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

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 может 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.

В опытах (рис. 5.19) одновитковый соленоид из меди 1 окружал кольцо 2. Оба погружались в жидкий азот 3, где кольцо и обретало сверхпроводимость. От арзамасского ВМГ снабженного узлом разрыва, в соленоиде 1 формировался импульс тока с коротким (в сотню наносекунд) фронтом. Индуктивность соленоида вначале мала, потому что внутри него находилась сверхпроводящая вставка, поэтому возрастание тока определяется только возможностями формирователя. Магнитное поле сосредотачивалось в узком зазоре между сверхпроводником и соленоидом: в сверхпроводник оно не могло проникнуть, потому что там индуцировался ток, полностью его компенсировавший, а в соленоид из меди хоть и проникало, но — медленно. Когда же ток в сверхпроводнике превышал критическое значение, возникал фазовый переход, по одну сторон которого пленка была еще сверхпроводящей, а по другую — проводила плохо. Фронт перехода двигался от периферии кольца к его оси и оказалось, что скорость его довольно велика (десяток километров в секунду или — сантиметр в микросекунду), но слабо зависит от индукции внешнего магнитного поля. Это позволяло за те доли микросекунды, пока магнитное поле «ест» сверхпроводимость имевшего ширину в несколько миллиметров кольца, успеть «накачать» существенную энергию в соленоид. Когда же фронт фазового перехода достигал внутренней границы кольца, ток, а значит, и магнитный момент менялись очень быстро. Оказалось, что эмиссия РЧЭМИ существенна, хотя и уступает по мощности излучению ЦУВИ почти два порядка.

Ценность сверхпроводникового излучателя 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.

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

В новом ЦУВИ — сборке Е-23 — УВ в рабочем теле (РТ) создавалась уже не контактной детонацией, а ударом сжимаемого взрывом лайнера. Схему этой сборки, на взгляд автора, приводить излишне: Достаточно открыть рис. 4.21 главы 4 и представить, что на оси катушки, поддерживаемое двумя фланцами, располагается цилиндрическое рабочее тело. Взрыв сжимал катушку, выполняя две функции: дополнительного увеличения магнитного поля (рис. 5.20) и формирования сходящейся волны в РТ. Сборки Е-23 работали не без сбоев, но показали хорошие результаты.

^{Рис. 5.19. Схема излучателя с переключающим элементом из сверхпроводника}

Потом началась серия испытаний на полигоне Кызбурун-3. Исследовались сборки Е-23 и их копии, увеличенные в два и три раза — надеялись получить данные, в которых отчаянно нуждались теоретики Бармина, чтобы завершить, наконец, расчеты. Идея опытов заключалась в следующем: не все необходимые 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.

Последнюю серию этого года провели в Арзамасе-16, испытав много новинок. Применение постоянных магнитов как источника начального поля в ВМГ было признано нецелесообразным: коэффициент усиления энергии в этом случае должен был составлять десятки тысяч, боеприпас с соответствующим СВМГ получался слишком «длинным», что ограничивало его применение в большинстве носителей. Испытали генератор тока, основанный на ударной демагнетизации пластин из электротехнического железа. Ферромагнитный генератор (ФМГ) уже был создан в Арзамасе-16 В. Стрекиным, нечто похожее разработали и для ЦУВИ (рис. 5.21). Расширяющаяся труба 1, прежде чем начать движение по виткам обмотки ВМГ, ударяла по набору 2 железных пластин, в котором системой постоянных магнитов 3 и магнитопроводов 4, было создано поле с индукцией около 2 Тл. Удар трубы формировал в железе волну, которая разрушала его доменную структуру, превращал из ферромагнетика в парамагнетик[80], освобождая заключенное в доменах поле. Поле вытеснялось в обмотку 5, где наводилась ЭДС. Сборка такого генератора была очень сложной, каждую пластину набора надо было 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 использовались клинья из бронзы. ФМГ работал нестабильно, но пара удачных опытов показала, что он значительно превосходит по генерируемой энергии системы постоянных магнитов: с одного кубического сантиметра набора пластин можно было получить до 0,5 Дж энергии токового импульса!

^{Рис. 5.20. Осциллограмма производной магнитной индукции в сборке Е-23: сначала видна косинусоида от тока разряда конденсатора; когда производная приближается к нулю (а, значит, ток — к максимуму), взрыв замыкает витки катушки и сжимает её к оси, почти двукратно увеличивая индукцию поля внутри (еще раз напомним: на осциллограмме — производная, поэтому индукция пропорциональна площадям соответствующих её участков). Нелинейность возрастания производной на втором участке вызвана тем, что летящий лайнер «дышит» из-за отражений волн сжатия и разрежения}

^{Рис. 5.21. Схема ферромагнитного генератора начального импульса тока}