КейсыСегодня кейсов в Базе - 66

В 90-х годах XX века в России широко внедрялись медицинские приборы на основе  сверхпроводимости для высокоточного измерения флуктуаций магнитных и электрических полей в теле человека. Сверхпроводимость достигалась охлаждением электрических проводников до температуры жидкого гелия (–259°С). Один из таких приборов – магнитометр – достался и нашей научно-исследовательской лаборатории. Мы исследовали его как прототип на предмет со здания промышленного образца отечественного производства.

Магнитометр представляет собой термос размером с человека (см. рис. 1.1). Он многослойный – внутри прочнейшего корпуса есть вспененный слой теплозащиты, вакуумное пространство, зеркальные экраны для отражения ИК-излучений и сама колба с жидким гелием.

Жидкий гелий стоит дорого. Поэтому перед тем как закачать его, термос в несколько итераций охлаждали жидким азотом (–196°С). И все равно такого охлаждения было недостаточно: когда мы заливали гелий в термос, он сильно испарялся и бурлил еще сутки. За это время внутренняя колба термоса охлаждалась до температуры жидкого гелия, и затем наступала стадия спокойного испарения. И только тогда можно было начинать эксперименты по измерению магнитного поля.

Мы провели испытания, и в целом магнитометр нас устроил. Кроме одной «мелочи» – были претензии к уровнемеру – электрическому прибору, который измерял уровень жидкого гелия и работал на принципе сверхпроводимости. Основной элемент уровнемера – сверхпроводник, который находится непосредственно в колбе с жидким гелием. Его общее сопротивление зависит от того, какая часть проводника погружена в жидкий гелий, а какая часть находится в газообразном гелии.

Уровнемер, как выяснилось, имел следующие недостатки:

•  Точность  измерения  очень  низка. Причем самую низкую точность измерения уровнемер давал, когда гелия оставалось меньше 15 процентов, – ему вообще нельзя было верить, а именно в это время нам нужны самые точные его показания.

•  Уровнемер надо выключать, так как в активном режиме часть гелия испаряется – мы тратим часть дорогого гелия на то, чтобы измерить сколько его осталось!

•  Стоил уровнемер несколько тысяч долларов. Мы же хотели производить аналогичный прибор со значительно меньшей себестоимостью.

Можно ли измерить уровень жидкого гелия другим способом? Поразмышляем…

По сути, термос – это черный ящик, куда нельзя заглянуть и категорически нельзя вводить посторонние вещества и энергию. Может быть, термос можно взвешивать? Нет, затруднительно: вокруг термоса куча проводов, шлангов, трубочек – это все будет вносить искажения. Пока откладываем это решение и ищем еще.

В идеале гелий сам должен сообщать, сколько его осталось. Без посторонних устройств, без проводов и дополнительного испарения.

Я представил себе бутылку с жидкостью. Больше жидкости, меньше… И вдруг вспомнил, как в детстве пил лимонад прямо из бутылки и дул в горлышко, чтобы создать звук. Звук всегда был разным и зависел от количества лимонада: меньше лимонада – звук глухой, больше – звонкий. Вот и идея – надо каким-то образом дуть внутрь термоса через отверстие, из  которого выходит  газообразный гелий, и измерять частоту выходящего звука. А если не дуть, а использовать внутренние ресурсы, которые в системе уже есть? Точно! Гелий постоянно испаряется, попросту говоря, кипит. Это значит, что шума в колбе с гелием предостаточно. И внутри колбы в замкнутом пространстве будет образовываться стоячая звуковая волна. Остается только поставить микрофон в струю выходящего гелия и построить график зависимости частоты звука от уровня гелия (см. рис. 1.2).

Я подошел к термосу, в котором оставалось немного жидкого гелия, чтобы продумать идею с микрофоном. И начал решать задачу, как защитить микрофон от холода. Но оказалось, что уже в 20 сантиметрах от выходного отверстия гелий не такой холодный. Я подставил руку под струю газа и понял: микро фон не понадобится – даже моя рука чувствовала пульсацию гелия. Я подсчитал: 80 ударов в минуту…

Потом сделал замеры в течение одного цикла – от полной колбы с жидким гелием до пустой – и построил график зависимости частоты пульсации газообразного гелия от уровня жидкого гелия (см. рис. 1.3). Кстати, уровень жидкого гелия мне пришлось замерять с помощью того самого дорогого уровнемера, который таки внес свою погрешность в мой график. Но это оказалось не принципиально: нам нужно знать уровень жидкого гелия только для того, чтобы понимать, когда он закончится, а такую информацию мой график дает безусловно. Дело сделано!

Результат:

•  Точность измерения нас устраивает, и она постоянна на всех стадиях испарения гелия.

•  Наш «измеритель» не нагревает колбу, а, значит, дорогой гелий дополнительно не испаряется.

•  Новое устройство стоит $ 0 – достаточно иметь на руках часы с секундной стрелкой.