Шипение снарядов

…Атомы могут находиться в различных энергетических состояниях. При переходе из возбужденного состояния в основное атом испускает квант электромагнитного излучения (фотон), благодаря чему мы видим пламя — и костра и факела ракетного двигателя. Кроме самопроизвольных переходов с одного энергетического уровня на другой, могут произойти и вынужденные, обусловленные действием на атом падающего излучения. Самопроизвольные переходы могут осуществляться только в одном направлении — с более высоких уровней на более низкие, а вынужденные — в любом. В случае перехода на более высокий уровень атом поглощает падающее на него излучение. При вынужденном переходе с одного из возбужденных уровней на более низкий энергетический уровень происходит излучение атомом фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого произошел переход. Это дополнительное излучение называется вынужденным (или индуцированным).

Вынужденное излучение по частоте, фазе и поляризации совпадает с таковыми излучения вызвавшего переход: вынужденное и внешнее излучения когерентны. Эта особенность лежит в основе действия усилителей, называемых лазерами.

Эйнштейн в 1917 г. показал, что соотношение между вероятностями спонтанного и индуцированного излучения обратно пропорционально кубу длины волны. Выход лучистой энергии ядерного взрыва реализуется в основном в рентгеновской части спектра. Для таких коротких волн требуемая энергия накачки очень высока, но у ядерного взрыва ее много! При огромной плотности энергии активная среда лазера может быть только плазмой, причем полностью ионизованной.

Когда плазма ядерного взрыва охлаждается, в ней начинается рекомбинация, при этом на короткое время для некоторых уровней становятся возможными индуцированные переходы, из-за чего такой тип лазера называют рекомбинационным, а излучает он в течение времени, не превышающего наносекунду.

Плотность электронов (они теряют энергию быстрее других частиц) не должна быть слишком велика, поскольку при инверсной населенности с увеличением энергии состояния количество атомов, которое может находиться в этом состоянии — уменьшается. Число переходов между двумя уровнями пропорционально населенности исходного уровня, так что поглощение в системе атомов, находящейся в термодинамическом равновесии, может и преобладать над вынужденным излучением. Для усиления же нужно, чтобы на «высоком» энергетическом уровне находилось намного больше атомов, чем в состоянии с меньшей энергией. Это возможно для атомов таких элементов, как железо, цинк, медь.

Длины волн квантов, излучаемых при индуцированных переходах в этих элементах, — немногим более десятка ангстрем. Такое «мягкое», излучение поглощается в субмикронных слоях металлов, вызывая тепловой взрыв на поверхности цели. Но малая длина пробега — и недостаток: поглощение в воздухе тоже значительно, поэтому войны с применением такого поражающего фактора задумали затевать в космосе.

Длинный стержень — рабочее тело рентгеновского лазера — за короткое время накачки практически не изменит свою форму: образовавшаяся плазма расширяется со скоростью 50 км/с, так что при начальном радиусе стержня в доли миллиметра, за необходимые для накачки десятки наносекунд диаметр расширяющегося стержня едва превысит миллиметр.

Для формирования, фокусировки, усиления рентгеновского излучения бесполезны зеркальная оптика и оптические резонаторы. Все определяется формой рабочего тела: расходимость луча зависит от отношения его диаметра к длине. Длина стержня определяется плотностью энергии воздействующего излучения, а значит — энерговыделением ядерного взрыва: необходимо полностью ионизовать самый удаленный от заряда край стержня, иначе он не будет прозрачным для излучения. Для ядерного взрыва с энерговыделением около 30 килотонн этим условиям удовлетворяют: диаметр стержня — около миллиметра и длина — около 10 м.

Хотели поначалу тем лазером, как шпажкой, одним махом поразить тучу целей: наводить на каждую по нескольку стержней (рис. 3.70). С американских субмарин, через считанные минуты после старта советских МБР, запускали бы противоракеты, разворачивающие в космосе заставу из рентгеновских лазеров. В мечтах, боевая станция «Эскалибура» напоминала гигантского ежа множеством металлических стержней, смонтированных радиально вокруг ядерного заряда. Каждый из них наводился системой слежения за целями на основе небольшого телескопа. После выбора целей, ядерный заряд подрывали, а рентгеновские лазерные лучи «ударяли» по ракетам.