Приложения к Атоммашу

Приложение 1. Как сделать высокотемпературный сверхпроводник в школьной лаборатории

По крайней мере один материал из числа ВТСП-сверхпроводников вы вполне можете изготовить под руководством учителя физики или руководителя кружка. Всем, кто заинтересуется возможностью демонстрировать самодельные сверхпроводники, было бы полезно прочитать заметки Поля Гранта, опубликованные в журнале New Scientist (1987. Vol. 115,?1571. P. 36-39). Он пишет, как лаборатория фирмы IBМ, где он работает, помогала учителям и школьникам ставить химические и физические опыты с высокотемпературными сверхпроводниками. Ниже мы полностью приводим рецепт изготовления такого сверхпроводника, который написала дочь П. Гранта, которая в 1987 году была школьницей.

Конечно, в наших школах осуществить описываемые ниже опыты сложнее. Многие компоненты и инструменты нам менее доступны.

Итак, прежде всего мы предлагаем научиться изготовлять сверхпроводник состава Y-Ва-Сu-О. В качестве исходных компонентов понадобятся оксид иттрия Y2O3, углекислый барий ВаСО3 и оксид меди СuО.

Рецепт

1. Возьмите 1,13 г оксида иттрия, 3,95 г углекислого бария, 2,39 г оксида меди.

2. Перемешайте, а затем растолките в порошок в ступке.

3. Получившуюся смесь отожгите — продержите в печи при температуре 950?C приблизительно 12 ч.

4. Охладите полученный комок и вновь растолките его в ступке.

5. Спрессуйте порошок в таблетки (может быть, впоследствии для проведения каких-либо опытов понадобятся другие формы, например кольца).

6. Снова отожгите получившиеся таблетки при той же температуре и в течение того же времени, однако теперь с обязательной подачей в печь кислорода.

7. Медленно охладите таблетки — скорость понижения температуры не должна превышать 100?C/ч.

Замечания по технике безопасности

Как сам материал сверхпроводника Y-Ва-Сu-О, так и исходные компоненты не относятся к числу ядовитых веществ. Однако при работе с ними необходимо соблюдать определенные правила. Нужно использовать защитные очки, перчатки, а при измельчении компонентов в ступке обязательно надевать марлевые повязки на рот. Вдыхать пыль углекислого бария и окcида меди вредно. Проводите все операции в помещении, оборудованном вытяжкой. Это, впрочем, обязательный элемент оборудования любой химической лаборатории, в том числе школьной.

Замечания к рецепту

Указанные количества исходных компонентов позволяют получить около 7 г сверхпроводника Y-Ва-Сu-О, или около 5 таблеток диаметром 1 см и толщиной 1 мм. Далее мы расскажем об опытах, которые можно провести с ними, а сейчас о некоторых трудностях, встречающихся при изготовлении.

Исходные компоненты не относятся к редким. Их наверняка можно получить в различных научных учреждениях, а также на многих предприятиях.

Изготовить описываемый сверхпроводник можно по более простой схеме и из других компонентов, однако лучше начинать с приведенного рецепта. Для отжига можно использовать печь, предназначенную для изготовления керамики. (Муфельная печь). Такие печи есть во многих кружках керамики и в художественных студиях. Дело в том, что изготовляемый сверхпроводник так же представляет собой керамику, как и некоторые знакомые предметы домашнего обихода. Только нам нужна керамика-металл, поэтому таблетки будут получаться другого цвета — черные.

Цвет керамического сверхпроводника — важный показатель его качества. Если он получается с прозеленью, значит, опыт был неудачен и всё надо начинать сначала (при этом можно вновь измельчить полученные таблетки). Зеленый цвет свидетельствует о недостатке кислорода в образце. Желательно получить материал с химической формулой YBa2Cu3O7. Однако контролировать содержание кислорода по исходной смеси невозможно, к тому же кислород способен улетучиваться в процессе изготовления. Так что подача кислорода в печь при отжиге существенна. Сам кислород можно получить в научных, медицинских, производственных организациях (он используется, например, при сварке). Для подачи его в печь можно применить насос, который служит для накачки воздуха в аквариум. Скорость подачи кислорода может быть минимальной, скажем, такой, чтобы кожа ощущала легкое дуновение газа.

