В конце письма делались выводы об очень высоком избирательном воздействии новых «лучей смерти» и многозначительно подчеркивалось, что все расчеты были многократно проверены «ведущим теоретиком мирового уровня – академиком Ландау».
Глава 8
Планотрон и ниготрон
Наша работа началась с теоретического исследования процессов генерации мощных сверхвысокочастотных колебаний. Мы исходили из предпосылки, что мощные колебания могут эффективно создаваться только электронными процессами, происходящими в постоянных (скрещенных) магнитном и электрическом полях, и разработали метод теоретического рассмотрения таких процессов. Этот метод, как будет видно далее, является достаточно общим и полным; в частности, с его помощью удалось дать наглядную количественную теорию процессов, происходящих в генераторах магнетронного типа…
П. Капица.
Электроника больших мощностей
Рис. 7.5. Планотрон академика Капицы
Хорошо известно, что если электронный процесс идет не при высоком вакууме, то отрицательно заряженное облачко электронов пронизывается положительными ионами, которые благодаря своей большой инертности не принимают участия в динамике процесса, но своими зарядами нейтрализуют взаимное расталкивание электронов. Таким путем удается осуществить электронные процессы, в которых участвуют уже значительные мощности. На практике это осуществляется, например, в ртутных выпрямителях, тиратронах и других газонаполненных приборах.
П. Капица.
Электроника больших мощностей
В конце 1940-х гг. П. Л. Капица обращается к совершенно иному кругу физических задач – к вопросу о создании мощных генераторов СВЧ-колебаний непрерывного действия. Петру Леонидовичу удалось решить сложную математическую задачу о движении электронов в СВЧ-генераторах магнетронного типа. На базе этих расчетов он конструирует СВЧ-генераторы нового типа – планотрон и ниготрон. Мощность ниготрона составляла рекордную величину – 175 кВт в непрерывном режиме. В процессе изучения этих мощных генераторов академик Капица столкнулся с неожиданным явлением – при помещении колбы, наполненной гелием, в пучок излучаемых генератором электромагнитных волн в гелии возникал разряд с очень ярким свечением, а стенки кварцевой колбы плавились.
Это навело Петра Леонидовича на мысль, что, применяя мощные электромагнитные колебания сверхвысокой частоты, можно нагреть плазму до огромных температур. Он присоединяет к ниготрону камеру, представляющую собой резонатор для СВЧ-колебаний. Наполняя эту камеру различными газами (гелий, водород, дейтерий) под давлением в 1–2 атм, Петр Леонидович обнаружил, что в центре камеры (где интенсивность СВЧ-колебаний максимальная) в газе возникает шнуровой разряд. Применяя различные методы диагностики плазмы, П. Л. Капица показал, что температура электронов плазмы в этом разряде составляет около 1 млн градусов. Несколько позже эти исследования фактически открыли новый путь в решении задачи о создании термоядерного реактора, призванного, как считал академик, раз и навсегда решить все проблемы энергетики.
Любопытно, что своего первенца в области сверхмощных излучателей П. Л. Капица остроумно назвал, используя два первых слога как аббревиатуру названия местности, где расположилась его «изба физпроблем», – Николина Гора. Именно в опытах с ниготроном Капица наблюдал явление образования высокотемпературной плазмы, которое натолкнуло его на идею использования этого высокочастотного прибора как основы для постройки в будущем термоядерного реактора. В то время уже велись работы по управляемому термоядерному синтезу, но идея Капицы принципиально отличалась от тех, на основе которых была спроектирована и построена первая советская экспериментальная установка термоядерного синтеза.
Рис. 7.6. Макет сверхвысокочастотной установки планотрона
Капица изобрел высокочастотные генераторы нового типа – планотрон и ниготрон, излучающие большую непрерывную мощность. В 1950 г. мощность, генерируемая планотроном, была пропущена через кварцевый шар, наполненный гелием.
После снятия секретности на курчатовские работы по управляемому термоядерному синтезу Капица был несколько обижен, что доклад об этом был сначала сделан в Харуэлле – центре научно-исследовательских работ в области атомной энергии в Великобритании, а не в советской Академии наук, поскольку выявилось некоторое сходство идеи ниготрона с идеей термоядерного реактора.
Надо сказать, что «домашние опыты» в области электроники больших мощностей открыли Петру Леонидовичу много интересных явлений и даже позволили предложить свою теорию радиоволновой природы шаровой молнии. В своих экспериментах академик Капица кроме ниготрона использовал еще один сверхсильный источник микроволновых колебаний – планитрон, получивший свое название за плоский резонансный контур. В ниготроне основной колебательной системой, стабилизирующей генерируемую частоту, является цилиндрический резонатор, в котором используются колебания, симметричные по азимуту, а в планитроне резонатор имеет в сечении прямоугольную геометрию.
Сегодня в инженерной физике и радиоэлектронике применяется много разновидностей этих приборов: коаксиальные магнетроны, обращенные коаксиальные магнетроны и ниготроны. В коаксиальном магнетроне обычный анодный блок многорезонаторного магнетрона помещен в цилиндр большего диаметра. Пространство, ограниченное внешней поверхностью анодного блока, внутренней поверхностью цилиндра и торцевыми дисками, образует коаксиальный резонатор. Один из торцевых дисков может перемещаться по оси прибора и, изменяя объем резонатора, настраивать его на рабочую длину волны. В теле анодного блока магнетрона, между его резонаторами, прорезаны щели, через которые обеспечивается связь между пространством взаимодействия магнетрона и коаксиальным резонатором.
Рис. 7.7. Модель силового поля ниготрона
Ниготрон – генераторный прибор магнетронного типа непрерывного действия, в котором взаимодействие электронного потока с электромагнитной волной осуществляется на первой гармонике нулевого вида колебаний; внутри цилиндрического резонатора аксиально расположены две системы штырей: внешняя – замедляющая и внутренняя, являющаяся катодом.
П. Капица.
Электроника больших мощностей
