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 положительных ионов. Они являются наиболее тяжёлыми частицами. Как было выше сказано, плазма при световом пробое течёт наиболее интенсивно назад по лучу. К тому же, достаточно эффективно изолировать электростатическое поле электронной пушки не удастся. Это усилит их движение. Но положительно заряжённый электрод на торце меча создаст поле, направленное в противоположенную сторону. Величину заряда (тока пушка-контакт) данного электрода можно рассчитать, учтя, исходящий ток пучка электронной пушки, ионизацию нейтральных молекул среды, рекомбинацию ионов, структуру центров кристаллизации плазмы и некоторые другие особенности распределения элементарных зарядов в клинке. Кроме того, его потенциал необходимо сделать управляемым специальной электрической схемой. Ведь предполагается, что клинок достаточно часто будет приходить в соприкосновение с различными проводящими и непроводящими материалами, с другим клинком. Это существенно повлияет на ток пушка-электрод. Таким образом, положительные ионы будут в основном удерживаться центрами кристаллизации [15]. Причём величину этих центров необходимо выбрать, изменяя параметры электронного пучка. Свободные ионы будут удерживаться обёмным зарядом плазмы и электростатическим полем электрода.

Теперь ясно, что плазменный клинок за счёт взаимодействия токами электронного пучка [14] имеет достаточно сильную связь с самим прибором. Но если учесть неидеальность процессов кристаллизации и внешние явления, имеющие влияние на заряжённые частицы клинка, то хотелось бы дублировать эту систему обратной силовой связи.

dα₂

dα₁

Посмотрим, что получится, если электронный пучок направить не только по конусу, но и под небольшим углом к оси, как изображено на рис. 21. Если рассмотреть циклическую составляющую движения электронов в плоскости, перпендикулярной оси меча (рис. 22), то понятно, что при прохождении одинаковых отрезков dx (соответствуют также одинаковым путям в направлении вдоль оси) угловая скорость будет больше при приближении к оси – угол dα₂ больше угла dα₁. Из этого следует, что в местах сужения конусного электронного пучка циклический ток будет максимальным. Направим электроны таким образом, чтобы их движение происходило против часовой стрелки, если рассматривать его со стороны клинка. Значит, упрощённо можно считать, что ток в любом перпендикулярном сечении течёт по часовой стрелке, и в узлах он максимален. Известно, что циклический ток вызовет возникновение магнитного поля. В данном случае оно будет направлено внутри клинка – к ручке меча, за клинком – от неё (рис. 23). Рассмотрим теперь продольный ток электронов. Удельное магнитное поле любого поперечного сечения будет действовать на него так, что до сечения вращение электронов будет замедляться, после сечения – ускоряться. Посему, интегральное магнитное поле не будет изменять направление движения электронов. Но, так как радиус вращения в местах фокусировки луча меньше, то плотность магнитного поля в этой области будет максимальной. Магнитное же поле, в свою очередь, будет препятствовать циклическому току, выпрямляя траектории электронов по оси. В итоге получим две области максимальной плотности магнитного поля – выше и ниже абсолютного фокуса, и мёртвую зону – где суммарное поле равно нулю, а траектории электронов направлены в плоскостях, проходящих через ось клинка. Эти рассуждения подтверждаются явлением самофокусировки [8,15].

Теперь в основании ручки разместим мощную катушку с током так, чтобы её магнитное поле было направлено в сторону клинка. Так как у электронов в лезвии меча есть циклическая составляющая скорости, то действие данного поля окажет сжимающий эффект на их движение. Что уменьшит пороговый ток образования абсолютных фокусов. В свою очередь токи пучка окажутся «вмороженными» [14] в это поле. Это обеспечит обратную силовую связь плазмы лезвия с магнитной катушкой, и данная функция катушки будет основной. А действие поля катушки на токи после фокусов будет минимальным, так как и его силовые линии и токи будут в этом месте расходящимися от оси. Если катушку включить в одну цепь с электронной пушкой (в ней протекают большие токи), то её поле будет мощным, что окажет в целом большой положительный эффект. Также её действие можно усилить, используя магнитный сердечник.

Резюмируем все происходящие процессы. Лазер создаст затравочную плазму и обеспечит основной путь электронов, формируя габариты клинка. Электронная пушка большой мощности создаёт основную плазму кристаллической структуры. Положительный электрод и магнитная катушка призваны поддержать баланс объёмного заряда клинка и обеспечить его силовую связь с ручкой ПЛМ. В результате лезвие получилось по характеристикам напоминающее тлеющий разряд или шаровую молнию [15], а большие токи и большая ионная и электронная температуры обеспечат его достаточную разрушающую способность.

6. Расчёты некоторых

Дата добавления: 2015-07-17