Довольно существенно поддержание температуры отжига. Работа будет бесполезной, если температура отжига опускается ниже 900?C. Превышение рабочей температуры на 100?C приведет к расплавлению смеси. Тогда придется ее вновь растолочь и начать всё сначала. Поэтому надо предварительно проверить термометр печи, обычно он показывает значения, далекие от истинных.

Очень важно медленно охлаждать изготовленные таблетки — быстрое охлаждение ведет к потере кислорода. Первоначально цикл отжиг — охлаждение будет занимать 20 ч. Необходимо организовать ночные дежурства.

При изготовлении понадобится также пресс. Оценка показывает, что нужно развивать усилие 7000 кг на таблетку диаметром около 1 см, чтобы получить хороший образец. По-видимому, таблетки можно прессовать даже с помощью самодельного винтового пресса.

Стоит обратить внимание также на выбор тигля, в котором отжигается материал. Металлический тигль может реагировать со сверхпроводником, что иногда может привести к нежелательным последствиям. К тем же последствиям могут привести примеси в смеси исходных материалов. Например, 2-3% примеси атомов железа вместо меди ведут к подавлению сверхпроводимости.

Что делать с изготовленными таблетками?

Конечно, можно убедиться в резком падении сопротивления при сверхпроводящем переходе. Однако с помощью стандартных приборов школьной лаборатории вряд ли удастся по значению сопротивления отличить сверхпроводящий образец от медного. Гораздо нагляднее демонстрация эффекта Мейснера.

В любом случае для охлаждения понадобится жидкий азот. Его можно попросить в физических институтах. Сейчас он применяется довольно широко — и в медицине, и даже в кондитерской промышленности. Личный опыт одного из авторов показывает, что жидкий азот можно транспортировать (общественным транспортом) и хранить в обычном бытовом термосе со стеклянной колбой. (Ни в коем случае не закрывать термос крышкой!) Нельзя, однако, гарантировать, что такая колба не лопнет при наливании жидкого азота.

Непосредственно для опытов удобно наливать азот в неглубокие пенопластовые кюветы (можно использовать для этого пенопластовые крышки от упаковки приборов и некоторых бытовых изделий). В жидкий азот нельзя совать пальцы, в остальном же он практически безопасен в работе.

Простейший опыт состоит в том, что неохлажденная в азоте таблетка спокойно лежит на магните, никак не реагируя на магнитное поле, а охлажденная висит над ним. Можно придумать различные варианты этого опыта, в том числе весьма впечатляющие.

Положение таблетки над одним полюсом магнита неустойчиво (рис. 41). Она как бы находится на вершине скользкой горки и довольно легко соскальзывает вбок. Из нескольких магнитов можно устроить такую конфигурацию магнитного поля, чтобы таблетка находилась как бы в ·ложбинке?. Тогда таблетку можно не только подвесить, но и закрутить в воздухе. Поскольку трение о воздух мало, таблетка крутится до тех пор, пока повышающаяся температура не достигнет Tc. Тогда таблетка просто упадет на магниты.

Рис. 41. Варианты демонстрации эффекта Мейснера: а — зеленая таблетка сверхпроводника висит над постоянным магнитом. Ее положение над полюсом неустойчиво, она норовит соскользнуть вбок; б — устройство магнитной ·ложбинки?. Рисунок представляет собой как бы разрез магнитного поля в одной плоскости; в — эскиз длинной ·ложбинки?, вдоль которой таблетка может свободно двигаться. Если края ·ложбинки? приподняты, то таблетка будет колебаться из конца в конец и мы получим маятник Еще более эффектные опыты можно провести при более сложной конфигурации магнитного поля. Если устроить длинную ·ложбинку?, то таблетка сможет двигаться вдоль нее при малейшем толчке и совершать довольно длинные путешествия по извилистой дорожке. После охлаждения в жидком азоте таблетка сохраняет сверхпроводимость на воздухе при комнатной температуре около минуты. Более длительные опыты нужно проводить в парах жидкого азота. С точки зрения удобства охлаждения левитацию проще демонстрировать ·наоборот?: подвешивать кусочек магнита над лежащей в кювете с жидким азотом таблеткой сверхпроводника.

