Горячее
Лучшее
Свежее
Подписки
Сообщества
Блоги
Эксперты
#Круги добра
Войти
Забыли пароль?
или продолжите с
Создать аккаунт
Я хочу получать рассылки с лучшими постами за неделю
или
Восстановление пароля
Восстановление пароля
Получить код в Telegram
Войти с Яндекс ID Войти через VK ID
Создавая аккаунт, я соглашаюсь с правилами Пикабу и даю согласие на обработку персональных данных.
ПромокодыРаботаКурсыРекламаИгрыПополнение Steam
Пикабу Игры +1000 бесплатных онлайн игр «Дурак подкидной и переводной» — классика карточных игр! Яркий геймплей, простые правила. Развивайте стратегию, бросайте вызов соперникам и станьте королем карт! Играйте прямо сейчас!

Дурак подкидной и переводной

Карточные, Настольные, Логическая

Играть

Топ прошлой недели

  • SpongeGod SpongeGod 1 пост
  • Uncleyogurt007 Uncleyogurt007 9 постов
  • ZaTaS ZaTaS 3 поста
Посмотреть весь топ

Лучшие посты недели

Рассылка Пикабу: отправляем самые рейтинговые материалы за 7 дней 🔥

Нажимая кнопку «Подписаться на рассылку», я соглашаюсь с Правилами Пикабу и даю согласие на обработку персональных данных.

Спасибо, что подписались!
Пожалуйста, проверьте почту 😊

Помощь Кодекс Пикабу Команда Пикабу Моб. приложение
Правила соцсети О рекомендациях О компании
Промокоды Биг Гик Промокоды Lamoda Промокоды МВидео Промокоды Яндекс Директ Промокоды Отелло Промокоды Aroma Butik Промокоды Яндекс Путешествия Постила Футбол сегодня
0 просмотренных постов скрыто
681
hegny
hegny
7 месяцев назад

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2)⁠⁠

В прошлой части мы остановились на том, что фотокатод после нескольких тестов уронили внутрь электронной пушки-резонатора. Ниже приведена схема, из которой должно стать понятно, что и куда упало: тот самый сменный наконечник и отвалился.

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Вариантов не оказалось - нужно нагревать весь модуль, транспортировать его в чистую комнату, демонтировать пушку и думать, как жить дальше. В том смысле, что повредилась она или нет. Во вводной части я писал, что даже мельчайшие царапины на внутренней поверхности сверхпроводника могут привести к темновому току или напрямую к квенчу.

А тем временем мы извлекли катодную вставку (уже без катода) и внимательно на нее посмотрели. Причиной потери наконечника оказалась сломанная пружина, которая удерживала катод. На фото ниже стрелка указывает на отсутствующий лепесток пружины.

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Наблюдательный читатель сразу же заметит следы разряда на торце держателя и цветное напыление на самом держателе. Это следствие плохого электрического контакта между катодом и держателем. Высокие электрическое поле в пушке приводит к образованию искры в зазоре, которая распыляет поверхность и покрывает всё вокруг тонким слоем металла. Это очень плохо, но в данном случае является вторичной проблемой, которую тоже пришлось решать параллельно (необходимая сила прижима катода к держателю - порядка трёх тонн).

Тем временем мы очень аккуратно демонтировали пушку. Необходимо было её не переворачивать и не трясти, чтобы катод, который лежит внутри полуячейки не елозил и не создавал никаких царапин. Мы надеялись, что серьезных повреждений резонатор не получил, и после извлечения катода пушка будет работать.

Чтобы посмотреть внутрь пушки в чистой комнате, пришлось мудрить установку с маленькой камерой. Обычный эндоскоп не подходит - он смотрит "прямо", а при повороте можно случайно что-нибудь поцарапать. Кроме того, имеющиеся у нас эндоскопы давали не очень хорошее изображение - царапины можно и не рассмотреть. Но за несколько лет до описываемых событий, когда мы строили Европейский лазер на свободных электронах EuXFEL (подземный рентгеновский лазер длиной в 3,5 километра), я уже имел опыт создания систем для внутренней оптической инспекции сверхпроводящих резонаторов, поэтому сразу же прикупил такую малышку (See3Cam - не реклама):

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Собрали установку (камера должна быть жестко зафиксирована), всё промыли/продули и заглянули внутрь резонатора:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Катод лежит себе перевернутый как раз на сварном шве (горизонтальная полоса). Темная вертикальная полоса - это отражение катода. Поверхность ниобия, из которого сделан резонатор, электрополированная и "выглядит" как зеркало. А за счет вогнутой формы создает такие вот переотражения в виде полос. Как я писал в предыдущей части, катод имеет форму наперстка (ну или стакана, кому что ближе) и лежит "дном" вниз.

