Глава 8 Планотрон и ниготрон

Глава 8

Планотрон и ниготрон

Наша работа началась с теоретического исследования процессов генерации мощных сверхвысокочастотных колебаний. Мы исходили из предпосылки, что мощные колебания могут эффективно создаваться только электронными процессами, происходящими в постоянных (скрещенных) магнитном и электрическом полях, и разработали метод теоретического рассмотрения таких процессов. Этот метод, как будет видно далее, является достаточно общим и полным; в частности, с его помощью удалось дать наглядную количественную теорию процессов, происходящих в генераторах магнетронного типа…

П. Капица.

Электроника больших мощностей

Рис. 7.5. Планотрон академика Капицы

Хорошо известно, что если электронный процесс идет не при высоком вакууме, то отрицательно заряженное облачко электронов пронизывается положительными ионами, которые благодаря своей большой инертности не принимают участия в динамике процесса, но своими зарядами нейтрализуют взаимное расталкивание электронов. Таким путем удается осуществить электронные процессы, в которых участвуют уже значительные мощности. На практике это осуществляется, например, в ртутных выпрямителях, тиратронах и других газонаполненных приборах.

П. Капица.

Электроника больших мощностей

В конце 1940-х гг. П. Л. Капица обращается к совершенно иному кругу физических задач – к вопросу о создании мощных генераторов СВЧ-колебаний непрерывного действия. Петру Леонидовичу удалось решить сложную математическую задачу о движении электронов в СВЧ-генераторах магнетронного типа. На базе этих расчетов он конструирует СВЧ-генераторы нового типа – планотрон и ниготрон. Мощность ниготрона составляла рекордную величину – 175 кВт в непрерывном режиме. В процессе изучения этих мощных генераторов академик Капица столкнулся с неожиданным явлением – при помещении колбы, наполненной гелием, в пучок излучаемых генератором электромагнитных волн в гелии возникал разряд с очень ярким свечением, а стенки кварцевой колбы плавились.

Это навело Петра Леонидовича на мысль, что, применяя мощные электромагнитные колебания сверхвысокой частоты, можно нагреть плазму до огромных температур. Он присоединяет к ниготрону камеру, представляющую собой резонатор для СВЧ-колебаний. Наполняя эту камеру различными газами (гелий, водород, дейтерий) под давлением в 1–2 атм, Петр Леонидович обнаружил, что в центре камеры (где интенсивность СВЧ-колебаний максимальная) в газе возникает шнуровой разряд. Применяя различные методы диагностики плазмы, П. Л. Капица показал, что температура электронов плазмы в этом разряде составляет около 1 млн градусов. Несколько позже эти исследования фактически открыли новый путь в решении задачи о создании термоядерного реактора, призванного, как считал академик, раз и навсегда решить все проблемы энергетики.

Любопытно, что своего первенца в области сверхмощных излучателей П. Л. Капица остроумно назвал, используя два первых слога как аббревиатуру названия местности, где расположилась его «изба физпроблем», – Николина Гора. Именно в опытах с ниготроном Капица наблюдал явление образования высокотемпературной плазмы, которое натолкнуло его на идею использования этого высокочастотного прибора как основы для постройки в будущем термоядерного реактора. В то время уже велись работы по управляемому термоядерному синтезу, но идея Капицы принципиально отличалась от тех, на основе которых была спроектирована и построена первая советская экспериментальная установка термоядерного синтеза.

Рис. 7.6. Макет сверхвысокочастотной установки планотрона

Капица изобрел высокочастотные генераторы нового типа – планотрон и ниготрон, излучающие большую непрерывную мощность. В 1950 г. мощность, генерируемая планотроном, была пропущена через кварцевый шар, наполненный гелием.

После снятия секретности на курчатовские работы по управляемому термоядерному синтезу Капица был несколько обижен, что доклад об этом был сначала сделан в Харуэлле – центре научно-исследовательских работ в области атомной энергии в Великобритании, а не в советской Академии наук, поскольку выявилось некоторое сходство идеи ниготрона с идеей термоядерного реактора.

Надо сказать, что «домашние опыты» в области электроники больших мощностей открыли Петру Леонидовичу много интересных явлений и даже позволили предложить свою теорию радиоволновой природы шаровой молнии. В своих экспериментах академик Капица кроме ниготрона использовал еще один сверхсильный источник микроволновых колебаний – планитрон, получивший свое название за плоский резонансный контур. В ниготроне основной колебательной системой, стабилизирующей генерируемую частоту, является цилиндрический резонатор, в котором используются колебания, симметричные по азимуту, а в планитроне резонатор имеет в сечении прямоугольную геометрию.

