Технические науки

Пучки частиц высокой энергии могут обладать как поверхностным, так и объемным характером поражения, в зависимости от типа частиц и их энергии. Поглощение частиц сравнительно небольшой энергии в тонком приповерхностном слое мишени эквивалентно действию лазерного излучения (как теплового, так и импульсного). С увеличением энергии частицы проникают на большую глубину, теряя энергию на ионизацию атомов материала, что приводит главным образом к различного рода радиационным эффектам. Такие эффекты при радиационнодозиметрическом подходе принято характеризовать количеством энергии, поглощенной в единице объема (или массы) материала.

В качестве единицы измерения поглощенной энергии обычно используется рад, соответствующий поглощению 100 эрг энергии в 1 г вещества. Часто используется мегарад, обозначающий поглощение 10 Дж в 1 г вещества.

Обычно считается, что основное повреждающее действие ионизующего излучения в материале состоит в нанесении радиационных повреждений, к которым более всего чувствительны (уже при не очень больших дозах) элементы полупроводниковой радиоэлектроники. Типичный уровень радиации, вызывающий заметные повреждения обычных полупроводниковых элементов, составляет несколько мегарад. Новые полупроводниковые элементы на основе арсенида галлия обладают на порядок более высокой радиационной стойкостью.

В некоторых случаях порог поражения пучковым оружием можно выразить не через мегарады, а, скажем, через плотность тока частиц, что

более наглядно с технической точки зрения. В частности, такой подход возможен при рассмотрении взаимодействия с материалом релятивистских тяжелых частиц (например, протонов). Напомним, что релятивистские протоны имеют значительную эффективную длину пробега в материале, исчисляемую сотнями г/см2 с почти однородным энерговыделением вдоль значительной части длины пробега.

Действительно, при умножении удельных потерь энергии протонами (dЕ/ Следовательно, это произведение соответствует количеству энергии, выделившейся в грамме материала мишени. Итак, используя соотношение

можно связать дозу поглощенной энергии с плотностью тока ионизирующих частиц. Величина (dЕ/dх) обычно зависит от энергии частиц, но для релятивистских протонов она постоянна и равна 2 МэВ/(г/см2). Отсюда

Рассмотрим случай, когда доза WD составляет 200 Дж/г (плавление урана и плутония), а длительность импульса т = 1 с. Тогда плотность тока - 10 ^-4 А/см ². Если, как и в случае лазеров, принять предположение о метровом пятне на мишени, то полный ток протонов равен 1 А.

Уже упоминалось, что электронные и протонные пучки распространяются без потерь только в условиях вакуума, т.е.

Первое, что представляется возможным сделать, – это компенсировать не только заряд, но и скорость, для чего пучки протонов и электронов следует направить одинаково с одинаковой скоростью и одинаковой плотностью, причем эта симметрия должна сохраняться в течение всего времени пролета от источника до мишени.

Известно, что эксперименты такого типа проводились на длинах порядка метров при изучении так называемого «электронного охлаждения» протонных пучков в накопителях заряженных частиц. Весьма вероятно, что при больших размерах скажутся типичные плазменные неустойчивости, ко-

торые нарушат необходимую симметрию и однородность такой системы, вновь сделав ее уязвимой к внешним воздействиям.

Более стабильных результатов удается добиться, используя хорошо известные в экспериментальной физике процессы перезарядки для получения пучка быстрых атомов водорода. Этого не удается сделать прямым путем, при попытке присоединить электрон к быстрому протону. Приходится идти на создание больших токов отрицательных ионов водорода, а уже затем снимать лишний электрон с каждого иона при прохождении пучка через специальную газовую мишень. Эффективность процесса перезарядки близка к 100%.

Большие токи отрицательных ионов получены в ряде программ управляемого термоядерного синтеза, где уже сейчас имеются источники тока ионов Н- на сотни ампер (правда, по своим характеристикам такие источники не подходят в качестве инжекторов в ускорители). На мезонной фабрике в Лос-Аламосе ионы Н- ускоряются до энергии в несколько сот МэВ со средним током в доли миллиампера.

Летящий почти со скоростью света атом Н° представляет собой довольно слабо связанную систему и может легко потерять свой электрон, например, при рассеянии на остаточном газе в верхних слоях атмосферы. При этом такие атомы превращаются в протоны, которые чувствительны к действию со стороны геомагнитного поля. По этой причине нейтральные пучки водорода эффективны на высотах не ниже 200 – 250 км. Отсюда вытекает и способ защиты от атомов Н° (газовый экран).

Для выяснения возможной дальности поражения пучками атомов Н° (которые взаимодействуют с мишенью как протоны той же энергии) следует отметить, что в данном случае практически отсутствует дифракционный предел, характерный для лазеров, поскольку эффективная длина волны атомов Н° (так называемая комптоновская длина волны) имеет порядок 10 ^-11 см. Однако на расходимость пучка влияют другие два фактора. Прежде всего, пучок ионов Н- на выходе из ускорителя имеет конечные линейные и угловые размеры, или, как говорят физики, конечный «фазовый объем» (определяемый произведением линейных и угловых размеров). По законам физики величина фазового объема (иногда применительно к ускорителю его называют эмиттансом) не изменяется при дальнейших преобразованиях пучка методами электромагнитной оптики.

