Назначение и область применения ПЛМ

Содержание

Введение                                                                                                            3

1. Назначение и область применения ПЛМ                                                     4

2. Анализ существующей конструкции и обоснование выбора новой схемы прибора

2.1. Терминология                                                                                   5

2.2. Варианты конструкций                                                                    5

3. Общая характеристика и препятствия, возникающие в процессе разработки 8

4. Общие теоретические сведения по теме проекта                                       10

4.1. Лазер и сопутствующие ему явления                                             11

4.2. Плазма                                                                                             16

4.3. Теория кристаллизации плазмы                                                    20

4.4. Электроннолучевые пушки                                                            33

4.5. Ядерный реактор                                                                            35

5. Принцип работы ПЛМ                                                                               43

6. Расчёты некоторых элементов конструкции

6.1. Контакт клинков                                                                             48

6.2. Фокусирующий кристалл                                                               48

7. Описание конструкции и составных элементов                                         52

Заключение                                                                                                      53

Источники, частично и полностью использованные                                     54

Приложения:

Приложение А (Варианты внешнего оформления прибора)                        55

Приложение Б (Техническое задание)                                                           58

Введение

 

Целью данного курсового является на основе существующих компонентов и перспектив их технологического развития разработать научно обоснованные принципы работы портативного лазерного модуля (ПЛМ) специального назначения. Также необходимо разработать конструкцию, произвести общий габаритный расчёт, оценку стоимости и соответствия климатическим условиям работы прибора. Предпосылками к написанию данной работы являются многочисленные ненаучные предположения о принципе работы и конструкции аналогов ПЛМ, появившиеся в сети Internet.

Портативный лазерный модуль – ещё одно название «лазерного меча», придуманного и показанного широкой общественности американским режиссёром Джорджем Лукасом в его киноэпопее «Звёздные Войны» (премьера первого фильма состоялась 25 мая 1977 года, последнего – 19 мая 2005). Несмотря на то, что Дж. Лукас относит это понятие к области фантастики и не даёт никаких комментариев по конструкции, кроме изложенных в фильме и сопутствующих произведениях, однако, «Звёздные Войны» существуют далеко за границами их шести эпизодов. Множество писателей-фантастов в мире попытались осветить данную тему, не говоря уже о бесчисленных поклонниках фильма. К сожалению, практически никто из них не знаком достаточно глубоко с оптикой и другими разделами науки, связанными с функционированием прибора. Поэтому, взяв за основу внешние параметры «лазерного меча» попытаемся разработать «с нуля»  принцип работы и конструкцию нового прибора – портативного лазерного модуля специального назначения. 

 

Анализ существующей конструкции

И обоснование выбора новой схемы прибора

 

Сразу стоит сказать, что подобного прибора не существует, не было создано за историю человечества и, судя по сегодняшнему уровню развития технологий, ждать момента появления первого рабочего экземпляра придётся очень долго. Однако в раздельности практически все функциональные элементы ПЛМ реально существуют, применяются в технике или, по крайней мере, находятся на стадии научных разработок. Поэтому, вначале рассмотрим тот «лазерный меч», образ которого был создан Дж. Лукасом в фильме.

 

Терминология

“Древнее и элегантное оружие, пришедшее к нам из лучших времен”, в оригинале (если принять за оригинал фильмы Джорджа Лукаса) называется lightsaber (дословно - “световая сабля”). За десятилетия активного существования “Звездных войн” в русскоязычных странах было предложено множество вариантов русификации этого термина. Одни из них (“лазерный меч”, “луч-сабля”) не самым точным образом передавали суть оружия, другие (“сабер”, “лайтсейбр”) — в сущности, не были переводами. В последнее время унификация терминологии привела к тому, что наиболее частым обозначением является “световой меч”, хотя в среде поклонников “Звездных войн” нередко можно услышать более короткое слово “сабер”.

 

Варианты конструкций

Рассмотрим один из вариантов композиции лазерного меча и его свойств, предложенных во вселенной Звёздных Войн. В данном приборе и описании его функционирования применяется также много терминов, взятых из фантастики и не имеющих земных аналогов. Однако их свойства вполне определены, поэтому допустимо сравнивать их с другими подобными элементами и описывать их взаимодействие. Основные части лазерного меча по данным энциклопедии Звёздных Войн [3] таковы (позиции изображены на рис. 1, а также на рис. 2 и рис. 3):

 

I. Энергоблок (Power Assembly)

1) Диатиумовая энергоячейка (diatium power cell) - мощная и компактная "батарейка", обеспечивающая работу меча в течение длительного времени. Усовершенствованный аналог энегроячеек для персональных бластеров.

2) Проводник (power field conductor) - окружает энергоячейку, заставляя сгенерированную энергию двигаться вдоль оси меча.

3) Вихревое кольцо (power vortex ring) - окружает проводник, направляя сгенерированную энергию так, чтобы практически вся она перешла в блок кристаллов.

4) Изолятор (inert power insulator) - окружает вихревое кольцо, обеспечивает изоляцию энергоблока в целом, что позволяет уменьшить утечки энергии и избежать пробоев на рукоятку.

5) Затвор (energy gate) - излучатель энергии (эммитер) в блок кристаллов.

II. Блок кристаллов (Crystal Energy Chamber)

6) Главный кристалл (primary crystal) - определяет первую частоту энерголуча.

7) Фокусирующие кристаллы (focusing crystals) - фокусируют и направляют энергию в генератор клинка, определяют вторую частоту энерголуча, и соответственно, основной цвет лезвия. Каждый фокусирующий кристалл индивидуален.

8) Активатор (focusing crystal activator) - именно та "кнопка", которая включает клинок меча, точнее выпускает накопившуюся энергию наружу. Каждый активатор индивидуален.

III. Генератор клинка (Blade Generation)

9) Энергоканал (blade energy channel) - длинная полая камера, в которой происходит генерация дуговой энергетической волны.

10) Циклические активизаторы поля (cycling field energizers) - окружают энергоканал и преобразуют энергию поступившую из блока кристаллов в дуговую энерговолну.

11) Схема энергетической модуляции (energy modulation circuits) - схема обратной связи.

12) Наконечник (blade arc tip), нередко дополняется магнитным стабилизирующим кольцом (magnetic stabilizing ring) – поз. 13 на рис. 1.

Рис. 1. Официальная схема устройства лазерного меча.

Этот вариант устройства лазерного меча является официальным, а макет лазерного меча с аналогичным расположением его компонентов даже выставлен в музее «Звёздных Войн» (рис. 2.).

Рис. 2. Макет лазерного меча.

Рис. 3. Вариант композиции элементов меча.

Несмотря на это, предпринимается множество попыток «усовершенствовать» конструкцию, добавляя, удаляя или изменяя некоторые её элементы, подгоняя её под внешний вид мечей некоторых персонажей из фильма (рис. 3.). Однако принципиально новой схемы действия никто не предложил. Были, кстати, и мечи с двумя клинками – это два базовых меча, укреплённых в едином корпусе лезвиями в разные стороны. Напоследок в приложении А показаны немногие из огромного количества вариантов [4] внешнего оформления ручки лайтсабера. Их так много потому, что во вселенной Звёздных Войн «сборка меча - один из шагов на пути к званию рыцаря, поэтому каждый светомеч неповторим», если цитировать одного из персонажей.

По теме проекта

Рассмотрев все возможности достижения требуемых параметров прибора, приходим к выводу, что из всех разнообразных физических явлений будут использоваться только нижеперечисленные.

