerated heat-flow from the walls of the narrow fog-tube was previously proved by reducing appropriately the diameter of the light pencil through the fog. In order to meet the objection that by restricting the cross section of the light pencil the fine structure of the fog comes into play, the increase in the travel time of the heat from the walls was achieved this time by using a photo-electric counter with a fog-tube of 8 cm diameter and a light beam of 2.8 cm diameter as in the «Standard Counter 1946». As expected, creep was found in every single measurement up to readings of 53%. Typical examples of the galvanometer pointer-movement and photographic records of the extinction during fog formation in such a wide fog-tube for readings between approx. 10 and 76% are given and their peculiarities discussed.The extinction over the range from 175 000 to 20 000 nuclei/cm³ was also measured with a red and a blue monochromatic interference filter and the results contrasted against the computed extinctions for these two wave lengths. It was ascertained that for the same number of nuclei the extinction for red light is in general larger than that for blue; the difference between the observed extinctions varies considerably, becoming zero or even negative. The most striking feature, however, is the different course of the extinction for the two wave lengths as a function of the number or size of the droplets.The size of the fog droplets in the counter was deduced from the extinction measurements for these two wave lengths and by collecting the falling droplets on coated slides. The radius of the droplets obtained by the optical method varies from 1.81 to 3.19 when the extinction decreases from 86 to 56%. The radius of the droplets as deduced from gelatine coated slides dyed with Naphtol Green B increases from 1.44 at 67.4% extinction (42 400 nuclei/cm³) to 6.30 at 15.6% (858 nuclei/cm³).

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Zusammenfassung Der Einflus der isothermalen Destillation, des Einschrumpfens der Tröpfchen durch Verdunstung ohne Wiederkondensation des freiwerdenden Wasserdampfes, des Zusammenfliessens und Absetzens der Nebeltröpfchen auf die Extinktion, welche im Nebel des photo-elektrischen Kernzählers stattfinden und die in den ersten Sekunden nach seiner Bildung eine kleine zusätzliche Extinktion (im folgenden Kriechen genannt) erzeugen können, wurde numerisch geprüft. Der entsprechende Beitrag jedes einzelnen der oben genannten Prozesse zum Gesamtbetrag des beobachteten Kriechens wurde abgeschätzt. Es wurde gefunden, dass isothermale Destillation zusätzliche Extinktions-Beträge (bis zu 1.70%) erzeugen kann, welche jene durch Verdunstung oder Zusammenfliessen der Tröpfchen verursachten, beträchtlich übersteigen. Die Resultate dieser Berechnungen erklären das Auftreten des Kriechens bei Konzentrationen grösser als ca. 25 000 Kerne per cm³ in Nebelrohren von 3.85 cm Luftsäulen-Durchmesser.Dass das Verschwinden des Kriechens in Nebelrohren mit einem Durchmesser von 2.5 cm und weniger dem beschleunigten Wärmefluss von den Wänden des engen Nebelrohres zuzuschreiben ist, wurde früher durch eine entsprechende Verengung des Lichtbündels, welches zur Durchleuchtung des Nebels verwendet wird, bewiesen. Um dem Einwand zu begegnen, dass bei so starker Verkleinerung des Querschnittes des Lichtbündels, wie sie benützt wurde, schon die Feinstruktur des Nebels eine Rolle spielt, wurde diesmal die Verlängerung der Laufzeit der Wärme von den Wänden durch Erweiterung des Nebelrohres auf 8 cm Durchmesser erzielt, während der Durchmesser des Lichtbündels mit 2.8 cm — wie im «Standard photo-elektrischen Kernzähler 1946» — unverändert belassen wurde. Entsprechend den Erwartungen wurde bei jeder einzelnen Messung bis zu Lesungen von 53% Kriechen festgestellt. Typische Beispiele der Bewegung des Galvanometer-Zeigers und photographische Aufzeichnungen der Extinktion während der Nebelbildung in einem solchen weiten Nebelrohr werden für Lesungen zsischen ca. 10 und 76% gegeben und ihre Eigentümlichkeiten besprochen.Die Extinktion für Konzentrationen zwischen 175 000 und 20 000 Kernen per cm³ wurde auch mit einem roten und blauen Interferenz-Filter gemessen und die Resultate den für diese zwei Wellenlängen berechneten Extinktionen gegenübergestellt. Es wurde festgestellt, dass bei der gleichen Kernzahl die Extinktion für rotes Licht im allgemeinen grösser ist als jene für blaues; die Differenz zwischen den beobachteten Extinktionen schwankt beträchtlich, wird null oder sogar negativ. Am auffallendsten ist jedoch der verschiedene Verlauf der Extinktion für die zwei Wellenlängen als Funktion der Zahl oder Grösse der Tröpfchen.Die Grösse der Nebeltröpfchen im Nebelrohr des photo-elektrischen Kernzählers wurde aus den Extinktions-Messungen in diesen zwei Wellenlängen und durch Auffangen der fallenden Tröpfchen auf Mikroskop-Objektträgern und Deckgläsern, welche mit gefärbter Gelatine überzogen waren, bestimmt. Der Radius der Tröpfchen, welcher mittels der optischen Methode ermittelt wurde, liegt zwischen 1.81 und 3.19 , wenn die Extinktion von 86 auf 56% abnimmt.Der Tröpfchenradius, wie er aus den Flecken auf den Mikroskopgläschen, deren Gelatineüberzug mit Naphtol Grün B eingefärbt war, bestimmt wurde, wächst von 1.44 bei 67.4% Extinktion (42 400 Kerne per cm³) auf 6.30 bei 15.6% (858 Kerne per cm³).

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The research reported in this article has been sponsored and supported in part by the Geophysics Research Directorate of the Air Force Cambridge Research Center, Air Research and Development Command, United States Air Force, under Contract AF 61(052)-26, through the European Office, ARDC in Brussels.