Технические науки

Космическое оружие: дилемма безопасности. Автора- А.Г.Арбатов, А.А.Васильев, Е.П.Велихов...
Москва, Мир, 1986
1.1.3. Рентгеновские лазеры с накачкой от ядерного взрыва

В печати указывалось, что одной из побудительных причин для выступления Рейгана в марте 1983 года относительно СОИ были результаты испытания рентгеновского лазера с накачкой от ядерного взрыва. Предсказание возможности вынужденных (индуцированных) переходов в кванто-

вых системах было сделано Эйнштейном в 1917 году. С чисто термодинамической точки зрения без какой-либо связи с конкретными системами он вывел соотношение между коэффициентами спонтанного (А ) и индуцированного (В) излучения

где

– длина волны электромагнитного излучения. Видно, что это отношение резко возрастает с уменьшением длины волны, чем обусловлены те трудности, с которыми сталкиваются создатели коротковолновых лазеров.

Более детальный анализ приводит к заключению, что с уменьшением длины волны излучения резко возрастает уровень требуемой энергии накачки; например, для

эта величина составляет

. Важно отметить, что энергия накачки зависит от четвертой степени длины волны, поэтому для

(энергия кванта - 1 кэВ) необходимый энерговклад существенно ниже –

Тем не менее, и эти значения слишком высоки – подобные условия могут реализоваться лишь в небольшом числе «экзотических» случаев, например, в лазерном фокусе или при ядерном взрыве.

Именно в таких случаях и удавалось создать условия для рентгеновской лазерной генерации.

Таким образом, рентгеновские лазеры для системы ПРО – это импульсные лазеры с довольно малой длительностью импульса. При столь высоком энерговкладе активная среда лазера должна становиться плазмой, причем сильно ионизованной.

В литературе уже давно обсуждались некоторые возможные варианты реализации рентгеновских лазеров. Мы остановимся для определенности на одном из них, называемом рекомбинационным [1.13,1.14].

Пусть тепловыделение ядерного взрыва (в основном это рентгеновское излучение с температурой порядка нескольких кэВ) достаточно велико для того, чтобы полностью ионизовать вещество с атомным номером г. Заметим, что после полной ионизации среда становится прозрачной для рентгеновского излучения, так что может происходить постепенное «выедание» вещества, если время прохождения фронта рентгена велико по сравнению с временем ионизации.

Полностью ионизованная плазма после ядерного взрыва начинает охлаждаться (в нее уже не поступает энергия, за исключением комптоновского рассеяния фотонов ядерного взрыва на электронах вещества), причем быстрее охлаждаются электроны.

Когда температура электронов понизится в достаточной мере, начинается процесс рекомбинации. Прежде всего электрон начинает опускаться на энергетические уровни полностью ионизованного атома (так называемого водородоподобного иона, поскольку все его энергетические уровни точно совпадают с уровнями атома водорода, хорошо изученными теоретически и экспериментально; только энергетический масштаб отличается множителем z 2).

Расчеты кинетики таких процессов приводят к заключению, что энергетический уровень с главным квантовым числом п – 3 будет обеднен электронами, в результате чего возможны индуцированные переходы на этот уровень с уровней, соответствующих п = 4 или 5.

При переходе 5 – 3 энергия соответствующих квантов составляет

(1.25)

Чтобы полностью ионизовать атом, имеющий г электронов, требуется затратить энергию порядка 3 – 4 потенциалов ионизации, т.е.~40 – 50 z2 эВ.

Таким образом, КПД рентгеновского лазера такого типа может составлять лишь несколько процентов – это типичное значение для лазеров, основанных на молекулярных или атомных переходах.

Температура излучения накачки должна быть выше некоторой величины, пропорциональной, вообще говоря, z 2. Плотность электронов, как показывают расчеты, не должна быть слишком высокой, чтобы обеспечить условия инверсной населенности. Этим условиям удовлетворяют атомы со значениями г, близкими к 30 (железо, цинк, медь).

В 1981 году было опубликовано неофициальное сообщение [1-15] об эксперименте по генерации лазерного рентгеновского излучения во время ядерного подземного взрыва на полигоне в шт. Невада (США). Измеренные во время эксперимента характеристики лазерного излучения таковы: длина волны -

; длительность импульса

энергия в импульсе

~100кДж

Эти данные недостаточны для того, чтобы можно было их интерпретировать корректно. Отметим только, что переход 5 – 3 в цинке должен иметь длину волны

Если активная среда была вначале твердым телом, то за короткое время накачки (~50 наносекунд) ее формы мало изменятся. Образовавшаяся плазма начнет расширяться со скоростью~50 км/с. Если начальный радиус стержня (активная среда, как станет ясным несколько позже, должна иметь именно такой вид) составляет доли миллиметра, то потребуется около 30 нc, чтобы создались условия для возникновения индуцированного излучения, которое длится не более 1 нс. При этом реальный поперечный размер активной среды составит уже около 1,5 мм.

