В 1942 году правительство США начало поиск места для строительства секретного объекта, который должен был стать эпицентром работы над атомной бомбой. Необходимо было найти территорию, удаленную от крупных городов, но при этом обеспеченную электричеством, водой и железнодорожными путями. После долгих поисков выбор пал на небольшую долину в Теннесси, где располагались несколько ферм и лесные массивы.

Однако местные жители даже не подозревали, что их спокойная жизнь вот-вот изменится навсегда. В одночасье им пришли уведомления о выселении. Никто не объяснил причин, только сообщили, что земля нужна "для военных целей". Спустя считанные месяцы эти земли исчезли с карт, а вместо них возник город, который официально никогда не существовал.

Выселение было проведено с поразительной быстротой. Жителям дали всего несколько недель, а иногда даже дней, чтобы покинуть свои дома. Многие фермеры были шокированы тем, что им предлагали минимальную компенсацию за землю, которую они обрабатывали годами. Например, семья Робертсонов получила менее 10% от реальной стоимости своей фермы. Некоторые пытались протестовать, но безуспешно – военное положение позволяло правительству действовать решительно.

Когда фермеры покинули свои земли, все следы их присутствия были стерты. Дома снесли, поля очистили, а дороги замаскировали. К весне 1943 года территория была готова к масштабному строительству. Этот процесс занял менее полугода – невероятная скорость для того времени.

Город без имени

Строительство началось стремительно. За считанные недели здесь появились огромные заводы, лаборатории, жилые кварталы и инфраструктура. На пике развития численность населения достигла 75 000 человек, хотя город оставался вне всех государственных реестров. Его название – Ок-Ридж – стало известно только после окончания войны. До этого он просто назывался "Site X" или "Клинтон Энжиниринг Воткс" (CEW).

Жизнь в Ок-Ридже была удивительно замкнутой. Все, кто работал там, подписывали соглашение о конфиденциальности. Им запрещалось обсуждать свою работу даже с семьей. Дети слышали, что родители "делают что-то важное", но детали оставались загадкой. Почтовые отправления проходили через специальные кодированные адресы, а вход в город контролировался военными постами. Для внешнего мира это место попросту не существовало.

Город был разделен на четко очерченные зоны. Заводские комплексы находились вдалеке от жилых районов, а доступ к ним контролировался множеством проверок. Улицы не имели названий, а дома обозначались номерами. Все телефоны были внутренними, без возможности совершать внешние звонки. Даже почта доставлялась через специальные службы, которые пересылали письма через Вашингтон, чтобы скрыть местоположение города.

Каждый житель Ок-Риджа получил удостоверение личности с фотографией и уникальным номером. Эти документы требовались для каждого перемещения внутри города. Если кто-то забывал удостоверение, его могли задержать на контрольно-пропускном пункте.

Несмотря на строгие ограничения, жизнь в Ок-Ридже была насыщенной и динамичной. Жители города были молодыми, энергичными и полными энтузиазма. Большинство из них находились в возрасте от 18 до 30 лет, и многие приехали из разных уголков страны, привлеченные обещанием стабильной работы и важной миссии. Однако эта миссия оставалась покрытой завесой тайны.

Жизнь в Ок-Ридже была организована так, чтобы максимизировать продуктивность, но также предоставлять некоторое подобие нормальной жизни. Здесь работало множество кафе, ресторанов, магазинов и даже кинотеатров. Были парки, школы и футбольные поля. Однако все эти удобства существовали под постоянным наблюдением. Люди должны были соблюдать строгие правила поведения: нельзя говорить о работе, нельзя задавать вопросы, нельзя выходить за пределы города без разрешения.

У каждого работника была всего одна задача, которую он выполнял, не оглядываясь ни на что другое. Так, например, один из сотрудников просто смотрел на циферблат и поворачивал кран, когда стрелка подходила к значению 100. И всё - на это его обязанности исчерпывались. Он не представлял, зачем это было нужно. Индивидуальные задачи были простыми и малозначительными . Другая сотрудница работала в прачечной - она должна была подносить прибор к тому или иному виду одежды и прислушиваться к звукам, которые издавал аппарат. При этом она не понимала, что проверяет степень её радиоактивности счётчиком Гейгера.