Дальше появился закономерный вопрос: а как этот катод из этой пушки достать? Да так, чтобы не елозить им и не наделать новых царапин. Рука внутрь не влазит. Зажимы, пинцеты тоже. Естественная мысль - применить такое высокотехнологичное устройство (картинка из интернета):

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Мы, конечно, не NASA и не марсоход запускаем, но все операции предварительно отрабатываем на макетах. Несколько дней возни с этим инструментом привели нас к выводу о том, что захватить катод, при этом не сдвинув его в сторону, не получится. Придумали использовать затвердевающий силикон, применяемый для создания слепков зубов. Мы с ним ранее уже работали для создания слепков внутренней поверхности ниобиевых резонаторов и, соответственно, проводили много тестов на совместимость материалов и его влияние на параметры резонатора. В общем, у нас было два пакетика одна марка силикона, которую точно можно было не боятся использовать в резонаторе.

Аккуратно вставляем тонкую трубочку в "стакан" катода (весь процесс контролируется только с помощью видеокамеры) и закачиваем в нее немного двухкомпонентного силикона. Стараемся не перелить, чтобы не капнуть на резонатор. Вот так это выглядит:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Потом ждем минут 15, пока силикон застынет, и аккуратно тянем за трубку вверх. Ниже фото уже извлеченного катода.

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Цифрами обозначены: 1 - сам катод, 4 - затвердевший силикон, 5 - напыление на катод, о котором я рассказывал в предыдущей части. Это рабочая сторона катода. 6 - ПВХ трубка. Осмотрели с хорошим разрешением место, где лежал катод, и решили, что всё хорошо. Можно промывать деионизованной водой и собирать. Помню, что обратил внимание на странные отсветы от задней стенки пушки, когда фонариком светил. Там было несколько ярких пятен, которые не смещались, если двигать источник света. Близко не посмотреть, но вроде как несколько очень глубоких царапин.

На рисунке ниже фрагмент фотографии задней стенки пушки с отверстием для катода. Слева - фото из чистой комнаты после разборки пушки. Справа - фотография, которая была сделана во время работы модуля камерой-телескопом. Эта камера используется для контроля положения катода при его установке и разрешение у неё не очень хорошее. На пятна на правой тогда фотографии никто внимания не обращал, мало ли всяких отсветов и пятен. Это уже потом мы нашли это старое фото, чтобы разобраться, появились эти следы во время извлечения катода или до.

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

На фото слева самый яркий дефект обозначен цифрой 1. Менее яркий - цифрой 2. Его не очень хорошо видно на фотографии, но если двигать источник света, то заметно было сразу. Центральный белый круг - это сквозное отверстие, в которое вставляется катод. Синими стрелками обозначены две полоски, которые являются границами кристаллических зёрен - задняя стенка пушки сделана из монокристаллического ниобия. Цветные пятна по всему изображению - это отражения камеры, светодиода на камере и даже людей. Наблюдательный читатель заметит концентрические окружности - это след обработки на токарном станке. После точения поверхность химически полировалась, но небольшие волны остались и хорошо заметны на отражение.

На фото справа видно сам катод, установленный в пушку, и те же самые два ярких пятна-дефекта. Тут я выдохнул, так как это было доказательство того, что не я эти дефекты сделал, извлекая катод. Но получается, что дефекты были там изначально.

И тут мы хором сказали: "Ага!", так как стало ясно, откуда у нас в пушке темновой ток, который мы намеряли во время теста:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

На графике зелеными кругами показаны значения без катода, а синими квадратами - с катодом. По горизонтали - напряженность электрического поля в мегавольтах на метр. На верхнем графике показан ток в наноамперах - ток без катода почти 100 наноампер, что ОЧЕНЬ много. Внизу - радиационная доза. Без катода 10 миллизиверт в час - это тоже очень плохо.

Мы-то думали, что просто плохо отмыли резонатор и при сборке внутрь попали пылинки/частички, поэтому всё так "светит". Ну и надеялись при переборке просто получше отмыть и поаккуратней собрать. Оказалось, что у нас там два "жестких" дефекта, которые уж точно не отмыть. Ну и ладно, у нас на подходе вторая пушка, которую уже протестировали (она выдавала рекордные характеристики) и отправили обратно производителю для приварки гелиевого бака.

