УДК 534.2

На основании экспериментов по перемещению электрических зарядов сделана оценка параметров генерируемого электрического поля в преграде при сверхглубоком проникании. Установлено, что генерируемое поле имеет параметры: напряженность – 62,7·ГВ/м; частота колебаний поля  f — 15,3 МГц;  Энергия электрического поля в зазоре в период (Т=65 нс) составляет ≈ 13125 КДж, а кинетическая энергия удара сгустка пылевых частиц – 150 КДж.

The energy generated at penetration of dust bunches

 On the base of experiments on migration of electric charges the estimation of parameters of generated electric field in an obstruction at super-deep penetration is made. It is established, that the generated field has parameters: intensity of electric field is 62.7·GV/m; a field oscillation frequency f – 15.3 MHz; the electrical field energy in a gap during the period (Т=65 nanosecond) is ≈ 13125 kJ, and a kinetic energy of shock of a bunch of dust particles is 150 kJ.The energy generated at penetration of dust bunches.

Вероятность такого удара дополнительно повышается из-за проблем с обнаружением пылевых объектов современными радарами [2]. Из-за особенности микрогравитации пылевые облака формируются в виде относительно длинномерных сгустков (десятки и тысячи миллиметров). При средней скорости соударения в околоземном пространстве ≈ 5000 м/с время динамического нагружения защитных оболочек  с пылевыми объектами с размерами частиц 1-100 мкм составляет десятки микросекунд – секунды [2, 3].

Это превышает время ударного нагружения при взрывах на нашей планете в десятки – тысячи раз. Таким образом, при ударе пылевых сгустков в защитные металлические преграды процесс проникания дискретной микрочастицы происходит в условиях, когда металлическая преграда находится под действием фонового давления. Аналогично протыканию резиновой пластины, отверстие позади ударника захлопывается [4].

Из-за этой особенности (закрытие отверстий) длительное время исследовательские центры не признавали возможность пробивания пылевыми частицами металлических преград КА. В качестве экспериментального критерия пробоя принимали разгерметизацию космического аппарата. Отсутствие разгерметизации при соударениях со сгустками космической пыли полагали доказательством отсутствия эффекта проникания .

Только после цикла дополнительных исследований явления «сверхглубокого проникания», называемого также эффектом «Ушеренко», обнаруженного в 1974 году, было экспериментально доказана возможность проникания частиц на глубины в 100 – 10000 калибров ударника.

Появились десятки моделей, в которых давались объяснения скачкообразному падению сопротивления прониканию. К наиболее известным из них следует отнести: модели проникания через систему трещин (на кончике трещины), модель проникания в материал преграды в период времени динамического фазового перехода [4–6]. Гипотезу о проплавлении канала за счет перехода кинетической энергии удара в тепловую форму было отвергнуто на раннем этапе. Слишком велика разница между кинетической энергии частицы при ударе и требуемой теплотой плавления. В экспериментах при средней скорости удара 700–1000 мс глубина проникания микроударника составляла десятки – сотни миллиметров.

Базовые модели СГП объясняли только возможность резкого снижения статистического сопротивления при ударе. Известно, что при формировании кратера 90–98% затрат энергии составляет преодоление статического сопротивления при ударе. Затраты энергии на преодоление динамического сопротивления оцениваются не более, чем 2–10% от общих затрат [4]. Однако, даже если принять механизм проникания, при котором статическое сопротивление равно нулю, энергия частицы составляет не более, чем 1,4 % от динамических затрат энергии на перемещение стенок канала (кратера).

Также известно, что при стрельбе в воду глубина проникания пули не превышает 100 калибров. Кинетическая энергия ударника затрачивается на динамический массоперенос воды, а пуля останавливается [6].

Во всех модельных вариантах требуется объяснение, откуда берется дополнительная энергия для реализации наблюдаемых изменений геометрии, структуры и излучения. Потребовалось получить баланс энергии в системе «сгусток пылевых частиц – металлическая преграда». Исследование, основанное на экспериментальных результатах и выполненное по принципу заведомого занижения затрат энергии и завышения оценок вводимой кинетической энергии сгустка дискретных частиц, показало, что минимальный дисбаланс между вводимой кинетической энергией и регистрируемыми затратами энергии при деформациях твердого тела составляет 5–9 раз [5].

Однако не удалось определить затраты энергии при СГП на генерацию электромагнитного поля и потоков высокоэнергетических ионов, на выброс струй плотной плазмы из объема преграды. Основной причиной торможения экспериментальных исследований  является то, что длительность процесса СГП не превышало 10^-3с [4, 6].