Сегодня в инженерной физике и радиоэлектронике применяется много разновидностей этих приборов: коаксиальные магнетроны, обращенные коаксиальные магнетроны и ниготроны. В коаксиальном магнетроне обычный анодный блок многорезонаторного магнетрона помещен в цилиндр большего диаметра. Пространство, ограниченное внешней поверхностью анодного блока, внутренней поверхностью цилиндра и торцевыми дисками, образует коаксиальный резонатор. Один из торцевых дисков может перемещаться по оси прибора и, изменяя объем резонатора, настраивать его на рабочую длину волны. В теле анодного блока магнетрона, между его резонаторами, прорезаны щели, через которые обеспечивается связь между пространством взаимодействия магнетрона и коаксиальным резонатором.

Рис. 7.7. Модель силового поля ниготрона

Ниготрон – генераторный прибор магнетронного типа непрерывного действия, в котором взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной осуществляется на первой гармонике нулевого вида колебаний; внутри цилиндрического резонатора аксиально расположены две системы штырей: внешняя – замедляющая и внутренняя, являющаяся катодом.

П. Капица.

Электроника больших мощностей

Наблюдая за процессами взаимодействия высокоэнергетичного излучения своих генераторов с веществом, академик Капица высказал парадоксальную гипотезу о природе шаровой молнии. По его мнению, ее питают радиоизлучения, возникающие при грозовых разрядах атмосферного электричества. Предложенное выдающимся ученым объяснение шаровой молнии хорошо согласуется со всеми опытами, поставленными в свое время Теслой. Модель Теслы – Капицы прекрасно объясняет все экзотические особенности плазмоидов, начиная от цветовой гаммы их свечения и кончая особенностями движения, включающими качение по поверхности различных предметов, протекание через всяческие щели и диафрагмы, а также физиологическое воздействие на животных и человека.

Трудно сказать, в какой степени академик Капица был знаком с моделями «круглого электричества» Теслы. Во всяком случае, он, как и великий изобретатель, предполагал, что шаровая молния является продуктом коротковолнового излучения, возникающего в пространстве между облаками и поверхностью Земли. В дальнейшем на основании этого предположения физики разработали целую теорию – мазер-солитонную. Эта теория предполагает, что шаровая молния является производным своеобразного «атмосферного мазера», т. е. лазера, излучающего в радиодиапазоне. Технически эффект «атмосферного мазера» можно объяснить как результат возникновения вращательной энергии в молекулах воды под воздействием короткого импульса электромагнитного поля, сопровождающего грозовые электрические разряды – молнии.

Подавляющее большинство людей может за свою жизнь наблюдать много разрядов обычной молнии, так ни разу и не увидев шаровой. По количеству свидетельских показаний можно оценить, что в год отслеживаются десятки тысяч шаровых молний, а за целую жизнь это явление видит примерно один человек из тысячи. Феномен шаровой молнии долгое время не получал признания в науке. О ней говорили, что это оптический обман и ничего более. Часто ее считали «плодом возбужденной фантазии» и «явлением, не отвечающим законам природы». Ученые, как видим, тоже могут заблуждаться при столкновениях с загадками природы. Причем нередко они заблуждаются не потому, что у них «дурной характер», который не позволяет им снисходительно относиться к новым научным идеям или соглашаться с фактами, противоречащими их представлениям. Причины тут бывают гораздо глубже, включая, в частности, стремление сохранить в целостности и законченности господствующую в естествознании систему воззрений на устройство мира. Однако познание – процесс, который остановить нельзя, пока существует человечество. В основе этого процесса лежит принцип «не знаю сегодня – узнаю завтра». Принцип, который прямо противоположен религиозному: «не знаю и знать не положено, поскольку все, что непонятно, чудесно, – от Бога, подтверждение его бытия, и познать это невозможно».

А насколько часто шаровые молнии возникают на самом деле? Естественным масштабом для сравнения служит частота появления линейных молний. Мы часто видим такую молнию издалека, но оказаться вблизи от места, в которое она ударила, – довольно редкое событие. Можно предположить, что приблизительно в двух из пяти случаев удар линейной молнии сопровождается появлением шаровых. Средний диаметр шаровой молнии составляет 20–30 см, хотя чаще встречаются маленькие молнии. Из собранных данных следует, что молнии, появляющиеся при ясной погоде, значительно крупнее возникающих во время грозы и наблюдаются в течение более длительного времени. Но в ясную погоду легче увидеть молнию с большого расстояния, так что длительность наблюдения оказывается больше и имеется тенденция к завышению ее диаметра – светящийся удаленный объект кажется больше, чем он есть на самом деле. Все же в половине случаев шаровая молния появляется в радиусе 5 м от наблюдателя, а в каждом шестом случае пролетает ближе, чем в 1 м от человека.