Следует иметь в виду, что при длинах волн менее

не работает

зеркальная оптика и нет возможности использовать оптические резонаторы для усиления, формирования и фокусировки лазерного излучения. Рентгеновские лазеры попадают под это ограничение. Формирование и фокусировка излучения в этом случае осуществляются путем выбора соответствующей формы активной среды с учетом того, что расходимость луча определяется отношением поперечных размеров среды к продольным. Поэтому наилучшей формой оказывается длинный тонкий цилиндрический стержень:

(1.26)

где L – длина стержня, а d – его диаметр.

Отношение L /d нельзя, тем не менее, сделать сколь угодно большим. И здесь вмешиваются дифракционные ограничения, которые определяют минимальную расходимость:

(1.27)

где

– длина волны лазера.

Приведенное выше рассмотрение динамики активной среды в случае рекомбинационного рентгеновского лазера выявляет принципиальные ограничения, налагаемые на угловую расходимость излучения: эффективный диаметр стержня следует выбирать близким к 1 мм, т.е. реальная угловая расходимость излучения при длине стержня 10 м будет порядка 10 -4. Таким образом, яркость рентгеновского лазера при упоминавшихся выше американских подземных испытаниях 1981 года должна была находиться в интервале 10 11-10 13 Дж/стер (для стержня длиной 1 – 10 м) – это еще слишком далеко от того, что требуется. Отметим, что в рекомендациях комиссии Фле гчера говорится о повышении яркости рентгеновского лазера в течение нескольких ближайших лет до 10 14 Дж/стер, т.е. сделанная оценка близка к истине.

Рентгеновское излучение киловольтового диапазона характеризуется сильным поглощением во всех веществах, включая воздух. Например, для азота при длине волны 14,6 А эффективная длина пробега составляет

~ 2 • 10 -4 г/см 2 (напомним, что полная эффективная толщина атмосферы составляет 1000 г/см 2). Поэтому излучение рентгеновских лазеров кило-вольтового диапазона поглощается даже в остаточном слое атмосферы выше 100 км. Правда, если лазерный пучок достаточно мощный, он может проделать «дыру» в атмосфере на некоторую глубину. Однако выгоднее использовать это свойство рентгеновского лазера при стрельбе не сверху вниз, а, наоборот, снизу вверх (из-под сравнительно тонкого атмосферного слоя с высоты 80 – 90 км) в цель, находящуюся в открытом космосе.

Характер разрушения рентгеновским лазером тот же, что и для обсуждавшихся ранее импульсных лазеров. Отметим только, что эффективное энерговыделение излучения рентгеновского лазера происходит на большее глубине, нежели это следует из расчетов по коэффициенту температуропроводности. Соответствующие величины для некоторых типичных конструктивных материалов приведены в табл. 1.5. Обращает на себя внимание сильная зависимость эффективной длины пробега рентгеновских лучей от энергии рентгеновских лучей и рода материала.

vПопробуем оценить возможности рентгеновского лазера, исходя из самых общих предположений.

Конечно, рассмотренный выше вариант ре-комбинационного лазера не является единственно возможным для применения в системе ПРО. В печати сообщалось о лабораторных экспериментах с лазером, работающим на неполностью ионизованном селене [1.17]. Были сообщения и о том, что при очередных подземных испытаниях лазера на невадском полигоне в качестве активной среды использовался материал с довольно высоким атомным номером. Но предположение о полной ионизации активной среды не вносит принципиальной разницы в справедливость приводимых ниже расчетов.

Энергия лазера определяется количеством полностью ионизованных атомов в объеме активного стержня (при оценочных расчетах мы пренебрегаем всеми возможными потерями):

(1.28)

ГДЕ А – атомная масса, р – плотность материала стержня. Поскольку угловая расходимость излучения пропорциональна отношению d/L (пренебрегаем расширением активной среды), то яркость для одного стержня может быть определена следующим образом:

(1.29)

где q – плотность лазерной энергии, равная

(1.30)

Примем, что

= 1 кэВ = 1,6*10-16 Дж. Заметим также, что практически для всех химических элементов отношение Р/А порядка 0,1. Тогда

q = 0,1 * 1,6-* 10-16 * 6 *1023 = 107Дж/см3= 1013Дж/м3 (1.31)

Выбор длины стержня не может быть произвольным; он определяется мощностью ядерного заряда Q, так как необходимо, чтобы самый удаленный от эпицентра ядерного взрыва край стержня мог быть полностью ионизован (напомним, что после полной ионизации среда становится прозрачной для ионизирующего излучения).