Сотрудники службы безопасности постоянно патрулировали Ок-Ридж, отслеживая любые подозрительные явления. К этой категории относились, например, слишком часто встречающиеся на улицах лица и группы численностью более семи человек. Население города об этом знало, поэтому старалось не кучковаться и не выходить на улицу без лишней нужды. С заподозренными здесь особо не церемонились - выгоняли без объяснения причин. Если бы обвинение в утечке информации было доказано, болтун отправился бы в тюрьму на десять лет или заплатил штраф, эквивалентный нынешним ста тысячам долларов.

Известные имена

За кулисами этой истории стояли выдающиеся ученые, чьи имена сегодня известны всему миру:

Роберт Оппенгеймер

Несмотря на то, что основной центр управления Манхэттенским проектом находился в Лос-Аламосе, Оппенгеймер регулярно посещал Ок-Ридж, чтобы координировать работу над производством высокообогащенного урана. Он высоко ценил достижения команды, работавшей на заводе K-25, и часто подчеркивал важность их вклада в успех всего проекта.

Лесли Гровс

Генерал-лейтенант Лесли Гровс, руководитель Манхэттенского проекта, лично выбрал место для строительства Ок-Риджа и следил за его развитием. Его методы управления были строгими, но эффективными. Он требовал от всех участников проекта абсолютной преданности делу и строгого соблюдения правил безопасности.

Энрико Ферми

Хотя большая часть работы Ферми велась в Чикаго, он периодически консультировал ученых в Ок-Ридже, помогая решать сложные технические проблемы. Его теоретические расчеты были критически важны для успешного разделения изотопов урана.

Клаус Фукс

Этот немецкий физик, работавший в Ок-Ридже, стал одним из самых известных шпионов времен холодной войны. Он передавал информацию Советскому Союзу, что значительно ускорило развитие атомной программы СССР. Его деятельность раскрылась только в 1950 году, когда он был арестован британскими властями.

Загадка внутри загадки

Что же происходило за стенами Ок-Риджа? Здесь велась работа над производством высокообогащенного урана, необходимого для создания первой атомной бомбы. Главным объектом стал гигантский завод K-25, где использовался метод газодиффузии для разделения изотопов урана. Это было технологическое чудо того времени, требовавшее колоссальных затрат энергии – столько, что Ок-Ридж потреблял больше электроэнергии, чем весь Чикаго!

Процесс обогащения урана был чрезвычайно сложным. Уран-235, необходимый для производства атомной бомбы, составляет менее 1% естественного урана. Разделение изотопов требовало использования огромных установок, таких как газодиффузионные машины и центрифуги. Завод K-25 был самым большим зданием в мире на момент своего строительства, с площадью более 1,6 миллиона квадратных футов.

На заводе Y-12 применялся другой метод – магнитная изотопная сепарация. Этот процесс был менее эффективным, но позволил получить первые образцы высокообогащенного урана для испытаний

За кулисами этой истории стояли тысячи людей, чьи имена остались практически неизвестными. Ученые, инженеры, рабочие, женщины-операторы машин – каждый внес свой вклад в этот грандиозный проект. Они управляли сложными устройствами, не всегда понимая, для чего именно они нужны. Их девизом стали слова: "Не задавай вопросов – просто делай свою работу."

Конец секретности

6 августа 1945 года мир узнал о существовании атомной бомбы, когда США сбросили её на Хиросиму. Только тогда жители Ок-Риджа поняли, над чем они работали. Для многих это стало шоком. Город, который годами жил в тени секретности, внезапно оказался в центре внимания всего мира.

Научные открытия, выходящие за рамки Манхэттенского проекта

Хотя основная цель Ок-Риджа была военной, исследования, проводившиеся в городе, имели далеко идущие последствия для науки и технологий.

1. Ядерная энергетика: Работы в Ок-Ридже заложили основу для развития мирной ядерной энергетики. Изучение цепных реакций и свойств радиоактивных материалов позволило впоследствии создать первые ядерные реакторы. Сегодня ядерная энергия обеспечивает около 10% мировой электроэнергии.

2. Радиохимия и материалыедение: Исследования в Ок-Ридже привели к значительным открытиям в области химии и физики материалов. Учёные изучали поведение различных веществ под воздействием радиации, что позже нашло применение в медицине, промышленности и космических технологиях.

3. Компьютерные технологии: Для обработки огромных объёмов данных, связанных с расчётами ядерных реакций, в Ок-Ридже начали использовать первые электронные вычислительные машины. Это стало одним из первых шагов к развитию современных компьютеров.

