Сделай сам: плазменная установка своими руками⁠⁠

В прошлом году я обещал пост о том, как построить себе экспериментальную установку для исследований в области физики плазмы. Пришла пора выполнять. В посте будет мало физики, объясняемой на пальцах; совсем не будет кулинарных рецептов; зато будет много железяк. Всё будет проиллюстрировано на примере установки СМОЛА, которую автор придумывал и строил последние 4 года.

(Видео: плазма в установке СМОЛА, снятая в пяти разных точках камерой со скоростью съёмки 500 кадров в секунду. Эксперименты пристрелочные — оценивались необходимые поправки магнитного поля в новой конфигурации).

2014 год я встретил в изрядной бюрократической прострации и с опилками в голове от защиты собственной диссертации. Хотелось какого-нибудь свежака, и теоретическая идея с магнитным шнеком от магнитной мясорубки для перекачивания плазмы, предложенная буквально за год до того, выглядела в должной степени безумной. (Об удержании — в предыдущей серии).

Основная проблема идей от теоретиков — в приписке: «Было б неплохо это как-нибудь проверить». К приписке обычно не прилагается примерного описания того, как именно это сделать. Поэтому берём в руки бумагу (чтобы увязать теоретические безразмерные величины с человеческими сантиметрами и вольтами), пару расчётных пакетов (сначала — считать магнитные поля, потом — тепловые и механические нагрузки), подборку литературы о стеллараторах (для примеров), и начинаем рисовать трубу с винтовым магнитным полем, которая бы заканчивалась парой расширителей. На следующем рисунке показана уже оптимизированная по силе пробок система; видны два винтовых проводника с током и пачка плоских катушек.

Для первой проверки упрощаем всё до предела. В идеале бы скрутить экспериментальную установку на коленке из того, что найдётся в кладовке, но тут такой вариант не подошёл.

В этот момент пока несуществующая установка начинает обрастать ограничениями. Можно сделать размер поменьше, чтобы поместиться на столе. Но тогда придётся повышать плотность плазмы, а это тянет за собой требование на усиление магнитного поля. Больше поле — тяжелее обмотки и больше шкаф с силовым питанием. Короче, установка-то будет на столе, а всё остальное — в паре больших залов.

Можно, наоборот, ослабить энергетику, но у винта из редкой плазмы в слабом поле должен быть метровый шаг и метровый же диаметр. И не построенная пока установка перестаёт куда бы то ни было помещаться.

Здесь повезло: нашлась одна «лёгкая» комбинация из длины (суммарно 6 метров), величины магнитного поля (до 0.3 Тесла) и плотности плазмы (10^19 частиц в кубометре). Шесть метров — это не стол, но это, хотя бы, влезает в комнату. Ещё более удивительный факт: комната нашлась. Совсем не удивительный факт: нашлась она в таком виде:

Предельным везением оказалось то, что на идею в итоге нашлось финансирование. Есть финансирование — есть, из чего строить; нет финансирования — рисуй рисунки. Со второй попытки, в качестве одной двадцатой от глобальной заявки всего института, и с написанными не мной планами и обязательствами, установка вписалась в грант свежесозданного РНФ (российского научного фонда).

Примерно в это же время было придумано и название СМОЛА, в первый раз озвученное в январе 15-го в названии доклада: «Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА: как её построить и не провалить взятые обязательства».

Ну — поехали! Готовые расчёты дают фору на первый год, это пригодится для инженерных и конструкторских дел.

Не буду влезать в поле сообщества «Строительство и ремонт», там есть более компетентные рассказчики на тему электропроектов, стройки и кидания подрядчиками их субподрядчиков. Отсек, в котором не жалко размещать новое оборудование, выглядит так:

Что нам нужно в установке?

Вакуумная система. В кубическом сантиметре плазмы в несколько миллионов раз меньше частиц, чем в кубическом сантиметре атмосферного воздуха. Да и кислород в плазменной системе ничего хорошего не сделает. Для нормальной работы нужно выкачать воздух до давления ниже 0.001 Па (десять миллиардных атмосферы), а лучше — ниже 10^-4 Па (одна миллиардная атмосферы). Рабочей лошадкой для таких давлений в сегодняшней вакуумной технике служат турбомолекулярные насосы. Суть в том, чтобы раскрутить ротор до большой скорости (в самых быстрых насосах, которые я видел — 60 тысяч оборотов в минуту); при этом лопатки движутся с заметной скоростью (~100 м/с на фоне тепловой скорости молекул 300–1500 м/с). Лопатки ротора отвешивают каждой попавшейся на дороге молекуле газа увесистый пинок в сторону выхода; лопатки статора направляют молекулы под такими углами, чтобы они встретились с ротором. Чем выше скорость вращения ротора, тем лучше откачиваются лёгкие газы вроде водорода и гелия. Наглядно — на видео, с 50 секунды.

На СМОЛе стоит пара японских насосов с пиковой производительностью 3000 литров в секунду. Два вот таких бочонка с ротором на магнитном подвесе обеспечивают давление на уровне 3×10^-5 Па, внутри установки остаётся примерно 0.001 миллиграмма воздуха:

В одиночку, впрочем, такой насос работать не может: для старта нужен вакуум на уровне одной-двух тысячных атмосферы. Если жахнуть по раскрученному ротору воздухом при атмосферном давлении, лопатки с весёлым звоном разлетятся по насосу (впрочем, нет, не весёлым: звон символизирует, что от 300 тысяч до пяти миллионов рублей только что превратились в тыкву). Чтобы откачать бочку от атмосферного давления (100 кПа) до 1 Па, а потом поддерживать этот 1 Па на выхлопе из турбомолекулярных насосов, нужен банальный механический насос, который будет банально сжимать газ в банальном замкнутом объёме. Удобнее всего оказываются спиральные насосы, где газ заперт между двумя скользящими друг по другу спиралями. Суть на иллюстрации:

Для хорошего вакуума, помимо насосов и уплотнения, нужны чистые стенки (да здравствуют спирт и безворсовые ткани). Поверхность нержавейки, помимо прочего, адсорбирует из атмосферы всё подряд. Вакуум будет лучше и чище, если при работающих высоковакуумных насосах напылить на стенки слой титана: свежая титановая плёнка хорошо адсорбирует остаточные газы и, пока полностью не забилась, не выпускает их обратно.

