Английское выражение «молния в бутылке» обычно используют как метафору — так говорят о чём-то редком и почти невозможном для повторения. Автор YouTube-канала Electron Impressions решил проверить, как эта идея может выглядеть буквально. Для эксперимента он задействовал ускоритель частиц и попытался зафиксировать внутри прозрачного акрилового цилиндра устойчивый электрический разряд.
В результате внутри материала сформировалась трёхмерная фигура Лихтенберга — сложная система разветвлённых каналов, оставленных электрическим пробоем. В отличие от более привычных экспериментов, где такие узоры получаются в плоских заготовках, здесь разряд оказался распределён по всему объёму трубки, образуя пространственную структуру внутри прозрачного акрила.
Автор давно работает с фигурами электричества, создавая их с помощью потоков высокоэнергетических электронов. При облучении электроны проникают в изоляционный материал и накапливают в нём электрический заряд. Когда этот заряд затем высвобождается, внутри акрила возникают микротрещины, которые и формируют характерный древовидный рисунок, повторяющий путь электрического пробоя.
До недавнего времени такие эксперименты почти всегда проводились с плоскими заготовками — акриловыми блоками, пластинами или дисками. Попытка создать полноценную объёмную структуру внутри цилиндра потребовала изменить сам подход к облучению и гораздо точнее контролировать процесс накопления заряда.
Основная трудность была связана с тем, как электроны ведут себя внутри твёрдого тела. При облучении линейным ускорителем заряд откладывается на строго определённой глубине, зависящей от энергии пучка. Для плоской заготовки это удобно: нужную область легко разместить в центре. В случае цилиндра облучение с одной стороны привело бы к тому, что весь разряд сместился бы к одной стенке.
Поскольку сам ускоритель невозможно вращать, движение пришлось передать заготовке. Акриловую трубку разместили так, чтобы она вращалась под электронным пучком, а электроны попадали в материал со всех сторон по окружности. Это позволило равномерно распределить заряд вокруг центральной оси цилиндра.
Скорость вращения оказалась критически важным параметром. При слишком медленном движении заряд накапливался бы неравномерно, а при слишком быстром — материал не успевал бы получить нужную дозу облучения. В итоге цилиндр вращали со скоростью около 150 оборотов в минуту. За короткое облучение длительностью от одной до двух секунд заготовка многократно проходила под пучком, и вся поверхность получала одинаковую нагрузку.
Отдельной инженерной задачей стало само вращающее устройство. Внутри ускорителя уровень радиации настолько высок, что большая часть современной электроники вышла бы из строя почти мгновенно. Поэтому конструкцию сделали максимально простой. В качестве привода использовали обычный коллекторный двигатель постоянного тока, работавший от 12-вольтового свинцово-кислотного аккумулятора, который лучше переносит радиационное воздействие, чем литиевые батареи.
Аккумулятор дополнительно экранировали тонким листом свинца, хотя сам автор отмечает, что это могло быть избыточной мерой предосторожности. Большинство элементов конструкции напечатали на 3D-принтере из чёрного пластика PETG — материала, который уже демонстрировал устойчивость к радиации в предыдущих экспериментах.
Система роликов напоминала механизм в автоматах для подогрева хот-догов: несколько смещённых валиков удерживали трубку и позволяли ей быстро и стабильно вращаться во время облучения.
Сами цилиндры выточили из прозрачного акрила диаметром около двух дюймов. Проектирование велось в CAD-программе, а заготовок сделали две — на случай, если одна не выдержит процесс зарядки. Во время эксперимента происходящее внутри ускорительной камеры снимала экранированная GoPro. На записи заметно голубоватое черенковское свечение, возникающее при прохождении электронов через материал.
Один из цилиндров успешно накопил заряд и позже был разряжен намеренно — для этого оказалось достаточно лёгкого удара по поверхности. Внутри сразу сформировалась равномерная сеть разветвлённых каналов, заполнивших весь объём трубки. Второй образец повёл себя иначе: он перегрузился и разрядился прямо во время облучения, оставив более хаотичную и менее симметричную структуру.
Через изогнутую поверхность цилиндра внутренние узоры выглядят особенно выразительно: преломление света визуально усиливает глубину и масштаб рисунка. При этом сама фигура представляет собой полую трубчатую структуру, а не сплошной объём электрического пробоя.
Эксперимент наглядно показывает, как геометрия и физика материалов в сочетании с точным контролем условий позволяют превратить знакомое электрическое явление в полноценный трёхмерный объект.