В рамках обычного удара невозможно создать источник дополнительной энергии. Поэтому следует сконцентрировать внимание на микропроцессах, реализуемых в СГП при формировании каркасной субструктуры в объеме твердого тела.

Целью настоящей работы является оценка генерации электрической энергии источником дополнительной энергии.

На примере стальной матрицы, обработанной сгустком свинцовых частиц, установлено, что получен метастабильный материал на основе железа и свинца. Свинец использован в качестве маркера. В обычных условиях свинец и железо не взаимодействуют между собой. Поэтому при приготовлении исходного стального материала мишени не могут быть получены стали с волокнами Fe-Pb [8].

Микроанализ показал, что эти волокна сильно легированы Mn (до 45% масс). Длительное время шли дискуссии, направленные, направленные на поиск объяснение этой аномалии. В исходных материалах  марганца было менее десятой процента. Только использование масс-спектрометра позволило однозначно установить, что добавочный легирующий элемент представляет собой Fe⁵⁵ или Mn⁵⁵ [8, 9]. Поскольку основным матричным материалом было железо, то с высокой степенью вероятности в волокне присутствует изотоп железа.

Инструментальные (быстрорежущие) стали, обработанные в режиме сверхглубокого проникания, преобразуются в композиционный материал. Каркас этого материала  состоит из легирующих изотопом железа и карбидом кремния волокон и интенсивно деформированной стальной матрицы. Благодаря высокой концентрации изотопа железа в волокнах, их прочность – 7–11 ГПа, можно объяснить за счет свойств легированного материала. По-видимому, механические свойства Fe⁵⁵ близки к свойствам идеальных кристаллов марганца.

Если принять для объяснения за основу аномалию сверхглубокого проникания сгустков микрочастиц в массивное твердое тело появления дополнительного источника энергии – инерционного ядерного синтеза, тогда необходимо зарегистрировать интенсивный отвод энергии от этого источника [5].

СГП реализуется за временя менее, чем 10^-3 секунды в закрытой системе «ударник – преграда». При этом отвод энергии из системы нельзя реализовать за счет теплопередачи (низкая скорость теплопередачи). Рассмотрим эксперименты с регистрацией энергии генерируемого электрического поля.

Рассмотрим процессы, происходящие вблизи цилиндрической преграды, подвергнутой воздействию в режиме сверхглубокого проникания сгустка микрочастиц. Вокруг преграды возникает электромагнитное поле. Известно, что при СГП массивная преграда является источником высокоэнергетических ионов. При СГП в железной  преграде энергия такого иона ≈100 МэВ [10]. Кинетическую энергию пылевого сгустка принимаем равной 150 КДж  [6].

Вблизи преграды ионы железа двигаются в электромагнитном (электрическом) поле. Под действием пульсирующего поля заряженные частицы ускоряются, тормозятся и меняют направление движения. При выполнении оценочных расчетов используем принцип занижения. Расчет всех энергетических параметров выполняем по вариантам с заведомым занижением конечного результата. Проходя через пленочные детекторы, заряженные частицы создают треки. В первом приближении такой процесс рассматриваем, как движение заряда в постоянном электрическом поле. В качестве модельного заряда рассматриваем ион железа, который заряжен положительно.

3. Методика эксперимента

Рис. 1. Пленочный детектор после регистрации потоков ионов, перемещающихся вдоль оси стальной мишени, ×5.

В качестве регистратора процесса движения ионов использовали пленочные детекторы (рис. 1 и 2), изготовленные из рентгеновской медицинской пленки. Эти пленки размещали в пакет между двумя слоями черной непрозрачной бумаги.

Рассматриваем зоны засветки на рис. 2 при увеличении ×100.

Рис. 2. Развертка цилиндрического пленочного детектора после облачения

При использовании пленочных датчиков в форме оболочки было получено изображение на  цилиндрической поверхности с диаметром 30 мм (рис. 2).

Микроструи из плотной плазмы, которые выходят с внутреннего торца стального стержня действуют на пластинку кремния. С учетом масштаба снимка  можно оценить поперечный размер плазменной микроструи – а(рис. 3).

Рис. 3. Пробой детектора – кремниевой пластинки – плазменной струей, ×300.

Средний поперечный размер пробоя датчика составляет  а=2,56×10^-5 м.

