Плазма

Они протестировали действие плазмы на шести поверхностях, включая картон, синтетическую кожу, пластик и металл, и обнаружили, что на каждой из них большая часть вирусных частиц была деактивирована всего через 30 секунд. Три минуты контакта с плазмой уничтожили весь вирус.

Ученые считают, что такое воздействие на вирус появляется благодаря реактивным ионам кислорода и азота. Когда они тестировали плазму, питаемую гелием, она оказалась неэффективной даже после пяти минут применения.

Исследователи объясняют, что, когда заряженные частицы собираются на поверхности вириона, они могут повредить его оболочку за счет электростатических сил, ведущих к его разрыву. Ионы могут также разрывать структурно важные связи, например, связи между двумя атомами углерода, углеродом и кислородом, а также атомами углерода и азота.

Эксперименты по воздействию плазмы на бактерии и вирусы показали, что повреждение внешней оболочки вируса может включать белки, важные для связывания с клетками-хозяевами.

В прошлом году другая команда исследователей создала плазменный фильтр, способный стерилизовать воздух от 99% вирусов. В их устройстве, когда воздух проходит через зазоры в слое шариков из боросиликатного стекла, он окисляет нестабильные атомы, образующие плазму. Это повреждает вирусные частицы, в результате чего их способность инфицировать человека значительно снижается.

Источник: https://nat-geo.ru/accidents/kitajskij-koronavirus-2020/holo...

Полное видео с рекламами и процессом изготовления:

Или вот, схематичная картинка — без подробностей, как в учебнике физики. Большую часть времени поле такое, как в 2010 и 2017 годах [3]:

Фокусы начинаются, когда вспоминаешь, что Солнце крутится. И эти картинки в школьных учебниках уже не покажут (18+, safe for work).

Солнце ежесекундно выбрасывает пару мегатонн горячей плазмы. Горячая плазма привязана к магнитному полю — частицы могут скользить вдоль него, но почти не могут сдвинуться поперёк. Там, где в магнитном поле больше энергии, чем в заряженных частицах, плазма летит туда, куда её заставляет лететь магнитное поле. Так получаются корональные петли. Вот они [4]:

Но магнитное поле Солнца ослабевает с высотой, а плазма летит. В какой-то момент она отрывается, улетает и становится солнечным ветром, летящим со скоростью в несколько сотен километров в секунду. В нём давление плазмы больше давления магнитного поля, и уже поле летит туда, куда хочет плазма.

И вот плазма несёт к Земле магнитную силовую линию, привязанную к какой-то точке на Солнце. А Солнце за две недели уже повернулось противоположной стороной. В итоге ветер загибает силовые линии вот в такие спиральки [5]:

Но магнитное поле не может быть само по себе, для его существования нужны какие-то токи. Солнечная система оказывается здоровенной динамо-машиной. Эти токи разгоняются на границе между силовыми линиями, идущими от Солнца, и линиями, которые к нему возвращаются. Эта граница наклонена вместе с магнитными полюсами Солнца. Солнечный ветер запоминает этот наклон Солнца и уносит его с собой. А значит, если сейчас этот токовый слой сверху от Земли, то через две недели он окажется снизу. И вот так выглядит вся эта токовая спиралька размером во всю Солнечную систему, называемая спиралью Паркера [6]:

Сверху от токового слоя магнитное поле солнечного ветра направлено от Солнца и налетает на Землю, будучи направленным с юга на север. А через две недели, снизу от слоя — уже с севера на юг.

У Земли же магнитное поле не меняется, а значит, две недели в месяц солнечный ветер вмазывает в магнитосферу Земли магнитное поле, которое направлено не туда.

А значит, и здесь должна получиться динамо-машина, которая разгонит вокруг земли слой тока. Токовый слой разделит земные силовые линии, идущие с юга на север, и солнечные, идущие с севера на юг. Вот здесь он, обозначен крестиком, где магнитосфера Земли продавлена солнечным ветром [7]:

Слой тонок и неустойчив, ток в нём распадается на тонкие струйки и затухает. Именно это нарисовано на заглавной картинке. Ток затухает — силовые линии ветра и магнитосферы разрываются, и обрывок линии от Солнца перезамыкается на обрывок силовой линии Земли и улетает дальше. Силовые линии стремятся стать короче — тут их можно представить длинными резинками.