Тесла в своей «теории атмосферного электричества» уделил целый раздел «устойчивым круглым молниям естественного и опытного происхождения». «Повелитель молний», как называли журналисты изобретателя, считал, что парение «натуральной шаровой молнии» близи поверхности земли происходит, поскольку сила тяжести молнии уравновешивается действием электрического поля от зарядившейся в грозу поверхности почвы. В таком взвешенном состоянии движение молнии зависит либо от воздушных потоков, либо от небольших изменений приземного электрического поля. Именно в этом состоит причина необычности ее движений.

Мы уже знаем, что великий изобретатель приписывал себе «экстрасенсорную восприимчивость» изменения напряженности электрического поля. Во время грозы он мог вскочить со своего места и торжественно объявить:

– Напряженность электричества возросла, сейчас последует атмосферный разряд!

Действительно, в разгар грозы молнии обычно блещут непрерывно, поэтому прогноз Теслы, конечно же, сбывался. Вообще говоря, «повелитель молний» неоднократно утверждал, что в повседневной жизни он прекрасно чувствует, как меняется окружающее электрическое поле, и считается с ним точно так же, как другие привыкли считаться с полем тяжести, являющимся причиной движения тел.

Очень интересовала изобретателя и поразительная способность шаровой молнии проникать через узкие отверстия и даже щели. В этих исследованиях Тесла массово использовал свои загадочные «шарики электричества», которые хотя и деформировались при прохождении щелей, но всегда вновь восстанавливали свою сферическую форму после выхода в свободное пространство. Тесла рассказывал, как он с близкого расстояния наблюдал поразительный процесс «переливания круглого электричества» размером с крупное яблоко через горлышко пивной бутылки. В другой раз изобретатель описывал, как шаровая молния, сплющившись, прошла в комнату через трещину в стекле, отделяющем «приемник молниевых разрядов» от остального помещения, так как ее размер был больше размеров трещины.

Очень занимал изобретателя и световой поток, испускаемый шаровой молнией. Ведь в самом начале Тесла предполагал добиться устойчивости свечения своих плазмоидов и использовать их для освещения в полевых условиях вместо факелов, фонарей, прожекторов и осветительных ракет. Однако многочисленные эксперименты убедили его, что добиться светимости шариков электричества более 200 свечей практически невозможно, а на 50-свечевые плазмоиды в сумме приходится более половины наблюдений. Таким образом, получалось, что, говоря современным языком, световой поток от шаровой молний Теслы в среднем был сравним с тем, который испускает 100-ваттная электрическая лампочка.

Но самое удивительное свойство «электрических вихрей эфира», обнаруженное изобретателем, было в том, что, излучая свет, шаровая молния почти совсем не излучает тепло! Судя по наблюдениям и в колорадской лаборатории, и в Нью-Йорке, не может быть и речи о температуре в тысячу или тем более в несколько тысяч градусов, которую всегда приписывали шаровой молнии.

Ну и, конечно же, не мог обойти стороной изобретатель опыты по физиологическому действию шаровой молнии. Вот здесь у нас в очередной раз появляются весьма противоречивые сведения. С одной стороны, имеется немало свидетельств, что «полунатуральные шаровые молнии», получаемые в Колорадо-Спрингс, вполне могли причинить сильную травму или даже убить человека. Местные жители рассказывали приезжим корреспондентам, что однажды со штыря молниеприемника сорвался шар плазмоида, скатился по крыше лаборатории и, коснувшись распряженного коня, убил его насмерть. Тесла тоже не отрицал, что физиологическое действие шаровой молнии, как правило, сводится к поражению током. Более того, он тщательно разработал правила безопасности «производства плазмоидов», и за все время опытов ему успешно удавалось избежать несчастных случаев.

С другой стороны, полностью искусственные плазмоиды, получаемые изобретателем в нью-йоркской лаборатории, были, судя по всему, настолько безвредны, что Тесла разрешал играть с ними своим гостям. Столь разное воздействие вызывает, конечно, законное недоумение. Сам Тесла считал, что причина этого заключена не в самой шаровой молнии, а в электрическом состоянии окружающих ее предметов.

Из его модели атмосферного электричества следовало, что во время грозы на отдельных участках поверхности земли и находящихся на ней предметах могут находиться значительные заряды. Часть их нейтрализуется при ударах молнии, а шаровая молния обладает свойством снимать с проводников остатки накопленного электричества. При контакте шаровой молнии с заряженным проводником в нем возникает кратковременный импульс тока, при котором заряды, проходя через шаровую молнию, рассеиваются в воздухе. Сама она в этот момент распадается, что и воспринимается наблюдателями как взрыв.

Изобретатель считал, что энергия, выделяющаяся при взрыве, не имеет никакого отношения к энергии, запасенной в самой шаровой молнии. Энергия накапливается в заряженных проводниках, а шаровая молния служит лишь для ее освобождения. Именно с этой точки зрения Тесла объяснял, почему контакт шаровой молнии с предметами иногда нейтрален. По его схеме это просто означало, что проводник не был заряжен. А так как человек (кроме, разумеется, самого изобретателя) не воспринимает «плотность эфирного электричества» своими органами чувств, то он ничего и не знает о плотности зарядов на окружающих телах. Поэтому столь неожиданным и кажется поведение шаровой молнии при непосредственном столкновении с плазмоидом. Итак, получается, что в отсутствие зарядов встреча с шаровой молнией безопасна.

В нью-йоркской лаборатории на Второй авеню генерацию «электрических шариков» всегда сопровождала работа резонансных трансформаторов Теслы. Получается, что полностью искусственные плазмоиды буквально плавали на волнах микроволнового излучения, непрерывно поглощая и переизлучая энергию. При этом сами по себе они вели себя как квазинейтральные образования, с которыми можно было играть, как с теннисными шарами.

Сегодня многие физики при объяснении свойств шаровой молнии исходят из того, что она состоит из вещества, находящегося в состоянии плазмы. Это «четвертое состояние вещества» в начале прошлого века было еще плохо изучено, поэтому Тесла практически не использует его в своих моделях. Более того, сам термин «плазмоиды Теслы» родился уже в наше время и отражает точку зрения науки сегодняшнего дня на те удивительные электрические образования, которые изобретатель получал в своих лабораториях.

Плазма похожа на газообразное состояние с единственной разницей: молекулы вещества в плазме ионизованы, т. е. потеряли (или, наоборот, приобрели лишние) электроны и перестали быть нейтральными. Это значит, что молекулы могут взаимодействовать не только как частицы газа – при столкновениях, но и на расстоянии с помощью электрических сил.

Разноименно заряженные частицы притягиваются. Поэтому в плазме молекулы стремятся вернуть себе потерянный заряд путем воссоединения (на физическом языке – рекомбинации) с оторванными электронами. Но после рекомбинации плазма превратится в обычный газ. Поддерживать жизнь плазмы можно только до тех пор, пока рекомбинации что-то мешает, – как правило, очень высокая температура.

Если шаровая молния – это плазменный шар, то она обязана быть горячей. Так рассуждают сторонники плазменных моделей, но существует и другая возможность. Ионы, т. е. молекулы, потерявшие или захватившие лишний электрон, могут притянуть к себе обыкновенные нейтральные молекулы воды и окружить себя прочной «водяной» оболочкой, заключающей лишние электроны внутри и не дающей им воссоединяться со своими хозяевами. Такое возможно потому, что молекула воды имеет два полюса: отрицательный и положительный, к одному из которых и притягивается ион в зависимости от своего заряда. Значит, сверхвысокие температуры больше не нужны, плазма может оставаться «холодной» и в диапазоне 200–300 градусов.

В то время как аналог линейной молнии – искровой разряд – сравнительно легко воспроизводится в лаборатории, шаровую молнию после загадочных экспериментов Теслы так и не удалось получить искусственно. Вернее, некие мгновенно исчезающие плазменные шары при пропускании мощных разрядов через электроды сложной конфигурации еще получить можно. Но вот имеют ли эти «мгновенные искусственные плазмоиды» какое-либо отношение к природному феномену шаровой молнии – это еще большой вопрос… Конечно, масштабы экспериментально получаемых искр и природных молний несопоставимы, но все же нет сомнений в том, что в них происходят одни и те же явления. Этого никак нельзя сказать о шаровой молнии. Даже относительно лабораторных «плазмоидов Теслы» высказывается немало сомнений. Многие эксперты сходятся на том, что Тесла все же получил две разновидности «круглого электричества».

В Колорадо-Спрингс изобретателю, похоже, удалось вплотную подойти к разгадке этого уникального явления атмосферного электричества, а вот в нью-йоркской лаборатории он получил нечто иное. Правда, ставились и лабораторные опыты, в которых экспериментаторы пытались получить электрические разряды сферической формы или светящиеся газовые шары. Но решающего успеха тоже достичь не удалось.

Ситуация с шаровой молнией как объектом изучения науки уникальна тем, что физические параметры явления в момент его существования измерялись крайне редко. Иногда удавалось исследовать последствия воздействия шаровой молнии на материальные объекты. Ввиду этой ситуации – невозможности проверки гипотез без объективных измерений – большую долю в усилиях, направленных на изучение шаровой молнии, занимают попытки ее создания в лабораторных условиях. Однако перед ученым, который занимается подобными экспериментами, даже в случае успеха будет стоять вопрос – является ли лабораторный объект аналогом шаровой молнии. Для точного ответа нужно будет провести серию исследований шаровой молнии в контролируемых условиях.

Похоже, что именно эту проблему и исследовал Тесла, причем в двух плоскостях решения. Ему удалось имитировать шаровую молнию в лабораторных условиях, детально рассматривая это продолжительное во времени явление на всех его стадиях: возникновения, развития и рекомбинационного схлопывания. Удивительно другое – как мало до нас дошло лабораторных записей Теслы об исследовании этого феномена атмосферного электричества. В то же время есть множество свидетельских показаний и о шаровых молниях (Колорадо-Спрингс), и о плазмоидах (Нью-Йорк) случайных наблюдателей и гостей изобретателя, которым он очень любил демонстрировать эти уникальные явления.

Перечислим некоторые свойства шаровых молний Теслы, которые можно с определенной долей предположения вывести из большого числа случайных наблюдений.

В опытах изобретателя фигурируют две разновидности шаровых молний – полуискусственные, получаемые при совместном действии грозовых разрядов и резонансного трансформатора Теслы, и полностью лабораторные, генерируемые электрическим резонатором с некой системой сеточных электродов.

Поведение шаровых молний и плазмоидов Теслы в общем схоже: они плавают в воздухе, дрейфуя со скоростью воздушных течений, и «закрепляются» на остриях молниеотводов, а также на острых краях металлических конструкций.

Шаровые молнии светились красноватым светом, в то время как плазмоиды Теслы испускали бело-желтый или даже ослепительно белый свет.

Большая шаровая молния могла иногда распасться на несколько светящихся шаров меньшего размера, но они мало напоминали искусственные плазмоиды. Есть свидетельства, что Тесла с какой-то целью стремился получить из массивных шаровых молний именно искусственные плазмоиды (правильнее сказать – полуискусственные), которые были бы столь же безопасны и легко управляемы. Однако все подобные попытки закончились безрезультатно.

Несомненно, что «энергонасыщенность» шаровых молний намного превосходила плазмоидную. Так, шаровая молния могла расплавлять и даже испарять металлы и сильно нагревать сосуд с водой; один раз ее удалось «посадить» в чан с трансформаторным маслом, которое тут же закипело. Энергия плазмоидов вызывала только легкое покалывание кожи рук, хотя Тесла настаивал, что в их сердцевине таятся «вихри эфирного электричества», обладающие колоссальной энергией.

Длительность существования «колорадских» шаровых молний изменялась в пределах от нескольких секунд до минут. При этом «круглое электричество» издавало самые разнообразные звуки: свист, завывание, жужжание, шипение и потрескивание. Главным отличием полуискусственных шаровых молний от натуральных была их релаксационная устойчивость, ведь в природе исчезновение огненных шаров в большинстве случаев происходит со взрывом. Его мощность достаточна, чтобы разрушить большую печную трубу или разбить на кусочки кирпичи здания. Шаровые молнии Теслы всегда исчезали бесшумно. Обычно после их исчезновения в лаборатории оставалась на некоторое время остро пахнущая дымка, голубая в отраженном свете и коричневая – в проходящем.

Когда журналисты задавали Тесле вопрос о природе шаровой молнии и его плазмоидах, изобретатель прямо отвечал, что ему наконец-то посчастливилось приподнять завесу неведомого. Судя по его словам, шаровая молния – не что иное, как сгусток обыкновенного воздуха, заряженного энергией электрического эфирного вихря. Плазмоид постепенно отдает свою энергию окружающему воздуху, что и вызывает его свечение. В лаборатории огненные шарики могут существовать сколь угодно долго, подпитываясь волнами переменных электрических колебаний из электрического резонатора. А вот если в природной среде шаровая молния на своем пути встретит вещества, способные быть вовлеченными, подобно пыли или саже, в «эфирно-электрический вихрь», то происходит мощный взрыв.

Поскольку под воздействие молний попадает очень большое пространство, вероятность возникновения эффекта «атмосферного мазера» может быть достаточной для наблюдения. Однако следует учитывать, что для возникновения видимой шаровой молнии необходимо либо огромное воздушное пространство, либо полость с проводящими стенками – этим объясняется, почему шаровая молния иногда материализуется прямо в зданиях и даже за бортом самолетов и подводных лодок.

Рис. 7.8. Релаксация плазмоида Теслы

До сих пор истинная природа шаровых молний и плазмоидов Теслы остается увлекательной научной загадкой. Выдвигалось несколько гипотез их происхождения – от вихрей гремучего газа до особых медленно текущих ядерных реакций. Причем последнее предположение во многом было связано с громкими заявлениями Теслы о том, что ему удалось овладеть внутриатомной энергией. Сам изобретатель в последние годы своей жизни настойчиво подчеркивал, что «круглое электричество», конечно же, не является некоей причудливой моделью атомной бомбы, постепенно излучающей энергию, а, скорее всего, близко к плазме – четвертому состоянию вещества.

Теорию «атмосферного мазера» косвенно подтверждает то, что шаровые молнии никогда не образуются вблизи острых горных вершин, около верхних этажей небоскребов и в других высоких точках, которые, так сказать, привлекают молнии, и где любят обосновываться специалисты по изучению этого атмосферного явления. Между тем теория «атмосферного мазера» предсказывает, что вблизи острых проводящих и тем более заземленных поверхностей образование шаровых молний, в общем-то, маловероятно. Это объясняется тем, что импульс электромагнитного поля молнии, бьющей в высотный объект, образует довольно узкий конус, занимающий очень небольшой объем. Когда же молния бьет в какой-либо объект, располагающийся в плоской местности, то возникающий при этом импульс оказывается огромным: до 10 км в ширину и до 3 км в высоту.

Модельная схема «атмосферного мазера» хорошо объясняет широко известные факты о том, что шаровые молнии, возникающие внутри замкнутых помещений, как правило, безвредны. Энергия мазера в закрытой среде действительно ограничивается десятками джоулей (это совершенно неопасно для человеческого организма), возрастая на открытом пространстве в миллиарды раз. В то же время известно, что возникающая на открытом воздухе шаровая молния часто исчезает с мощным взрывом, который иногда вызывает серьезные разрушения. Причем на проводящие предметы этот взрыв воздействует сильнее, нежели на непроводящие: например, известны случаи, когда шаровая молния, взрываясь, вырывала из стен домов мощные электрические шины заземления, отбрасывая их на десятки метров.

Итак, надо отметить, что теория «атмосферного мазера» не только удивительно стройно ложится в основание экспериментальных работ Теслы, но и во многом объясняет наиболее загадочную ее часть, касающуюся «глобальных резонансных эффектов в земном эфире по взрывной генерации нестабильных концентратов электричества». Все это опять возвращает нас к вопросам «глобального резонансного оружия», о котором так настойчиво говорил в последние свои годы изобретатель.

…Работая еще у себя на даче, Капица вынашивал пионерские идеи применения электроники для решения некоторых энергетических задач. В наше время электроника широко применяется, например, в кибернетических устройствах, радиотехнике и измерительных приборах. Электронные устройства действуют на токах высокой частоты. По мнению Капицы, использование сверхвысокочастотной электроники в большой энергетике – одно из наиболее обещающих направлений в развитии современной электротехники. Она позволяет сосредоточить в малых объемах большую электромагнитную энергию, а также добиться «большой гибкости в трансформации высокочастотной энергии в другие виды энергии, необходимой для концентрированного подвода тепла, ускорения элементарных частиц, нагревания и удержания плазмы».

В качестве примера укажем на одну из важных, по мнению Капицы, сфер применения электроники больших мощностей. Речь идет о передаче электрического тока по волноводам, т. е. внутри труб, а не по проводам. Передача по волноводам, проложенным под землей, делает ненужными сложные и дорогие высоковольтные линии электропередачи; при этом отпадает вопрос об изоляции линий высокого напряжения.

Постоянный ток с помощью особого прибора – магнетрона – трансформируется в высокочастотный ток, который «нагнетается» в волновод. Другой магнетрон в конце волновода производит обратный процесс – высокочастотный ток трансформируется в постоянный. Высокочастотный ток годен и непосредственно для нагревания, например, его можно направлять в доменную печь, и процесс плавки руды будет идти при очень высоких температурах. Другая область применения: направлять высокочастотный ток по волноводам в буровые скважины для обогрева грунта.

Электроника больших мощностей, возможно, открывает путь к передаче электротока направленным пучком в пространство без волноводов (такие методы описывались в фантастических романах). Таким образом, можно было бы снабжать электроэнергией спутники или орбитальные космические станции.

Конечно, все это не так просто, и Капица предупреждал о существовании затруднений принципиального характера, препятствующих решению этой задачи. Он писал, что рассмотренные им электронные процессы еще мало изучены, «но, по мере их освоения, в электронике больших мощностей откроются перспективы, которые сейчас еще нельзя предвидеть».

В 1954 г. личная лаборатория Капицы переводится в Институт физических проблем и под загадочным названием «Физическая лаборатория» включается в официальный перечень научных академических учреждений. В 1955 г. Капицу вновь назначают директором Института физических проблем и заведующим Физической лабораторией.

Предполагаемая возможность применения электроники больших мощностей для удержания плазмы, вероятно, побудила Капицу заняться изучением плазмы. В декабре 1970 г. в «Вестнике Академии наук СССР» появилась хроникальная заметка о том, что Комитет по делам изобретений и открытий зарегистрировал открытие Капицы, сформулировав его как «Образование высокотемпературной плазмы в шнуровом высокочастотном разряде при высоком давлении». В том же году была опубликована работа Капицы под названием «Термоядерный реактор со свободно парящим в высокочастотном поле плазменным шнуром». Статья сопровождалась чертежом конструкции термоядерного реактора. Означало ли это, что термоядерная энергия вступила на порог практического использования? Наверно, нет, если судить по словам академика Л. А. Арцимовича: «Я надеюсь, что в будущем столетии будет решена проблема, над которой я работаю, – получение термоядерной энергии. Как это произойдет, какой путь приведет нас к этому – сейчас трудно предугадать».

Исследования плазмы в «шнуровом высокочастотном разряде» более десяти лет велись Капицей с небольшим количеством сотрудников Физической лаборатории. В опытах тонкий плазменный шнур парил посредине резонатора в атмосфере дейтерия при давлении в несколько атмосфер. Капица разработал и построил мощный генератор высокой частоты (ниготрон), который позволил получить устойчивый шнуровой разряд. Спектрометрические измерения и теоретические подсчеты привели исследователей к заключению, что в опытах образуется цилиндрическая область радиусом в несколько миллиметров, заполненная горячей плазмой с очень высокой температурой.

После того как Ландау провел все необходимые прикидочные расчеты, Капица стал довольно оптимистически оценивать перспективу создания «переплетенных» шнуров из перегретой высокотемпературной плазмы. Петр Леонидович всегда считал, что они могут иметь большое значение не только для ядерной энергетики, но и для иных, порой довольно неожиданных сфер применения. Кроме того, изучение физики шнуровых плазменных разрядов при исключительно высоких температурах и давлениях, по мнению академика Капицы, могло привести к пониманию многих загадочных плазменных процессов – от шаровых молний и аномальных молниевых разрядов (четочные и ракетные молнии) до ионосферных плазмоидов. К тому же он считал, что дальнейшее углубление наших познаний в области поведения плазмы поможет продвинуть решение многих чисто прикладных задач, в том числе военного характера. Сейчас уже можно с достаточной уверенностью предположить, что именно теоретические построения «гения Дау» убедили Петра Леонидовича в том, что не только исследования термоядерной энергии имеют долговременную перспективу, но и в конечном итоге самофокусирующиеся шнуры высокоэнергетических ионов можно использовать для создания совершенно нового вида оборонного оружия. Именно об этом «плазменном щите», который не смогут преодолеть ни самолеты, ни ракеты противника, и писал академик первым лицам государства – И. Сталину, а затем и Н. Хрущеву.

Рис. 7.9. Высокочастотный разряд электронного плазмотрона

…Как планотроны, так и магнетроны могут быть использованы не только для трансформации электрической энергии постоянного напряжения в энергию высокочастотных электромагнитных колебаний, но с такой же устойчивостью и с такими же показателями их можно использовать для обратного перевода высокочастотной электромагнитной энергии в энергию электрического тока при постоянном напряжении. Этот вывод важен для будущего развития электронных процессов большой мощности, так как этим открывается возможность трансформации высокочастотной энергии и, следовательно, передачи энергии больших мощностей на большие расстояния как в свободном пространстве, так и по волноводам.

П. Капица.

Электроника больших мощностей

Надо заметить, что исследования Капицы в области плазмы далеко не сразу получили всеобщее признание. Многие специалисты в области физики высокотемпературной плазмы считали, что температура плазменного шнура в принципе не может превысить миллионноградусного порога, что слишком мало для возникновения стабильного управляемого термоядерного процесса. Кроме того, действие планотронов и ниготронов в режимах плазмотронов считалось очень опасным для обслуживающего персонала. Кроме того, все плазменные образования воспринимались как неустойчивые, а плазмоиды вообще называли «бомбами из ионов», которые в любой момент могут взорваться, как шаровые молнии. Тем не менее академики Капица и Ландау были увлеченными единомышленниками в том, что плазменный термоядерный синтез навсегда избавит человечество от энергетического голода, а плазменные лучи и щиты надежно защитят их родину от нарушений ядерного паритета американской военщиной.

Тут можно вспомнить, что, решая задачи о релаксации плазмы, ее электропроводности и нагреве, известный советский физик А. А. Власов выяснил, что ее поведение может описываться особым математическим уравнением, получившем название «уравнение Власова». Для плазмы оно играет важнейшую роль, и Анатолий Александрович рискнул применить свое уравнение, которое он считал сверхуниверсальным, к процессам в верхних слоях земной атмосферы. Результат был просто потрясающим: вычисления показывали, что при определенных условиях в магнитосфере Земли могут возникать глобальные колебания, которые отзовутся «магнитогидродинамическим эхом» в толще электропроводящей магмы. Этот необычный результат так поразил профессора Власова, что он написал целый ряд обращений в правительственные и партийные органы с целью обратить внимание на возможность развития планетарной катастрофы при серии мощных термоядерных взрывов на верхней границе ионосферы.

Первым, кто подверг сомнению сенсационный результат Власова, был, конечно же, академик Ландау. Здесь нетрудно восстановить логическую связь, поскольку речь шла о запрете на использование тех самых «электромагнитных пушек» Капицы, с помощью которых опальный академик собирался изменить ход грядущих войн. «Гений Дау» в спешном порядке подверг строгому математическому анализу работы Власова и тут же нашел ряд формальных ошибок. От критического ума Ландау не ускользнул тот факт, что Власов беззаботно произвел деление на ноль, что, как говорил Лев Давидович, является «глубоко безнравственным». Ландау показал, как следует обойти ноль в знаменателе, или, как говорят математики, обойти полюс. Но при этом он пришел к противоположному выводу: волны плазмы в магнитосфере Земли будут затухать с течением времени, и вычислил это затухание. Сейчас оно называется «затухание Ландау» и играет важнейшую роль во всех плазменных процессах.

После работы «гения Дау» появилось огромное число статей, в которых была выяснена физическая природа затухания Ландау и было показано, что оно обусловлено резонансным взаимодействием электронов с самосогласованным полем электромагнитных волн.

Считается, что, несмотря на критику Ландау, перспектива глобальной катастрофы, еще более страшной, чем радиация и «ядерная зима», заставила руководство Советского Союза законсервировать это направление военных исследований.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.



Поделитесь на страничке

Похожие главы из других книг:

Глава 14. МАЛЕНЬКАЯ, НО НЕОБХОДИМАЯ ГЛАВА

Из книги автора

Глава 14. МАЛЕНЬКАЯ, НО НЕОБХОДИМАЯ ГЛАВА Завершилась Вторая мировая война, и теперь генералы (и маршалы тоже) могли спокойно перевести дух, оглядеться и решить, что следует делать дальше. Собственно, такой вопрос перед ними не стоял, они умели и любили только одно и,


Глава VI

Из книги автора

Глава VI Наполеон-император. – Военный деспотизм. – Развод. – Поиски невесты и брак. – Эпоха беспрерывных войн. – Континентальная система. – Начало конца. – Падение Наполеона. – Остров Эльба. – «Сто дней». – Последний акт трагедии. – Ссылка и смерть. Мечта


Глава 9

Из книги автора

Глава 9 «Голд» и «Джуно»Встаринном нормандском городе Кан в то утро жители проснулись гораздо раньше обычного. Когда подтвердились сведения о высадке воздушного десанта, в штабе 716-й пехотной дивизии, который размещался на авеню Багатель, развернулась лихорадочная