17:21 

Об обещанном.

Fearen
Бродяга Дхармы.
Я давно обещал начать писать о том, чем мы занимались занимаемся. Так как я страшный лентяй, прокрастинатор и ещё куча других нелицеприятных эпитетов, то я ничерта так и не начал писать. Но так сложились обстоятельства, что мне надо бы накатать статью для бауманки, где я буду выступать зимой. Статью о нашем эксперименте. Я сидел и измышлял над ней, но опять же всё ленюсь (надеюсь это просто осень) и ничего никак не могу начать делать. Потому решил совместить сразу две вещи, выполнить обещание (ведь кому-то же интересно что мы делаем) и как-то структурировать мысли заново, чтобы потом из этого родить статью. Если кто-то осилит эту простыню, то советую отнестись к ней как к фанфику (ох как я их на самом деле не люблю). В том плане, что мне можно указывать на ошибки в стилистике (только учитывайте, что это всё должно быть сухим научным слогом написано, то что я буду разбавлять своими комментариями или вставками, в последствии будет удалено из самой статьи), в линейности и связности повествования (надо выражать мысль четко и связно, пока у меня это получается плохо). Хотя конечно, здраво поразмыслив, я понял, что пост будет по большей части для структурирования моих данных в голове, как черновик для статьи он будет слишком художественным что ли..? И да, если что-то непонятно - обращайтесь, я разъясню или напишу даже отдельный пост (только учтите всё вышесказанное, пост может задержаться).

Итак, начинают всегда с исторической справки, которая наводит читателя на мысль, а нафига мы вообще всё это делали. Так вот, в начале 20го века, двое американцев (фамилии которых я запомню наверное на всю жизнь), Кларен Айрон и Джеральд Вендт, решили поставить эксперимент по взрыву вольфрамовой проволочки. Собственно зачем? К тому времени был хорошо изучен спектр излучения нашего солнца и выяснилось, что спектральные линии тяжелых элементов в нем отсутствуют. Так же была довольно неплохо оценена температура на поверхности солнца, которая равняется примерно 6000 градусам Кельвина. Так как квантовой физики тогда ещё не было даже в зачатках, то они сделали довольно простой вывод - при высоких температурах тяжелые элементы разрушаются. Логичный в общем-то вывод, а значит надо его проверить, но как? Опять же, было известно, что при электровзрыве проводников в вакууме достигаются температуры плазмы до 20 тысяч градусов Кельвина. Дальше было просто, взяли максимально тяжелый доступный металл - вольфрам, собрали установку и начали взрывать.

Отдельно хочется упомянуть об их установке. Дело в том, что проволочки взрывают вот уже 100 лет и, потому, мы стартовали не на пустом месте, у нас была техника и подход. Однако, добиться такого качества постановки эксперимента, как у Айрона и Вендта, у нас не получилось и, я попробую, в дальнейшем, объяснить почему. Взрывная камера у них представляла собой кварцевую колбу со впаянными в неё тремя вольфрамовыми электродами. На двух, враспор крепилась проволочка (по своему опыту знаю, что крепить враспор тонкую вольфрамовую проволочку адовое занятие, как они умудрялись это делать, я представляю себе с трудом), третий нужен был для того, чтобы зажигать разряд для спектроскопического исследования продуктов реакции. Важно отметить, что впаивая электроды в кварц, они их автоматически как бы "остекловали", то есть из стекла высовывалась лишь маленькая часть электрода которая собственно и соприкасалась с проволочкой. Тем самым им удалось избежать многих мусорных факторов мешающих нам до сих пор. Вся остальная установка представляет собой нехитрую конструкцию, суть которой не изменилось до сих пор. Заряжается конденсатор и потом, при требуемом напряжении разряд подаётся на проволочку. Всего лишь 35 кВ, не так уж и много. Перед взрывом колба подготавливалась следующим образом: из неё откачивался весь газ ртутными (и это тоже важно) насосами, при этом колба, с целью обезгаживания в течение 15 часов нагревалась до 300 градусов, а через установленную проволочку подавался ток, который нагревал её до 2000 градусов. В итоге они очищали поверхность колбы и избавлялись от растворенных в кварце газов, в частности гелия, а так же избавлялись от растворенного в металле проволочки водорода (собственно мы к этому пришли далеко не сразу). После очистки, колба запаивалась и проводился эксперимент. Газ образовавшийся после взрыва подвергался спектральному анализу. По утверждению авторов работы, в каждом образце наблюдались характерные линии гелия, ртутный дуплет в зеленой области (это объяснялось загрязнением парами ртути от насосов), несколько нерасшифрованных линий в красной области и отсутствовали линии водорода. Последний факт указывает на тщательность подготовки эксперимента.