Создать «чистый» лазерный клинок не представляется возможным из-за низкой мощности светового излучения и невозможности «остановить» свет. При увеличении мощности лазерного излучения (раздел 4.1) будет возникать световой пробой воздуха, образуется плазма (раздел 4.2). Это, при более детальном рассмотрении (раздел 4.3, 4.4), сыграет положительную роль, увеличив температуру клинка. Для питания такого энергоёмкого прибора понадобится чрезвычайно мощный источник энергии – в учебных целях рассмотрим возможность использования ядерного реактора (раздел 4.5).

В этой части курсового проекта совершим экскурс в некоторые физические явления, используемые в ПЛМ. Это необходимо, так как функционирование прибора основано на процессах, описываемых различными областями науки. И, по большому счёту, над этим проектом (в случае его осуществимости) должны работать многие учёные, имеющие различные специализации.

Плазма

Плазма [10] - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Когда луч лазера сфокусировали линзой, в воздухе в области фокуса вспыхнула искра, и там образовалась плазма. Первые затравочные электроны появляются в результате вырывания их из атомов среды после одновременного поглощения нескольких фотонов световой волны. Энергия каждого фотона рубинового лазера равна 1, 78 эВ. Далее свободный электрон, поглощая фотоны, достигает энергии 10 эВ, достаточной для ионизации и рождения нового электрона в процессе столкновения с атомами среды. Разряд может гореть в течение длительного времени и светится ослепительно белым светом, на него невозможно смотреть без тёмных очков.

Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы называют степенью ионизации плазмы (а). В зависимости от величины а говорят о слабо ионизованной (а – доли процента), частично ионизованной (а – несколько процентов) к полностью ионизованной (а близка к 100%) плазме.

Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105 К называют низкотемпературной, а с Тi > 106 К – высокотемпературной.

Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС (управляемому термоядерному синтезу).

В настоящее время в медицинской практике используются плазменные хирургические установки, позволяющие осуществлять хирургическое вмешательство путем воздействия на биологическую ткань потоком плазмы, генерируемой миниатюрными плазмотронами [11,12]. Диаметр струи около миллиметра, длина ее 3-20 миллиметров. Плазма легко рассекает мягкие ткани, одновременно заваривает стенки сосудов, идеально дезинфицирует операционное поле. Температура плазмы 5000-7000°С. Такие плазменные генераторы позволяют осуществлять только " жесткое " воздействие, разрушающее биологические ткани. Тепловые эффекты в биотканях соответствуют следующим диапазонам температур [13].

Отсутствие необратимых изменений 37 - 43 °С
Разделение ткани (отёк) 45 - 48 °С
Сваривание ткани, денатурация белков 45 - 60 °С
Коагуляция, некроз, обезвоживание 60 - 100 °С
Испарение тканевой воды 100 °С
Пиролиз, выгорание 100 - 300 °С
Карбодизация твёрдых компонентов ткани > 200 °С
Испарение твёрдых компонентов ткани > 300 °С

В Петрозаводском государственном университете разработан ряд плазменных устройств, способных генерировать низкотемтературную плазму. Одним из таких устройств является микроплазмотрон, позволяющий получать плазму со среднемассовой температурой 40-80°С. Плазмообразующим вещество служит вода. Расход воды составляет 25-50 мл/ч. Питание микроплазмотрона осуществляется от сети 220 В. Потребляемая мощность 20 Вт. При диаметре генерируемого плазменного потока 3-5 мм, длине 5-8 мм плотность мощности потока составляет 0,4-0,8 Вт/см².

Магнитное поле вносит в движение частиц плазмы [14] винтовой  порядок. Заряженная частица может свободно двигаться вдоль направления магнитного поля. Но при этом она быстро вращается вокруг направления магнитного поля. Это вращение происходит по тому же закону, что и в круговом ускорителе заряженных частиц – циклотроне. Поэтому вращение частиц плазмы вокруг направления магнитного поля так и называют – циклотронным вращением. Из сочетания свободного движения вдоль поля и циклотронного вращения поперек поля получается винтовое движение частиц плазмы. Если плазма не слишком плотная, то частицы редко сталкиваются между собой: каждая движется по своему винту. В поперечном направлении такая плазма может двигаться только вместе с магнитным полем. Для наглядности говорят, что магнитное поле как бы вморожено в плазму. Но снаружи магнитное поле не может проникнуть в плазму. Если снаружи возникает сильное магнитное поле, оно давит на плазму с силой, которую так и называют – силой магнитного давления. Отсюда следует, что плазму можно удерживать “магнитной стенкой”, толкать “магнитным поршнем”. Можно сказать: если вдоль магнитного поля плазма движется как газ, то при движении поперек магнитного поля она обретает в известной степени свойства твердого тела. На этих свойствах плазмы основаны многие природные явления, которые начинают использовать в технике.

 

А нельзя ли для удержания плазмы в магнитном поле использовать магнитное поле самой плазмы? Если в плазме есть какое-то упорядоченное движение заряженных частиц в одну сторону, то это означает, что плазма представляет собой гибкий шнур с электрическим током, так как, по определению, электрический ток – это и есть упорядоченное движение заряженных частиц.

Ток создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого опоясывают провод, по которому этот ток проходит. Одним из важных свойств силовых линий является их стремление идти по кратчайшему пути, их упругость, максвелловское натяжение, приводящее к тому, что силовые линии стремятся сжать опоясываемый ими проводник с током. В случае обычных медных проводов упругость силовых линий не может привести к уменьшению диаметра проводов, поскольку кристаллическую решетку твердых тел деформировать довольно трудно. Если ток течет по плазменному шнуру, то упругость силовых линий, охватывающих этот шнур, приводит к тому, что шнур уменьшается в сечении и отходит от стенок камеры. Это явление, получившее название пинч-эффекта, казалось бы, полностью решает задачу магнитной термоизоляции плазмы: стоит «организовать» в плазме ток, как она сама отойдет от его стенок и сожмется в тонкий шнур в середине сосуда.

Однако здесь начинает действовать свойство заряженных частиц (и, следовательно, плазмы в целом) выталкиваться в область с более слабым полем, туда, где меньше силовых линий, где они расположены не так густо. Это свойство приводит к тому, что малейший изгиб или местное сужение плазменного шнура в конце концов приводит к аварийному процессу. Пусть, например, в силу каких-либо случайных обстоятельств в шнуре образовался небольшой изгиб. Тогда на выпуклой части изогнутого шнура силовые линии магнитного поля становятся более редкими, а на вогнутой – более густыми. Плазменный шнур начинает выталкиваться из той области, где силовые линии расположены гуще, наружу, к стенкам сосуда, изгиб плазменного шнура увеличивается, и плазма в конце концов попадает на стенки камеры. Это происходит так же, как в сжатой длинной пружине, которая, как известно, неустойчива к поперечным деформациям. Точно таким же образом местное сужение плазменного шнура приводит к еще большему его сужению, а затем – к разрыву.

Бороться с этими явлениями можно при помощи магнитного поля. Если вдоль плазменного шнура проходят силовые линии магнитного поля, создаваемого каким-то посторонним источником, то упругость этих линий приведет к тому, что любой изгиб, случайно возникший у шнура, будет ликвидирован так же, как и случайное сужение шнура. Примерно то же самое произойдет, если внутри сжатой пружины пропустить растянутые упругие жгуты.

Чтобы возвращение плазмы в устойчивое состояние проходило более эффективно, необходимо создать в ней очень сильное продольное магнитное поле.

Стабилизация плазмы продольным полем становится особенно эффективной, когда удается сделать так, чтобы продольное поле существовало лишь в плазме, а вне ее, т.е. в пространстве между стенками камеры и шнуром, отсутствовало. Это можно осуществить в том случае, когда сжимающийся при прохождении сильного тока плазменный шнур увлекает за собой все силовые линии продольного поля, созданного в полном объеме камеры. Отрываясь от стенок камеры, плазменный шнур увлекает за собой все магнитные силовые линии, ранее существовавшие в камере, создавая между стенками камеры и шнуром магнитный вакуум в отношении продольного поля.