(На фотографии часть плёнки ободрана перчатками при демонтаже железяки).

Простое решение — нагреть титановую проволочку почти до температуры плавления и подождать пару минут, пока нужное количество испаряется и оседает вокруг.

Радикальное — пустить по титановой палке дугу, и сделать то же самое за десять миллисекунд.

Тут — простое:

Для ускорительных и полупроводниковых дел обычно нужен ещё более глубокий вакуум, там используют полноценную третью ступень из крио- или магниторазрядных насосов.

Дальше — магнитная система. Расчётная картинка с иллюстрации 2 — это красиво, но дальше начинается конструирование и пляски вокруг технологичности изготовления. Это на модельке можно нарисовать провод любой формы, висящий в воздухе; в реальности шина сечением 15 мм² из твёрдой меди ровно наматывается только станком и только по направляющим. «Шуба» сделана из стеклотекстолита и надета на вакуумную камеру, канавка проточена.

Однажды, когда всё железо уже было в производстве, мне показалось страшное: что я упустил число пи в плотности тока в винтовых обмотках. Будь я нормальным безумным учёным, мог бы просто, зловеще хохоча, поднять в пи раз напряжение.

Так нет! механический расчёт летит к чёрту, тепловой расчёт летит к чёрту, запланированная энергетика тоже летит к чёрту!

Адреналина хватило на следующий месяц. При тщательной проверке пи нашлось на своём месте.

Плоские катушки на этом фоне просты: стальной кожух, два блина из медной шины, изоляция.

Для фанатов больших станков фотография того, как рядом вытачивают макет запчасти для ИТЭРа:

Всё перечисленное, будучи изготовленным, с матом, бубном и лазерным уровнем выставляется на положенное место. На следующей фотографии можно заметить, что ноги у бочки растут не оттуда, но это не страшно:

В обмотки магнитной системы нужно загнать расчётный ток от систем питания. Если осмысленная длительность эксперимента не превышает секунды, а необходимая мощность питания всех систем больше нескольких десятков кВт, то разумнее всего будет заранее накопить нужную энергию. Обычно для этого заряжают конденсаторные сборки, хотя я видел и пару генераторов с маховиками примерно на 50 тонн каждый (уже демонтированы):

Параметры магнитной системы были при проектировании рассчитаны так, чтобы на установке нигде и никогда не было напряжений больше 1 кВ. При расчётной секундной длительности эксперимента наиболее подходящими батареями неожиданно оказались суперконденсаторные сборки от трамваев, коммутируемые силовыми IGBT-ключами. На столе показаны сборки в сумме чуть больше, чем на 200 кДж:

Важная вещь, которую с трамвая не снимешь и в магазине не купишь: плазменная пушка.

Следующая фотография — вид внутрь пушки со стороны «дульного среза». Фиолетовая шайба диаметром 50 мм — накаливаемый катод из гексаборида лантана (LaB_6), при температуре ~1500°С она эмитирует достаточно большой ток электронов. Между катодом и анодом (медное кольцо по периметру кадра; на предыдущей фотографии к нему припаяна нижняя медная трубка охлаждения) приложено 200 В, которые ускоряют электроны. Магнитное поле не даёт им напрямую попасть с катода на анод. В пространство между ними через 50-микронный капилляр задувается газообразный водород, который и ионизируется ударом электронов.

Получившаяся плазма растекается вдоль силовых линий магнитного поля, проходит через трубу с винтовым полем, после чего, расширяясь, попадает на плазмоприёмник из пяти изолированных друг от друга молибденовых пластин (виват лазерной резке!). Между пластинами можно подавать любые желаемые напряжения, чтобы раскрутить плазму радиальным электрическим полем.

И, наконец, система управления и сбора данных. Чтобы в эксперименте был смысл, нужно что-нибудь измерить, а чтобы что-нибудь измерить, нужно, например, затолкать в плазму железяку (лучше — вольфрамовую) и измерить, как изменяется со временем ток через неё. В сегодняшних условиях все измеряемые сигналы сразу же оцифровывается. На фотографии — блок АЦП (аналогово-цифровых преобразователей) ИЯФовской же разработки; разрядность оцифровки — 12 бит на каждую точку, измеряет до 50 миллионов точек в секунду на каждый канал. Одна из главных фишек — синхронность измерения все каналов; разброс момента измерения разных сигналов составляет какие-то смешные пикосекунды и на практике считается нулевым.

Все системы запускаются световыми импульсами, раздаваемыми по оптоволокну похожей коробочкой блока синхронизации.

Впрочем, там, где нет особо суровых требований по точности и/или синхронности, можно использовать и более простые вещи.

Вот, к примеру, блок управления зарядными устройствами, скрученный на копеечной ардуине:

Внешний вид установки на сегодня:

Раздел благодарностей: чёрта с два бы что-то было сделано без гранта РНФ, конструкторских/производственных мощностей ИЯФа и команды установки СМОЛА.

Все фотографии автора, видео с насосами найдено ютубом.