Вот только, когда мы уже занимались извлечением катода, производитель сообщил, что повредил уже почти готовую пушку. При промывке сверхчистой водой под высоким давлением насадил пушку на сопло. Ниже показана схема и фото такой установки (взято из интернета):

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Картинка с сайта Raja Ramanna Centre for Advanced Technology. Как обычно, у меня полно фото с работы, но не специалистам на них ничего не разобрать, приходится в интернете искать.

Слева показана схема установки HPR (High Pressure Rinsing): деионизованна вода (18 МОм см) подается насосом (100 бар) через фильтр в сопло, которое создает несколько струй, направленных в разные стороны. Резонатор медленно движется вверх-вниз и вращается (или сопло вращается, по-разному делают). Таким образом струи медленно сканируют всю внутреннюю поверхность, очищая ее от любых пылинок. Процесс занимает 6-12 часов, зависит от размера резонатора. Поскольку в нашей пушке есть внутри стенка, то ее нельзя насадить "навылет" на штангу с соплом, а нужно остановиться в нескольких миллиметрах от стенки. Производитель делал отмывку пушки много раз в процессе производства (оно два года длится), но в этот день кто-то установил концевой выключатель на несколько сантиметров дальше, и бездушный робот со всей своей силы насадил пушку на сопло. При этом у него сработало аварийное выключение по замыканию контрольной цепи штанга-резонатор, и он не стал её усиленно гнуть, но от этого не сильно легче. В общем, вот фотография задней стенки:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Черный круг в середине - это катодное отверстие. Дуга над ним - это след контакта с соплом. Расплывчатый черный квадрат - это отражение камеры. По размеру дефекта очевидно, что пушка не пригодна к работе. Итого у нас "страйк" - две пушки из двух имеют дефекты в самый ответственных местах и непригодны к использованию. Весь тридцатимиллионный (это в евро) проект можно закрывать.

Вернемся к первой пушке. Теоретически, можно сделать химическое травление, чтобы полностью убрать или сгладить дефекты. Но оно снимет слой со всей внутренней поверхности резонатора и уменьшит его резонансную частоту. А резонатор уже вварен в титановый бак для жидкого гелия (есть фото в первой части), и значительно перенастроить его на нужную частоту не получится. Запас диапазона работы устройства подстройки частоты у нас был порядка 100-200 килогерц. Это позволяло стравить слой в 10-20 микрометров, но хватит ли этого, чтобы убрать или хотя бы сгладить дефекты?

К тому же, что это за дефекты: царапины/ямки, или выступающие заусенцы/выступы (такое тоже бывает)? Очевидно, нужно их как-то измерить. Как я писал выше, у меня уже была разработанная и проверенная технология получения слепков поверхности резонаторов с помощью зубоврачебного силикона (можно прямо на Пикабу посмотреть). Её мы и решили применить. Осталось только придумать, как налить силикон локально на край катодного отверстия и не заляпать всё вокруг. А там более, не пролить его через катодное отверстие в ячейку заградительного фильтра, откуда вымыть силикон будет очень сложно.

Отрываем Solid Edge и придумываем такую штуку для изготовления слепка поверхности:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Пластиковые детали корпуса (обозначены розовым и зелёным цветом) напечатаны на 3D принтере (куда же без него). На схеме указаны уплотнительные элементы, сделанные из того же затвердевающего силикона. Тут вся хитрость именно в этих уплотнениях. После печати корпуса детали я помещаю её в специальную форму (тоже напечатанную на 3D принтере) и наливаю туда силикон. Он прямо на вставке формирует двойные уплотнительные элементы. На рисунке справа показано, как эта вставка устанавливается на заднюю стенку резонатора (он стоит вертикально). При этом уплотнительные кольца плотно затыкают катодное отверстие пушки (на рисунке в нем головка болта находится) и на плоской стенке тоже ограничивают зону, на которую разольётся силикон. После этого прямо в эту розовую вставку я налил силикон (на правом рисунке он уже налит).

В процессе это выглядит примерно так. Заготовка с уплотнительными элементами:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Это тестовая деталь для отработки на макете, поэтому у нее повреждено уплотнение. Справа виден конец ПВХ трубки, по которой подается жидкий силикон.

Установленная вертикально пушка со вставленной внутрь системой для изготовления слепка. Вверх торчат обмотанный белым скотчем пруток и заполненная голубым силиконом трубка. Шприц с силиконом лежит рядом на столе.

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Если заглянуть внутрь, то увидим такое:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

После застывания силикона я всё это вытаскиваю за пруток. На следующем фото - готовый силиконовый слепок поверхности.

