АННОТАЦИЯ

Более четверти века, со времени объявления Р.Рейганом программы стратегической оборонной инициативы (СОИ), американцы упорно шаг за шагом двигались к поставленной цели. В статье проанализирован доступный материал, который показывает, что в связи с данными экспериментов на мощном источнике импульсного рентгеновского излучения, получившего название Z-машины, для продвижения СОИ открылись новые возможности.

Ключевые слова: Температура, рентгеновское излучение, плазма, фокусировка, алмазные отражатели, термоядерный синтез, импульс, энергия, Z-машина.

Несколько лет назад по новостным лентам Интернета прокатилась сенсационная волна об экспериментах на мощном источнике импульсного рентгеновского излучения, получившего название Z-машины по конструкции электрода. Эксперименты проводились в исследовательской лаборатории Сандия, в штате Нью-Мексико, США. Самым значимым был эксперимент, выдавший температуру плазмы в два миллиарда градусов, превысившей температуру в центре звёзд. Это произошло в одном из экспериментов, когда вольфрамовые проволочки электродов были заменены стальными. Совершенно неожиданно для исследователей эта замена привела к росту температуры на три порядка, до 2-х миллиардов градусов. Автор этих строк много времени посвятил изучению параметра температура, центрального понятия теории теплоты. Эти исследования изложены в [2, 3, 4]. Главным в этих исследованиях было рассмотрение температуры с позиции импульсных представлений. Из этих представлений стало понятным, почему замена материала электрода с вольфрама на сталь привела к скачку температуры.

ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕМПЕРАТУРЕ

К настоящему времени наиболее устоявшимся и обще принятым является представление о температуре как мере нагретости тел, связанной с интенсивностью движения частиц системы. В качестве механического аналога температуры выступает статистически усреднённая кинетическая энергия поступательного движения хаотически движущихся молекул.

При изучении механизма приводящего к неизбежности установления равновесия в замкнутой термодинамической системе, автору данной статьи удалось вскрыть эффект вырождения результирующего импульса. Характерным свойством равновесного состояния термодинамической системы является равенство нулю результирующего импульса всей системы и каждой её локальной области. Это и привело к сомнению в правомерности общепринятой трактовки температуры. Кинетическая энергия при столкновении передаётся от одной частице к другой при обязательной передаче импульса. В какую сторону передаётся импульс, туда же передаётся и кинетическая энергия. Если импульсы равны, то при столкновении не происходит передачи импульса и энергии, что говорит о равновесии. Но если частицы имеют разные массы, то при равенстве их импульсов их кинетические энергии различны. При импульсном подходе к взаимодействию частиц термодинамической системы выясняется ещё одна интересная особенность. Столкновения между частицами могут происходить или в лоб или вдогонку. Так вот при столкновении вдогонку возможен случай, когда частица с меньшим импульсом и меньшей энергией при соударении передаёт импульс и энергию частице, у которой до столкновения импульс и энергия имеют большую величину. Это возможно, когда лёгкая и быстрая частица догоняет более тяжёлую частицу. Это существенным образом сказывается на выравнивании кинетических энергий частиц различной массы, но полностью энергии частиц различной массы, при достижении системой равновесного состояния, не выравниваются. Проведённые эксперименты и численные расчёты показали, что в состоянии равновесия различные газы не имеют ни каких равных механических характеристик, ни средних кинетических энергий, ни средних модулей импульсов. Можно говорить лишь о равном обмене порциями энергии с учётом флуктуаций. Причём эти порции различны между разными подсистемами смеси газа и зависят от размеров и параметров системы и подсистем. Анализ всей совокупности расчетов выявил чёткую зависимость результата взаимодействия от соотношения масс частиц газов. В состоянии равновесия средние энергии частиц различных газов не одинаковы. Чем тяжелее газ, тем меньше его средняя кинетическая энергия частиц и наоборот больше средний модуль импульса частиц.

