Фантастическая энергия. Часть 1

Значимость высокоточных измерений в экспериментальной физике и технике

Физика – это наука о природе. Исторически сложилось так, что, изучая природу, ученые сначала просто наблюдали за ней, находили закономерности и пытались их объяснить, чтобы предсказать и тем самым научиться использовать явления окружающего мира для своих целей. Для проверки выдвигаемых гипотез и оценки понятий ученые проводили эксперименты – наблюдали закономерности природы, но уже не в естественных, а в искусственно созданных, лабораторных условиях. Так ученые от наблюдения перешли к экспериментам, и возникла необходимость количественной оценки величин физических понятий. Таким образом, для описания природы ученые начали использовать математику, то есть числа.

Все физические величины представляют собой физические понятия, такие как тепло или холод, скорость или масса, интенсивность выполнения работы или плотность нейтронного потока, которые выражаются числами. Чтобы выразить физическое понятие в виде числа, его, очевидно, необходимо измерить. Таким образом, измерение физических величин является основой экспериментальной физики.

Результаты таких измерений не всегда точно совпадают с действительным значением измеряемой физической величины – практически всегда имеется погрешность измерений. Точность измерений играет важнейшую роль в физике, поэтому в современной физике измеренной величина считается не тогда, когда было получено ее численное значение, а когда установлен также и предел погрешности, в рамках которого находится истинное значение измеряемой величины. Вопрос точности измерений столь важен, что учеными была разработана отдельная область – теория погрешностей.

Точность измерений имеет фундаментальное значение в физике по нескольким причинам. Она необходима для проверки существующих теорий, ведь каждая новая теория должна быть проверена путем экспериментов, и точные измерения являются ключевым элементом этого процесса. Высокоточные измерения способны привести к открытию новых физических явлений и способов влияния на уже известные физические эффекты.

Точные измерения в области материалов и электроники помогают разрабатывать более компактные, эффективные и точные устройства. Новые технологии, в свою очередь, способны повышать качество научных и прикладных исследований, открывая путь к дальнейшим открытиям.

«Ядерное дыхание» мощной импульсной энергетики

Мощная импульсная энергетика представляет собой раздел науки и техники, занимающийся созданием генераторов, на выходе которых формируется импульс электромагнитной энергии с длительностью намного меньшей, чем время, в течение которого эта энергия потреблялась устройством от сети. Схема такого мощного импульсного генератора, как правило, включает первичный накопитель энергии, систему сжатия импульса во времени, систему вывода энергии на нагрузку и саму нагрузку, поскольку обычно от нагрузки зависят параметры выходного импульса генератора. Мощность генерируемых такими установками импульсов способна в десятки раз превышать мощность всех генераторов электроэнергии в мире!

Как и многие современные научные открытия, развитие мощная импульсная энергетика получила во времена холодной войны для нужд обеспечения обороноспособности Англии, США и СССР. К концу 1953 года Соединенные Штаты обладали устройствами и деления, и синтеза в запасах атомного оружия. Великобритания и Советский Союз также продвигались вперед в разработке ядерного оружия. В августе 1953 года Советский Союз испытал устройство мощностью 0,5 мегатонны, описанное как термоядерное.

Поскольку предполагалось, что Советский Союз обладает ракетным потенциалом, превосходящим американский, у руководства США возникали опасения по поводу воздействия радиации от взрыва такого атомного оружия на военное оборудование. В американских системах управления оружием внедрялись новые электронные системы, и необходимо было проверить их уязвимость к подобной радиации.

Обеспокоенность мировой общественности по поводу радиоактивных осадков в результате международных испытаний оружия побудила Соединенные Штаты и Советский Союз заключить соглашение о приостановке ядерных испытаний и инициировать исследования лабораторных симуляторов. Так начались исследования по моделированию воздействия ядерного оружия на системы управления.

