5-13. Чем занимаются секретные физики

Вам представлен небольшой рассказик о каком-то этапе моей жизни.
Я назвал такие рассказики вспоминашками. В них всё правда.
Они относительно хронологичны и, соответственно, пронумерованы.
В принципе каждая вспоминашка имеет свой особый сюжет и имеет смысл сама по себе.
Но иногда в рассказе может быть что-то не совсем понятно, если вы не знакомы с предыдущими. Поэтому, лучше читать подряд.
Всего имеется пять разделов:
1. 1956-1964. До школы. Школа № 10;
2. 1965-1973. Школа № 4. Школа № 2;
3. 1973-1977. Учёба в институте;
4. 1978-1980. Армия;
5. Школа. Институт (1980-1982).
   Стажировка (1982-1984).
   Аспирантура (1984-1987)
   Институт (1987-1994).
   Сибирь (1994-1999).
В названии вспоминашки первая цифра - номер раздела,
второе число - номер вспоминашки в разделе.
Пока общее число вспоминашек - 77.
---------------------------------------------------

5-13. Чем занимаются секретные физики
в своих секретных лабораториях

Чем же я занимался в научной лаборатории физического факультета МГУ?  Если кому-то хочется, наконец, узнать, чем занимаются эти очкастые ненормальные физики-экспериментаторы в своих лабораториях, то милости просим. Возможно, гуманитариям будет немного скучновато, но, если кто-то дочитает до конца и не уснёт, тому, как говорит мой внук, респект и уважуха.
 
Я напомню, что Никитин руководил научной группой, которая занималась магнетизмом редкоземельных металлов (РЗМ) и их сплавов. Они также называются лантаноидами, потому что в таблице Менделеева они все находятся в клетке элемента лантана, имеют практически одинаковые химические свойства, и, чтобы не теснить их друг на друге, их вынесли в отдельную строку. А вот физические свойства лантаноидов разные. Например, они проявляют обалденно интересные и необычные магнитные свойства, но, как правило, при очень низких температурах. Этим мне и предстояло заниматься.

Первая задача, которую поставил передо мною Никитин, было исследование магнитокалорического эффекта в сплаве тербия, диспрозия и железа — Tb-Dy-Fe. Не пугайтесь, сейчас всё объясню.  Тербий и диспрозий — это как раз из компании пресловутых лантаноидов. Ну, а железо, оно и в Африке железо.
 
В этой лаборатории я тогда впервые услышал это замечательное слово
 — магнитокалорический эффект. Сам то этот эффект довольно прост.  Представьте, например, что мы поместили кусочек железного гвоздя в место, где можно резко включать и выключать магнитное поле.  Это место может быть внутри электромагнита.  Оказывается, что при резком включении магнитного поля этот кусочек железа будет немного нагреваться, а при резком выключении — охлаждаться.  Это и есть магнитокалорический эффект (МКЭ). Вы спросите, а где этот МКЭ можно использовать в народном хозяйстве? Ну, в перспективе, в будущем возможно, например, создание на основе этого эффекта каких-нибудь крутых холодильников или чего-то подобного.
 
Мне был выдан небольшой кусочек, конечно же не гвоздя, а уже вышеупомянутого сплава тербия, диспрозия и железа размером 8;5;4 мм. Причём МКЭ в сплаве нужно было измерять, постепенно двигаясь от температур жидкого азота, а это где-то минус 200 °С до температур комнатных и даже выше.
 
Тут почти всё упирается в измерение температур. Естественно, что эти измерения проводятся не теми термометрами, которые мы суём себе под мышку, когда у нас течёт из носа. Эти измерения проводятся при помощи так называемых термопар.
 
Если не вдаваться в принципы работы, а говорить о её устройстве, то термопара устроена просто, как валенок. Это три куска проволоки, соединённые между собой, причём два куска из одного металла, а третий — из другого. Для тех температур, о которых я написал, лучше всего подходит термопара, у которой два куска — это медные провода, а третий кусок — это провод из сплава, называющегося константан. В лаборатории для изготовления подобных термопар имелись большие мотки тонких специально проградуированных медного и константанового проводов. Одно место соединения проводов помещается туда, где мы собираемся мерять температуру, в нашем случае — плотно вставляется в образец, а другое место соединения желательно поместить туда, где создана постоянная фиксированная температура. Практически всегда это смесь льда и воды, имеющая, как известно, температуру 0 °С. Ну, а два медных провода подключаем к вольтметру. 
Напряжение, которое покажет вольтметр, будет тем больше, чем больше температура спая на образце. Имеется график, по которому эти вольты тупо пересчитываются в градусы. Вот и вся недолга.