4. Медицинские исследования: Изучение радиации привело к открытиям в области медицины. В Ок-Ридже начали разрабатывать методы радиотерапии для лечения рака, а также изучать воздействие радиации на живые организмы.

Тёмная сторона исследований

Несмотря на научные достижения, исследования в Ок-Ридже имели и свою тёмную сторону.

1. Радиационная опасность: Многие рабочие и учёные подвергались воздействию радиации, не зная о её опасности. Это привело к многочисленным заболеваниям и даже смертям. Только спустя годы правительство признало вред, нанесённый здоровью сотрудников.

2. Экологические последствия: Производство ядерных материалов оставило после себя загрязнённые территории. Очистка этих участков продолжается до сих пор и обходится в миллиарды долларов.

3. Моральные дилеммы: Многие учёные, работавшие в Ок-Ридже, позже выражали сожаление по поводу своего участия в создании атомной бомбы. Они осознали, что их открытия могут быть использованы не только для защиты, но и для разрушения.

Эхо тайн

После окончания войны Ок-Ридж потерял свой статус секретного города, но продолжил играть важную роль в научных исследованиях. Сегодня это открытый город, где функционируют исследовательские центры, включая Национальную лабораторию Ок-Риджа. Однако следы его таинственного прошлого все еще видны – в старых зданиях, закрытых архивах и рассказах тех, кто помнит те времена.

Сегодня Ок-Ридж является процветающим научным центром. Здесь работают тысячи исследователей, занимающихся проблемами энергетики, материаловедения и климатологии. Многие старые здания были переоборудованы под современные лаборатории, некоторые сохранились как исторические памятники,а некоторые были снесены.

Город, которого не существовало, оставил после себя не только тайны, но и надежду на то, что наука может стать инструментом созидания, а не разрушения.

Спасибо всем кто дочитал, подписывайтесь будет интересно !

с меня как всегда - Атомный котик

Ранние теоретические доказательства

Атомы, фундаментальные строительные блоки материи, были предсказаны задолго до того, как их удалось увидеть. В древней Греции философы, такие как Демокрит и Левкипп, предполагали существование неделимых частиц, которые они называли "атомами". Однако, несмотря на теоретические предположения, реальные доказательства существования атомов появились только в начале XX века.

Первые экспериментальные подтверждения

В 1914 году британские физики Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоренс Брэгг сделали значительный шаг вперед, определив расположение атомов в кристалле поваренной соли. Они использовали метод рентгеновской дифракции, который позволил расшифровать структуру кристалла на основании отклонения рентгеновских лучей. Это открытие стало важным доказательством существования атомов, но реальных изображений отдельных атомов тогда ещё не существовало.

Мистика и тайны

История открытия атомов не обходится без мистических моментов. Например, говорят, что Уильям Лоренс Брэгг однажды увидел во сне структуру кристалла, которую они с отцом пытались расшифровать. Проснувшись, он сразу же записал увиденное, и это помогло им в их исследованиях. Такие моменты озарения часто сопровождают великие научные открытия, добавляя им таинственности.

Прорыв в визуализации атомов

Настоящий прорыв в визуализации атомов произошел в 1955 году, когда немецкий физик Эрвин Мюллер разработал ионно-эмиссионный микроскоп (FIM). Этот прибор использовал ионы водорода или гелия, длина волны которых была настолько мала, что позволяла фиксировать отдельные атомы. Благодаря этому методу впервые удалось получить реальные изображения атомов, а не их математические модели.

Современные достижения

В 1981 году швейцарские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (STM), который позволил не только "видеть" атомы, но и манипулировать ими, перемещая их по поверхности. Это открытие стало важным шагом в нанотехнологиях и позволило ученым изучать материалы на атомарном уровне.

Источник

Мир вокруг нас кажется плотным, устойчивым и предсказуемым. Мы можем стоять на полу, держать предметы в руках и чувствовать их твёрдость. Однако современная физика раскрывает совершенно иную картину: всё, что нас окружает, состоит из атомов, которые на 99,9999999% состоят из... пустоты. Если так, почему же предметы не проходят друг сквозь друга? Почему мы не проваливаемся через пол? Ответ кроется в удивительных законах микромира.

