Когда я говорю знакомым, что работаю с жидким гелием, мало кто вспоминает о том, что температура его кипения всего лишь на 4 градуса выше абсолютного нуля. Естественная реакция обычно: "ой, вы наверное там все смешными голосами разговариваете". Летописи истории нашей лаборатории хранят память об одном студенте, который тоже знал, что если подышать гелием, то будешь разговаривать смешным высоким голосом. Чего он не учел, так это того что для этого в легких кроме гелия должен быть еще и кислород. На глухой звук упавшего тела прибежал сотрудник, и вроде бы все обошлось. У нас вообще любой хлопок или резкий звук вызывает бурный интерес со стороны населения отдела. Начальники высовывают головы, кто-то прибегает с испуганным лицом, а затем облегченно расстраивается, что ничего серьезного не произошло. Если конечно действительно не произошло.

За несколько лет только у меня на счету два взорванных вакуумных шланга, заклинивший насос, взорвавшаяся груша, перешедший магнит и пара забившихся азотных ловушек. Волей неволей начинает развиваться паранойя, знаете ли. Во время эксперимента прислушиваешься к любому шороху, потрескиванию и изменению в шумовом фоне. Был один студент, который сидел у меня за спиной, и, когда у него что-то не получалось, он с придыханием выдыхал, издавая характерный звук "пшшшщщщщщ". Первый раз я знатно испугался и подорвался все проверять. На второй раз я понял в чем дело и чуть было его не убил. А сегодня вот немного распогодилось, и птички запели. Минуты две интенсивно искал источник подозрительного свиста.

Но зачем нужны криогенные жидкости, кроме того чтобы взрывать пластиковые бутылки, замораживать тараконов и прочих шалостей? Основных криогенных жидкостей две — гелий и азот. Азот, из-за своей невероятной дешевизны, применяют как в науке так и в быту. Например в медицине и салонах красоты. Недавно видел, как дама на бентли, видимо хозяйка одного из таких салонов, приезжала к нам на станцию за азотом. Так что дело видимо прибыльнее научных изысканий. Кажется есть еще стартаперы, которые делают криогенное мороженное, но они явно на бентли не катаются. В криогенной науке же азот нужен, чтобы тратить меньше гелия.

Жидкий гелий позволяет достичь предельно низких температур — 4.2K без особых усилий, и до 0.4К если взять жидкость состоящую из одних изотопов Не3 и сильно понизить давление. Т.е. исследования фактически ведутся вблизи абсолютного нуля. Жидкий гелий применяется в сугубо исследовательских целях, и нужен он по двум основным причинам. Во первых большинство тепловых процессов сильно нелинейно зависят от температуры, поэтому чтобы получить важную информацию, необходимо опускаться до самых низких температур. Во вторых, для создания сильных магнитных полей, используются сверхпроводящие магниты, работающие только при гелиевых температурах. Думаю многие слышали о буме высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), попытках заставить их работать в нормальных условиях, левитирующих поездах и прочем. Большая часть таких материалов действительно функционирует уже при температуре жидкого азота (77К), однако все не так просто. Дело в том что сверхпроводимость разрушается при протекании большого тока. Так вот ток, при котором она пропадает, в ВТСП обычно в сотни раз меньше, чем этот же параметр в реально используемых материалах. Кроме того, для экспериментов обычно требуется высокая однородность поля, которую почти невозможно получить с помощью ВТСП. Вот и получается, что почти любая уважающая себя экспериментальная лаборатория должна иметь доступ к жидкому гелию.

Давайте теперь представим, что вы захотели сделать какой-нибудь низкотемпературный эксперимент. Да нет, не качели на морозе лизнуть, у нас все по-взрослому. Что для этого понадобится? Да не кочели говорю же. Нужен огромный термос, в который вы нальете свою жидкость. Однако, этот термос будет не совсем обычный. Гелий — черезвычайно нежная жидкость, если посильнее пнуть сосуд в котором он находится, может начаться лавинообразное испарение и вся жидкость самоустранится. Хорошо если пнувший успеет убежать. Обычный сосуд Дьюара, он же термос, имеет вакуумную прослойку, которая сильно ограничивает его взаимодействие с окружающей средой. Для хранения гелия этой просто конструкции недостаточно и обычно добавляются "азотные экраны". Любое тело, в том числе и стенки сосуда, обладает тепловым излучением, и в случае хранения гелия даже этот слабый перенос тепла оказывается существенным. Поэтому делают два вакуумных слоя, а между ними помещают жидкий азот.

Прежде чем заливать гелий в наш необычный термос (криостат), нужно охладить его жидким азотом. Рыночная стоимость литра гелия ~1к, на заливку криостата уходит 8-10 литров. Если охлаждение производить от комнатной температуры затраты вырастут в десятки раз. Правда такой процесс создает одну интересную проблему. Азот при темепературе жидкого гелия становится твердым и уменьшается в объеме, конечно не так опасно как вода (которая расширяется при заморозке), но тоже может привести к очень неприятным последствиям. Поэтому, примерно через пол часа, азот нужно выкипятить, а криостат хорошо откачать от его паров. Для этого внизу находится небольшой резистор, на который загоняется несколько сотен ватт, с неприметной, но жужжащей коробочки.

История помнит, об одном внимательном дипломнике, который эту милую коробочку забыл выключить. Потратив все 40 литров гелия из банки, он позвал старшего товарища, со словами "почему-то не заливается". Забавно, но металическая труба, идущая под 4х метровым потолком и обмерзшая примерно до середины, его нисколько не смутила. Поэтому невнимательные у нас особенно не задерживаются, и думать приходится над каждым совершаемым движением. Самое страшное всегда делается на автомате, поэтому лучше 6 раз проверить положение одного и того же крана, чем откачать всю гелиевую сеть.

P.S. Относительно старый текст, про работу в лаборатории, которой я посвятил без малого 10 лет жизни. С этим текстом вышла достаточно забавная история. Однажды я пришел в лабораторию и увидел свой текст, распечатанный на листе А4, висящим на магнитной доске на кухне. К общей абсурдности ситуации добавлялось то, что текст был почему-то переведен на английский. Для анонимного автора луркопаба такая публичность была примерно на равне с вычислением по айпи, поэтому я решил никак это не комментировать и не выдавать себя. Мужик, который распечатал этот текст, намекал на то, что он знает автора, и хотел бы чтобы автор сам подписался. При этом он сам был хранителем части историй упомянутых в тексте, поэтому, думаю, он мог легко вспомнить кому он их рассказывал. Но то, что текст был на английском дало мне надежду, что он знает какого-то другого автора, поэтому я так и не раскололся. Текст провисел на кухне несколько месяцев, и каждый раз заходя туда за чаем я немного кринжевал (хотя такого слова тогда еще, конечно, не изобрели).

P.S.S. Выкладываю свои архивные тексты, канувшие в небытие вместе с пабликом "Луркопаб Alive". Больше в тг.

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):

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.

А вот так она выглядит без тюнера и каплеров:

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:

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:

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:

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:

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

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:

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.

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:

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).

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.

Проблема в том, что на Земле этого вещества крайне мало, зато оно есть на Луне. Некоторые страны уже рассматривают возможность добычи гелия-3 с лунной поверхности, видя в нём источник энергии для всего человечества.

Например американский стартап Interlune планирует представить первую установку по извлечению гелия-3  в 2028 году. Если все пойдет по плану, к началу 2030-х компания рассчитывает получать доход от $500 млн в год благодаря добыче изотопа, и дальше эта цифра продолжит расти.

Больше интересных новостей из мира энергии и энергетики в телеграм-канале ЭнергетикУм