Текст книги "Шелест гранаты"

5.10. Опыты со сверхпроводниками. Взрывы выбивают стекла и магнитное поле из железных пластин

В ходе февральской и апрельской сессий проводились не только нудные опыты по оптимизации ЦУВИ. Попросил о помощи Слепцов из НИИВТ: он хотел определить критические токи в создаваемых его лабораторией высокотемпературных сверхпроводниках – микронной толщины пленках из YBa₂Cu₃O₇, нанесенных на подложки из искусственного сапфира. Как предполагал Слепцов, токи, при которых такие пленки должны переходить из разряда сверхпроводников в плохие изоляторы, составляли килоамперы. Но скачки сопротивления ведут к скачкам тока в контуре, что не могжет не сопровождаться существенным изменением магнитного момента, второй производной которого по времени, как известно, пропорциональна мощность РЧЭМИ. Пришлось попросить, чтобы пленки были напылены на сапфировые подложки в виде колец…

Ценность сверхпроводникового излучателя (рис. 5.17) состояла в том, что его можно было сделать невзрывным (например, получив импульс тока в соленоиде от кабельного формирователя), и в этом качестве использовать для исследований воздействия сверхширокополосного РЧЭМИ на электронику в лабораторных, а не полигонных условиях, что во многих случаях более удобно.

Рис. 5.17

Схема излучателя с переключающим элементом из сверхпроводника и элементы «сверхпроводникового» излучателя: соленоид с подводящими кабелями (их много – чтобы снизить сопротивление) и кольцо из сверхпроводника.

Одновитковый соленоид из меди 1 окружает кольцо 2. Оба погружены в жидкий азот 3, где кольцо обретает сверхпроводимость. Источник тока формирует в соленоиде 1 импульс с коротким (в сотню наносекунд) фронтом.

Индуктивность соленоида вначале мала, потому что внутри него находится сверхпроводящая вставка, поэтому возрастание тока определяется только возможностями формирователя. Магнитное поле сосредотачивается в узком зазоре между сверхпроводником и соленоидом: в сверхпроводник оно не может проникнуть, потому что там индуцируется ток, полностью его компенсирующий, а в соленоид из меди хоть и проникает, но медленно. Когда ток в сверхпроводнике превышает критическое значение, возникает фазовый переход, по одну сторон которого пленка еще сверхпроводящая, а по другую – проводит плохо. Фронт перехода двигается от периферии кольца к его оси. Как оказалось, скорость этого движения довольно велика (десяток километров в секунду или сантиметр в микросекунду), но слабо зависит от индукции внешнего магнитного поля. Это позволяет за те доли микросекунды, пока магнитное поле «ест» сверхпроводимость кольца шириной в несколько миллиметров, успеть «накачать» существенную энергию в соленоид. Когда же фронт фазового перехода достигает внутренней границы кольца, ток, а значит, и магнитный момент меняются очень быстро и эмиссия РЧЭМИ существенна, хотя и уступает по мощности излучению ЦУВИ почти два порядка

Результаты опытов по определению критических токов в сверхпроводниках были представлены на конференции в Самарканде. Был представлен на международной конференции и доклад об излучателе.

Потом началась серия испытаний на полигоне Кызбурун-3. В новом ЦУВИ – сборке Е-23 – УВ в рабочем теле (РТ) создавалась уже не контактной детонацией, а ударом сжимаемого взрывом лайнера (рис. 5.18), что позволяло одновременно увеличить и магнитное поле и давление ударной волны в РТ, но все равно сборка вместе с конденсатором выглядела так, что никаких ассоциаций с устройством, которое можно разместить в боеприпасе, не вызывала.

Рис. 5.18

Слева – схема цилиндрического ударно-волнового излучателя, в котором катушка, окружающая рабочее тело (РТ) из монокристалла выполняет три функции:

– создает начальное магнитное поле;

– увеличивает индукцию созданного поля при сжатии взрывом;

– формирует в рабочем теле ударную волну при ударе по его поверхности.