И вот эти огромные космические рогатки стреляют солнечным ветром над нашими головами.

По-моему, это просто красиво.

Ps. Если кто хочет увидеть одного из победителей конкурса на самое красивое плазменное видео с европейской конференции 2018 года — вот оно:

Иллюстрации взяты отсюда:

[1] https://phys.org/news/2015-06-mastering-magnetic-reconnectio...

[2] https://svs.gsfc.nasa.gov/12329

[3] https://insider.si.edu/2017/07/3d-simulations-reveals-sun-fl...

[4] https://www.sciencealert.com/physicists-have-measured-the-ce...

[5] http://old.inspirehep.net/record/1605710/plots

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Interplanetary_magnetic_field

[7] http://space.rice.edu/IMAGE/livefrom/sunearth.html

Если распилить одну из них, то можно увидеть из чего состоят такие артефакты. Внутри герметичного пластикового контейнера находится обмотка из тонкого провода. Ряды её переложены электроизоляционной бумагой, которая пропитана парафином. Им тут залит весь внутренний объем.

На одной из ферритовых половинок намотаем первичную обмотку. Состоит она из пятидесяти витков многожильного провода типа литцендрат толщиной 1 мм. У него каждая жила покрыта изолирующим лаком. Перематываем все скотчем, вставляем в половинки феррита высоковольтные обмотки и собственно все. Так выглядит сердце наших высоковольтных разрядов. Оно конечно не идеально, так как в дальнейшем при длительной работе, железная скоба которая стягивает феррит будет нагреваться.

В конструкции, высоковольтные обмотки смотрят на встречу друг другу, а их тонкие "земляные" провода соединены вместе. Высоковольтные концы тут наращены высоковольтным проводом, чтобы оттуда не выбрался "Зевс" и не пробил в плату управления или еще куда. Это был мануал как правильно собирать высоковольтный трансформатор для лестницы Иакова.

Теперь рассмотрим как делать не нужно. Не нужно мотать двадцать витков, что есть крайне мало на алюминиевую планку стягивающую каркас. Алюминий вроде как не магнитный материал, но на высоких частотах с ним что-то не так. В результате такого подхода при первом же включении у меня сгорел предохранитель в плате управления. Естественно он сдох потому что прогорели два мосфета которые раскачивали высоковольтный трансформатор. Транзисторы деликатные ребята, им что не так, сразу в брак...

При второй попытке зажечь дугу, была намотана первичная обмотка проводом 0.3 мм, количество витков порядка семидесяти. Чем больше и тоньше - тем меньше нагрузка на ключи. Такой вариант имеет право на жизнь, но единственный минус такого исполнения это небольшая мощность. На электродах дуга растягивается максимум на три сантиметра после чего обрывается. Это довольно легкий режим для генератора, после пяти минут непрерывной работы все элементы схемы включая радиаторы на транзисторах оставались холодными.

С высоковольтным трансформатором разобрались. Едем дальше.

Сейчас нам нужно сделать рогатку, по которой разряды будут бегать снизу-вверх вызывая тот самый "ВАУ" эффект. Электроды в лестнице Иакова должны быть жесткими, в противном случае рогатка будет болтаться как дерево на ветру. В качестве электродов можно использовать 5 мм алюминиевый швеллер из ближайшего строительного магазина. Одного погонного метра хватит с избытком. Отпиливает ножовкой по металлу два одинаковых куска по сорок сантиметров. В определенных местах делаем несколько надпилов под углом 45 градусов. В результате процедур выгибаем метал в нужную нам форму.

Электроды устанавливаем на керамическую основу. Она когда-то была мощным заводским предохранителем на сотню ампер. Верхние концы разводим на расстояние примерно восьми сантиметров. Этот промежуток должен быть достаточным чтобы рвать дугу у вершины (подбирается индивидуально). Крепление проводов к рогатке должно быть надежным, если они отвалятся на полной мощности установки, то с большой вероятностью прошьют высоковольтные обмотки. Оно вам надо?