Выяснилось, что стабилизирующее продольное поле, вопреки первоначальным прогнозам, было мало для того, чтобы сделать плазменный шнур устойчивым к разного рода случайным возмущениям. Продольное магнитное поле по отношению к собственному полю плазмы было слишком мало. Упругие жгуты внутри пружины оказались слабыми для удержания ее от аварийных изгибов.

Чтобы обойти эту трудность, необходимо было резко увеличить продольное поле и ослабить собственное поле шнура. Эта задача была решена советскими учеными на установках типа токамак. Для создания сильного продольного поля в системе использованы мощные соленоиды, которые приходилось питать от мощных импульсных генераторов, используемых обычно для возбуждения синхротронов. Хотя магнитное поле, создаваемое такими системами, импульсное (продолжительность импульса примерно 0,2 с), оно в сотни раз превосходит по длительности время разряда и для него является практически постоянным. Магнитное поле установок типа токамак достигает 3,5...5 Тл, т.е. в сотни раз превышает поле установок типа «Альфа».

Каким будет термоядерный генератор? Магнитная ловушка, по-видимому, получится весьма большой. Только тогда мощность, потребляемая ею, будет невелика по сравнению с мощностью генератора. Это происходит потому, что мощность генератора находится в кубической зависимости от линейного размера системы, а потребляемая обмотками мощность пропорциональна линейному размеру.

Исходя из соображений, касающихся мощности, потребляемой магнитной ловушкой, можно считать, что термоядерный генератор должен быть никак не меньше нескольких метров в диаметре. Только в этом случае полезная мощность генератора будет больше мощности, потребляемой магнитной системой.

Однако, если удастся создать громадные сверхпроводящие обмотки, что весьма реально, КПД генераторов резко возрастет.

 

 

Электроннолучевые пушки

 

В зависимости от способа фокусировки и отклонения электронного луча различают трубки [9]:

1) С электростатическим управлением, в которых электронный луч фокусируется и откланяется электрическим полем;

2) С электромагнитным управлением, в которых луч фокусируется и отклоняется магнитным полем;

Устройство и схема питания осциллографической электроннолучевой трубки с электростатической фокусировкой и отклонением электронного луча показаны на рис. 8.

Электронной пушкой, или электронным прожектором, называется система электродов, позволяющая получить узкий поток электронов. Помещается она в узкой удлиненной части колбы и состоит из подогревного катода, управляющего электрода и двух анодов. Катод сделан в виде небольшого никелевого цилиндра, дно которого покрывается активированным слоем, испускающем при нагреве электроны. Обычно в электроннолучевых трубках применяют оксиды. Вывод катода часто присоединяется внутри баллона к одному из концов нити накала. Вокруг катода располагается управляющий электрод (модулятор), выполненный в виде никелевого цилиндра с небольшим отверстием (диафрагмой) в донышке. На модулятор подается отрицательное относительно катода напряжение порядка нескольких десятков вольт. Под действием электрического поля, созданного этим напряжением, электроны прижимаются к оси трубки и сходятся в точку не некотором расстоянии от управляющего электрода (смотри рисунок). Так осуществляется предварительная фокусировка электронного луча. Кроме того, электрическое поле между катодом и управляющим электродом, являясь тормозящим для электронов, отталкивает некоторые из них обратно на катод, что уменьшает вредные потери. Движение электронов от катода к экрану и дальнейшая фокусировка их в узкий пучок обеспечивается системой двух анодов, выполненных в виде полых металлических цилиндров. Первый анод выполняется меньшего диаметра, чем второй, и снабжается большим количеством диафрагм. Чтобы получить достаточные скорости движения электронов, на аноды подаются большие положительные напряжения (на первый анод порядка нескольких сотен вольт, а на второй - порядка нескольких киловольт).