Результаты расчётов показаны на Рис.1. [4]. На Рис.1 отношения масс взаимодействующих частиц изменяется в пределах от 1 до 200, что соответствует реальным газам. Средняя кинетическая энергия и средний модуль импульса частиц газа с массой 1 ед. массы приняты на графике за единицу и изображены жирной линией с ординатой единица. На оси абсцисс обозначены отношения масс газов, с которыми рассчитывалось состояние равновесия с газом единичной массы. По оси ординат отложены значения отношения средних импульсов (верхняя линия) и отношение средних кинетических энергий (нижняя линия) тяжёлого газа к газу единичной массы в состоянии равновесия. Расчёты показали, что с ростом соотношения масс средние импульсы частиц тяжёлого газа в состоянии равновесия растут, а средние кинетические энергии уменьшаются в сравнении с аналогичными характеристиками единичного газа.

Рис. 1.

Причём, исходя из законов сохранения энергии и импульса, можно утверждать, что на графике Рис.1 линия кинетической энергии (нижняя линия) при неограниченном росте соотношения масс будет асимптотически стремиться к нулю. Это означает, что в состоянии равновесия всё большая доля энергии системы будет сосредотачиваться в подсистеме лёгкого газа. А линия импульсов (верхняя линия) после достижения точки перегиба начнёт асимптотически стремиться к единице. Это следует из простых соображений. Когда частица газа сталкивается со стенкой сосуда (с бесконечно большой массой), то отлетает от неё с сохранением энергии и импульса. А это возможно лишь при равенстве импульсов и столкновении в лоб.

В теории плазмы различают изотермическую и неизотермическую плазму. “В плазме, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, температура ионов и электронов одинакова (т.е. одинаковы их средние кинетические энергии). Такая плазма называется изотермической. Если в плазме идёт достаточно сильный электрический ток, то электроны, разгоняемые полем, могут иметь среднюю энергию значительно большую, чем ионы. Такая плазма называется неизотермической. Температура электронов, легко обменивающихся энергией между собой и слабо – ионами (ввиду большой массы последних), может значительно превышать температуру последних”. [1]. На основании выше изложенного вытекает, что даже в состоянии равновесия плазмы, средняя кинетическая энергия электрона многократно превышает среднюю кинетическую энергию иона. А если учесть, что в сильно ионизированной плазме ещё и количество электронов многократно превышает количество ионов, то львиная доля подведенной к плазме энергии сосредотачивается в электронной подсистеме. Это (наряду с неустойчивостью плазмы и быстрым восприятием подводимой энергии в первую очередь электронами) является одним из основных препятствий по реализации термоядерного синтеза.

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕКОРД Z-МАШИНЫ ИСХОДЯ ИЗ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ

Z-машина представляет собой устройство, в котором ток силой 20 млн. ампер пропускается через активную зону диаметром примерно 20 мм., ограниченную вертикальными вольфрамовыми проволоками. При прохождении тока проволочки моментально превращаются в облако заряженных частиц – плазму. Захваченная сильным магнитным полем, плазма стягивается в тонкий шнур с диаметром меньше миллиметра, и, естественно, тормозится. При практически мгновенном торможении ионов и электронов происходит взрывное выделение энергии в виде рентгеновского излучения. Температура мгновенно повышается до нескольких миллионов градусов. В одном из экспериментов вольфрамовые проволочки были заменены стальными. Совершенно неожиданно для исследователей это привело к росту температуры на три порядка, до 2-х миллиардов градусов. “Один из вариантов объяснения физической сути явления предложил доктор Малкольм Хайнес (Malcolm Haines) - консультант Sandia. Обычно после торможения ионов происходит коллапс плазмы, а высвободившаяся энергия рассеивается в окружающем пространстве. Но в ходе проведения эксперимента на Z-ускорителе энергия неизвестной природы внутри плазмы в течение еще 10 нс оказывала сопротивление магнитному полю. По мнению д-ра Хайнеса, в этом случае магнитное поле создает микровихри в плазме, увеличивая кинетическую энергию ионов. Ионы и сопровождающие их электроны выделяют энергию в результате "вязкого" трения уже после остановки плазмы, что приводит к дальнейшему увеличению температуры ”. [9].