Теперь кто-то может задать вопрос, зачем питать схему от сети 220, если можно собрать простой ZVS автогенератор, которому нужно всего 12 вольт. Да в принципе можно! Только жрёт какой генератор порядка 10 ампер и для нормально работы требует напряжение порядка 30-40 вольт. Один только блок питания займет места больше чем весь мой балкон в хрущёвке. И это уже молчу про адский перегрев ферритового сердечника после нескольких минут работы.

Генератор работающий от сети 220 позволяет разместить на одной плате все, от сетевого фильтра до силовых ключей. Все компоненты тут не являются дефицитными и легко помещаются в одной руке.

Давайте взглянем на принципиальную схему устройства. По входу питания тут предусмотрено несколько защит: предохранитель, варистор который ограничивает возможные высоковольтные выбросы в сеть и термистор ограничивающий ток заряда довольно мощного конденсатора, он нужен чтобs предохранитель не выгорал при включении схемы в розетку. Генератор тут построен на базе микросхемы драйвера IR2153, который управляет силовыми транзисторами.

Изначально планировалось использовать в схеме высоковольтные пленочные конденсаторы. Но затем выбор пал на безындукционные конденсаторы марки MKPH емкостью в 0.33 микрофарада. Их используют в индукционных плитах. Силовые ключи рассчитаны на напряжение 600 вольт и ток порядка 20 ампер. Маркировка 20N60.

Сейчас наша задача соединить все детали согласно схемы. Несколько часов работы в программе трассировщике и на выходе мы получаем довольно мощный компактный генератор. Плату к нему можно вытравить самому, либо обратится с этой задачей к специалистам.

Для сборки этого генератора схема не нужна, так как тут указано где и какой элемент должен находится. Устанавливаем транзисторы на радиатор. На плате предусмотрены посадочные места под разные конденсаторы. Термистор в процессе работы греется, его нужно размещать как можно выше.

В общем припаиваем все на свои места и работу по сборке генератора можно считать исчерпывающей. Обратим внимание на отсутствующий резистор возле микросхемы IR2153. Место него нужно установить построечный резистор на 50 кОм. Это нужно для дальнейшей настройки резонанса.

Включать генератор напрямую в розетку недопустимо! Рекомендую использовать балласт в виде лампочки включенный последовательно со схемой. Если в процессе настройки пробьет ключи, а на линии появится короткое замыкание, лампочка ярко вспыхнет и не даст выбить пробки в квартире. Типа безопасность и все такое.

Прежде чем запускать схему на всю катушку, ее нужно настроить. Вначале нужно запитать драйвер IR2153 и убедится что на ключи поступают управляющие сигналы. С внешнего блока питания подаем на него 15 вольт. Подключаем щупы цифрового осциллографа к затворам силовых транзисторов. Амплитуда управляющих импульсов будет равна напряжению питания микросхемы драйвера. У нее внутри стоит стабилитрон по питанию на 15 вольт, потому данная амплитуда это край.

Микросхема IR2153 управляет ключами довольно хитро. Между открытием первого и второго транзистора существует пауза в 1.2 мкс, называется она "Dead Time". Дело в то том, что ключи должны работать на нагрузку по очереди. Если через оба ключа одновременно пойдет ток, они довольно эффектно взорвутся, так как окажут короткое замыкание для сети. Такие дела...

Предохранитель в схеме подбирается исходя из максимальной потребляемой мощности генератора. Поставим на 3 ампера. Не думаю что мощность превысит 600 Вт. Тут рекомендую использовать панельки формата "вынул - вставил".

Включим на мультиметре режим измерения напряжения и посмотрим что у нас происходит на большом электролитическом конденсаторе. Поднимаем напряжение на лабораторном автотрансформаторе, и видим что конденсатор прекрасно заряжается. При этом ничего не должно греться, дымить, шипеть и прочее. Перекинем щуп мультиметра на нижний вывод 5 Вт резистора и посмотрим появляется ли необходимое напряжение для питания драйвера.

Как видно, необходимые 15 вольт присутствуют. Это означит что генератор собран правильно и теперь его можно смело запускать.