Для уяснения фокусирующего действия системы двух анодов рассмотрим рисунок. Так как потенциал второго анода А ₂ выше потенциала первого анода А ₁, то электрическое поле между ними будет направлено от второго анода к первому (рис. 10). На электрон, попадающий в электрическое поле, действует сила, направленная в каждой точке поля по касательной к силовой линии. Например, на электрон, находящийся в точке В, действует сила F, направленная по касательной к силовой линии электрического поля между первым и вторым анодами (рис. 9). Силу F можно разложить на две составляющие: продольную F ₁ и поперечную F ₂ Продольная составляющая F ₁ ускоряет движение электрона вдоль оси трубки, а поперечная F ₂ прижимает его к оси. В точке В электрон отклоняется от оси, но снова ускоряется.

 

Ядерный реактор

Ядерный реактор [9,16] - устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция, сопровождаю­щаяся выделением энергии. Составными частями любого ядерного реактора являются: ак­тивная зона с ядерным топливом, обыч­но окружённая отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиан, защита, система дистанционного управления.

Для инициирования цепной реакции при пуске ядерного реактора в актив­ную зону обычно вносят источник нейтро­нов (смесь Ra и Be, ²⁵²Cf и др.), хотя это и не обязательно, т. к. спонтанное деле­ние ядер урана и космические лучи дают достаточное число начальных нейтронов для развития цепной реакции.

По конструкции ядерные реакторы делятся на гете­рогенные реакторы, в которых ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов; и гомогенные, реакторы, в которых ядерное топливо и замедлитель представ­ляют однородную смесь (раствор или суспензия). Блоки с ядерным топливом в гетерогенном ядерном реакторе, называются тепловыде­ляющими элементами (ТВЭЛ'ами), об­разуют правильную решётку; объём, при­ходящийся на один ТВЭЛ, называют ячейкой

Для управления ядерного реактора служит система управления и защиты (СУЗ). Органы СУЗ делятся на: аварийные, уменьшающие реактивность (вводящие в ядерный реактор отрицательную реактивность) при появлении аварийных сигналов; автоматические регуляторы, поддерживающие постоянным нейтронный поток Ф (а значит - и мощность); компенсирующие (компенсация отравления, выгорания, температурных эффектов). В большинстве случаев это стержни, вводимые в активную зону ядерного реактора (сверху или снизу) из веществ, сильно поглощающих нейтроны (Cd, B и др.). Их движение управляется механизмами, сра­батывающими по сигналу приборов, чув­ствительных к величине нейтронного по­тока. Для компенсации выгорания могут использоваться выгорающие поглотители, эффективность которых убывает при за­хвате ими нейтронов (Cd, В, редкозе­мельные элементы), или растворы по­глощающего вещества в замедлителе. Стабильности работы ядерного реактора способствует отрицательный температурный коэффициент реактивности (с ростом температуры r уменьшается). Если этот коэффициент положителен, то работа органов СУЗ суще­ственно усложняется.

Ядерный реактор оснащается системой приборов, информирующих оператора о состоянии ядерного реактора: о потоке нейтронов в разных точ­ках активной зоны, расходе и температуре теплоносителя, уровне ионизирующего излучения в различных частях ядерного реактора и в вспомогательных помещениях, о положе­нии органов СУЗ и др. Информация, получаемая с этих приборов, поступает в ЭВМ, которая может либо выдавать её оператору в обработанном виде (функции учёта), либо на основании математической обработки. Этой информации выдавать рекомендации оператору о необходимых изменениях в режиме работы ядерного реактора (машина - советчик), либо, наконец, осуществлять управление ядерного реактора без участия оператора (управляющая машина).

