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!
Наука | Научпоп
8K поста79.7K подписчиков
Правила сообщества
Основные условия публикации
- Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.
- Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.
- Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.
- Видеоматериалы должны иметь описание.
- Названия должны отражать суть исследования.
- Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.
Не принимаются к публикации
- Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.
- Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.
- Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.
Наказывается баном
- Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.
- Попытки использовать сообщество для рекламы.
- Фальсификация фактов.
- Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.
- Троллинг, флейм.
- Нарушение правил сайта в целом.
Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает и общество Пикабу.