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Теперь вырезаем из слепка нужный нам участок с дефектом и смотрим на него в микроскоп. Да не в простой, а в лазерный конфокальный. Ниже я упрощённо набросал принцип его работы:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Образец освещается лазером через полупрозрачное зеркало. В нашем случае лазер фиолетовый (405 нм), но это не принципиально. От длины волны лазера зависит предельное разрешение, но в данном случае оно нас не интересует. Отраженный от образца свет (зеленые линии) еще раз отражается от зеркала и попадает в камеру. Но перед этим проходит через маленькое отверстие - пинхол. Оно установлено в таком месте, что через него может пройти только свет от тех частей образца, которые лежат в фокальной плоскости объектива. На рисунке такие лучи обозначены зеленым цветом. Лучи, отраженные от частей образца вне фокальной плоскости (например, обозначенные красным), не могут пройти через пинхол. Таким образом, камера будет видеть только ту часть поверхности, которая лежит в фокальной плоскости. Если образец двигать вертикально, то для каждого положения образца можно получить свой "срез" (это не срез в полном смысле. Внутренности образца мы не видим). Т.е. можно сразу же построить карту высот - 3D изображение поверхности. В современных микроскопах образец не двигается, а двигается пинхол. При этом с очень высокой точностью - в десятки нанометров. В итоге можно получить оптическое изображение с нанометровым разрешением по высоте (но только по высоте, горизонтальное разрешение всё равно определяется длиной волны используемого света).

Ниже на картинке изображение дефекта под номером 1:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

А вот его трёхмерное изображение:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Сразу же появились кое-какие ассоциации:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Недалеко находился второй дефект. И он был очень похож на первый. Вот оба дефекта в сравнении (все надписи я перевел на русский):

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Очевидно, что оба дефекта были сделаны одним "инструментом", который ударился о внутреннюю поверхность. Острые края дефектов указывают на то, что они появились после химической полировки. Ниже для сравнения приведено изображение области вокруг второго дефекта:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Вы можете заметить, что дефекты 4, 5 и 6 "размазаны", т.е. появились до химического травления и большой проблемы не представляют.

Мы долго переписывались с американским производителем первой пушки, но они так и не смогли установить, каким инструментом или частью установки дефекты 1 и 2 могли быть созданы.

Острые края хорошо объясняли высокий темновой ток, который мы получили во время тестирования. Поскольку у нас появилась 3D модель дефектов, мы немедленно провели симуляцию темнового тока. Ниже показана схема расположения дефектов относительно катодного отверстия и сравнение результатов моделирования с изображением "креста", полученным на сцинцилляционном экране во время тестирования:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

С дефектами мы разобрались, симуляцией всё подтвердили. Осталось придумать, как всё починить.

Из трехмерного изображения дефекта мы узнали, что его глубина составляет примерно 80 микрометров. Как я ранее уже указал, мы могли себе позволить сделать только 20 микрометров химического травления, чтобы частота резонатора оставалась в допуске. Единственным вариантом было удаление дефекта механической полировкой.

К этому времени я уже сделал слепок дефекта от встречи с соплом во второй пушке:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Глубина дефекта составляет порядка 30 мкм:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 2) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Вакуум, Научпоп, Высокое напряжение, Микроскоп, Силикон, Чужой, Пятничный тег моё, Длиннопост

Значит и вторую пушку нельзя отремонтировать без механической полировки. В посте уже максимально допустимое количество картинок, поэтому про хитрости полировки (а их там очень много) и тот самый шуруповёрт я расскажу в следующей части.

Сегодня вы узнали, как можно заглядывать в труднодоступные места и аккуратно доставать оттуда различные предметы, как еще можно использовать "зубопротезный" силикон, и разобрались с последним (ну почти) словом техники в световой микроскопии. На все ваши вопросы я с удовольствием отвечу в комментариях.

Показать полностью 24
[моё] Физика Наука Ускоритель Электроны Сверхпроводники Вакуум Научпоп Высокое напряжение Микроскоп Силикон Чужой Пятничный тег моё Длиннопост
100
379
hegny
hegny
8 месяцев назад

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1)⁠⁠

Строили мы как-то сверхпроводящий ускоритель-рекуператор. Чтобы понять то, о чем я буду дальше писать, я немного объясню общие принципы работы и устройство такого ускорителя. Вот его схема:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

На рисунке видно три ускоряющих модуля (синие), кольцо (которое не кольцо совсем) и поглотитель пучка (справа внизу).