Сваричевский Михаил Александрович

Центральный процессор — дома с нуля

Если в последние лет 40 для выполнения задачи нужен микропроцессор — единственный рассматриваемый вариант это купить готовый. Ну или в крайне редких случаях "накатить" стандартное конфигурируемое FPGA ядро (например Nios II) с парой дополнительных инструкций. Многие сейчас даже не могут представить, что процессоры могут получаться каким-то другим путем :-) Это всё равно что считать что продукты беруться в магазине, а вырастить их самому — абсолютно невозможно.

С одной стороны, зачем помнить основы технологии если все производится промышленно? На мой взгляд — чтобы быть уверенным, что технология не будет утеряна, что даже если случиться ядерная война компьютеры можно будет собирать из подручных материалов (так же как и с продуктами в начале 90 — многим пришлось возвращаться к технологии 100-летней давности из-за краха инфраструктуры производства и доставки).

Оказывается есть такие люди, которые до сих пор в качестве хобби делают центральные процессоры из дискретных компонент(транзисторов, реле) и микросхем низкой степени интеграции (счетчики, регистры). Единственные применяемые микросхемы — память (оперативная и перепрограммируемая).

В этой статье я хочу рассказать кратко об архитектуре и о нескольких реально работающих процессорах, сделаных в домашних условиях.

Общие архитектурные заметки:

Большинство самодельных процессоров работают (почти как и большинство современных процессоров )— на микрокоде, считываемого из flash/SRAM-памяти — тут обычно и находится самое медленное место: за последние лет 20 прогресс в латентности работы flash памяти остался почти на месте, и для широко доступных микросхем составляет 70нс, следовательно быстрее 14 МГц на процессоре на микрокоде во флеше не разогнаться. Процессоры обычно имеют шину данных 8 или 16 бит, адресную шину 16-20-24 бита (ограничивать себя 65Кб никому не хочется, особенно с нынешними ценами на память). ALU(вычислительное ядро) делается либо однобитным (т.е. для 16-и битной операции надо 16 тактов), либо используется готовое ALU на 2-4 бита (из которых собирается 8-16-и битное ALU). Процессоры на микрокоде обычно и код и данные хранят в одной и той же памяти (архитектура Фон-Неймана). RISC-подобные процессоры без микрокода обычно работают по Гарвардской архитектуре (данные и код отдельно, зачастую программа не может ничего писать в память кода). В абсолютно всех самодельных процессорах длина всех инструкций одинакова — переменная длина инструкций создает трудности даже при разработке "промышленных" процессоров. В качестве памяти используют обычно SRAM — раньше её использовали только для кэша из-за большой цены. От обычной SDR/DDR памяти отличается крайней простотой и неприхотливостью интерфейса, не нужно следить за "обновлением" памяти (в обычной SDR/DDR памяти данные выживают всего 32-64 миллисекунды).

Маленькие хитрости

Несмотря на то, что обычно используются простые микросхемы, есть некоторые хитрости, которые раньше(30 лет назад) были не доступны: готовые ALU (не совсем простая микросхема), SRAM память(например 1Мб SRAM памяти — это около 48млн транзисторов) и использование EEPROM-памяти как ALU (например, на микросхеме памяти 65кб 8бит можно сделать сумматор или мультипликатор, а на 1Мб микросхеме можно "проводить" 16 разных 8-битных операций — FPGA использует тот же принцип для построения произвольных логических схем). Также, сейчас можно использовать намного больше памяти для хранения микрокода и самого программного кода в памяти.