Атомы — это почти ничего

Атомы, из которых состоит вся материя, имеют удивительно маленькое ядро, окруженное облаком электронов. Если представить ядро атома как горошину, то сам атом будет размером с футбольное поле. Электроны, "кружащие" вокруг ядра, занимают ничтожную часть массы атома. Остальное — просто пустота. Но если всё такое "пустое", почему же мы воспринимаем мир как твёрдый?

Дело в том, что наши ощущения твёрдости и веса возникают благодаря сложным взаимодействиям на уровне атомов. Два ключевых явления — электромагнитное отталкивание и принцип исключения Паули — делают наш мир таким, каким мы его знаем.

Электромагнитное отталкивание: невидимая стена

Когда два объекта приближаются друг к другу, электроны в их атомах начинают взаимодействовать. Поскольку электроны обладают отрицательным зарядом, они отталкиваются друг от друга. Это электростатическое отталкивание настолько сильно, что создаёт эффект "преграды". Например, когда вы кладёте книгу на стол, электроны в атомах книги отталкиваются от электронов в атомах стола, и книга остаётся на месте. То же самое происходит, когда вы стоите на полу: ваши электроны отталкиваются от электронов в атомах пола, создавая силу поддержания.

Важно отметить, что при "прикосновении" атомы никогда не соприкасаются друг с другом напрямую. Между ними всегда остаётся крошечное расстояние, вызванное этим электромагнитным отталкиванием. То, что мы называем "прикосновением", — это всего лишь результат взаимодействия электронных облаков.

Источник

Здесь я позволю себе — просто 30 секунд или одну минуту — маленькую справку дать о том, как происходит абразивная обработка поверхности. Обычно абразив представляет собой твердый материал в виде небольших частичек неправильной формы с острыми краями. Как правило, его изготавливают в виде довольно крупных кристаллов, которые затем "разламывают" на фрагменты и сортируют по размеру. Вот, к примеру, изображение частички карбида кремния класса (размера) Р220, знакомого многим по обычной наждачной бумаге.

По центру схематически показано, каким образом частица "используется" в инструменте. Стрелка указывает на точку контакта с поверхностью обрабатываемого материала. В процессе абразивной обработки край частички вдавливается в поверхность детали и перемещается вдоль неё. Глубина "впечатывания" составляет лишь около 5% от размера зерна абразива. Т.е. для приведенного примера с грейтом P220 (размер частицы около 68 мкм) глубина "борозды" составляет около 3-4 мкм. При этом лишь часть материала удаляется абразивом. В основном материал пластично деформируется и "выпирает" по краям (правый рисунок), а не удаляется с обрабатываемой поверхности. Т.е. абразив "вспахивает" поверхность.

Режим работы абразивной частички ("вспашка" или резание) зависит от угла атаки:

Резка материала будет происходить при угле атаки выше определенного критического значения. На правой картинке показано распределение углов атаки для средней абразивной частицы. Из графика ясно, что абразив в основном "вспахивает" поверхность, а не режет её.

Толковому читателю очевидно, что абразивную обработку можно разделить на два типа: когда абразив закреплён (например, зацементирован в брусок или приклеен к поверхности инструмента) и когда абразив не закреплён (т.е. свободно перемещается между обрабатываемой поверхностью и инструментом). В первом случае (в английском называется two-body abrasion) абразив оставляет длинные борозды (по сравнению с собственным размером) и может работать в трёх различных режимах, в зависимости от твердости детали, твердости абразива и усилия прижима:

Слева направо: резание (стальная игла по бронзе), формирование клина (стальная игла по стали), вспашка (стальная игла по бронзе).

В случае же незакреплённого абразива (в английском three-body abrasion) его частички не зафиксированы и "катятся" между поверхностью и прижимающим инструментом. При этом острый угол абразива впивается в поверхность, сама частичка перекатывается и впивается другим углом. В процессе в поверхности образуется не царапина, а полоска отпечатков. В таком режиме не происходит резания материала (фото a и b):

На нижних фотографиях (c и d) видны результаты смешанного режима: когда свободные частицы абразива застревают в пластичной поверхности инструмента и начинают работать, как закрепленный абразив.