Регулировка частоты тут осуществляется подстрочным резистором. Диапазон регулировки частот начинается от 20 килогерц и заканчивается примерно на 220 килогерцах. Довольно широкий диапазон для наших целей.

Подключаем высоковольтный трансформатор, не стесняйтесь хорошо зажимать провода. 

Важный момент, во время работы подобных устройств высоковольтные провода не должны висеть в воздухе и не дай бог как то прикасаться к элементам платы генератора. Рекомендую для этих целей использовать простой разрядник. Так вы защитите высоковольтный трансформатор от внутреннего пробоя, глобальных катаклизмов, армагеддона и прочего.

Теперь переходим к настройке резонанса. Для оценки уровня сигнала на высоковольтных проводах, покладём рядом с разрядником щуп от осциллографа. Он не должен касаться электродов, иначе спалите чего-нибудь. ЛАТР-ом поднимаем входное напряжение и видим как растет амплитуда сигнала на высоковольтных проводах. Замечательно.

Сейчас изменяя сопротивление подстроечного резистора мы изменяет частоту работы генератора. Резонанс можно считать достигнутым тогда, когда амплитуда напряжения на высоковольтной части будет максимальна. Тут нужно учесть важный момент. Если вы настроите резонанс на одном разряднике, а затем вместо него поставите другой, работать в итоге ничего не будет.

Рекомендую делать настройку при наименьшем напряжении на входе генератора. Удивительно, но схема при этом нормально работает. В общем добиваемся наибольших разрядов, поднимаем напряжение и отключаем балласт в виде лампочки. Разряд пошел. Если у вас нет под рукой осциллографа для оценки уровня сигнала, то о резонансе системы можно судить по лампочке.

Спираль при этом будет светить ярче всего из-за увеличения потребления тока генератором. На этой прекрасной ноте настройку устройства можно считать исчерпывающей. Теперь постепенно поднимаем напряжение и смотрим как ползет дуга по концам рогатки.

Некоторые характеристики лестницы Иакова. Максимальная потребляемая мощность установки составляет почти 400 Вт. Резонанс генератора с моим конкретным высоковольтным трансформатором и разрядником составил 71 кГц. У вас значения будут другие. При минимальном входном напряжении на схеме, высоковольтные провода имеют такую напряженность, чтобы светится прямо через изоляцию провода. Пальцы при этом сильно воняют озоном. Мелкие вылетающие разряды с провода легко способны оставлять ожоги на коже. В общем интересно...

Всё собрано и настроено. Пора поместить потроха в какой-нибудь красивый корпус. Для этого был использован прозрачный контейнер для еды от предыдущего фильма про Камеру Вильсона. Напомню, что он тогда не подошел по причине чувствительного к царапинам пластика. Там это недопустимо, а тут на это можно класть. Включаем лестницу Иакова через  100 Вт балласт и видим что дуга еле доползает до средины рогатки. Отключаем балласт и видим что мощность дуги увеличилась, и она с легкостью доползает до самого верха.

Иногда в процессе работы установки приходится наблюдать момент, когда дуга на концах электродов не хочет обрываться. Это выглядит красиво, но нужно иметь в виду, что в таком режиме схема работает на максимальной мощности. Чтобы такого не было, можно сильней развести электроды друг от друга.

В общем не смотря на довольно простую настройку данного девайса, дальше произошло то, чего никто не мог ожидать. Включив установку напрямую в розетку, в схеме пыхнул предохранитель, и одновременно с ним пропал свет в квартире... Самое интересное, это произошло ночью. Ничего не видно... Подойдя с фонариком к счетчику электроэнергии, первое что бросилось в глаза это отсутствие каких либо цифр на индикаторе и не сработавшие сверху автоматические выключатели. "Вот это прикол" подумал я, и бросил взгляд в нижнюю часть электрощита. На лицо явно произошел какой-то прогар... Повезло так повезло.

Звоню в службу поддержки, говорю беда, в квартире пропал свет. Чё делать? Они говорят не паникуй, передаем заявку на обработку. Через 2 часа в домофон позвонили парни в костюмах супергероев и говорят рассказывай, доставай показывай!

Оценив ситуацию они незамедлительно начали устранять неисправность.