В центре – осциллограмма производной магнитного поля на оси рабочего тела, снятая с помощью высокоскоростного осциллографа. «Хлыст» соответствует сжатию поля после удара лайнера по поверхности РТ. Видно, насколько ударная волна сжимает поле быстрее, чем лайнер, жалкий сигнал от сжатия поля которым – на уровне высот меток времени (ср. с осциллограммой рис. 4.13). Справа – ЦУВИ (в верхней левой части снимка) подключен к высоковольтному конденсатору (вес – 120 кг), ток разряда которого создает в рабочем теле из монокристалла необходимое для эмиссии РЧЭМИ магнитное поле

Не «выручал» и СВМГ с постоянными магнитами: коэффициент его усиления в этом случае должен был составлять десятки тысяч и боеприпас получался слишком длинным для большинства носителей.

Исследовались также ЦУВИ, увеличенные в два и три раза – для получения данных, необходимых теоретикам Бармина для расчетов некоторых важных частных случаев. Идея опытов заключалась в следующем: не все интересующие параметры можно было измерить напрямую, но предполагалось подобрать такую комбинацию этих параметров, которая согласовывалась бы с расчетами для всех трех сборок различных размеров. Взрывы в Кызбуруне-3 в те дни были значительно более мощными, чем ранее, в соседнем поселке лопались стекла и перестали нестись куры.

5.11. Воспоминания о быстрых гармониках

…Теоретик М. ГЦелкачев рассматривал различные варианты работы СВМГ, в том числе и на емкостную нагрузку. При обсуждении этого варианта внимание привлекла зависимость тока от времени. Она была необычной – весьма далекой от синусоиды – и вспомнилось, с какими проблемами пришлось столкнуться в НИИАА при передаче сигнала по кабелю. Несущая частота (с которой происходила смена полярности тока) даже при минимальных значениях индуктивности ВМГ и емкости нагрузки едва превышала десяток мегагерц, что было недостаточно для эффективного излучения (соответствующая длина волны на два – три порядка превышала размеры устройства), но для «быстрых» гармоник это соотношение обещало быть более благоприятным. Для расчетов мощности излучения, как всегда, не хватало знаний о нескольких параметрах. Получить информацию о них можно было только в ходе приближающейся серии испытаний.

Летняя (1990 г.) серия испытаний на полигоне Кызбурун-3 отличалась от других тем, что впервые для измерения частотно-мощностного распределения (спектра) РЧЭМИ впервые использовались специально разработанные спектрометры (рис. 5.19). Они были предназначены для измерений только в узких «полосах» (пропускание было существенно лишь для РЧЭМИ с частотами, отличавшимися примерно на 5 % от «центральной»), а в остальных диапазонах, которые, по оценкам, охватывали три-четыре частотные декады (от десятков мегагагерц до десятков гигагерц), эффективные фильтры препятствовали приему. Значение мощности РЧЭМИ в пределах узкой «полосы» представляло одну точку – каплю в огромном частотном море. Нечего было и думать, чтобы получить таким образом весь спектр, потому что для этого потребовались бы тучи спектрометров, для закупки которых не хватило бы денег, выделяемых Минобороны на исследовательскую деятельность. Но была реальной другая возможность: получив несколько точек, восстановить по ним весь спектр, используя теоретическую модель. «Центральные» частоты спектрометров были сосредоточены в самом «важном» диапазоне: 2; 7,9; 12,1; 17,9 гигагерц, а информация выдавалась в виде треугольных импульсов, причем зарегистрированной мощности были пропорциональны как амплитуда импульса, так и его длительность. Скорость развертки осциллографа подбиралась такой, что, если слишком мощное излучение вызывало «зашкал» (выход сигнала за пределы экрана), то оставался шанс извлечь информацию из длительности импульса. Не лишены были спектрометры и недостатков: блоки были связаны с осциллографами радиочастотными кабелями и на них излучением наводились и накладывались на «треугольники» пресловутые «дребезги».