По назначению и мощности ядерные реакторы делятся на несколько групп:

1) экспериментальный реактор (критическая сборка), предназначенный для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов: мощность таких ядерных реакторов не превышает нескольких квт:

2) исследователь­ские реакторы, в которых потоки нейтронов и g-квантов, генерируемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёр­дого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных по­токах (в т. ч. деталей ядерного реактора), для производства изотопов. Мощность исследовательского ядерного реактора не превосходит 100 Мвт: выделяю­щаяся энергия, как правило, не исполь­зуется. К исследовательским ядерным реакторам отно­сится импульсный реактор:

3) изотопные ядерные реакторы, в которых потоки нейтронов исполь­зуются для получения изотопов, в т. ч. Pu и ³Н для военных целей;

4) энергетические ядерные реакторы, в которых энер­гия, выделяющаяся при делении ядер, используется для выработки электроэнер­гии, теплофикации, опреснения морской воды, в силовых установках на кораблях и т. д. Мощность (тепловая) современного энер­гетического ядерного реактора достигает 3-5 Гвт.

Ядерные реакторы могут различаться также по виду ядерного топлива (естественный уран, слабо обогащённый, чистый делящийся изотоп), по его химическому составу (металлический U, UO₂, UC и т. д.), по виду теплоносителя (Н₂О, газ, D₂O, органические жидкости, расплавленный металл), по роду замедлителя (С, Н₂О, D₂O, Be, BeO. гидриды метал­лов, без замедлителя). Наиболее распро­странены гетерогенные Ядерный реактор на тепловых нейтронах с замедлителями — Н₂О, С, D₂O и теплоносителями — Н₂О, газ, D₂O.

Принцип работы ПЛМ

Лазер используется для предварительной ионизации воздуха. Световой поток с малыми длинами волн будет эффективнее ионизировать среду, поэтому целесообразнее использовать газовый УФ-лазер. Фокусирующий кристалл изготовлен такой формы, что лазерное излучение расщепляется дискретно на множество пучков, каждый из которых собирается в определённом месте (см. рис. 18). При этом образуется «клинок» специальной формы из световых пробоев [5,6]. УФ-излучение не видимо невооружённому глазу и достаточно сильно поглощается плазмой, которая образуется из молекул воздуха в местах фокуса лазерного луча. Это обеспечит его минимальное распространение за пределы лезвия меча. Всё что мы увидим в этом случае – светящийся клинок, образованный лазерными искрами. Световое электромагнитное излучение, необходимое для этого процесса само по себе будет довольно мощным. К тому же оно будет сфокусировано, и в местах фокусов образуется плазма достаточно высокой температуры [6,9]. Это уже придаёт ПЛМ некоторую разрушающую способность. Однако не все пункты ТЗ ещё разрешены.

Плазма клинка будет нестабильна. Известно, что при световом пробое в фокусе лазерного луча она будет не только расширяться, но и двигаться «назад по лучу» [10]. Однако она будет отличным проводником электрического тока. За счёт разлёта плазмы и высокой температуры цилиндра клинка основная часть ионизированных молекул воздуха соберётся внутри цилиндрического искрового клинка, не считая сами места образования плазмы. Это также сыграет полезную роль, повышая проводимость и внутри лезвия.

Но плазму надо ещё как-то и удерживать. Применение магнитных ловушек не представляется возможным по нескольким причинам. Во-первых, это геометрия клинка. Он вытянутой формы и находится далеко за пределами базового прибора. Так как выносить далеко за основные габариты детали не получится, то это потребовало бы сверхмощных магнитных полей. Что в свою очередь сильно усложнило бы работу прибора в целом. Во-вторых, применение магнитных силовых полей для удержания плазмы по общей схеме (а только так возможно применить их в ПЛМ) является тупиковой ветвью в физике плазмы, как признают сегодня уже многие учёные [14]. Необходимо найти альтернативный путь силовой связи ионов клинка с ручкой.