Понятно, что публикация подобных результатов вызвала сильный резонанс в научном сообществе. Но руливший тогда физикой Резерфорд высказал сомнения по поводу того, что такого напряжения могло бы быть достаточно, чтобы электроны индуцировали ядерные реакции. Он решил быстро проверить их эксперимент и стал стрелять пучками электронов по вольфрамовой мишени. Не смотря на то, что энергии электронов в его случае были выше, чем у Айрона и Вендта, никаких ядерных реакций он не пронаблюдал, о чем незамедлительно сообщил американцам. К сожалению уже к моменту публикации результатов Айрон был тяжело болен и через некоторое время скончался. Его аспирант, Вендт, пытался защищаться, намекая на то, что проведенный Резерфордом опыт не совпадает с их экспериментом, но что значили его слова против тогдашнего короля ядерной физики? Так их эксперимент и остался в забытьи. И вот что удивительно, тех пор никто даже не пробовал изучать газовые остатки после электровзрыва, никто даже не заинтересовался и не захотел перепроверить их результаты. Хотя взрывом проволочек занималось немало людей, всех их интересовало либо сильное электромагнитное поле возникающее при взрыве, либо фазовые переходы металла и поведение плазмы.

С исторической справкой пожалуй всё, но я не могу сказать, что нас заинтересовал электровзрыв проволочек (ЭВП) лишь только по этой причине. Есть ещё более тонкие рассуждения, которые навели нас на мысль (кстати я всё время говорю "нас", хотя моё участие во всём этом весьма мало, мне просто приятно чувствовать некую причастность к науке, на деле же рано мне ещё выдумывать теории, это удел больших дядинек-докторов наук). Это можно назвать полуисторической справкой, так как я попробую дальше рассказать историю о том, как появились другие предпосылки. К сожалению деталей тут значительно меньше и рассказывать буду сухо. *здесь пропущена длинная сюжетная линия, которая связывает расследование Чернобыльской аварии, взрыв урановых солей, звание лжеученого и ещё много чего, но это всё же спин-офф* Даже за вычетом этой истории начать мне придётся издалека. Ядерная физика изучает процессы происходящие в ядре (что логично), и учитывая, что электроны находятся на расстоянии в пять порядков (10^5) большем чем ядро атома, электронную оболочку в расчет не берут, а если и принимают. то скорее как поправочный коэффициент. Есть обратный вариант - физика плазмы, предметом её изучения является электронная оболочка ядра, а само ядро далеко и учитывается тоже как поправка. Но дело в том, что относительно недавние эксперименты (2003 и 2007 года, кажется, я не буду указывать источников сейчас, если кому-то интересно, я найду) показали, что на период распада ядра можно повлиять, хотя раньше эта характеристика считалась незыблемой. В чем собственно проблема? А всё из-за того, что атом всё-таки целостная конструкция и всё в нем взаимосвязано. Ободрав всю электронную оболочку можно сильно увеличить вероятность бета-распада, так как для нового бета-электрона полно свободных орбиталей, что сильно увеличивает вероятность его появления в ходе этого самого распада. С другой стороны, если очень сильно сжать электронную оболочку, то электроны своим электрическим взаимодействием с ядром просто разорвут его на части, вырвав альфа-частицу, то есть ядро гелия. Кроме всего прочего, наш научник со своим другом теоретиком пришли к выводу, что при наложении сильного магнитного поля на атом, сжимая его электронную оболочку, можно сильно увеличить количество свободных орбиталей на низких уровнях, не вдаваясь в подробности (а я их и не воспроизведу сейчас) просто поясню, что первая орбиталь как бы расслаивается и там становится возможным "сесть" практически бесконечному количество электронов, что опять же положительно сказывается на вероятности бета-распада. Моделируя возможные варианты подобного процесса для разных атомов не нарушая при этом основные законы сохранения в квантовой физике, Дмитрий Филлипов (наш теоретик) наткнулся на интересный факт. Во многих возможных реакциях в качестве одного из продуктов выступал гелий, поразмыслив над этим он пришёл к выводу, что оказывается возможно одновременное протекание альфа- и бета- распада. Поработав над этим выяснилось, что существуют такие атомы, для которых отдельно альфа- или бета- распад запрещен энергетически, однако одновременное протекание этих распадов выгодно! Среди таких атомов оказался например и вольфрам. И вот тут мы подходим собственно к нашему эксперименту.