Кроме того, частички абразива могут крошиться на более мелкие фрагменты, и эти самые фрагменты могут впечатываться в поверхность и оставаться там даже после ультразвуковой мойки:

На картинке - изображение поверхности ниобия с включённой частицей полировочного материала. Слева - изображение в электронный микроскоп. Справа - результат EDX (или EDS, кому как нравится) анализа в том же микроскопе. По-русски это звучит страшно: энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия. Но её принцип очень простой: в электронном микроскопе образец облучается пучком ускоренных электронов (до нескольких десятков кЭв, в вакууме, естественно). При этом существует несколько вариантов взаимодействия этих электронов с веществом.

"Обычным" режимом работы является использование вторичных электронов (SE - Secondary Electron), которые выбиваются из внешних электронных оболочек атома при неупругом рассеянии пучка ускоренных электронов (правая верхняя картинка). То есть ускоренный пучок первичных электронов, сфокусированный в точку на образце, выбивает из этой точки вторичные электроны. Они довольно медленные - всего десятки электрон-вольт (в тысячу раз меньше, чем в ускоренном пучке). Эти вторичные электроны улавливаются детектором (например, обычным сцинтиллятором с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ)) и мы получаем один пиксель изображения. Затем мы с помощью линз направляем ускоренный пучок электронов в соседнюю точку образца и получаем следующий пиксель изображения. Просканировав целую область, мы получим привычное нам изображение. Собственно, поэтому микроскоп и называется Сканирующий Электронный Микроскоп (Scanning Electron Microscope) - СЭМ (SEM). Иногда еще говорят Растровый Электронный Микроскоп - РЭМ (REM). Поскольку детектор на ФЭУ выдает только амплитуду сигнала (яркость пикселя), то изображение получается монохромным (чёрно-белым). На картинке ниже два SEM изображения во вторичных электронах поверхности ниобия после полировки. Внизу изображений дана информация о режиме работы микроскопа:

SE - изображение во вторичных электронах (secondary electrons - именно тот режим, который мы разобрали);
MAG:320x - увеличение 320 раз;
HV: 25,0 kV - ускоряющее высокое напряжение (High Voltage) 25 киловольт. Т.е. энергия ускоренных электронов 25 кЭв;
WD: 18,0 mm - Рабочее расстояние (Working Distance) 18,0 мм - это особенность настройки фокусирующих линз.
Ну и в конце показана измерительная шкала: отрезок равен 50 мкм.

Если кто-то публикует СЭМ изображение без такой строки с информацией - можете считать, что он их либо украл, либо дорисовал, либо что-то скрывает. В хороших научных работах принято оставлять эту информацию прямо на изображениях. Бывает, что однотипных изображений очень много, тогда строку на части из них могут обрезать для экономии места.

Вернёмся к нашему пучку ускоренных электронов в микроскопе. Он может выбить электрон не с внешней электронной оболочки атома исследуемого образца, а с какой-нибудь из нижних (стрелки 1 и 2 на левой картинке):

Отсутствие электрона на внутренней электронной оболочке не проходит незамеченным - эти места самые выгодные энергетически. На вакантное место сразу же "перепрыгнет" один из электронов с внешних оболочек (кто первый успеет) - стрелка 3 на картинке. При этом излишек его энергии улетит прочь в виде фотона. Этот фотон улавливается специальным детектором, который измеряет его энергию. Дело в том, что разница в энергии между внутренней и внешней (в любом сочетании) электронной оболочкой своя для каждого химического элемента. Определив энергию фотона мы можем точно назвать, в атом какого вещества попал ускоренный пучок электронов. На картинке справа показан спектр фотонов, принятый детектором. Над пиками написаны химические элементы и тип электронного перехода (К альфа, К бета, L альфа) - из левой картинки ясно, что это за переходы. Энергия этих фотонов лежит в рентгеновской области, поэтому такой анализ называется энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDX). Она позволяет каждому пикселю исходного изображения приписать химический состав. Как правило, на черно-белое изображение накладывают цвета, показывающие наличие выбранного элемента. На самой первой картинке в этом посте показаны шесть элементов. Ниже показаны частички оксида алюминия, оставшиеся в поверхности ниобия после полировки:

Кроме этого можно еще улавливать обратно рассеянный электроны (BSE - Backscattered electrons). Они несут информацию о заряде ядра элемента. Но об этом мы поговорим в другой раз (с красивыми картинками нитридов ниобия), а пока вернемся к полировке.

Очевидное решение для удаления впечатанных в поверхность частиц - полировать дальше, используя более мелкий абразив. При этом глубина нового этапа полировки должна быть достаточной для удаления включений. Обычно это значительно больше, чем нужно для того, чтобы просто сгладить царапины от грубой полировки.