Выскажем иное представление о причине температурного скачка при переходе с вольфрама на сталь, с учётом импульсных представлений о температуре. Плазма представляет собой смесь газов, состоящую из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов или, в случае высокой температуры и, следовательно, полной ионизации, ядер атомов. Причём при высокой температуре (в миллионы градусов), плазма называется классической по причине свойств, схожих с классическим газом. Ещё одной существенной особенностью плазменного газа является огромная разница в массах частиц: электронов и ядер. Так масса ядер в вольфрамовой плазме более чем в 300.000 раз превышает массу электронов, а в железной плазме в более чем в 100.000 раз. Это самым существенным образом сказывается на соотношении энергий частиц в равновесном состоянии. В литературе описывающей свойства плазмы отмечается, что по причине большой разницы в массах частиц электронной и ядерной подсистем, между ними происходит очень незначительный обмен энергией и в первый период плазма является сильно неравновесной. Рассматривают даже две температуры в плазе: температуру электронов и температуру ядер. И лишь по прошествии времени должно установиться температурное равновесие. Автору ситуация представляется иной. Тот факт, что частицы плазмы, обладая огромными энергиями, обмениваются малыми долями энергии, говорит о том, что они имеют близкие по абсолютной величине средние импульсы. Это и приводит к малым долям передаваемой энергии и говорит о том, что плазма близка к равновесному состоянию. Когда мы рассматриваем соударение частицы газа со стенкой сосуда, то вообще в идеальном случае не рассматриваем передачу энергии от частицы к стенке из-за несоизмеримой разницы в массах. Это вытекает из законов сохранения энергии и импульса. Но термодинамическое равновесие между стенкой и газом мы предполагаем. Подобная ситуация и между электронной и ядерной подсистемами плазмы. Тяжёлые ядра ведут себя аналогично стенке. Оценки показывают, что соотношение между кинетическими энергиями электронов и ядер в плазме соответствуют соотношениям между их массами. При этом, число электронов в полностью ионизированной вольфрамовой плазме, превышает число ядер в 74 раза, а в железной в 26 раз. Отсюда следует, что энергия, аккумулируемая в электронной подсистеме, на многие порядки превышает энергию ядерной подсистемы. Нужно учитывать и тот факт, что в импульсном режиме энергию электрического поля при формировании плазмы в первую очередь воспринимают лёгкие электроны. Ядрами энергия воспринимается менее интенсивно в силу их большой инертности. Так вот переход с вольфрамовых проволочек на стальные привёл к снижению соотношения между массами частиц (ядер и электронов) с 300.000 до 100.000 раз. По оценкам уже одно это увеличило температуру ядерной подсистемы железной плазмы почти на порядок в сравнении с вольфрамовой. Но основная причина, которая, в конечном счёте, привела к увеличению температуры на три порядка, видится в следующем. Рассмотрим процессы в активной зоне Z-машины.

Рис.2.

Процессы, протекающие в плазменном шнуре Z-машины, показаны на Рис.2, где изображено поперечное сечение плазменного шнура на разных стадиях. На первой стадии (левый рисунок), при пропускании электрического тока через активною зону, в ней формируется нейтральная плазма. Причём практически вся энергия электрического поля передаётся электронной подсистеме. Доля энергии ядерной подсистемы на многие порядки меньше. На второй стадии (средний рисунок) под действием пинч-эффекта и внешнего магнитного поля плазма стягивается в тонкий шнур. При этом в шнуре формируется структура, при которой по оси шнура возникает электронный стержень, а по периферии остаются положительно заряженные ядра. Формируется двойной электрический слой, создающий сильное электрическое поле. Причина формирования такой структуры и электрического поля в том, что лёгкие электроны под действием магнитных эффектов быстрее стягиваются к центральной оси шнура, чем массивные и инертные ядра. На следующей третьей стадии (рисунок справа), электроны, испытывая резкое торможение, сбрасывают энергию в виде жёсткого рентгеновского излучения. Учитывая, что практически вся энергия первоначального электрического поля перешла к электронам, сброс энергии рентгеновского излучения огромен. Эта энергия и разогревает ядерную оболочку плазменного шнура. Ядерная оболочка шнура железной плазмы более плотная и ближе к электронному стержню, чем оболочка вольфрамовой плазы. Это связано с тем, что ядра железа легче чем ядра вольфрама и следовательно менее инертны. По этой причине электрическое поле двойного слоя железной плазмы сильнее электрического поля вольфрамовой. Электрическое поле возникшего на второй стадии двойного слоя и является той “энергией неизвестной природы”, которая внутри плазмы в течение еще 10 нс оказывала сопротивление магнитному полю. По причине того, что ядра железной плазмы имеют большую плотность, они лучше экранируют излучение электронного стержня, а, обладая меньшей массой, чем ядра вольфрама, легче воспринимают энергию излучения. К тому же ядра вольфрама удерживаются более слабым полем двойного слоя и просто “выдуваются” излучением из области ядра. По совокупности всех причин и получено тысячекратное увеличение ядерной подсистемы железной плазмы в сравнении с вольфрамовой.

Исходя из изложенного, приходим к выводу. Если мы хотим по технологии Z-машины получить более горячую плазму, то необходимо в качестве материала проволочек брать по возможности более лёгкий материал, например, алюминий или углерод. Внутри области проволочек размещать капсулы с лёгкими дейтерием или тритием. Если мы хотим получить мощное рентгеновское излучение, то в качестве материала проволочек необходимо брать по возможности более тяжёлый электропроводящий материал, например, свинец.

ВОЗМОЖНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЖЁСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ Z-ТЕХНОЛОГИИ

1) Термоядерный синтез.

Уже более полувека исследователи бьются над задачей управляемого термоядерного синтеза. Главная трудность связана с возможностью удержания плазмы достаточной плотности и требуемой температуры в заданном объёме. Эта трудность связана с наличием в плазме разнообразных неустойчивостей. Для их сдерживания требуются мощные потенциальные барьеры, как например гравитационные барьеры внутри звёзд. Создать подобные барьеры в земных условиях вряд ли возможно. Новые возможности открываются при использовании импульсных режимов, когда роль потенциального барьера начинает играть инерция массы. И такая возможность открывается при использовании технологии Z-машины. Имеются сведения, что при проведении экспериментов с Z-машиной, внутри электрода помещалась капсула с дейтерием и при образовании плазмы наблюдались признаки термоядерной реакции. Решение этой проблемы любой стороной будет благом для всех.

2) Ракетные технологии.

На сегодняшний день ракетные технологии на химических источниках энергии достигли своего потолка и дальнейшее развитие космонавтики на этом пути невозможно. Физика в качестве альтернативы предлагает плазменные, ионные и фотонные двигатели. Эксперименты на Z-машине дают направление реализации этих физических возможностей. Причём не только плазменных двигателей, но и самых экономичных по соотношению полезной нагрузки к полной, фотонных двигателей, при условии решения проблемы фокусировки рентгеновского излучения. Причём, учитывая капризный характер плазмы, гораздо более реалистичной представляется возможность создания фотонных двигателей. Овладение новыми ракетными технологиями будет благом уже не для всех, т.к. это технологии двойного назначения.

3) СОИ.

Более четверти века, со времени объявления Р.Рейганом программы стратегической оборонной инициативы (СОИ), американцы упорно шаг за шагом двигались к поставленной цели. В связи с данными экспериментов на Z-машине, для продвижения СОИ открылись новые возможности. Долгое время проблема фокусировки рентгеновских лучей не находила решения, но в последнее время наметился прорыв. “Принято считать, что зеркало способно практически полностью отражать жесткое рентгеновское излучение (с длиной волны порядка 0,1 нм и меньше) только тогда, когда угол скольжения (угол между поверхностью материала и лучом) близок к 0°. Однако теоретические расчеты предсказывают, что поверхность алмаза может отражать свыше 90% (коэффициент отражения 0,9 и больше) рентгеновских лучей, даже падающих на него под прямым углом. Американские физики экспериментально подтвердили теоретические предсказания, показав, что поверхность искусственного алмаза имеет коэффициент отражения приблизительно 0,9. Результаты исследования в будущем могут быть использованы в рентгеновских лазерах нового поколения и других приложениях рентгеновской оптики”. “В последнее время физики стали проявлять к жесткому рентгену большой интерес, связанный прежде всего с созданием новых источников когерентного жесткого рентгеновского излучения — рентгеновских лазеров XFELO. По сравнению с предыдущими поколениями подобных устройств, XFELO имеет значительно большую яркость и очень малый разброс (расходимость) по энергии фотонов в рентгеновском луче”. “Сравнительно недавно исследователи, занимающиеся рентгеновскими лазерами, предположили, что прекрасным материалом для зеркала в XFELO могут оказаться кристаллы алмаза. Эта гипотеза опирается на теоретические расчеты, согласно которым алмаз имеет чрезвычайно высокий коэффициент отражения (RH) жестких рентгеновских лучей — более 0,9”. [8]. Объединение эффектов Z-машины и отражательной способности алмаза может в ближайшей перспективе привести к созданию мощного лазерного оружия и нарушить оборонный паритет.