Рис. 5.19

Слева – спектрометрические блоки, каждый из которых предназначен для измерения спектральной плотности РЧЭМИ в очень узком частотном диапазоне. Справа – осциллограмма сигнала с такого блока

Казалось бы, восстановить весь спектр можно и по одной точке, если теоретическая модель достаточно надежна, а спектрометр – точен. Эта иллюзия опровергалась в каждом опыте: для совершенно идентичных сборок показания спектрометров отличались иногда в разы, что никак нельзя было объяснить разбросом мощности генерируемого РЧЭМИ в пределах очень узкого диапазона измерений. Причина была другая: поскольку расстояние от точки подрыва до прибора было значительным, а полоса пропускания – узка, совершенно незаметный, неконтролируемый поворот сборки по сравнению с предшествовавшим опытом приводил к тому, что в антенну спектрометра «светили» другие лепестки: попадало излучение, характеризующееся отличной от предшествующей совокупностью частот и интенсивностей.

Дело в том, что для различных длин волн имеются благоприятные и неблагоприятные направления излучения. Если «завить» проводник в петлю (изготовить магнитный диполь), то, в зависимости от расположения на нем минимаксов токовой волны, вблизи будут наблюдаться и минимаксы магнитного поля и излучения. Число минимаксов будет зависеть от соотношения длин: проводника, из которого изготовлен диполь и токовой волны, причем, чем большее число минимаксов тока укладывается на длине диполя, тем больше число «лепестков» излучения.

Проиллюстрируем это простейшее качественное описание (рис. 5.20). Цифры под диаграммами – отношения размера петли-антенны к длине волны, а длина ординаты, проведенной из центра любой из диаграмм, пропорциональна плотности потока энергии в направлении ее проведения. Но каждая из этих диаграммы приведена для случая одной токовой волны, а если этих волн несколько? Наложите друг на друга хотя бы четыре диаграммы рис. 5.20, длины волн для которых различаются в пределах всего-то одного порядка! А ведь даже в узком диапазоне измерений спектрометра регистрируется излучение мириадов гармоник. Отражение от земли еще более усложняет распределение.

Выход был один – набирать обширную статистику опытов. Нечего и говорить, что стоил этот процесс недешево.

Рис. 5.20

Слева – зависимость пространственного распределения излучения простейшего диполя от его размера и длин излучаемых волн (цифры под диаграммами – отношения этих величин, длина ординаты, проведенной из центра любой из диаграмм, пропорциональна плотности потока энергии в направлении ее проведения). Художники (особенно – американские) часто изображают поражение целей РЧЭМИ как удары молнией. Хотя, конечно, РЧЭМИ невидимо, да и пробоя воздуха всеми средствами стараются избежать, достоверность часто приносят в жертву зрелищности, как это сделала редакция журнала Aviation Week, в иллюстрации потока изотропного излучения, формируемого взрывным источником (справа)

… Опыт готовят долго, но вот датчики и кабели подсоединены, и всех загнали в бункер. Кнопка нажата; на взрыв не смотрят, это опасно. Видна отраженная от стен вспышка. Через доли секунды воздух на мгновение становится тугим и бьет по ушам. Близкая детонация разгоняет соломинку так, что она втыкается в сталь.

Ударная волна сожмет самую прочную сталь, а следующая за ней волна разрежения «растащит» стальной цилиндр, превратив его в подобие полена, разваленного колуном (рис. 5.21), причем внутри «полена» сохранится структура, напоминающая древесные волокна. На дистанции около метра от взрыва поток газов до песчинки счищает почву с корня дерева (иногда этим пользуются, оставляя вблизи заряда «сувениры»; при инструктаже невредно напомнить, что так же чисто могут быть «обдуты» и мышцы с кисти руки). Наконец, гром взрыва умирает, сделав слышным шелест летящих осколков – остатков того, что еще несколькими мгновениями ранее было генератором, собранным вашими руками. Первый взгляд – на осциллографы: есть ли сигналы от датчиков тока, от спектрометров. Потом все бегут к мишеням…

…Внешность ЦУВИ, испытанных в этой серии, изменилась разительно – теперь это было компактные, полностью автономные, вполне подходящие по габаритам для боеприпасов устройства (рис. 5.22). Импульс тока «выжали» из ферромагнитного генератора (ФМГ) – при ударной демагнетизации пластин из электротехнического железа. ФМГ впервые был разработан во ВНИИЭФ и адаптирован для применения в ЦУВИ. Каждую пластину набора надо изолировать (чтобы поле «выходило» по изоляции в обмотку, а не растрачивало свою энергию на нагрев металла вихревыми токами), и, кроме того, образовать из сложенных пластин конус (чтобы труба одновременно ударила по всем ним), для чего используются клинья из бронзы. Сложный ФМГ работал не очень стабильно, но с одного кубического сантиметра набора пластин удалось получить до 0,5 Дж энергии токового импульса!

Рис. 5.21

Стальной цилиндр, «разваленный» волной сжатия и последовавшей разгрузкой

Но оказалось, что плоды мучений с источниками запитки для ЦУВИ несъедобны, хотя собственно излучатель (Е-23) показал неплохие результаты при воздействии на мины и при его срабатывании была временно выведена из строя старая, а потому довольно стойкая РЛС П-12, располагавшаяся в полусотне метров от взрыва. Повторить эти достижения для укомплектованного СВМГ и ФМГ излучателя не удалось. Причин виделось две: случайная и не очень. Случайная была аналогичной той, которая вызывала разброс показаний спектрометра: неконтролируемые повороты сборки в разных опытах. Другую объясняли расчеты, наконец, завершенные группой Бармина: оптимум излучения характеризовался весьма «острой» зависимостью от начальных параметров, особенно – от индукции магнитного поля в РТ. Даже незначительное отклонение от номинальных значений генерируемого ФМГ тока или коэффициента усиления СВМГ вело к весьма существенным неблагоприятным изменениям в режиме излучения ЦУВИ. Разброс характеристик устройств энергообеспечения была неудовлетворительным: для ФМГ – до 30 % по току, а дня СВМГ (причем даже дня варианта, изготовленного во ВНИИЭФ, где культура производства неизмеримо выше, чем на всех серийных заводах) – около 10 % по коэффициенту усиления. И ФМГ и СВМГ нуждались в кропотливой «доводке», сопряженной с огромным расходом времени и средств…

Рис. 5.22

Слева – схема ферромагнитного генератора начального импульса тока. В ферромагнетиках во взаимодействии с внешнем полем основную роль играют собственные, не зависящие от орбитального движения, магнитные моменты электронов (спины), а атомы связаны в кристаллической решетке. Остаточная намагниченность ферромагнетиков не исчезает и при снятии внешнего поля.

Расширяемая взрывом ВВ 1 труба, прежде чем начать движение по виткам обмотки ВМГ, ударяет по набору 2 железных пластин, в котором системой постоянных магнитов 3 и магнитопроводов 4 создано поле с индукцией около 2 Тл. Удар трубы формирует в железе волну, которая разрушает его доменную структуру, превращая из ферромагнетика в парамагнетик. В парамагнетике реакция на внешнее магнитное поле обусловлена движением электронов на атомных орбитах. Оси моментов электронных токов вращаются (прецессируют) при приложении поля, а, кроме того, упорядочиванию их ориентации мешает тепловое движение атомов. По этим причинам существенное намагничивание невозможно и ранее заключенное в доменах поле освобождается. Оно вытесняется в обмотку 5, где наводит ЭДС, которая и создает начальный ток в ВМГ.

Справа – сборка Е-29 – полностью автономный прототип электромагнитного заряда, включающий ферромагнитный генератор для получения начального импульса тока, усилитель тока (ВМГ) и цилиндрический ударно-волновой излучатель. Рядом – элементы магнитопровода ФМГ

Состоялся также дебют СВМГ с малоемкостным конденсатором в качестве нагрузки, получившего название взрывомагнитного генератора частоты (ВМГЧ).

.. Как мы знаем, магнитный поток «выпустить» непросто – надо разорвать контур тока, например, взрывающегося ВМГ – да еще успеть изолировать разрыв. Но можно создать изолированный разрыв заранее (рис. 5.23), включив в контур высоковольтный конденсатор: ведь между его пластинами – тот же разрыв. Ток в таком генераторе осциллирует, так как емкость контура существенна, и по мере уменьшения индуктивности частота колебаний возрастает (рис. 5.23,а). Иногда обмотку ВМГЧ делают из нескольких проводов, подсоединяя каждый к отдельному конденсатору: из-за рассогласования токов, излучение[107]107
  В 2006 г. В. Барышевский и А. Гуринович показали, что в ВМГЧ следует учитывать излучение не только оставшихся в данный момент незакороченными витков обмотки, но и «емкостной антенны» – включенного в контур конденсатора.


[Закрыть] рассеивается в этом случае более равномерно. Оценив период колебаний (для единиц микрогенри и нанофарад), получим сотни наносекунд, что не очень благоприятно (волны в сотни раз «длиннее» самого ВМГЧ). Но эти «несущие» волны – не основные в излучении: компрессия поля трубой, давая прибавку тока тем большую, чем выше его мгновенное значение, приводит к появлению «быстрых» гармоник. При каждой осцилляции тока меняется и состав этих гармоник, что естественно – ведь меняются и параметры контура. Так что излучает ВМГЧ не один импульс, а последовательность (цуг) – по числу полуволн тока.

Сделать модель ВМГЧ пригодной для численных расчетов можно, учитывая в ней (в виде эквивалентного сопротивления) интегральные потери на излучение. Причины других потерь – такие же, как и в СВМГ (диффузия магнитного поля, сопротивление изоляции проводов), поэтому их можно определить из осциллограмм тока, который генерируется СВМГ с точно такой же, как и ВМГЧ, обмоткой, но – с индуктивной нагрузкой, и, следовательно, не излучающим (рис. 5.23,6). Из осциллограмм же, полученных при работе ВМГЧ, которые все стали называть «рыбами» (рис. 5.23,а), определили суммарное сопротивление потерь, как излучательных, так и обусловленных иными причинами. Оставалось только найти разность этих величин в каждый из моментов работы ВМГЧ, чтобы получить все данные, необходимые дня спектральных вычислений (графики справа). Нельзя назвать такой метод безупречным, но это было лучше, чем ничего.

Рис. 5.23

Вверху – схема взрывомагнитного генератора частоты (ВМГЧ).

1 – медная труба;

2 – взрывчатое вещество;

3 – обмотка;

4 – высоковольтный конденсатор;

Ниже – осциллограммы: а – производной тока ВМГЧ («рыба» – на жаргоне разработчиков электромагнитных боеприпасов); б – производной тока в спирали с обмоточными данными, точно соответствующими ВМГЧ, но с индуктивной нагрузкой вместо малоемкостной; в – полуволн производной тока ВМГЧ, снятая на значительно более быстрой развертке, чем осциллограмма «а». Закон усиления тока в спирали, замыкаемой трубой, известен из трудов А. Сахарова. На осциллограмме «в» видно, что форма полуволн ломаная, несинусоидальная, а значит, в разложении существенна доля быстрых гармоник. Делают форму колебаний такой бешеные «впрыскивания» тока при сжатии создаваемого им поля (обе эти величины жестко связаны). Луч осциллографа слишком медлителен, чтобы воспроизвести скачки тока, достоверна лишь огибающая – линия, соединяющая токовые амплитуды. Она служит для их нормировки, когда ломаную кривую тока представляют как сумму уже «чистых» синусоид (гармоник). Остальное понятно: для каждой гармоники тока известной частоты и амплитуды вычисляют мощность излучения через спиральную антенну – витки обмотки, в данный момент еще не закороченные ударом трубы. Доля гармоник с частотами от сотен до десятков тысяч мегагерц (много большими частоты «несущей» волны) к концу работы существенно возрастает (красный график справа), растут и потери на излучение, «подсаживая» ток

