6.7 Рентгеновские лазеры с накачкой от ядерного взрыва.

В печати указывалось, что одной из побудительных причин для выступления Рейгана в марте 1983 года относительно СОИ были результаты испытания рентгеновского лазера с накачкой от ядерного взрыва. Предсказание возможности вынужденных (индуцированных) переходов в квантовых системах было сделано Эйнштейном в 1917 году. С чисто термодинамической точки зрения без какой-либо связи с конкретными системами он вывел соотношение между коэффициентами спонтанного (А) и индуцированного (B) излучения.

А/B ~ ^-3 , где  - длина волны электромагнитного излучения.

Видно, что это отношение резко возрастает с уменьшением длины волны, чем обусловлены те трудности, с которыми сталкиваются создатели коротковолновых лазеров.

Более детальный анализ приводит к заключению, что с уменьшением длины волны излучения резко возрастает уровень требуемой энергии накачки; например, для  = 1А эта величина составляет 10¹⁷ – 10¹⁹ Вт/см³. Важно отметить, что энергия зависит от четвертой степени длины волны, поэтому для  = 10А необходимый энерговклад существенно ниже 10¹³ – 10¹⁵ Вт/см³.

Тем не менее, и эти значения слишком высоки – подобные условия могут реализовываться лишь в небольшом числе “экзотических” случаев, например, в лазерном фокусе или при ядерном взрыве. Именно в таких случаях и удавалось создать условия для рентгеновской лазерной генерации.

[Рентгеновские лучи – электромагнитное излучение с длиной волны  = 10^-2 – 10 нм.

Свойства рентгеновских лучей:

1. они распространяются прямолинейно

2. проникают сквозь непрозрачные для света вещества, такие как мышцы, дерево и др.

3. вызывают флуоренсацию некоторых веществ

4. вызывают почернение фотоэмульсии

5. вызывают биологические изменения в живых тканях

6. не отклоняются электрическим и магнитным полями.]

Таким образом, рентгеновские лазеры для системы ПРО – это импульсные лазеры с довольно малой длительностью импульса. При столь высоком энерговкладе активная среда лазера должна становиться плазмой, причем сильно ионизированной.

В литературе уже давно обсуждались некоторые возможные варианты реализации рентгеновских лазеров. Мы остановимся для определенности на одном из них, называемом рекомбинационном.

Пусть тепловыделение ядерного взрыва (в основном это рентгеновское излучение с температурой порядка нескольких кэВ) достаточно велико для того, чтобы полностью ионизовать вещество с атомным номером Z. (заметим, что после полной ионизации среда становиться прозрачной для рентгеновского излучения, так что может происходить постепенное “выедание” вещества, если время прохождения фронта рентгена велико по сравнению со временем ионизации).

Полностью ионизованная плазма после ядерного взрыва начинает охлаждаться (в нее уже не поступает энергия, за исключением комтоновского рассеяния фотонов ядерного взрыва на электронах вещества), причем быстрее охлаждаются электроны. Когда температура электронов понизиться в достаточной мере, начинается процесс рекомбинации. Прежде всего электрон начинает опускаться на энергетические уровни полностью ионизованного атома (так называемого водородноподобного иона).

Расчеты кинетики таких процессов приводит к заключению, что энергетический уровень с главным квантовым числом n=3 будет обеднен электронами, в результате чего возможны индуцированные переходы на этот уровень с уровней, соответствующих n=4 или 5.

При переходе 53 энергия соответствующих квантов составляет

Чтобы полностью ионизовать атом, имеющий z электронов, требуется затратить энергию порядка 3-4 потенциалов ионизации, т.е. ~ 40 – 50 z² эВ. Таким образом, КПД рентгеновского лазера такого типа может составлять лишь несколько процентов – это типичное значение для лазеров, основанных на молекулярных или атомных переходах.

Температура излучения накачки должна быть выше некоторой величины, пропорциональной, вообще говоря, z². Плотность электронов, как показывают расчеты, не должна быть слишком высокой, чтобы обеспечить условия инверсной населенности. Этим условиям удовлетворяют атомы со значениями z, близкими к 30 (железо, цинк, медь).

В 1981 году было опубликовано неофициальное сообщение об эксперименте по генерации лазерного рентгеновского излучения во время ядерного подземного взрыва на полигоне в штате Невада (США). Измеренные во время эксперимента характеристики лазерного излучения таковы: длина волны 14Å; длительность импульса ≥ 10^-9 с; энергия в импульсе ~ 100 кДж.

