Шелест гранаты
Шрифт:
В Арзамасе-16, используя детонацию заряда взрывчатого вещества, «разрывали» контур, когда протекающий через него ток достигал очень больших значений. Генерируемое при разрыве напряжение (до миллиона вольт) подавалось на антенну. Пока газы взрыва (окислы углерода и азота), сжатые до огромных (граммы на кубический сантиметр) плотностей, еще не разлетелись, они хорошо изолировали разрыв. Несмотря на неслыханные ранее в радиотехнике значения напряжений на антенне, эти опыты не были сочтены успешными, быть может, из-за того, что характерные длительности получаемых импульсов напряжения были, все же великоваты (десятые доли микросекунды) и основная энергия реализовалась в не слишком актуальном для применения диапазоне длин волн (сотни метров); циклопическими были и размеры антенны.
Что же касается собственно ВМГ, то по меркам электродинамики генерируемое им магнитное поле квазистационарно (как бы — постоянно). В имплозивном [56] ВМГ (ИВМГ, рис. 4.22), через катушку 2,
56
Имплозивный — движимый имплозией, то есть — «взрывом, направленным внутрь». Считается, что термин введен в обращение американскими учеными, занимавшимися разработкой ядерного оружия, но автору удалось обнаружить его в книге А. Штеттбахера, изданной еще в 1936 г. Там этот термин описывает схлопывание газов в область разрежения (пример такого процесса — лопнувший кинескоп телевизора)
В вакууме магнитное поле распространяется со скоростью света, а в проводниках — значительно медленнее: за микросекунду оно проникает, например, в медь на глубину в десятки микрон (характерная скорость — всего лишь десятки метров в секунду). Поле просто не успевает «уйти» в металл, поэтому сжимаемый взрывом лайнер сжимает и магнитное поле внутри себя. Магнитный поток, ранее представленный как произведение тока на индуктивность, можно представить и как произведение индукции магнитного поля внутри катушки на площадь сечения катушки, пронизываемую силовыми линиями этого ноля. Если в лайнере нет разрывов, то, при условии сохранения большей части потока, индукция магнитного поля внутри лайнера «вынуждена» возрастать, чтобы компенсировать убывание площади его сечения. При этом давление магнитного поля изнутри лайнера препятствует сжатию (иногда говорят — «компрессии»), но, конечно, вначале оно уступает давлению взрыва. Работа, совершаемая взрывом против пондерромоторных сил поля и приводит к «перекачке» энергии взрыва в энергию поля. Давление магнитного поля возрастает очень быстро: площадь сечения сжимаемого к оси лайнера убывает обратно пропорционально квадрату радиуса, а значит, в той же пропорции возрастает индукция поля; для давления же эта зависимость еще сильнее — оно пропорционально квадрату индукции, то есть четвертой степени радиуса лайнера! Закон возрастания давления гидродинамических сил в веществе лайнера при его схлопывании куда слабее — всего лишь обратно пропорционален логарифму радиуса. Из этого следует, что, при идеальном сжатии, магнитное поле, пусть даже очень слабое вначале, всегда станет сильнее взрыва и остановит движение лайнера к оси. Таким образом, именно тогда, когда поле близко к максимуму, движение лайнера замедляется и поле тоже меняется медленно: физическая природа процесса сжатия поля в ИВМГ, определяемая конкуренцией сил взрыва и магнитного поля, противодействует быстрому изменению поля во времени.
Понимание процессов, происходящих при сжатии магнитного поля лайнером, важно для перехода к более сложным явлениям, о которых речь пойдет далее. А закрепить знания читателя о магнитном потоке постараюсь, объяснив, почему не излучает ИВМГ: из уравнений Максвелла следует, что мощность излучения пропорциональна второй производной магнитного момента, который равен произведению тока в лайнере на площадь охватываемую этим током, то есть — опять-таки на площадь сечения лайнера. То, что ток и его поле жестко связаны между собой, известно, следовательно, связаны магнитный момент и магнитный поток, равные произведениям этих величин на ту же площадь сечения лайнера. Если поток сохраняется (или незначительно меняется), ни о каких высоких значениях второй производной магнитного момента, а значит, и о мощном излучении говорить не приходится.