К сожалению не последний вариант модификации установки заснят, мы там много ещё чего добавили, так что у нас там в комнате не протолкнуться особо было.

Собственно наш эксперимент мало отличается по своей сути от эксперимента американцев. У нас лишь гораздо больше диагностики и больше знаний, мы приблизительно знаем что ищем. Итак что собственно нам нужно показать и доказать? Доказываем мы пока лишь возможность одновременного альфа-бета-распада. Как это можно показать? Есть три очевидных решения: 1)Найти продукты реакции и показать, что вольфрама там нет или меньше чем должно быть, а значит он перешёл во что-то другое, это что-то другое тоже неплохо бы найти. 2)Найти бета-электроны образующиеся в ходе распада. Здесь проблема в том, что вольфрам сам по себе очень хороший эмиттер электронов и когда через него проходит ток, они оттуда летят в гигантских количествах, а значит определить именно бета-электроны не так-то просто. Однако способ есть, дело в том, что обычные, эмитированные электроны могут лететь как угодно и их спин может быть направлен в любую сторону, а вот электроны образовавшиеся в качестве продуктов реакции имеют четко выраженную поляризацию спинов и это в принципе можно померить, к сожалению довольно затруднительно. 3)Найти альфа-частицы образующиеся в ходе распада. С этим проще, они не проникают за пределы колбы, они достаточно большие чтобы их можно было просто считать. Проблема только в том, что они неотличимы от обычного воздушного гелия и сам по себе гелий легко растворяется в стеклах, а значит присутствует в них всегда. Мы пошли по третьему пути, так как он представлялся самым легким, а так же на него намекали результаты американцев. Следующий вопрос после выбора пути, а как же нам детектировать альфа-частицы? Есть 2 способа: 1)Масс-спектрометрический. 2)Оптический. Первый заключается в определении частиц по их массе, второй по оптическому излучению.