Сначала я научился, точнее меня научили, изготавливать эти самые термопары. В первую очередь провода, медный и константановый нужно тщательно перевить между собой. Ну, типа того, как сейчас делается витая пара. Это делается для того, чтобы уменьшить влияние помех при резком включении и выключении магнитного поля. Сам процесс перевивания проводов оказался довольно прост. Берутся по паре метров двух проводов — медного  и константанового и складываются вместе. Один конец этой парочки зажимается в патрон дрели. Дальше работают двое. Один человек держит провода за оставшиеся концы, второй берёт дрель и, слегка натянув провода, включает её на малые обороты. Секунда — и мы имеем плотно и красиво переплетённые провода.
 
Следующим номером программы по изготовлению термопары является сваривание медного и константанового проводов. Именно сварка, а не пайка, даёт надёжное и хорошее их соединение. Для этого дела в лаборатории была жестяная банка из-под растворимого кофе, в которой, естественно, находился графитовый порошок. От источника питания к этой банке подавался минус небольшого напряжения. Плюс подавался на один конец свитого провода. Второй конец свитого провода при помощи хорошо изолированного пинцета аккуратно подводился к графитовому порошку. В месте касания возникала небольшая красивая электрическая дуга, и там появлялась маленькая капелька расплавленных проводов. Провода надёжно сваривались друг с другом. Потом эта операция повторялась с другим концом термопары. Оставалось только разрезать медный провод для подключения к вольтметру. Итак, термопара, как таковая готова и может измерять.

Готова то, готова, но для измерения МКЭ в образце необходимо выполнить ещё ряд действий. Во-первых, в образце необходимо проделать небольшое цилиндрическое углубление, в которое должен быть плотно вставлен один из спаев термопары.
 
Во-вторых, спай термопары пока представляет собой твёрдый медно-константановый шарик диаметром миллиметра полтора. Для плотного контакта с образцом нужно превратить этот шарик в цилиндр, практически совпадающий по диаметру с диаметром углубления в образце. Так-что, флаг, точнее, надфиль, вам в руки, стажер, и вперёд. Превращайте шарик в цилиндр. Довольно долгое и нудноватое занятие. Поработал надфилем, посмотрел в увеличительное стекло, померил микрометром — и дальше. Только, не умудрись лишнюю долю миллиметра сточить. Придётся всё начинать заново.
 
  Кстати, и то, что было во-первых, не такая простая вещь. Казалось бы, бери маленькое свёрлышко, да и высверли небольшое цилиндрическое углубление в образце, чтобы в него плотно вставить, или, как говорила Елена Владимировна, «вчеканить» спай термопары. Но дело в том, что это невозможно. Сплав Tb-Dy-Fe такой твёрдый, что ни одно сверло его не возьмёт. Тут мне пришлось освоить ещё одну технологию. Сверление при помощи ультразвука. В лаборатории стоял небольшой специальный аппарат для такого сверления. Принцип ультразвукового сверления следующий.  В аппарате имеется проволочка диаметром 1 мм, которую вынуждают совершать колебания вверх-вниз с ультразвуковой частотой — более 20 тысяч колебаний в секунду. Под этой проволочкой закрепляется образец, в котором нужно проделать отверстие. В области образца и проволочки делается ванночка (я лепил её из пластилина), в которую наливается простая вода. Потом в воду насыпается небольшое количество мелкого твёрдого порошка.  Когда аппарат включается, и проволочка начинает вибрировать, то частички порошка, которые бьёт проволочка, летят вниз и бьют в нужное место образца под проволочкой и выбивают в образце отверстие с диаметром, равным диаметру колеблющейся проволочки, то есть 1 мм. Визуально это выглядит, как будто вода с порошком кипит. Там есть ещё определённые нюансы, но главный принцип я, вроде, описал.
 