Пиковая мощность излучения ВМГЧ меньше, чем у ЦУВИ, но время генерации (десятки микросекунд) на четыре порядка больше и энергия РЧЭМИ даже выше.

5.12. Поражающее

И что есть поражающее? И что даст тебе знать, что такое поражающее? Коран, сура 101.

Новыми в тех испытаниях были и мишени: мины, вернее, их неконтактные взрыватели, реагирующие на магнитное поле проезжающей мимо бронетехники. Среди них были как современные, так и разработанные еще в начале 60-х годов, но проверенные в боях: вьетконговцы применяли их против американской армии. Мины очаровали всех: они были полностью автономны (питание – от батареек) и легко проверялись постоянным магнитом, а значит, не требовали осциллографирования эффектов облучения и использования для этого кабелей, кои не переводившиеся брехунки по-прежнему трактовали как «антенны», наличие которых делало результаты «недостоверными». Мины размещали по всем азимутам в пределах до полусотни метров от точки подрыва ВМГЧ, после которого они в течение 20–30 минут не реагировали на близкие пассы сильного магнита. За это время через минное поле мог пройти танковый батальон. Правда, затем облученные мины оживали и срабатывали от малейшего прикосновения и без магнита, а иногда – вообще без видимой причины. Даже на спор безнаказанно не удавалось, повернув ключ на корпусе мины, обесточить ее: разъяренное устройство реагировало на такие попытки хлопком контрольного детонатора. Через час-другой чувствительность мин вновь приближалась к штатной. В этих опытах был достоверно зафиксирован эффект, поучивший название «временного ослепления»

– мишень выводилась из строя не «навсегда», а на время, достаточное, чтобы сорвать выполнение ею боевой задачи. Несомненно, нечто подобное произошло и с артиллерийскими взрывателями в опытах 1986 года, к тому же для них достаточная длительность такого эффекта должна бы быть много меньшей, потому что время полета снаряда составляет не десятки минут, а десятки секунд. Кратковременный выход из строя, вероятно, был бы зафиксирован и на расстояниях значительно больших, чем полсотни метров, но конечно, в том случае, если взрыватели были бы проверены сразу после опыта, а не спустя несколько дней.

Одна из основ электродинамики – теорема взаимности: любое устройство принимает волны данной частоты с данного направления тем эффективнее, чем эффективнее оно излучает на данной частоте в данном направлении (а излучает любая электроника, даже и не предназначенная для этого). Так, радар принимаетизлучает остронаправленно только на «своей» частоте (правда, боковых «лепестков» избежать все равно нельзя). Чем больше частоты воздействующего излучения отличаются от рабочей, тем более вырождается диаграмма (рис. 5.24): число максимумов растет, но их отличия от минимумов уменьшаются.

Рис. 5.24

Диаграмма излучения/приема, типичная для радиолокатора: а) остронаправленная, для рабочей частоты; б) для частот, на порядок отличающихся от рабочей

Простота «вырожденной» диаграммы обманчива, потому что иллюстрирует интегральную эффективность приема. Но в достаточно сложном электронном устройстве функционирует множество контуров и у каждого из них есть своя резонансная частота, зачастую существенно отличающаяся от рабочей частоты устройства. Поэтому минимаксы дня отдельных частот существуют и взаимодействие их с такими же в диаграмме направленности источника сверхширокополосного излучения приводит, при его поворотах, к калейдоскопу эффектов в мишени, где каждая последующая «картинка» не похожа на предшествующую.