Свой недолгий путь электроны начинают в инжекторе (слева внизу), еще сильнее ускоряются в бустере (второй модуль слева) и инжектируются в основной линак (синий модуль в центре). Линак их всех ускоряет еще сильнее - до 50 МэВ. Эти быстрые электроны не успевают повернуть в поглотитель и улетают по кругу, возвращаясь на вход основного линака. Только прилетают они к нему в противофазе (мы специально так длину кольца подобрали) и поэтому вместо ускорения тормозятся. На схеме с синусоидой показано, как сгустки электронов на вершине синусоиды ускоряются, а в минимумах - замедляются. При замедлении они отдают свою энергию обратно в резонаторы ускорительного модуля и вылетают справа уже замедленные до 6,3 МэВ. Теперь электроны "медленные" (так-то всё равно у них почти скорость света, просто энергия ниже) и не успевают проскочить поворот в поглотитель, где и тормозятся о медный блок. Тут вся идея в том, что энергия, которую отдали "быстрые" электроны при торможении, сразу же используется для ускорения "медленных", которые прилетели из инжектора. Т.е. происходит та самая рекуперация энергии. Сгустки из инжектора идут один за другим с частотой 1,3 ГГц, т.е. каждые 0,77 наносекунды. Конкретно в этом ускорителе нет никакого практического смысла - он просто ускоряет электроны и затем тормозит их же. Его задача - создание и экспериментальная отработка большого числа технологий, необходимых в таких системах.

Мы же с вами в этой статье сосредоточимся на инжекторе. Вот его схема (вид сверху):

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

В модуле инжектора находится его ключевой компонент - фотоэмиссионная сверхпроводящая пушка. Ну, еще сверхпроводящий соленоид и поглотитель высших мод (ПВМ). К пушке пристыкованы два каплера - антенны ввода мощности по 120 кВт и система крепления катодной вставки (левее пушки).

Вот схема пушки с обвязкой.

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

А вот так она выглядит без тюнера и каплеров:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

Пушка представляет собой простой (ну, не совсем простой) электромагнитный резонатор. Вот он "голый" (это официальный термин, между прочим, - naked cavity), т.е. без гелиевого бака:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

Немного познакомимся с устройством. На картинке цифрами обозначены: 1 – катодная труба (это "зад" пушки. В катодную трубу вставляется катодная вставка с самим фотокатодом), 2 – ячейка заградительного фильтра (это полость резонатора, настроенная так, чтобы электромагнитное поле из основного резонатора не уходило в катодную трубу), 3 – полу ячейка, 4 – главная ячейка резонатора, 5 –два порта каплеров (к ним пристыковываются антенны ввода мощности), 6 – пучковая труба, 7 – задняя стенка, 8 – отверстие для фотокатода (в него почти вровень с задней стенкой устанавливается фотокатод).

А вот сама катодная вставка, которая сзади вставляется в пушку:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

Эта штука целиком вставляется в катодную трубу резонатора. Тут цифрами обозначены: 1 – транспортировочный стержень (с его помощью катодную вставку устанавливают в пушку. После этого стержень убирается), 2 – керамический тепло- и электроизолятор, 3 – фильтр Петрова (хитро посчитанная форма металлического корпуса для создания резонаторных полостей, служащих индукционными и емкостными элементами фильтра), 4 – байонетная пружина, 5 – держатель катода, 6 – фотокатод.

На самом деле держатель катода (5) внутри полый и имеет еще несколько коаксиальных тяг и пружин. Их задача сильно прижимать катод к держателю для его охлаждения и обеспечения электрического контакта:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

Вот тот красный цилиндр справа и есть фотокатод. Это молибденовый цилиндр, на торец которого напылен слой материалов с высоким квантовым выходом. Ниже фото торца катода после напыления материалов:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

В нашем случае напылено покрытие из цезия-калия-сурьмы (K2CsSb). Но бывают и другие (см. график ниже).

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

Тут видно, что даже для лучших материалов квантовый выход не превышает 20%. И даже это даётся очень дорого - напыление в сверхвысоком вакууме, хитрый график нагрева и отжига для формирования правильного химического соединения. Транспортировка из синтезирующей лаборатории в ускоритель в специальном вакуумном "чемодане". И при всём при этом готовое напыление "живёт" всего неделю при нашем сверхвысоком вакууме (который очень даже ничего себе).