Итак, мы с вами ультразвуковой сверлилкой сделали в образце углубление диаметром 1 мм и глубиной миллиметра полтора. Потом в это углубление плотно вчеканивается заранее подготовленный правильно обточенный спай термопары. Второй спай термопары помещается в небольшой термосик со смесью льда и воды, а медные провода термопары подключаем к вольтметру. Кажется, что осталось поместить образец в электромагнит — и вперёд. Это почти так. Но на этот тортик осталось положить две вишенки: вакуум и печку.
 
Вакуум. Приготовленный нами образец помещается в специально сделанную для данной установки стеклодувами физфака стеклянную вставку, из которой вакуумными насосами перед измерениями откачивается воздух.
 
Печка. На внутреннюю стенку этой вставки наматывается нихромовый, как в старых электрических плитках, провод. На этот провод может подаваться регулируемое напряжение. Этот провод нагревает образец, и, поэтому, часто его называют печкой.
 
Итак, вставка с образцом готова к измерению МКЭ, и мы тащим её к электромагниту.

А между полюсами электромагнита эту вставку уже ждёт специально изготовленный для этого дела стеклянный сосуд Дьюара с посеребрёнными стенками или по-простому — термос. Вставка с образцом вставляется в сосуд Дьюара, и всё это хозяйство ставится и закрепляется так, что образец находится между полюсами магнита в области сильного однородного магнитного поля.
 
Наливаем в сосуд Дьюара жидкий азот и ждём, пока образец не охладится до его температуры, напоминаю, около минус 200 °С. С помощью вольтметра, подключённого к термопаре, измеряем температуру образца. Потом резко замыкая ключ, даём ток в электромагнит. Магнитное поле в области образца резко увеличивается. Вследствие МКЭ температура образца немного меняется. Это где-то около градуса. Записываем. Потом резко выключаем ток, и опять записываем изменение температуры образца. При окончательной обработке эти показания усредняются.
 
После этого даём небольшой ток на печку. Температура немного поднимается и, когда она стабилизируется, мы её измеряем и опять, резко включая и выключая ток через электромагнит, измеряем МКЭ при этой температуре. Потом ещё повышаем температуру, потом ещё, ещё, и доходим до комнатной или даже немного выше. Все результаты тщательно записываются в таблицы. По этим таблицам строятся графики, проводятся какие-то дополнительные расчёты. Потом наступает пора сопоставления того, что ты намерял, с теорией. Шеф посылает тебя в библиотеку, перерываешь там кучу реферативных журналов, читаешь какие-то нужные статьи. Так, потихоньку, появляется материал, который сначала оформляется в виде статьи, а потом войдёт в диссертацию. Время, проходящее от измерений до публикации статьи в журнале, чаще всего не меньше полугода.  Но зато как я был горд, когда в солидном журнале «Физика металлов и металловедение» в сентябре 1984 года появилась первая статья, где среди авторов была моя фамилия, и был приведён график измерений МКЭ, которые я сделал своими руками. График — красавец, отвечаю. Другие кривые не мои, Валеры Шубина.

Кстати, когда я первый раз увидел статью, у меня глаза на лоб полезли. Моя фамилия стояла перед фамилиями Никитина и Талалаевой. Оказывается, в научной группе Георгия Ивановича Катаева, с которой статья была написана совместно, (эта группа была в дружеских отношениях с нашей группой Никитина, а Валера Шубин был аспирантом Катаева) было принято писать авторов по алфавиту, невзирая на чины и звания. Кстати, сам Георгий Иванович Катаев был двоюродным братом того самого знаменитого Катаева, который написал книги, зачитанные мной в детстве до дыр — «Белеет парус одинокий» и «Хуторок в степи» из серии «Волны Чёрного моря» про одесских мальчишек Петю и Гаврика.

Позже, в аспирантуре, из лаборатории 3-46 Никитин перевёл меня на другую установку в лабораторию 2-64, где я измерял влияние высокого давления на намагниченность тербия и диспрозия. Там была своя специфика, но тоже было жутко интересно.
 
Ну, вот, я и раскрыл некоторые секреты секретных физиков. Надо сказать, это только маленький кусочек, того, что называется научная работа в экспериментальной лаборатории.  И поверьте, что это очень и очень увлекательно!

    Продолжение следует.
    Следующая вспоминашка:
     «5-14. Как мы чуть не сожгли МГУ»