Казалось бы, самый выгодный вариант – поражение цели излучением ее рабочей частоты, которое преобразуется в приемных трактах очень эффективно. Громогласные авансы дальностей поражения в километры и более это подразумевают, хотя обычно умалчивается о том, что, например, дня ракет с нерадиолокационными головками наведения этот метод не обеспечивает никаких преимуществ. Что же касается целей с радиолокационными головками самонаведения, то уровни их поражения излучением их же рабочей частоты минимальны, это правда, но такая, что «хуже всякой лжи». Для этого надо очень точно совместить пучок РЧЭМИ и крайне узкий «главный лепесток» антенны головки, иначе дальность поражения упадет даже не в разы, а на порядки. Кроме того, борьба с управляемыми ракетами на их собственных рабочих частотах потребует воспитания военнослужащих в духе кодекса Ьусидо[108]108
  «Путь самурая обретается в смерти. Когда для выбора есть два пути, существует лишь быстрый и единственный выход – смерть. Это не особенно трудно» Хагакурэ. Сокрытое в листве.


[Закрыть]: «ослепить» в этой ситуации можно лишь ракету, «смотрящую прямо в глаза» (остальные придется пропустить).

Облучать «со стороны» бесполезно: в главный лепесток попасть нельзя. Даже и ослепленную в нескольких километрах от позиции, но летящую с исправными боевой частью и ударным взрывателем ракету следует «ждать в гости» спустя секунды и промах ее по ранее захваченной цели будет небольшим (рис. 5.25).

Рис. 5.25

Поражение РЛС наводящейся на ее излучение авиационной ракетой. Ракета может «захватить» как главный лепесток диаграммы направленности РЛС, так и один из боковых

Можно, конечно, восславить «безумство храбрых», но, скорее всего, каждый из восславленных предпочел бы в этой ситуации стрелять ЭМБП. Во-первых, сделать это можно, наплевав ради безопасности на рыцарские манеры, «из-за угла»; во-вторых, что более важно, дальность стрельбы определяется возможностями носителя ЭМБП, соответственно, и цель может быть выведена из строя на большей дальности, а значит – менее вероятно попадание уже неуправляемой ракеты в обороняемый объект.

Теперь попытаемся представить и тяжкую долю тех, кто сам оказался целью РЧЭМИ: кто в страде боевой трудился на, может, и не столь героических, но от этого не менее важных постах операторов РЛС.

Любое электронное устройство на полупроводниковой элементной базе может быть выведено из строя, если только плотность потока мощности воздействующего РЧЭМИ достаточно высока, но пока не известны модели, адекватно описывающие реакцию сколько-нибудь сложного электронного устройства на облучение сверхширокополосным РЧЭМИ. Может наблюдаться кумуляция эффектов и/или самопроизвольное восстановление некоторых схем спустя время от нескольких миллисекунд до часов и даже дней (т. н. эффект «временного ослепления»). Словом, ни к чему тут будут отработанные расчетами до автоматизма навыки замены вышедшего из строя блока исправным: сначала предстоят мучительные раздумья, какой же из блоков надо заменить, а это непросто, особенно – во время боя.

Особенности сверхширокополосного излучения – распространение по всем направлениям от источника и прием целью со всех направлений

– просто-таки горланят об областях военного применения: в боеприпасах, разрывы которых вероятны на любых направлениях относительно цели. Правда, на больших расстояниях, когда воздействующие плотности мощности или энергии РЧЭМИ близки к минимальным эффективным значениям, функциональное поражение становится вероятностным, зависящим от расположения точки подрыва ЭМБП. Но ведь и дня осколков, с увеличением дистанции от подорванного боеприпаса, сплошное поражение целей вырождается в вероятностное.