Итак, фотокатод устанавливается в резонатор-пушку. В резонатор через антенны-каплеры подается СВЧ мощность. Через пучковую трубу на катод светит ультрафиолетовый лазер. Лазер выбивает электроны из фотокатода. Электроны сразу же подхватываются электромагнитным полем, ускоряются в полу ячейке, потом влетают в основную ячейку, где ускоряются уже почти до скорости света, и вылетают из резонатора. Примерная схема того, как это работает:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

На картинке катод установлен в резонатор. Правее резонатора красным показан сверхпроводящий соленоид (магнитная катушка). Он выполняет роль магнитной линзы - фокусирует электронный пучок. Красными и желтыми линиями показаны границы электронного пучка для разных режимов.

Работает вся эта красота на частоте 1,3 ГГц при температуре 1,8 К (Кельвинов. Это -271,35 градусов Цельсия) и вакууме порядка 5e-11 мбар. При этом катодная вставка целиком достается и устанавливается без необходимости нагревать модуль или прерывать вакуумную откачку - очень замороченное устройство. Резонатор сверхпроводящий - сделан из чистейшего ниобия. Собственная добротность у него при рабочей температуре порядка 1e10. Т.е. собственные потери составляют одну десятимиллиардную.

Напряженность электрического поля на внутренней поверхности резонатора порядка 40-50 МВ/м (мегавольт на метр). При такой напряженности поля электроны вылетают из любой шероховатости или пылинки. И уж тем более из любой царапины. Эффект называется автоэлектронной (полевой )эмиссией (да-да, "любимые" всеми студентами Фаулер с Нордгеймом и Шоттки с его эффектом). Для правильной работы ускорителя электроны должны вылетать только с фотокатода и только в строго определенное время (именно тогда, когда его облучают импульсом лазера), чтобы попасть в нужную фазу во всех остальных элементах ускорителя. Любые посторонние электроны создают так называемый темновой ток (не тот, который в фотодиодах).

Такие электроны могут не просто лететь в ненужной фазе, но и лететь "вбок" или вообще в противоположную сторону. При ударе о любую поверхность (в самом резонаторе или в трубе в любой другой части ускорителя) разогнанные электроны во-первых, приведут к выделению тепла и тормозного излучения в рентгеновском или гамма-диапазоне, а во-вторых, выбъют из материала еще больше электронов (называемых вторичными электронами), которые в свою очередь продолжат этот праздник.

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

Если же в стенку они ударятся внутри сверхпроводящего резонатора, то выделение тепла может привести к потере сверхпроводимости - квенчу. В случае отсутствия быстродействующих схем защиты, которые мгновенно (за сотню микросекунд) выведут всю мощность из резонатора, жидкий гелий, охлаждающий резонатор снаружи, вскипит, т.е. превратиться в газ. А газообразные гелий занимает в 900 раз бОльший объем, чем жидкий. В общем, он просто разорвет и резонатор и модуль и трубопроводы. Вот пример разрушений вокруг от квенча сверхпроводника (в данном случае это был магнит) в жидком гелии:

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

Короче, темновой ток нам совсем не нужен. Когда его чуть-чуть, еще жить можно. Но желательно, чтобы совсем не было.

С основами разобрались, теперь можно к главной истории переходить.В общем, через пару недель тестов полностью собранного модуля катод уронили в пушку. (здесь были мои слова в адрес нескольких выдающихся уже бывших коллег).

Как шуруповёртом ускоритель починить (Часть 1) Физика, Наука, Ускоритель, Электроны, Сверхпроводники, Гелий, Вакуум, Лазер, Научпоп, Высокое напряжение, Взрыв, Длиннопост

Просто разобрать и собрать снова (если ничего не поцарапалось) - около года работы группы инженеров в чистой комнате. А если поцарапалось - нужно ставить вторую пушку, которая как раз находилась в производстве.

Что мы обнаружили при разборке модуля и как потом всё это дело чинили - во второй части. Там будет много картинок, как вы любите. Сюда уже просто не влезет после такого длинного введения. Зато вы теперь неплохо разбираетесь в устройстве ускорителей-рекуператоров и сверхпроводящих инжекторов.

Показать полностью 12
[моё] Физика Наука Ускоритель Электроны Сверхпроводники Гелий Вакуум Лазер Научпоп Высокое напряжение Взрыв Длиннопост
90
13
A.Kristina
A.Kristina
9 месяцев назад
Интересные покупки

На что способен вакуум с AliExpress⁠⁠

Интересное устройство для вакуумирования пищевых продуктов, упаковки, хранения, продажи и защиты различный вещей. Стоит около 1 900 руб. Ссылка на аппарат. Также продаются пакетики для него длиной 5 метров, а шириной 20 см и 28 см.