Наиболее подходящим является применение явления кристаллизации плазмы (см. раздел 4.3). Оно заключается в образовании точек «абсолютного фокуса» сильным направленным движением электронов [15]. Вокруг этих точек в районе сферы собираются положительные ионы, группируясь по этой поверхности с высокой удельной плотностью. Если такое образование точек абсолютного фокуса повторяется в многих пространственных областях, не чрезмерно далеких друг от друга, то свойства такой плазмы схожи с твёрдым телом [15]. Общий объёмный заряд равен нулю, следовательно равно нулю и внешнее электростатическое излучение. Плазма так же сопротивляется сжатию и растяжению, как и твёрдое тело. Останется только привязать твёрдоплазменный клинок к ручке меча.

Направленное движение электронов организуем с помощью электронной пушки. Сразу стоит отметить, что её мощность должна быть большой, но не нереально критичной. Ведь затравочная плазма в объёме клинка уже образована. Останется только обеспечить в этой области большой ток и, для образования точек электронных фокусов, задать движение электронов в нужном направлении. Первоначальное движение электронов по конусу к оси (рис. 20) получим, использовав электронную пушку специальной конфигурации. К тому же при движении пучка электронов вокруг него создаётся магнитное поле, которое в свою очередь сжимает токи в пучке к его оси. Это легко показать, рассмотрев движение электронов как микротоки, вокруг которых создаётся замкнутое магнитное поле (рис. 19). А потом рассмотрев действие каждого конкретного поля на отдельный электрон. Проинтегрировав силы Лоренца, получим, что результирующий вектор силы направлен к центру электронного пучка. Если токи будут достаточно велики, то наступит момент когда сила притяжения под действием собственного магнитного поля станет равной и больше силы электростатического отталкивания.

Рассмотрим движение электронного пучка в продольном сечении клинка. Точки абсолютного фокуса при схождении пучка способны образоваться не только на точной геометрической оси клинка, но и в других местах пространства. Это обуславливается неоднородностями среды, по которой протекает электронный ток, разбиваясь из-за этого на ещё более мелкие микротоки [9,15]. Поэтому при достаточной силе тока формирование фокусов будет происходить вплоть до необходимого расстояния от рукоятки меча. Которое представляется возможным определить только экспериментально ввиду многочисленности нюансов среды, по которой распространяется электронный пучок. Ведь она не является вакуумом. С другой стороны, электроны при распространении в воздухе быстро теряли бы свою скорость, ионизируя молекулы воздуха. Это ограничило бы ток пучка (не учитывается стекание электронов на точку положительного потенциала). Но существование плазменной ионизированной области улучшает положение. Самое маленькое сопротивление она имеет в районе лазерных искр (синяя область на рис. 20.). Чуть большее сопротивление во внутренней области клинка. Постоянство значений этих параметров среды поддерживается постоянной ионизацией лазером. Позже учтём и ионизацию электронным током, но эти два процесса в любом случае через некоторый промежуток времени выйдут на равновесный, стационарный уровень, и степень ионизации будет постоянной. Таким образом в районе абсолютных фокусов и лазерных искр столкновениями можно пренебречь с достаточной степенью уверенности [15]. Имеем следующие факты, характеризующие распространение электронного пучка: 1) он строго направлен и стремится за счёт явления кристаллизации плазмы втянуться к оси; 2) электроны, скорость которых опустилась ниже критической, будут разлетаться к периферии; 3) при попадании в нейтральную среду электрон затормозится, ионизируя её молекулы; 4) меньшим сопротивлением, а, следовательно, лучшим путём свободного протекания тока, обладает область лазерных искр. Теперь если на торце клинка со стороны ручки разместить положительно заряженный электрод, то он станет по «лазерно-искровому проводнику» стягивать к себе электроны, скорость которых недостаточна для образования точек абсолютных фокусов. За пределы геометрии клинка они не будут вылетать далеко – будут испытывать слишком много столкновений и, с конце концов, вместе с выбитыми вторичными электронами стекать на положительный электрод.

При ионизации образуется равное количество положитель