Для эффективного излучения поле должно было меняться не просто быстро, а так, чтобы характерное время его изменения соответствовало длине волны, сравнимой с размерами устройства.
Каждый видел нестабильности, по крайней мере — по телевидению. Попросите ребенка нарисовать разрыв снаряда «на войне» и он начертит несколько линий, исходящих из центра. Из-за нестабильностей слой воды, метаемый взрывом, вырождается в струи, летящие в воздухе (рис. 4.24). Нестабильности развиваются при большой разнице в плотностях движущегося вещества и среды, где происходит движение. Именно такое соотношение и имеет место в ИВМГ: лайнер из меди движется в воздухе. Подобно вырождающемуся в струи слою воды на рис. 4.24, при схождении лайнера, «внутрь» тянутся и струи меди. Увидеть это можно на снимках, сделанных высокоскоростной камерой (рис. 4.25): на поверхности лайнера начинают расти «пальцы», а потом образуется «звезда», разрезающая объем сжатия, на чем процесс усиления поля и заканчивается. Нестабильности существенны уже на радиусах меньших половины от начального, так что лайнер никак не подходил для сжатия до микронных радиусов.
Но можно сжимать поле не лайнером, а токопроводящей ударной волной, такие процессы происходят во Вселенной и известны астрономам. Особенность ударного сжатия в том, что оно приводит к существенному повышению температуры вещества. Начиная с некоторого предела, плотность энергии в ударной волне начинает увеличиваться только за счет температуры, а массовая плотность вещества остается постоянной. Заметим также, что при этом все параметры связаны: в одном и том же веществе при одинаковых начальных условиях не могут существовать ударные волны с одинаковыми давлением, но с разными, например, температурами.
Скорость фронта ударной волны всегда превышает массовую скорость вещества за фронтом. «С ходу» такое понять сложновато, поэтому для демонстрации возьмем с десяток карандашей и, оставляя зазоры равные их толщине (что моделирует двукратное увеличение плотности вещества при сжатии), разложим в ряд на столе. Затем начнем двигать крайний из карандашей. Выбрав зазор, этот карандаш толкнет соседний, тот, пройдя зазор — следующий и т. д. Заметьте, что «фронт» процесса (граница области, где находятся карандаши без зазоров между ними) всегда опережает любой из двигающихся карандашей. Чем больше сжатие вещества (больше расстояние между карандашами), тем меньше различаются «массовая» скорость карандашей и скорость фронта, но отличие существует всегда.
Ясно, что чем плотнее «упаковано» атомами вещество, тем сильнее оно «сопротивляется» сжатию. Например, такая в высшей степени упорядоченная структура, как монокристалл, сжимается УВ с давлением в миллион атмосфер всего вдвое. Повышение же температуры в мощной ударной волне приводит к тому, что молекулы вещества за фронтом волны сначала диссоциируют, а потом — ионизуются и составлявшие их атомы. Это означает, что вещество, в исходном состоянии бывшее диэлектриком, может, будучи ударно- сжатым, превратиться в проводник [57] .
57
Скачок проводимости в некоторых ударно-сжатых веществах может и не быть связан с повышением их температуры
Вернемся к аналогии с карандашами и сделаем промежутки между ними совсем незаметными. Тогда, стоит чуть-чуть тронуть их ряд — и фронт «процесса» окажется очень далеко, а «движения вещества» практически не будет. Если сжимаемость мала, а ионизация все же происходит, то магнитное поле сразу оказывается в проводящем веществе, которое «не успеет» сколь-нибудь заметно вытеснить поле в область сжатия — произойдет «вмораживание». Предельный случай вмораживания — ионизация вещества мощным излучением, когда среда может вообще не двигаться. Не сможет двигаться и поле, оказавшееся в такой среде после ионизации. Представим эту ситуацию, расположив между карандашами обрезки веревки — они будут моделировать силовые линии поля. Сдвинувшись, карандаши зажмут веревки между собой и двигаться дальше им можно будет только вместе. Потери на вмораживание специфичны именно для ударного сжатия, они «откусывают» поле по краям области сжатия, в то время как при сжатии поля проводником последний «толкает перед собой» поле, за исключением того, что диффундирует внутрь него.