Всё же перед началом описания самих способов я опишу в общих чертах, как походил будничный эксперимент, прямо по пунктам от самого утра до возвращения домой. Приходя утром на работу, мы (вот тут уже конкретно мы, в последствии даже только я) включали всю установку и начинали откачивать оттуда натекший за ночь газ. Дело в том, что вакуум никогда не бывает абсолютным и всегда есть какие-то щели через которые в систему поступает газ, есть какие-то материалы которые начинают газить при высоком вакууме, потому что в них растворен какой-то газ. В общем утро начиналось с разгона системы, прокачки и очистки её. Кроме всего прочего нужно было запускать масс-спектрометры и их тоже прокачивать и доводить до хороших показателей вакуума, иначе они просто не будут работать, а это делается длительное время, так что включались они прямо рано утром. Взрывная камера в это время отсоединена клапаном от всей системы, её разбирали и устанавливали проволочку (диаметр варьировался от 10 мкм до 200 мкм, а длина от 20 мм до 80 мм), затем собирали обратно, после чего уже можно было откачивать и саму колбу. Когда вакуум во всей системе достигал приемлемого значения (что-то порядка 10^-5 Торр) запускали прогрев тлеющим аргоновым разрядом стенок колбы, это сдирало с неё воду и прочий налипший мусор (вы не подумайте что там были капли воды или грязь, нет конечно, но водяные пары, которые присутствуют всегда в воздухе, быстро оседают на стенках и при взрыве могут повлиять на чистоту эксперимента). Прогрев и очистка колбы занимала несколько часов, после гашения аргона, на проволочку подавался ток и она разогревалась примерно до 2000 градусов, теперь уже газить начинала она. Как я уже упоминал, в металлах хорошо растворяется водород, а лишний водород нам не нужен. Прогрев занимал ещё час или около того, тут, кстати, был шанс неплохо так лопухнуться и, дав слишком сильный ток, порвать проволочку. Это означало бы, что надо начинать всё с установки новой проволочки и начинать заново всю очистку. После часа прогрева, практически сразу начинался сам эксперимент. Взрывали проволочку либо прямо разогретую, либо всё же остужали, а потом взрывали. Мы пробовали играться с разными параметрами. Непосредственно перед самым взрывом перекрывали клапан, который соединял колбу со всей остальной вакуумной системой, ведь нам же важно сохранить газ. Стоит упомянуть, что все кто взрывают проволочки сейчас взрывают на открытом клапане, так как так не надо переживать о чистоте вакуума, газ никто не смотрит. Сразу после взрыва часть газа отбиралась на пробу в масс-спектрометры (около 10-20%). Остальной газ мы пробовали возбуждать разными типами разрядов и смотреть спектр излучения. Разряды пробовали самые разные, эффективность сильно различалась, плюс никогда не было понятно какую выдержку для пленки выбирать и надо ли ставить фильтры, чтобы не пересветить. После всех этих извращений газ скачивался течеискателем (о нем, а так же зачем мы это делали я напишу позже). Дальше мы оставляли камеру в покое и ждали пока из стенок продиффундирует забившийся туда гелий. Конечно это только по нашим предположениям так, но если альфа-частицы рождаются в ядерной реакции, то они вылетают с определенной энергией и забиваются в стенки камеры, откуда со временем могут выдрейфовать обратно в колбу или наружу. Конечно же, кроме диффузии есть ещё и натекание газа из атмосферы, так как полностью избавится от течей невозможно. Уровень натекания мы со временем стали очень точно контролировать (это была моя идея), что принесло нам плоды в виде интересных зависимостей, но это всё я расскажу чуть позже, в разделе о масс-спектрометрических диагностиках. Примерно час-два натекал газ, после чего мы снова его исследовали. Такие этапы натекания и скачки продолжались в течение оставшегося дня, обычно получалось 3-5 скачек с промежутком в час. Как можно больше параметров заносилось в журнал и базу данных, после мы это всё анализировали и пытались проследить зависимости.

Начну я с оптических диагностик, так как там особых нововведений нету и они достаточно просты. Есть несколько стандартных приборов, которые световое излучение раскладывают на спектральные линии, мы применяли два типа: УМ-2 (универсальный монохроматор) и спектрограф СТЭ-1 (к сожалению как расшифровывается не знает даже гугл). И вот всю бы хорошо, да только отношение разрешения к светосиле это постоянная величина, то если СТЭ-1 снимает линии с хорошим разрешением, то светосила у него никакая и часто вспышки от взрыва не хватает для того, чтобы различить и проанализировать спектр. В то время как у УМа светосила просто отличная, часто даже пересвечивали пленку, однако вся длина спектра (а это включает в себя весь видимый диапазон +ИК и УФ) умещается в стандартный кадр пленки, что не позволяет точно определить какая линия какому элементу принадлежит, особенно если полезли какие-нибудь молекулярные спектры. Светосилу приборов мы конечно постарались (и нам это удалось) улучшить довольно оригинальным способом. Так как цвета нам не нужны (снимали мы на ч/б пленку, да и итак ясно какая линия в какой примерно зоне находится), то мы к выходному отверстию приборов присоединили ЭОПы (электронно-оптические преобразователи, проще говоря приборы ночного видения). Естественно просто так, на глаз не определить какая линия где находится, так что на той же пленке предварительно снимались калибровочные известные спектры с ламп типа ртутно-гелиевой и водородной.