Многое зависит и от длительности импульса воздействующего РЧЭМИ. Пришлось вспомнить уравнение теплопроводности и эксперименты в НИИВТ по отжигу пластин из кремния. Рассуждения были таковы. Пусть весь тепловой эффект от токового импульса реализуется в области р-п перехода (размеры которого – около микрона). Энергия импульса бесконечно малой длительности (такой, что повышение температуры кремния на расстоянии, сравнимом с микроном, пренебрежимо), нагревающего до данной температуры пластину данной площади, принималась равной единице. Если же энергия выделяется на той же глубине, но в течение большего времени, то существенной становится теплопередача и для достижения той же температуры нагревать придется уже не микронный слой кремния, а и близлежащие слои, что ведет к снижению кпд. Понятно, что от абсолютной величины температуры результаты расчетов не зависят, но, для справки – эта величина должна быть достаточно большой, скажем – 1200 К; этот уровень соответствует плавлению кремния, изменение фазового состояние приводит к растрескиванию р-п перехода, то есть – имеет место необратимый выход полупроводникового элемента из строя.

Профили температуры были рассчитаны и получена зависимость кпд различных временных режимов облучения, из которой следовало, что режимы более длительные, чем единицы микросекунд, неэффективны (рис. 5.26).

Рис. 5.26

Слева – распределение температур в кремнии при различных режимах тепловыделения в слое микронной толщины (длительность тепловыделения указана).

Пусть весь тепловой эффект сосредоточен в области р-n перехода (размеры которого – около микрона). Тогда импульс бесконечно малой длительности (при которой повышение температуры кремния на расстоянии, сравнимом с микроном, пренебрежимо), нагревающий до температуры, к примеру, 1400 градусов пластину данной площади, должен иметь определенную энергию, которая при дальнейших расчетах принималась равной единице (100 %-ный кпд). Величина 1400 градусов упомянута потому, что этот уровень соответствует плавлению кремния, а изменение фазового состояния приводит к растрескиванию структуры, то есть имеет место необратимый выход полупроводникового элемента из строя. Если же энергия выделяется на той же глубине, но в течение большего времени, существенным становится теплоотвод и для достижения той же температуры нагревать придется уже не микронный слой кремния, а и близлежащие слои, что снижает кпд.

Справа – относительные эффективности различных временных режимов облучения

К тому же, уменьшение времени генерации РЧЭМИ позволяет «пропустить» через воздух, избежав его пробоя, большие плотности его энергии или мощности – это тоже важно, почему – будет объяснено через раздел.

Ударно-волновые источники, как формирующие короткие (менее наносекунды) импульсы РЧЭМИ, предпочтительны с точки зрения эффектов их воздействия на цели. С другой стороны, ВМГЧ значительно более прост в производстве, дешев, и надежен. Энергия генерируемого РЧЭМИ в ВМГЧ линейно зависит от начальной энергии зарядки конденсатора и не требуется «ловить» оптимум энергообеспечения.

Очень хотелось совместить положительные качества ВМГЧ с использованием задела, полученного столь тяжелым трудом. Имплозивный магнитный генератор частоты (ИМГЧ) воплощал такую попытку. В нем (рис. 5.27) детонационная разводка ИМГЧ формирует при срабатывании не цилиндрическую, а тороидальную детонационную волну, а вместо рабочего тела из монокристалла на оси лайнера размещен излучающий при срабатывании индуктивно-емкостной контур. При сжатии лайнером магнитного поля происходит процесс, подобный таковому в трансформаторе. Во внутренней катушке при ударе лайнера скачком изменяются и ток и напряжение, а последующее замыкание витков добавляет энергию, которую тут же расходуют излучение и другие виды потерь. На подобном умножении магнитного потока основано получение сверхбольших коэффициентов усиления энергии. В. Демидов, получивший в одном из созданных им СВМГ магнитную энергию, более чем в миллион раз превышавшую начальную, помог автору советами по реализации этого метода для ИМГЧ.