Требование высокой мощности дозы и существующие технологические ограничения означали, что нужны сильноточные пучки (сотни-тысячи килоампер) с длительностью импульса менее 100 миллиардных долей секунды. Технологий, удовлетворяющих этим требованиям, в то время не существовало, но ученые начали искать новые подходы. Вскоре научное сообщество заинтересовалось концепцией сильноточных ускорителей, генерирующих рентгеновское излучение для имитации воздействия гамма-излучения.

Развитие технологий строительства симуляторов ядерных эффектов

Установка AURORA была построена в 1972 году в Harry Diamond Laboratories в городе Адельфи (штат Мэриленд, США) для получения жесткого рентгеновского излучения, которое использовалось в целях импульсной радиографии и для испытания и совершенствования военной техники (боеголовок межконтинентальных баллистических ракет) и космической аппаратуры (спутников). На момент строительства это был крупнейший симулятор ядерных эффектов. Построение генератора AURORA явилось яркой вехой в развитии всей импульсной техники.

Генератор AURORA проектировался для получения на нагрузке 10 Ом импульса отрицательного напряжения с амплитудой 12 МВт и длительностью 135 нс . То есть мощность установки должна была достигать ∼ 14 ТВт. Эта мощность в 20 раз больше, чем мощность всех генераторов электроэнергии в мире, она сравнима с мощностью электростанции, способной обеспечивать электроэнергией несколько миллионов домов, а также с мощностью взрыва атомной бомбы силой 10 мегатонн.

С помощью четырех электронных диодов ускоритель AURORA генерировал одновременно четыре электронных пучка с энергией электронов около 10 МэВ, полным током ~ 2МА, суммарной мощностью 14 ТВт при длительности импульса τ ~ 135 нс. Характерная энергия гамма-квантов, полученная в этих экспериментах, составляла около 3 МэВ. Доза тормозного излучения в объеме 1 м³, примыкающих к анодам четырех электронных пушек, достигала значения 50 000 рад.

При его строительстве было решено огромное количество технических проблем, а найденные решения долгое время применялись в более поздних проектах. В 1996 году установка была выведена из эксплуатации и разобрана.

Другим большим достижением в мощной импульсной энергетике стала экспериментальная установка PBFA-II (англ. Particle Beam Fusion Accelerator), построенная в 1985 году исследовательскими национальными лабораториями «Сандия» (Sandia National Laboratories, SNL) в городе Альбукерке (штат Нью-Мексико, США). Установка предназначена для исследования вещества в условиях экстремальных температур и давлений, но после модернизации в 1996 году она получила название «Установка Z» и используется для исследования инерциального термоядерного синтеза.

Установка PBFA-II запасает суммарную энергию 12 МДж, а суммарная мощность импульса составляет 55 ТВт (напряжение 3,1 МВ и ток 17,7 МА)!

Крупнейшей в мире импульсной установкой с плазменным прерывателем тока является российская тераваттная установка ГИТ-12, построенная в ИСЭ СО РАН, г. Томск, введенная в эксплуатацию в 1986 году. Предельный обрываемый ток, достигнутый в этой установке, составил 6 МА. В результате срабатывания прерывателя на нагрузке генератора формируются импульсы мощностью до 10 ТВт.

В мощных импульсных установках, описанных выше, достигаются столь огромные величины токов и напряжений, что металлы проводников в таких полях просто испаряются; уровень радиации в 100 и более раз превышает смертельную для человека дозу; генерируемые высокочастотные сигналы этих чрезвычайно мощных машин производят столь сильные помехи, что стримеры вокруг аппаратуры могут достигать метровой длины!

Как в таких условиях производить точные измерения, о какой точной науке можно здесь говорить? Это все равно что пытаться произвести измерения температуры в центре ядерного взрыва или в сердце звезды – любой термометр испарится прежде, чем покажет что-нибудь. Но, как это ни удивительно, оказывается и такие измерения уже возможны.