С удалением материала мы немного разобрались, но у абразивной обработки есть еще одна важная для нас особенность. Дело в том, что наша пушка-резонатор - сверхпроводящая. Она сделана из очень-очень чистого кристаллического ниобия. Кристалличность в данном случае играет очень важную роль, поскольку электроны объединены в куперовские пары исключительно кристаллической решеткой (я как-нибудь напишу отдельный пост про это). Любые дефекты в кристалле приводят к существенному снижению сверхпроводящих свойств. Именно по этой причине после изготовления пушки (штамповки, токарной обработки, сварки) она проходит высокотемпературный вакуумный отжиг для рекристаллизации ниобия и химическое травление для удаления поврежденного приповерхностного слоя.

Так вот, абразивная обработка как раз и создает поврежденный приповерхностный слой. Механизм его образования выглядит примерно так:

Возле кромки абразива находится зона сдвиговых напряжений. При этом ниже поверхности образуется зона пластической деформации. Напряжение в этом слое максимальное у поверхности и снижается с глубиной (правая картинка). Глубина слоя сдвиговых деформаций примерна равна удвоенной глубине царапины, оставленной абразивом. Глубина же слоя пластической деформации может достигать десятков микрометров. На толщину этого слоя влияет сила прижима абразива, а вот скорость его движения совершенно не влияет. Увидеть этот слой не так уж сложно. Ниже приведены микрофотографии шлифов образцов ниобия:

На первой картинке показан исходные поликристаллический отожженный ниобий. Видны границы кристаллических зерен. На трёх остальных изображениях показаны срезы образцов, отполированных до зеркального блеска, но с разной силой прижима абразива. По нарастающей от второй картинки к четвертой. Вы легко заметите, что возле поверхности образуется слой "раздавленного" кристалла. У всех образцов, кроме исходного, будут очень серьезные проблемы со сверхпроводимостью. Хотя поверхность выглядит идеально зеркальной. А вот так выглядит результат правильно подобранного давления при полировке:

Поскольку ниобий очень мягкий (особенно монокристаллический, т.к. твердость металлов обратно зависит от размера зёрен), то на нем легко наблюдать сдвиговые деформации при механической полировке:

В данном случае в поверхности было просверлено глухое отверстие, и мы видим его края после полировки образца. Направление полировки указано стрелкой. Поверхность зеркальная - на картинке слева видны кристаллические зёрна (ниже стрелки). Ниже показано сечение такого "навеса":

Казалось бы, мы наконец разобрались с тем, как работает полировка, и даже подобрали правильный режим, чтобы не образовывался слой деформированных кристаллов под поверхностью (на самом деле он будет в любом случае, но мы можем его минимизировать, и удалить небольшим химическим травлением). Но есть еще одна проблема, связанная с работой резонатора при криогенных температурах.

Для начала бегло взглянем на фазовую диаграмму железо-углерод ниобий-водород (запоминать её не нужно):

По вертикали показана температура (слева - в градусах Цельсия, справа - она же в кельвинах). По горизонтали - содержание водорода в ниобии. На нижней шкале - в атомных процентах (сколько атомов водорода приходится на каждый атом ниобия, в процентах). На верхней шкале - в весовых процентах. Они сильно отличаются от атомных, так как водород - это просто протон, а вот ядро атома ниобия состоит из 41 протона и 52 нейтронов, т.е. примерно в 93 раза тяжелее ядра водорода (можете ради интереса поискать ниобий в таблице Менделеева). Бывают еще объёмные проценты (отношение объёмов веществ) - всем известные об.% (vol.% от volume), которые любители спиртного неверно называют "оборотами". Но объемные проценты обычно используют для жидкостей. На фазовой диаграмме нас интересует нижняя левая часть с температурами ниже 200К (-75 С) и концентрациями от 0 до 30 ат. %. Там есть несколько областей с разными греческими буквами - это фазы гидридов ниобия.

Дело в том, что сам чистый ниобий имеет так называемую кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку - атомы ниобия находятся в вершинах куба, плюс еще один в самом его центре (показано на первой картинке):

Так вот, если в ниобий добавить водород, то он (водород) может занять разные места в этом самом кубике между атомами ниобия. При низких концентрациях и примерно комнатной температуре водород в ниобии (и вообще в металлах) очень мобилен - он очень быстро двигается внутри кристаллической решетки (реально очень быстро - со скоростью диффузии веществ в теплой воде). Мы ведь помним, что ядро водорода - это просто протон. Он очень маленький и для него не составляет проблем протиснутся между атомами ниобия. На второй картинке пустыми кружками с цифрами показаны места, которые водород может занимать в кристалле ниобия (водород, всё-таки задерживается там на какое-то время, а не всё время скачет по всему объему материала). Если концентрацию водорода повысить (или понизить температуру), то мобильность водорода снижается, и он предпочитает уже не так много перемещаться, а осесть и остепениться. При этом меняется форма ниобиевой решетки - ниобиевым атомам приходится немного подвинуться и они уже не формируют идеальный куб. На правой картинке показана орторомбическая решетка бета-гидрида ниобия (степень "ромбичности" преувеличена для наглядности). При этом объем такого элементарного кристалла увеличивается примерно на 12% относительно исходного кубика.

Тут и кроется проблема: при охлаждении насыщенного водородом ниобия внутри кристалла начинают появляться островки с орторомбической решеткой, да еще и большего объема. При этом кристалл вокруг просто разрывается. Поскольку водород всё еще может двигаться (а он довольно мобилен до температур, выше 80-100К), то он при перемещении с удовольствием задерживается в местах порванной кристаллической решетки (он предпочитает дефекты решетки) и там тоже образуются гидриды с орторомбической решеткой. Получается, что изначально небольшой островок гидрида начинает постепенно расти. Это можно увидеть даже на поверхности ниобия в микроскоп:

На картинке показаны изображения, полученные в электронный сканирующий микроскоп. Концентрация водорода в ниобии составляла 1,15 ат.%. Образец слева охлаждали медленно (менее трех градусов в минуту), а справа - быстро.

Хитрость в том, что если материал нагреть до комнатной температуры, то гидридная фаза "исчезнет" - водород снова разбежится по всему материалу, а ниобий вернется к кубической решетке. Только все разрывы решетки не затянутся, она так и останется "рваной".

И вы меня спросите: "а при чем здесь вообще водород?". А при том, что при полировке мы используем водные растворы различных поверхностно-активных веществ (так по-умному можно назвать даже обычное мыло) для удаления продуктов полировки, предотвращения их слипания и для охлаждения. А вода содержит ионы водорода: все ведь в школе проходили, что такое pH, диссоциация и т.д.? Сам по себе ниобий надежно защищен тонким (3-4 нанометра) слоем пентоксида ниобия Nb2O5 и вообще ни с чем не реагирует, кроме плавиковой кислоты. Но во время абразивной обработки этот поверхностный слой разрушается (срезается, раздавливается, деформируется), и металлический ниобий контактирует с водой (мы ведь не на сухую шлифуем). И водород из воды с огромным удовольствием проникает в решетку ниобия.

Проверить это очень просто. Полируем кусок ниобия, смотрим на него в микроскоп. Лучше всего найти какую-нибудь трещину или царапину (см. фото слева):

Затем закидываем образец в криокулер, охлаждаем его до 10К, отключаем охлаждение и оставляем на сутки медленно нагреваться. Для роста гидридов лучше всего подходит температура между 100К и 150К - там подвижность водорода еще довольно высока, чтобы не ждать неделю. Потом достаем уже тёплый образец: все гидриды пропали, но порванная на их месте решетка осталась. И смотрим в микроскоп на то же самое место (вторая картинка) - там видны "следы" гидридов - раскуроченная поверхность вдоль исходной царапины. На самом деле такое же происходит не только на поверхности, но и внутри в объеме. Гидриды растут по всему объему, но больше всего их возле дефектов решетки - царапин, трещин и т.д.

Как я выше писал - любое повреждение кристаллической решетки сказывается на сверхпроводящих свойствах. "Заражение" сверхпроводящих резонаторов водородом называется Q-disease - буквально, Q-болезнь. В данном случае буква Q используется для обозначения добротности резонатора. Ниже приведен график с типовыми проблемами сверхпроводящих резонаторов:

По вертикали показана собственная добротность. По горизонтали - напряженность электрического поля. Хороший резонатор показан зелёным пунктиром. Черным на графике показана та самая "водородная Q-болезнь". Очевидно, что резонатор с такой проблемой к использованию непригоден.

Как я выше писал, при производстве резонаторов их отжигают в вакуумных печах (фото не моё):

При температуре около 800С из ниобия улетучивается весь водород, а сам ниобий частично рекристаллизуется - небольшие дефекты кристаллической решетки исправляются, так как атомы ниобия начинают активнее шевелиться.

В нашем конкретном случае изделие (пушка-резонатор) уже имеет приваренный кожух с сильфонами (см. фото ниже), и греть всё это в печи до 800С вообще не вариант (точнее, вариант, но очень сложный, и мы всячески пытались его избежать). Кроме того, как я описывал в предыдущей части, у нас сильно ограничена возможность по химическому травлению после механической полировки - максимум 20 мкм. А совсем без химии, как вы поняли из сегодняшнего поста, не получится.

Вот они, две сверхпроводящие пушки. Обе дефективные. Ждут, пока я придумаю, как их вернуть к жизни:

А вот и клистрон (СВЧ усилитель) для них на 270 кВт. Тоже ждёт.

В целом схема ремонта вырисовалась следующая:

1. Полируем дефект локально (т.е. только сам дефект и небольшую зону вокруг него, чтобы не было ступеньки или выемки). При этом используем минимально необходимое давление. Полировку ведём в три этапа с абразивом разной зернистости (постепенно уменьшая). Крупный абразив необходим, чтобы удалить дефект за адекватное время (не было желания заниматься полировкой несколько недель). Более мелкий абразив - для уменьшения шероховатости, удаления остатков крупного абразива и удаления деформированного слоя. Водные лубриканты не используем для того, чтобы избежать наводораживания материала. Полировку ведём до зеркального состояния поверхности.

2. Проводим ультразвуковую отмывку, чтобы избавиться от возможных включений абразива.

3. Проводим минимально возможное химическое травление. Целью было уложиться в 10 мкм удаленного слоя. При этом травление идет по всей внутренней поверхности резонатора, не только вокруг дефекта, что приводит к увеличению его объема и уменьшению резонансной частоты на 10кГц на каждый удалённый микрометр.

4. Мойка водой под высоким давлением и криогенное тестирование резонатора.

5. Если характеристики ниже требуемых, повторяем химическое травление, пока они не восстановятся или пока не упрёмся в предел по резонансной частоте.

В этом посте я уже выбрал лимит на картинки, поэтому шуруповёрт появится в следующей части, обещаю.

В этот раз вы немного познакомились с теорией абразивной обработки, и вам точно будет о чём поговорить со знакомыми технологами в курилке. А после упоминаний о фазовых диаграммах и особенностях поведения водорода в металлах они вас сильно зауважают и выберут вожаком будут приходить к вам за советом. Кроме этого вы можете буквально на пальцах рассказать первому встречному, как работает электронный микроскоп. Да не просто в "обычном" режиме, но и в режиме анализа элементного состава. Ну и вас теперь точно не запугать словами "объемноцентрированная орторомбическая кристаллическая решетка".

Российский автомобильный рынок готовится к значительным переменам. Компания «Кама» из Челнов представила революционную модель электромобиля под названием «Атом», которая обещает стать настоящим прорывом в отечественном автопроизводстве. Разработчики создали уникальный продукт, который значительно расширяет традиционные представления об электромобилях.

Инженеры внедрили передовые технологии, превратив «Атом» в интеллектуальную транспортную платформу. Главное преимущество новой модели — это собственная операционная система, включающая персонализированный магазин приложений.

Электромобиль «Атом» будет оснащен современными системами безопасности и удобства, такими как автоматическая парковка, мониторинг дорожной ситуации, проекционный дисплей и продвинутая телематическая система для удаленного контроля. Разработчики учли разнообразие потребностей пользователей и предложили четыре различных версии модели.

Семейная модификация «Family» предназначена для повседневной эксплуатации, «Delivery» — утилитарный вариант с минималистичным интерьером, «Taxi» — специально разработанная для таксомоторных служб, а версия для каршеринга обеспечит максимальную доступность автомобиля.

Запуск производства намечен на третий квартал 2025 года на мощностях завода «Москвич». Эксперты уже называют «Атом» ключевым проектом, который способен значительно изменить положение дел на российском автомобильном рынке.

Источник: https://rosavtodealer.ru/атом-от-кама/