AliExpress Товары Китайские товары Вакуум Вакуумная упаковка Упаковка Хранение Видео
3
13
sterblich
sterblich
9 месяцев назад
Книжная лига
Серия Изобретение и инновация

Изобретение и инновация (7)⁠⁠

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Вакуумный поезд

Ну вот мы и добрались до техники будущего, которая пока ещё не появилась, и вряд ли скоро появится. Список открывает не рождённое пока детище Илона нашего Маска под названием Hyperloop Alpha, о котором он возвестил миру в 2013 году. Принципиально это вагон на магнитной или воздушной подушке, гоняющий в трубе с очень низким давлением. До сих пор нет ни трассы, ни вагона, воплощённых в материале.

Идея, конечно, не нова. Ещё в XIX веке были задумки пустить подобный «вжух» между Лондоном и Эдинбургом. «Вакуумная туннельная компания» собиралась продавать акции по сто фунтов штука. Вакуум бы создавался котлами, расположенными каждые две мили вдоль трассы. Создавая вакуум, они бы всасывали вагон на себя. По узкой трубе должны были бы ездить только грузы, а пассажиров предполагалось примагнитить к капсуле сверху в отдельном вагоне, бегающем по специальным рельсам над трубой. Этот чудо-транспорт должен был пробегать 800 километров за пять минут.

Это чудо будущего привлекло внимание сатириков, которые изобразили его на цветной гравюре. Мы можем увидеть репродукцию на обложке книги. Там вакуумный экспресс отправлялся из Гринвича прямо в Бенгалию.

Изобретение и инновация (7) Книги, Обзор книг, Научпоп, Изобретения, История изобретений, Вакуум, Транспорт, Нон-фикшн, Длиннопост

Grand Vacuum Tube Company прямо в Бенгалию

Скоро выяснилось, что даже стали для производства трубы нужного качества в стране просто не было, не говоря уже о машинах.

Спустя десятилетия последовали новые проекты безлокомотивного транспорта с воздушным приводом. Была построена короткая испытательная трасса, где повозка, двигаясь в пятидесятипроцентном вакууме, разгонялась до 48 километров в час. И даже какое-то время в сороковых годах работала коммерческая линия в Ирландии. Была линия и в Англии, но после ряда поломок и финансовых убытков её пришлось закрыть в 1848 году. Следующей идеей была магнитная подушка, которую первым описал будущий известный ракетчик Роберт Годдард. Похожую идею двигал Эмиль Башеле, запантентовавший свой летающий поезд. Третьим в компании изобретателей был Борис Петрович Вейнберг, который построил у себя в Томске работающую модель вакуумного поезда, состоящую из десятикилограммового снаряда, двигавшегося по медной трубе длиной двадцать метров. Практической реализации этих проектов мир не дождался, но предложением Годдарда заинтересовались, хотя и сильно позже, аж после Второй мировой. Он запатентовал свою идею, но всё-таки эра реактивных самолётов и огромных легковушек перетянула пассажиропоток из железных дорог. И, несмотря на новые идеи Роберта Салтера по сверхскоростной транзитной системе, у рельсового наземного транспорта в США перспективы из десятилетия в десятилетие только ухудшались.

А вот в Японии и Франции быстрые поезда вошли в моду. В 1964 году стал курсировать экспресс между Токио и Киото, а в 1981 году из Парижа в Лион пошёл первый TGV. Пошли эксперименты и с магнитной подушкой. Немцы построили у себя экспериментальную трассу, которую пришлось закрыть после 28 лет работы в результате несчастного случая. Они стали сотрудничать с Китаем, который запустил первую линию в аэропорт Шанхая по немецкому проекту в 2004 году. Сегодня есть ещё линии в Японии и Южной Корее. Продолжается строительство длинной линии между Токио и Осакой.

Кроме масковского Гиперлупа, есть ещё подобный проект от Virgin Ричарда Брэнсона. Уже построили полукилометровую трассу, на которой двое пассажиров разгонялись до скорости 175 километров в час. Тестовая трасса в 320 метров есть у французской Hyperloop TT. Они обещали запустить коммерческую линию в 2017, затем в 2019, затем в 2020 году. Но так и не запустили до сих пор. Недавние прогнозы указывают уже на конец двадцатых.

