Стоматология и сверхпроводимость на научный фотоконкурс⁠⁠

Это пост для фотоконкурса, поэтому без подробного рассказа. Если понравится - напишу подробный пост.

Итак, строили мы несколько лет назад Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах E-XFEL. Это серьезное сооружение -  3,5 км длиной. Почти вся его длина - это ускоритель электронов вместе с ондуляторами. Спрятано это все под землю, на поверхности расположены только несколько зданий в самом начале и в самом конце.

Вот E-XFEL наложен на гуглоснимок:

Оранжевым цветом выделены здания на поверхности. Начало (инжектор) справа, оттуда тянется одиночный тоннель с линейным ускорителем, который потом разветвляется на несколько линий. Вот моя фотография в тоннеле недалеко от инжектора на глубине 30м:

Сам ускоритель собран из вот этих свисающих с потолка желтых модулей. Длина каждого - 12 метров. Всего на первом этапе в ускоритель установлен 101 модуль.

На фото ниже Лёха показывает на макете модуля, куда подается ВЧ мощность.

Тут хорошо видны внутренности модуля, и про них мы поговорим в другом посте. А сейчас обратите внимание на самую нижнюю "трубу" в этом модуле (которая с фланцем и медным напылением внутри сильфона) - это сверхпроводящий резонатор типа TESLA. Собственно, именно он и занимается ускорением электронов. В каждом модуле их 12 штук, а сколько всего - посчитайте сами.

Резонатор сделан из сверхчистого ниобия. На фото ниже я демонстрирую одну вырезанную ячейку для видеоролика, а целый резонатор без внешнего титанового кожуха лежит передо мной.

Резонатор внутри полый - толщина стенки у него 2,5 мм. Он весь сделан из ниобия, а фланцы - из сплава ниобия и титана. Из одного куска такую гармошку не сделать (хотя есть варианты), поэтому он сваривается электронно-лучевой сваркой из штампованных "тарелок" и труб. После сварки внутренняя поверхность химически травится для удаления поврежденного слоя.

И вот мы приближаемся к сути поста.

Если перед сваркой на поверхности детали окажется небольшое загрязнение, даже пылинка, то она растворится в расплавленном металле (а ниобий плавится при 2500 С), и в этом месте шва будет уже не чистый ниобий, а содержаший посторонние примеси. Чаще всего это углерод из "пылинок", но иногда может попасть металлическая частица. Это уже само по себе может привести к нарушениям работы резонатора, но всё ещё хуже. При химическом травлении в смеси плавиковой и азотной кислот этот модифицированный ниобий травится намного быстрее, и на его месте образуются каверны, которые могут пройти даже насквозь. Вот это уже совсем плохо, и чаще всего резонатор надо выкидывать. А стоит он около 100 тыс. евро, но проблема даже не в деньгах, а в сроках изготовления.

Про то, как найти иголку в стоге сена такой дефект в резонаторе, надо писать отдельный пост. Если внутрь поместить специальную камеру с высоким разрешением, то можно получить примерно такое изображение дефектов сварки (тут видны капли ниобия):

С каплями более-менее всё ясно: во-первых, они выглядят как капли, и даже таких нечетких изображений вполне достаточно; во-вторых, нужно немного подкрутить параметры процесса сварки - и всё будет хорошо. Такие дефекты наблюдались только на этапе прототипов и после отработки технологии сварки почти не встречались.

А вот с дефектами, описанными выше, всё сложнее: иногда по нечеткому оптическому снимку вообще сложно понять, что это такое. Можно, конечно, разрезать резонатор и посмотреть на подозрительный дефект в микроскоп (и так иногда делали), но резонатор после этого уже можно выкидывать.

Вот тут на помощь и приходит метод, широко применяемый в стоматологии (и не только в ней) - сделать слепок поверхности с помощью специального силикона и посмотреть в микроскоп уже на него. А потом решить, можно ли починить резонатор.

Ниже на левой картинке приведено оптическое изображение довольно крупного дефекта сварного шва (шов занимает почти всю ширину картинки), а на правой -  фрагмент изображения слепка с этого дефекта, полученного с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа (недавно про такой писала @Cherry.Juice в Как увидеть биоплёнку):

Разница очевидна. По правому изображению уже можно судить о структуре дефекта и его причине - инородном материале в структуре шва.

Вот мы и добрались до конкурсных снимков:

(Конкурсное фото 1) Микрофотография дефекта сварного шва сверхпроводящего резонатора для Европейского лазера на свободных электронах. Получена с помощью слепка, отсканированного на лазерном конфокальном микроскопе.

Это, кстати, небольшой фрагмент из предыдущего изображения. Разница в разрешающей способности по сравнению с фотокамерой впечатляет.

(Конкурсное фото 2) Микрофотография дефекта поверхности сверхпроводящего резонатора для Европейского лазера на свободных электронах. Получена с помощью слепка, отсканированного на лазерном конфокальном микроскопе.

Это уже не дефект сварки. В данном случае на поверхности ниобия оказался небольшой фрагмент алюминия - алюминиевым катод деформировался и касался поверхности в момент сборки перед началом химического травления. Поскольку алюминий не травится применяемой смесью, то он защитил поверхность, и в результате образовалось вот такое "плато" высотой в 70 микрометров. На картинке ниже показан профиль этого дефекта - конфокальный микроскоп даёт трехмерную модель поверхности:

В данном случае все не так страшно: катод заменили, дефект отполировали, резонатор пошел на сборку модуля.

(Конкурсное фото 3) Лёха примеряет фрагмент сверхпроводящего ускорителя для Европейского лазера на свободных электронах:

Справа лежат два полностью готовых резонатора - вместе с титановыми емкостями для жидкого гелия.

За этими снимками и отработкой технологии поиска и получения изображений дефектов на самом деле стоят несколько лет напряженной работы и пара-тройка диссертаций. Почти год ушел только на подтверждение того, что такой метод не ухудшает работу резонатора.

Все вопросы задавайте в комментариях.

С Новым годом!