Если пучок расширен до размера r, то соответствующий угловой разброс а равен X/r, где X – эмиттанс ускорителя. На расстоянии R эффективный поперечный размер пучка равен

d² = r² (Х/r)²R². (1.38)

Легко убедиться, что это выражение имеет минимум при

r² = ХR. (1.39)

Таким образом, оптимальное значение сі определяется выражением d²= 2ХR,

т.е.

При образовании атомов Н^° возникает второй источник расходимости, связанный с квантовыми эффектами при передаче импульса электрону в процессе перезарядки. Оценки показывают, что этот дополнительный угловой разброс равен

(1.41)

где E – энергия ионов Н ^-, выраженная в МэВ. Итак, полное выражение для размера пятна атомов Н° на мишени имеет вид

(1.42)

Принимая, как и выше, поперечный размер пятна порядка метра, можно из этой формулы оценить дальность поражения пучковым оружием. Однако для этого сначала надо оценить требуемое значение энергии частиц.

Будем считать основной целью пучкового оружия разрушение ядерного запала боеголовки. Критическая масса урановой сферы с отражателем составляет 15 – 20 кг, т.е. радиус такой сферы близок к 6 см (плотность урана и плутония – 20 г/см ³). Достаточно расплавить только часть ядерного заряда, поэтому эффективная длина свободного пробега протонов должна составлять около 300 г/см ².

Нужно также оценить порядок величины эмиттанса. Для сильноточного ускорителя протонов в Лос-Аламосе приводится значение X = - 10 ⁶м ^* радиан. Подставляя 2 * 10 ^-6R = у в уравнение (1.42), получим

(1.43)

где d выражается в метрах, а значению у = 1 соответствует радиус действия 500 км.

Если положить d = 1 м, то радиус поражения получается несколько

больше 250 км; радиусу поражения 500 км соответствует поперечный размер пучка 1,6 м; радиусу поражения 1000 км – почти 3 м.

Обычно считается, что повышение тока в ускорителе ухудшает его эмиттанс, т.е. увеличивает фазовый объем. Если принять X = 10 ^-5 м * радиан, то окажется, что метровый размер пучок приобретет уже на расстоянии 50 км, а при радиусе поражения 1000 км потребуется ток пучка почти в 30 А (поперечный размер пятна будет превышать 5 м).

Приведенные оценки показывают, что пучковое оружие пригодно для поражения на сравнительно небольших расстояниях (не более 1000 км).

С энергетической точки зрения ускорители заряженных частиц обладают уже сейчас довольно высоким КПД, так что в будущем вполне реально, по-видимому, рассчитывать на КПД порядка десятков процентов. С другой стороны, пучковое оружие наиболее подходит для эшелона ПРО на баллистическом участке траектории. Поскольку длительность этого участка порядка 1000 с, а необходимые мощности, как мы установили, имеют порядок гигаватт, полный запас энергии на станции с ускорителем должен составлять около 10 ¹² Дж (это эквивалентно четверти килотонны ВВ).

Заметим, кроме того, что скорость атомов Н° при энергии 300 МэВ составляет 65 % от скорости света, что практически не влияет на предположение о мгновенности поражения.

Определим токи, необходимые для испарения пучковым оружием небольших снарядов, направляемых на боевую космическую станцию. Это можно сделать из следующих соображений. Необходимый энерговклад (доза облучения) может быть найден из таблиц типа табл. 1.2 (для испарения типичных конструкционных материалов требуется несколько десятков кДж/г). Энергию частиц следует выбирать таким образом, чтобы длина пробега протонов соответствовала размеру снаряда – для эффективной толщины 10 г/см ² необходима энергия 100 МэВ, для 1 г/см ² – ~30 МэВ. Далее нужно определить средние значения удельного энерговыделения в пучке (для приведенных выше примеров это 10 МэВ/(г/см ²) и 30 МэВ/(г/см ²). И, наконец, по формуле (1.40) определяются значения jт; при дозе 10 кДж/г для этих примеров получим, соответственно, 10 ^-3 и 3 * 10 ^-4А * с/см ².

Пучок частиц несет значительный импульс, который может оказаться достаточным для изменения направления и скорости движения приближающегося снаряда.

Действительно, плотность тока 1 А/см ² соответствует потоку протонов 6 * 10 ¹⁸ (с/v) см ^-2 * с ^-1, где v – скорость частиц, ас – скорость света.

Тогда с учетом массы протона 1,6 * 10 ^-24 г определим давление пучка:

(1.44)

Если эффективная толщина оболочки снаряда равна m (г/см ²), а длительность воздействия пучкового оружия оставляет

то изменение скороcти

снаряда под воздействием пучка равно

(1.45)

Если подставить сюда значения jт, полученные несколько выше из условия испарения снаряда, то видно, что снаряд успеет испариться раньше, чем его скорость изменится существенно (в приведенном примере для

I

Приведенные примеры показывают, что пучковое оружие обладает определенным потенциалом противодействия кинетическому оружию при сравнительно небольших радиусах поражения.