Электрики поковырялись в электрощитовой и на скорую руку восстановили электроснабжение в квартире. Времени на это ушло минут 20. Заглянув туда и оценив их работу, я ох...ел. Превосходный шедевр из рубрики "Я его слепила из того что было"... На утро пришлось долбить стену и прокладывать к щитку нормальный медный провод в 6 квадратов. Такое приключение еще не скоро забудется.

Ну а что же произошло на самом деле. Давайте разберемся. При включении лестницы Иакова в розетку, номинальная мощность схемы превысила предельные возможности полевых транзисторов. Их пробивает, в цепи возникает короткое замыкание. Ток, идущий через предохранитель становится больше допустимого и волосок внутри перегорает. Перегорает он не мгновенно как многие думают, а с некоторой задержкой, так как внутри еще тянется мощная дуга. Этой микросекунды хватило, чтоб сжечь старую алюминиевую проводку в квартире.

А почему же раньше ничего не сгорало спросите вы?! Все просто, развязывающий трансформатор, который мы все это время использовали имеет номинальную мощность в 350 Вт. Кроме основной задачи развязать схему от сети 220, он выполняет функцию балласта, прямо как те лампочки, что были упомянуты ранее. Он все это время не давал превысить максимально допустимую мощность лестницы Иакова, защищая ключи от взрыва. В дальнейшем рекомендую смещать частоту генератора с резонанса, или использовать балласты от ламп ДРЛ, иначе будет трах-бабах.

Ремонтируем схему. Тут и драйвер сгорел, и стабилитрон на верхнем ключе, и сами ключи. Чтобы не расстраиваться каждый раз когда что то идет не по плану, рекомендую завести баночку и коллекционировать спаленные радио детали. Моя уже заполнена до краев, пора брать трехлитровую банку.

После продолжительной работы лестницы Иакова был выявлен один довольно существенный недостаток в разводке платы генератора. Площади радиаторов на транзисторах недостаточно для отвода выделяемого тепла. Пришлось нарастить их по высоте. Нагрев при этом составил 90 градусов. Можно поставить небольшой вентилятор для обдува. Назовем это расплатой за компактность.

Для справки. Съемка этого выпуска заняла порядка двух месяцев. Я старался изложить материал последовательно, в начале настройка схемы, а затем ее запуск на полную мощь. В противном случае вы спалите десяток довольно дорогих ключей, предохранителей и возможно обесточите квартиру. Еще и щупы мультиметра могут взорваться.

Как гласит Японская мудрость:
Не бойся, что не знаешь — бойся, что не учишься.

Архив с гербер-файлами и прочими полезностями

Наш Instagram

Одиночная железяка, помещённая в плазму, зарядится отрицательно: дело в том, что электроны легче и летают быстрее. Если их не отталкивать отрицательным потенциалом, то на электрод их прилетит больше, чем ионов. Так будет продолжаться, пока потенциал железяки относительно плазмы не станет равен электронной температуре, умноженной на 3.7 (в специфических ситуациях этот коэффициент может быть другим, но его можно посчитать) — тогда потоки электронов и ионов сравняются. Уже тут можно было бы назвать температуру, но обычно мы знаем не потенциал электрода относительно плазмы, а потенциал относительно другой железяки.

Раз так — подадим между двумя электродами небольшое напряжение. Один станет более отрицательным, и на него придёт чуть меньше электронов; другой положительным — и он соберёт чуть больше. Ионов на каждый из них всё равно придёт поровну. Разница между потоками электронов на более положительный и более отрицательный электроды формирует ток, и то, как быстро он увеличивается с ростом напряжения, определяется температурой электронов.

Другими словами, ваши электроды будут скользить по вот этой кривой [2] от точки, обозначенной как V_{fl}. Один вправо, другой влево; и чем горячее электроны плазмы, тем положе будет наклон кривой.

Отсюда же, к слову, можно взять плотность: ток, который вы получите при большом напряжении между электронами, ограничен тем, сколько ионов успевает прилететь к зонду; а это напрямую зависит от их плотности и скорости.

Если у вас больше денег, чем времени; и ваши задачи сравнительно стандартны, то можно использовать промышленно производимые зонды. Они, чаще всего, оптимизированы для технологической плазмы — той, что используется для травления полупроводниковых пластин или осаждения алмазоподобных плёнок. Плотность такой плазмы не очень большая, температура совсем низкая — меньше 100 тысяч градусов. И, самое главное, разряд горит долго и никак не меняется.

Промышленный зонд выглядит аккуратно:

Если в вашей установке от плазменной нагрузки плавится вольфрам, задача становится более изощрённой. На этой фотографии (через синее стёклышко — для глаза плазма малиновая, а проволочки разогрелись до жёлто-оранжевого свечения) нагрузка невелика, но зонд уже нагрелся до полутора тысяч градусов.

Если температуру и плотность повысить, то начинаются проблемы. Здесь, например, электроды расплавились, а изолятор потрескался:

Какое-то время можно хитрить, подставляя зонд в плазму на очень короткое время. Диагностики, быстро размахивающие тяжёлым электродом в вакууме, тоже бывают. Но к центру термоядерной плазмы им всё равно не добраться: зонд сгорит, а плазма остынет и загрязнится.

Значит, нужно измерять бесконтактно. Лучший метод для измерения электронной температуры — томсоновское рассеяние. Именно с таким термометром приезжали в 68-м году в Москву англичане. Сейчас такая система практически обязательна для больших плазменных машин. Суть в следующем.

Мы простреливаем плазму насквозь коротким и мощным лазерным импульсом. Все фотоны, влетевшие в плазму, имеют одну и ту же частоту. Какие-то из лазерных фотонов рассеиваются на электронах — и меняются с ними энергией. Значит, и частота рассеянных фотонов зависит от энергии рассеивающих электронов (и угла, на который отклоняется фотон). Рассеивается безумно малая доля излучения, но её можно собрать и разложить в спектр. Чем выше температура электронов, тем он будет шире; чем больше их концентрация — тем ярче будет рассеянный свет. Формул в посте не будет, чтобы оставить читателей в счастливом неведении. Вот схема такой диагностики [3]:

А вот ещё одна фотография того, как это всё выглядело на Т-3 (вдобавок к тем, что были в посте о токамаках):

Здесь ещё одна, более современная, с токамака KSTAR. Здесь не всё, здесь только лазер [4]:

А что, если нам интересны не электроны, а ионы? Тогда, скорее всего, придётся взять инжектор нейтральных атомов, знакомый по предыдущему посту. Большая мощность не обязательна, но вот энергия атомов должна быть стабильной.

Вот фотография пучка:

С пучком можно сделать многое. Например, посмотреть на рассеяние его атомов. Если атом столкнётся с ионом плазмы, он отклонится в сторону; и чем сильнее отклонение, тем больше энергии атом отдаст иону. Если бы все ионы стояли, то все рассеянные на одинаковый угол атомы имели бы одинаковую энергию. А если ионы тоже двигаются, то часть атомов потеряет больше энергии, а часть — меньше. Вот гифка:

А дальше мы можем измерить энергию прилетевших атомов и по её разбросу понять температуру того, на чём они рассеялись.

Можно поступить и иначе: посмотреть на энергию нейтральных атомов, получившихся из ионов плазмы. Здесь мы напрямую увидим, сколько ионов какую энергию имели; нужно только сделать из ионов нейтралы (а потом их поймать и измерить). В принципе, нейтралы возникают и сами; но лучше будет помочь им искусственной мишенью из того же самого диагностического пучка. Атомы с низкой энергией из плазмы уйти не успеют — ионизируются заново, не успев дойти до границы — но энергию быстрых частиц так измерить можно.

...и это только маленькая часть того, что мы можем сделать для измерений в плазме. Есть ещё, о чём рассказывать.

Ps. Баянометр рекомендует тег «Политика»; так вот, её тут нет.

Источники фотографий:

[1] https://www.euro-fusion.org/news/detail/detail/News/success-...

[2] https://pdfslide.net/documents/theory-electrostatic-probes.h...

[3] http://www.ipp.cas.cz/vedecka_struktura_ufp/tokamak/tokamak_...

[4] https://hep.kisti.re.kr/indico/getFile.py/access?sessionId=2...

[5] Лекции для студентов-плазмистов 4 курса.