Причины несбывшихся прогнозов всё те же, что и в девятнадцатом веке: недостаток подходящего материала для труб и опор, технические проблемы с достижением и поддержанием сверхнизкого давления в трубе, а также с приведением в движение капсулы. Маск слишком многое упрощает, между тем, как только на выбор маршрута и получение разрешений почти гарантированно уйдут долгие годы. И всё же в 2017 году Илон разродился твитом, в котором хвастался получением устного разрешения построить трассу из Нью-Йорка в Вашингтон, по которой можно будет промчаться всего за 20 минут. То есть некто в столице поднял трубку телефона и разрешил компании без опыта построить шестисоткилометровый туннель для поезда со скоростью 1000 км/ч. Ну да, ну да. Охотно верится, особенно в стране, которая не была способна отремонтировать старую железнодорожную линию между этими городами для того, чтобы поднять скорость поездов хоть немного выше текущих 125 км/ч.

Несмотря на то, что мы сегодня имеем и новые материалы, и новые двигатели, и мощные системы проектирования, всё ещё остаётся достаточно вызовов. Начиная с психологии пассажиров, запертых внутри тесной капсулы, и заканчивая решением большого количества инженерных проблем, самой очевидной из которых является разница в давлении. 100 Паскалей – это в 200 раз меньше, чем в стратосфере, где летают реактивные самолёты. Не хочется даже думать о последствиях возможной декомпрессии. Или температурное расширение, требующее специальных компенсаторов, в которых тоже нужно держать вакуум. Можно зарыть трубу в землю, но это поднимет и без того высокие издержки ещё выше. А какая это будет удобная цель для террористов! Короче, транспортные эксперты настроены довольно пессимистично: всё ещё слишком сложно и дорого это всё. Тем, кто хочет дождаться первой поездки, автор советует вести здоровый образ жизни, чтобы прожить подольше. Мир уже ждёт её больше двух сотен лет.

Полностью согласен с автором. Физику не обманешь. Слишком капризная вещь – вакуум, чтобы использовать её для пассажирских перевозок. Но мечтать, конечно, не вредно.

Показать полностью 1
[моё] Книги Обзор книг Научпоп Изобретения История изобретений Вакуум Транспорт Нон-фикшн Длиннопост
1
SuperKulinar
SuperKulinar
10 месяцев назад
Люблю готовить

Пищевой вакуумный упаковщик - поможет сохранить свежесть продуктов⁠⁠

Нашла такой на Али и на Яндекс Маркете.

Вакуум Вакуумная упаковка Вакууматор Упаковка Еда Полезное Гаджеты Техника Кухня Лайфхак Вертикальное видео Видео
3
6
LordMegamind
LordMegamind
10 месяцев назад

Кто хочет посмотреть на ионизацию остаточного газа в лампе?⁠⁠

Кто хочет посмотреть на ионизацию остаточного газа в лампе? Лампа, Вакуум, Свет, Эмиссия, Физика

Canon EOS450D, Tamron Tamron SP AF 60mm F/2 Macro 1:1 Di II, f/2.0, ISO800, 1/100

Решил однажды заснять из любопытства свечение лампы типа "свеча". И вот обнаружил там интересный эффект.

[моё] Лампа Вакуум Свет Эмиссия Физика
0
115
nonelogical
nonelogical
Топовый автор
Warhammer 40k & FB
10 месяцев назад

Вакуум⁠⁠

Вакуум Орки, Вакуум, Waaagh!, Warhammer, Warhammer 40k, Wh humor, Serafimka40k
Показать полностью 1
Орки Вакуум Waaagh! Warhammer Warhammer 40k Wh humor Serafimka40k
1
4
Zolotieruki
Zolotieruki
11 месяцев назад
Золотые руки

Вакуумная присоска для плитки и стекла⁠⁠

Если кому надо, вот на Али и аналог дешевле на Яндекс Маркет
Делитесь своими поделками в нашем сообществе

Ремонт Строительство Инструменты Полезное Вертикальное видео Вакуум Присоска Видео
2
Посты не найдены
О нас
О Пикабу Контакты Реклама Сообщить об ошибке Сообщить о нарушении законодательства Отзывы и предложения Новости Пикабу Мобильное приложение RSS
Информация
Помощь Кодекс Пикабу Команда Пикабу Конфиденциальность Правила соцсети О рекомендациях О компании
Наши проекты
Блоги Работа Промокоды Игры Курсы
Партнёры
Промокоды Биг Гик Промокоды Lamoda Промокоды Мвидео Промокоды Яндекс Директ Промокоды Отелло Промокоды Aroma Butik Промокоды Яндекс Путешествия Постила Футбол сегодня
На информационном ресурсе Pikabu.ru применяются рекомендательные технологии