Если активная среда была в начале твердым телом, то за короткое время накачки (~ 50 нс) ее формы мало изменятся. Образовавшаяся плазма начнет расширяться со скоростью 50 км/с. Если начальный радиус стержня (активная среда) составляет доли миллиметра, то потребуется около 30нс, чтобы создать условия для возникновения индуцированного излучения, которое длиться не более 1 нс. При этом реальный поперечный размер активной среды составит уже около 1,5 мм.

Следует иметь в виду, что при длинах волн менее 2000Å не работает зеркальная оптика и нет возможности использовать оптические резонаторы для усиления, формирования и фокусировки лазерного излучения. Рентгеновские лазеры попадают под это ограничение. Формирование и фокусировка излучения в этом случае осуществляется путем выбора соответствующей формы активной среды с учетом того, что расходимость луча определяется отношением поперечных размеров среды к продольным. Поэтому наилучшей формой оказывается длинный тонкий цилиндрический стержень:

~ d/L , где L – длина стержня; d – его диаметр.

Отношение L/d нельзя тем не менее, сделать сколь угодно большим. И здесь вмешиваются дифракционные ограничения, которые определяют минимальную расходимость.

где  - длина волны лазера.

Приведенное рассмотрение в случае рекомбинационного рентгеновского лазера выявляет

принципиальные ограничения, налагаемые на угловую расходимость излучения: эффективный диаметр стержня следует выбирать близким к 1 мм, т.е. реальная угловая расходимость излучения при длине стержня 10 м будет порядка 10^-4.

Рентгеновское излучение киловольтового диапазона характеризуется сильным поглощением во

всех веществах, включая воздух.

Например, для азота при длине волны 14,6Å эффективная длина пробега составляет ~ 2·10^-4 г/см² ( полная эффективная толщина атмосферы составляет 1000 г/см²). Поэтому излучение рентгеновских лазеров киловольтового диапазона поглощается даже в остаточном слое атмосферы выше 100 км. Правда, если лазерный пучок достаточно мощный, он может проделать “дыру” в атмосфере на некоторую глубину. Однако выгоднее использовать это свойство рентгеновского лазера при стрельбе не сверху вниз, а наоборот снизу вверх (из под сравнительно тонкого атмосферного слоя с высоты 80-90 км) в цель, находящуюся в открытом космосе.

Характер разрушения рентгеновским лазером тот же, что и для обсуждавшихся ранее импульсных лазеров. Отметим только, что эффективное энерговыделение излучения рентгеновского лазера происходит на большей глубине, нежели это следует из расчетов по коэффициенту температуропроводности.

Несколько слов надо сказать о длине стержней. Выбор длины стржня не может быть произвольным, он определяется мощностью ядерного заряда Q, т.к. необходимо, чтобы самый удаленный от эпицентра ядерного взрыва край стержня мог быть полностью ионизован (напоминаю, что после полной ионизации среда становится прозрачной для ионизирующего излучения).

Изобразим для общего представления о рентгеновском лазере, схему такого лазера.

П роведем некоторые оценки. Приравняем количество энергии, протекающей через стержень, к той энергии, которую надо затратить на ионизацию всего стержня:

Q – мощность ядерного взрыва;

q – плотность лазерной энергии;

 - КПД лазера.

Общий КПД  складывается из множителей ₁ и ₂, где ₁ – доля ионизирующего рентгеновского излучения в общем электромагнитном спектре ядерного взрыва (она оценивается величиной 0,1 для умеренного взрыва и близка к 1 для мегатонного диапазона), ₂ – лазерный КПД, который для рекомбинационного лазера составляет около 2%.

Принимая отношение d/L равным порядку величины 10^-5 и ₁ равным 0,3, получаем

Q₀ = B/50, B = q·L³, где B – яркость излучения.

Если длина стержня составляет 10 м, то яркость его излучения равна 10¹⁶ Дж/стер. Из последней формулы для дальности поражения 2000 км (яркость 10²¹ Дж/стер) потребуется ядерный заряд мощностью 50 кг (1 кг = 4·10¹² Дж), а необходимое число стержней составит 10⁵. Если принять отношение d/L равным 10^-4, как это делалось нами для рекомбинационного лазера, то это потребует увеличения мощности ядерного запала в ~10 раз, но не изменит числа стержней.

Радиус действия рентгеновского лазера можно найти по формуле:

, где N – количество стержней, направленных на одну цель;

q₀ – энергетический порог поражения.

При Q<Q₀ лазер не работает, а при Q>Q₀ радиус его действия уже не зависит от Q.

Все рассмотренные выше лазеры имеют одно общее свойство – это лазеры, использующие переходы в замкнутых квантовых системах (атомах и молекулах).