Необходимо отметить, что все эффекты, полученные на Z-машине, достигнуты с помощью энергии подведенной извне. Это энергия электрического поля, в импульсном режиме порождающая плазменный шнур и энергия магнитного поля, в импульсном режиме сжимающая плазму. Энергетические возможности Z-технологии резко возрастут, если удастся вызвать вторичный выброс энергии в результате реакции ядерного синтеза. Это открывает путь не только к термоядерному синтезу, но и к новым технологиям военного назначения. Пока ещё стоит проблема миниатюризации установок. Но как показывает практика это вопрос времени. Например, если и далее укорачивать время импульсов при той же исходной энергии, то будет возрастать проходящий через электрод ток (сейчас 20 млн. ампер). А это может позволить достигать необходимого эффекта сжатия только за счёт пинч-эффекта и обойтись без громоздких магнитов.

Разработки американских исследователей в области Z-технологий вызывают тревогу. Имеются сведения, что американцы вкладывают большие средства в модернизацию импульсных рентгеновских излучателей, а новых сведений об экспериментах в последнее время нет. С учётом отставания России в области высокоточного оружия, в гиперзвуковых технологиях, робототехнике тревога ещё более усиливается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Я отдаю себе отчёт в том, что не являюсь специалистом в области физики плазмы и пользуюсь только общефизическими представлениями. Отдаю отчёт в том, что информация, почёрпнутая в Интернете, не может претендовать на полную достоверность. Цель статьи обратить внимание на возможный критический характер полученных на Z-машине эффектов. В России необходимо в срочном порядке строить установки импульсных рентгеновских излучателей по прототипу американских Z-машин и проводить на них эксперименты. Необходимо в усиленном режиме проводить НИОКР и налаживать производство искусственных алмазов с заданными физическими и технологическими свойствами.

Алмазные покрытия боеголовок и их носителей способны также защитить их от рентгеновских лазеров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: “Наука”, 1970г., 384с.

2. Косарев А.В. Температура как импульсная характеристика термодинамической системы. // Материалы Всероссийской НТК “Современные проблемы математики и естествознания”. Н. Новгород, ИМЦ “Диалог”, 2008г., с. 14-17.

3. Косарев А.В. Понятие температуры и температурный эффект Z-машины в свете векторной энергетики. // Научные труды 13-й Межвузовской Российской научной конференции “Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах”. Балаково, Из-во СООО “АН ВЭ”, 2012г., с. 139-145.

4. Косарев А.В. Импульсная составляющая в трактовке температуры.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. ТФ. Том 5. Статистическая физика. Часть 1. –М.: “Наука”, 1976г., 584с.

6. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. – М.: “Оникс 21 век”, “Мир и Образование”, 2003г., 432с.

7. Трубников Б.А. Теория плазмы. – М.: “Энергоатомиздат”, 1996г., 464с.

8. Подтверждена высокая отражательная способность алмаза в диапазоне жёсткого рентгеновского излучения. Источник: сайт “Элементы”. http://elementy.ru/news/431266.

9. Перечень использованных Интернет ресурсов о Z-машине:

http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2006/03/14/197710;

http://nuclearfusion.narod.ru/zzzr.htm;

http://www.astronet.ru/db/msg/1212234