Для дальнейшего анализа следует задать расположение стержней. По-видимому, двумя предельными случаями являются следующие:

а. Стержни располагаются строго радиально;

б. Стержни располагаются равномерно по образующей цилиндра, на оси которого (в центре) расположен ядерный заряд (рис. 1.5).

Быстро выясняется, что случай а энергетически очень невыгоден. В случае б для простоты будем считать, что расстояние от эпицентра ядерного взрыва до концов стержня равно его длине. Приравняем количество энергии, протекающей через стержень, той энергии, которую надо затратить на ионизацию всего стержня:

(1.32)

Общий КПД

складывается из множителей

где

– доля ионизирующего рентгеновского излучения в общем электромагнитном спектре ядерного взрыва (она оценивается величиной 0,1 для умеренного взрыва и близка к 1 для мегатонного диапазона),

– лазерный КПД, который для рекомбинационного лазера составляет около 2%. Принимая отношение d/L равным по порядку величины 10 -5 и

равным 0,3, получаем

(1.33)

Если длина стержня составляет 10 м, то яркость его излучения равна 10 16Дж/стер. Из формулы (1.33) вытекает, что для дальности поражения 2000 км (яркость 10 21 Дж/стер) потребуется ядерный заряд мощностью 50 кт *, а необходимое число стержней составит 10 5. Если принять отношение , равным 10 4, как это делалось выше для рекомбинационного лазера, то это потребует увеличения мощности ядерного запала в ~ 10 раз, но не изменит числа стержней.

Радиус действия рентгеновского лазера можно найти по формуле

(1.34)

где В определяется соотношением (1.33), N – количество стержней, направленных на одну цель, аq0 – энергетический порог поражения. При Q Qо радиус его действия уже не зависит от Q.

Следует отметить, что формула (1.34) эквивалента формуле, приведенной в первом докладе Комитета советских ученых [1.2], если положить /V = 1, а вместо Q0 подставить Q1.

Все рассмотренные выше лазеры имеют одно общее свойство – это лазеры на связанных электронах, т.е. лазеры, использующие переходы в замкнутых квантовых системах (атомах и молекулах).

вернуться к содержанию
вернуться к списку источников
перейти на главную страницу

Релевантная научная информация:

  1. Космическое оружие: дилемма безопасности. Автора- А.Г.Арбатов, А.А.Васильев, Е.П.Велихов... Москва, Мир, 1986 - Технические науки
  2. 1.1. Лазерное оружие - Технические науки
  3. 1.1.3. Рентгеновские лазеры с накачкой от ядерного взрыва - Технические науки
  4. 7.з. Ограниченные варианты противоракетной системы и военно-стратегическое равновесие - Технические науки
  5. Использование средств поражения космического эшелона для ударов по воздушным и наземным объектам - Технические науки
  6. 1.1.2. Эксимерные лазеры - Технические науки
  7. 1.4. ЭМИ-оружие - Технические науки
  8. 1.з. Кинетическое оружие - Технические науки
  9. 6.1. Активные средства нейтрализации и поражения широкомасштабной системы ПРО - Технические науки
  10. 6.2. Развитие стратегических ядерных вооружений как мера по сохранению способности к адекватному ответному удару - Технические науки
  11. 7.1. Общие военно-политические вопросы, связанные с созданием противоракетной системы - Технические науки
  12. Потенциальные боевые компоненты космического эшелона широкомасштабной противоракетной системы - Технические науки
  13. 2.2. Оперативная надежность боевых космический станций - Технические науки
  14. Некоторые научно-технические аспекты построения системы перехвата баллистических ракет на конечном участке траектории - Технические науки
  15. 7.2. Ядерный паритет, противоракетное оружие и вопросы устойчивости военно-стратегического равновесия - Технические науки
  16. 7.4. Противоракетное оружие и европейская безопасность - Технические науки
  17. 8.1. Международно-правовые основы использования космического пространства в мирных целях - Технические науки
  18. 8.2. «Стратегическая оборонная инициатива» и международное право - Технические науки
  19. 9.9. Классификация аварий и катастроф - Экология и природопользование
  20. 11.1. Деятельность предприятия как потенциальный источник техногенной опасности для окружающей среды - Экология и природопользование

Другие научные источники направления Технические науки: