преобразованию в излучение энергии очень больших токов, проводились: к ВМГ подключали взрывной трансформатор, нагрузкой которого служила огромная антенна. Тогда мне не было известно о конструкции этих трансформаторов, их я увидел много позже, работая в Арзамасе-16 — научном центре, где были созданы первые образцы советского ядерного оружия.
Трудно получить большие токи, но, если уж это исполнено, то и разомкнуть «сильноточный» контур тоже непросто. Возможно, у некоторых читателей есть опыт, подобный полученному юным Сахаровым, отключившим руками батарейку от игрушечного электромотора: Адя ощутил довольно сильный удар тока. Дело в том, что, если в контуре создан магнитный поток (равный произведению тока на индуктивность обмотки электромотора), то по закону электромагнитной индукции изменение потока индуцирует в контуре ЭДС, направленную так, чтобы этому изменению воспрепятствовать. В частности, на разрыве индуцируется ЭДС, равная отношению величины подвергнутого остракизму[55] потока ко времени, за которое произошел разрыв.
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, свитую из множества параллельно соединенных между собой проводков, пропускался ток от разряда конденсатора 1. Когда этот ток был близок к максимуму, срабатывала цилиндрическая детонационная разводка 3. Принцип ее действия — точно такой же, как и у описанной в главе 2 сферической детонационной разводки, но, конечно, в производстве цилиндрическая разводка проще и дешевле; из рисунка видно, какими элементами она образована. Срабатывание разводки инициировало сходящуюся детонационную волну в кольце мощного взрывчатого вещества 4. Детонация сдавливала витки катушки 2, изоляция между проводками при этом перемыкалась и далее взрывом сжималась трубка из металла (называемая лайнером). С замыканием витков, аксиальное магнитное поле, созданное разрядом конденсатора, оказывалось окруженным металлическим лайнером, чей радиус уменьшался под давлением газов взрыва (рис. 4.23).
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. Если эти размеры оценить в дециметры, время, за которое должно существенно измениться поле (чтобы оценить его, надо поделить характерный размер на скорость электромагнитной волны), составляет наносекунды — на три порядка меньше, чем в ИВМГ! Характерная скорость сильных ударных волн в конденсированных средах — 10 км/с, что дает оценку минимального радиуса сжатия в десятки микрон. Для трубчатого лайнера из какого угодно материала это нереально: нестабильности кладут конец сжатию на значительно более ранних его стадиях.
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