Спектр мы снимали как во время взрыва, так и в последствии возбуждая разрядом получившийся газ. Ожидать спектральные линии гелия прямо во время взрыва было довольно глупой идеей, так как альфа-частица просто не успевает родиться, набрать себе электронов, возбудить электронную оболочку и излучить фотоны, так что спектр во время взрыва был скорее обзорный, но там нашлось несколько интересных моментов. Например после отказа от пленки и перехода на ПЗС-линейки (почти тоже самое что эти ваши матрицы в фотоаппаратах) мы смогли расшифровать те самые непонятные линии, это оказались линии кислорода и иона углерода. Почему именно иона - не понятно, можно конечно всё это списать на загрязнения колбы (углерод так или иначе в системе будет присутствовать всегда), но есть интересный факт из-за которого эти линии сразу отбрасывать не стоит. Есть такая редкая штука как кластерный распад, когда при распаде ядро не выпускает стандартных частиц, а разваливается на очень большие куски, чаще всего этими большими кусками являются углерод, азот и кислород. Маловероятно конечно, но не стоит отбрасывать такую возможность.

Спектр снимаемый уже после взрыва, когда мы возбуждали газ разными типами разрядов практически не дал результатов, сейчас объясню почему. Этому помешало несколько факторов. Во-первых газа, образовавшегося после взрыва довольно мало, всего каких-то 50-150 Па. Во-вторых, как показала масс-спектрометрия, большую часть этого давления создаёт водород, который, ко всему прочему, ещё и очень легко переходит в возбужденное состояние, чем собственно и забирает всю энергию, не оставляя ничего гелию. В итоге в разряде мы видим всё что угодно, только не гелий. Хотя пару удачных снимков у нас есть, но этого недостаточно и воспроизвести результат никак не получается.

Кроме оптической спектрометрии мы использовали ещё рад оптических диагностик, чтобы исследовать общие характеристики поведения света при взрыве. Натолкнулись на очень интересные факты, объяснения которым до сих пор не нашли. Например мы с помощью лавинного фотодиода исследовали интегральную характеристику светового излучения (читай: поведение света во времени). Данные с фотодиода выводились на экран осциллографа, ничего особенного в принципе в этом нет. Да и никаких интересных данных там никто и не видел ни до нас, ни мы сами сначала. Когда кто-либо смотрит поведение света во времени его ведь интересует лишь тот небольшой промежуток времени в момент взрыва, ведь логично, что после того как уже нет тока, уже нет проволочки, то и светить нечему. Ну и временная развертка на осциллографе всегда стоит небольшая. Однако как-то научник заметил, что в ноль показания фотодиода не уходят, график конечно спадает резко, но при такой развертке не заметно чтобы его хвост всё-таки пришёл в ноль. Из праздного любопытства на следующем взрыве мы сделали развертку по времени значительно больше и... увидели второй пик света примерно через 2 миллисекунды после взрыва (по меркам ядерной физики это века), когда уже ничего быть не должно. Этот пик, хоть и не выше по яркости света, но излучения в нем гораздо больше, так как он сам по себе продолжительнее первого. Это нас несколько удивило, затем мы заметили, что второй пик света появляется не всегда. Зависимость выяснилась довольно быстро. Второй пик света появляется только на достаточно толстых проволочках, то есть если мы взрываем проволочку 70 мкм, то второго пика нет, однако уже на 130 мкм, он появляется. К сожалению 100 мкм проволочки у нас не было, поэтому найти переходный момент у нас не получилось. Что там может светить, так долго и интенсивно - не понятно, единственное предположение было высказано, кажется кем-то из наших "мастодонтов". Кто-то когда-то читал статью, про самолюминисценцию кварца при механическом воздействии на него. Хотя объяснение выглядет малоправдоподобным, так как удар должен быть очень сильным, даже разлетающиеся куски проволочки с очень большой скоростью вряд ли могут такое сделать.

Ещё у нас была скоростная камера, до 3000 кадров в секунду, запись с неё практически неинформативна, но зрелищна. А так же блок скоростного фотографирования с 10 наносекундной выдержкой, который представлял собой 3 объектива с ЭОПами прикрепленными к ним. Как мы достигли такой выдержки? ЭОП работает только при подачи на него 10 КВ, без напряжения он работает скорее как заглушка на объектив, ну а дальше дело за малым, сделать так, чтобы он включался лишь на короткий промежуток времени в момент взрыва, что и было реализовано. Сигнал на запуск подавался с той же линии, которая запускала разрядник. Задержка между объективами регилировалась тупо длиной кабеля между ними из расчета 1 м кабеля = 5 нс задержки сигнала. Картинки получались для нас не особо интересные, но физикам плазмы, которые этим всю жизнь занимаются, всегда было интересно. Ну тем кто не из нашей команды конечно.


Однако же, пост получается ужасно длинным, и я сомневаюсь что кто-то его осилит. Но удлинять его ещё больше на данный момент представляется мне плохой идеей, так как это лишь ещё больше уменьшит шанс того, что кто-то это всё же прочтёт. Так что пусть это будет первая часть, а вторую я напишу завтра. А сейчас я двину спать.

УПД: Добавил вторую часть. Ощущаю что пишу фанфик. х) Тяжело собрать это всё в одно прямое повествование не срываясь куда-то вдаль по ответвлениям смысловым.
запись создана: 04.10.2012 в 02:37

@темы: наука, понимание мироздания

URL
Комментарии
2012-10-04 в 12:32 

Stigravian Shaderstill
мизантроп-затейник
Неплохо так люди лампочки повзрывали ))

2012-10-04 в 12:33 

Fearen
Бродяга Дхармы.
Stigravian Shaderstill, я сейчас ещё допишу про то как мы их повзрывали.

URL
2012-10-04 в 17:23 

Lunnij krolik
Время любого бессилия кончилось. Нужно держаться легко и прямо.
Очень познавательно, только вот все тонкости гуманитарию непонятны:walkman:

2012-10-04 в 17:25 

Fearen
Бродяга Дхармы.
Lunnij krolik, о тонкостях всегда можешь спросить меня напрямую. Я очень разговорчив если есть сладости и чай =D

URL
2012-10-04 в 17:27 

Fearen
Бродяга Дхармы.
Lunnij krolik, я удивляюсь, что это кто-то вообще осиливает. Надо разбавить картинками что ли... Но все картинки надо искать где-то далеко-далеко.

URL
2012-10-04 в 17:27 

Lunnij krolik
Время любого бессилия кончилось. Нужно держаться легко и прямо.
Fearen, смотри, сам не знаешь на что подписался)

2012-10-04 в 17:50 

Stigravian Shaderstill
мизантроп-затейник
Неплохо так вы себе фотостудию устроили ))

2012-10-04 в 17:58 

Fearen
Бродяга Дхармы.
Stigravian Shaderstill, ну я там кстати научился пленку проявлять х) Правда не цветную, но цветную и не надо было.

URL
2012-10-04 в 18:34 

Maranwet
Малый Амортизатор Шумовых Античастиц
До вопросов явно не доросла, но интересно очень! С удовольствием буду ждать продолжения )

2012-10-04 в 18:53 

Lunnij krolik
Время любого бессилия кончилось. Нужно держаться легко и прямо.
сюда бы картинок добавить:shuffle2:

2012-10-04 в 20:04 

Fearen
Бродяга Дхармы.
Lunnij krolik, ну одну добавил, и одно видео, правда оно ведет на фейсбук, не факт что все могут посмотреть, мб залью на ютуб.

URL
2012-10-04 в 20:04 

Fearen
Бродяга Дхармы.
Maranwet, вопросы - это когда что-то непонятно и хочется понять, тут нельзя недорости =)

URL
Комментирование для вас недоступно.
Для того, чтобы получить возможность комментировать, авторизуйтесь:
 
РегистрацияЗабыли пароль?

Где-то на просторах Мегаструктуры

главная