А теперь несколько самых выдающихся реализаций:

BMOW — Big Mess of Wires

http://www.stevechamberlin.com/cpu/bmow1

Собран из простых микросхем. Тактовая частота — 2 МГц.

MyCPU

http://www.mycpu.eu/

Собран из простых микросхем. Тактовая частота — 8 МГц. Развитая переферия — вплоть до доступа к сети. Кстати, сам Web-сайт http://www.mycpu.eu/ обслуживается именно этим самодельным сервером. Конструкция посторяемая, собрано много экземпляров.

Harry Porter's Relay Computer

http://web.cecs.pdx.edu/~harry/Relay/index.html

Собран на 415 реле, на взгляд около 7Гц :-)

Magic-1

http://www.homebrewcpu.com/

Собран на ~200 простых микросхемах, рабочая частота до 4МГц. Порт Minux, сам сайт работает на этом самодельном сервере.

Mark-1 Forth computer

http://www.holmea.demon.co.uk/Mk1/Architecture.htm

Собран на простых микросхемах, рабочая частота 1МГц. Как нетрудно понять из названия, оптимизирован для программ на языке Форт. Микрокод хранится в диодной матрице, вместо "неспортивных" микросхем флеш-памяти.

MT15

http://www.6502.org/users/dieter/

Самое вкусное на последок: 16-и битный процессор, собранный на самых простых низкочастотных биполярных транзисторах (около 3000 штук). Тактовая частота — 500КГц, из микросхем только память и генерация синхросигнала. Производство таких транзисторов на кухне вполне реально наладить уже через год после ядерной войны

Заключение

Надеюсь эта статья подтолкнет кого-то к более глубокому изучению внутренней архитектуры процессоров. Лично я в процессе изучения многочисленных архитектур поменял своё мнение о x86 — раньше мне она казалась громоздкой и страшно неэффективной (ну и конечно "инженеры — идиоты, я один в белом"), сейчас же практически все решения принятые инжеренарми Intel кажуться вполне логичными, если учитывать ограниченность количества транзисторов в начале 80-х (даже 6000 транзисторов i8080-го процессора обходились покупателям в 360-180$). А что думаете вы?

PS: Товарищи из Хабра, помогите поднять английскую версию на Reddit и Ycombinator и конечно на Хабре (а то топики-ссылки очень плохо плюсуются — все заходят по ссылке, а возвращаться лееееньььььь....)

Более подробно можно почитать тут:

http://3.14.by/ru/read/homemade-cpus

Проект "CO2 лазер из навоза и палок"

Тип лазера: низкого давления с продольным разрядом.

Режим работы: импульсно-периодический

Длина разряда: ~800 мм

Диаметр разрядной трубки: ~16 мм (трубка от люминисцентной лампы) смесь: CO2:воздух 2:1 (CO2 из баллончика от пневмашки, воздух из атмосферы, смешивание в автомобильной шине)

рабочее давление: ~20 мм. рт. ст.

зеркала: стеклянные вогнутые алюминированные с фокусным расстоянием 1.5 метра (отмытые от слоя краски кусочки выпуклых автомобильных зеркал заднего вида) выходное зеркало с отверстием диаметром 3 мм (просверлено алмазным бором) Для герметичности дырка в зеркале закрыта полиэтиленовой пленкой.

Питание: две катушки зажигания с тиристорным драйвером, суммарное выходное напряжение около 80 кВ.

Выходная энергия 2..3 мДж на импульс. Т.е. 1 ватт при частоте ~300 Гц. Больше 1 ватта полиэтиленовое выходное окно не выдержит даже с обдувом. Получилось довольно громозко и маломощно, но я думаю есть простор для оптимизации как в сторону компактности так и в сторону умощнения. Самое же главное, что лазер не содержит ничего дефицитного и труднодоступного. (!)Не используется селенид-цинковая оптика (!)Не используются специальные лазерные зеркала (!)Не используются гелий и азот (а где дома взять очищенный азот мне до сих пор неясно)