Рис. 4. Пластинки монокристалла кремния до и после воздействия: а – исходный материал, ×400; б – монокристалл после механического повреждения, ×200; в – запись СГП сигнала, ×200; г – запись СГП сигнала, ×400

Оцифровка изображений засветки потоком высокоэнергетических ионов (рис. 2) производилась с измерением углов и расстояния между точками на изображениях при известном масштабе. Оцифровка импульсов (рис. 4, г) производилась по той же методике.Проведение с учетом масштаба замеров геометрических элементов на фотографиях (рис. 2, 4) позволяет в первом приближении выполнить оценку параметров электрического поля. Цифровая обработка фотографий (рис. 4 в, г) позволяет оценить частотную характеристику поля. Ион железа перемещается в пленочном детекторе (рис. 2) на1 мм длины, при  этом затрачивая энергию равную  10 МэВ [27] .

4. Определение массы и размеров иона

В ядерной физике для измерения масс широко используется атомная единица массы (а.е.м.):

Эта единица удобна тем, что ее величина близка к массе нуклона. 1 а.е.м. = 1,66×10^{-24 г}. Тогда M_Fe =56 а.е.м= 1,66×10^{-24 г ×56=92,9 ×}10^-24 г=92,9 ×10^-27 кг.  Принимаем, что размер иона примерно равен размеру атома железа. Плотность железа r =7,8958578×10³ кг/м³, а грамм-атомная масса 55,85 г. Значит, один грамм-атом железа занимает объем:

, а на один атом железа приходится объем:

Если представить атом в форме шара, то его объем примем равным:

Тогда радиус атома железа:

Отсюда площадь сечения атома железа равна:

 

5. Оценка скорости иона

Вдоль 80 мм длины цилиндра  фиксируются 16 полос засветки с шириной 1 мм. Длину зоны засветки можно определить из выбранной фотографии (рис. 1).

Таблица. 1 Результаты оцифровки пленочного датчика (рис. 1). L – длина зоны проникания ионов (засветки), Е – энергия иона в этой зоне, В – ширина зоны проникания (засветки)

В эксперименте прохождение по рентгеновской пленке иона на расстояние 10 мм соответствует затратам энергии для иона, равным 100 МэВ.

Рис. 5. Схема движения иона железа при сверхглубоком проникании

 

На рис. 5 показана схема разгона иона железа при сверхглубоком проникании. При повороте на 900 энергия иона возрастает до 490 Мэв.

 1 эВ = 1,602×10^-19×1 = 1,602×10^-19Дж.

Энергия единичного «галактического» иона железа на выходе из зазора на внешнюю поверхность железного цилиндра составляет ≈ (250 – 490) ×10⁶ эВ или (400×10^-13 -784 ×10^-13) Дж. Среднее значение энергии составляет 592×10^-13 Дж.

Кинетическая энергия до поворота иона 168×10^-13 Дж, а скорость  υ₃=1,9×10⁷ м/с =19,06 ×10³ км/с.

Кинетическая энергия после поворота иона:

_υmin = 29331 км/с, υ_max = 41064 км/с, υ_ср = 35197 км/с.

Поворот иона реализуется при прохождении через пленочный детектор с толщиной d=0,5×10^-3 м при скорости υ_ср=35,19×10⁶ м/с. Передача энергии поля иону и ускорение при повороте реализуется за время t_ср =d/υ_ср = 0,140×10^-10 секунды (t_min= 0,170×10^-10  с; t_max= 0,1217×10^-10   с).

При этом усредненная результирующая скорость единичного иона в электрическом поле, определенная по схеме (рис. 6) составляет:

Рис. 6. Определение результирующей скорости иона

 

6. Определение временных параметров электрического поля

По предложенной методике оцифровки изображений определяем длину линии, окаймляющей пик – L (рис. 4 в, г и рис. 7) . При этом получаем среднее значение L_m=20,13×10^{-5 м.}

Рис. 7. Схема колебания микроструи плотной плазмы под действием электрического поля: а – поперечный размер (мкм) единичного пробоя микроструей, bm – среднее значение расстояния между амплитудными значениями (мкм), Lm – средняя длина линии между амплитудными значениями

Длина струи, внедряемой в пластину монокристалла кремния, составляет L_j³108×мкм. При этом скорость внедрения составляет υ_p≥1300 м/с [10]. Тогда время формирования единичного (точечного) пробоя с   а=2,56×10^-5м составляет t_sin=l/υ_p=8,307×10^-9с. Время формирования линии L_m (рис. 7) определяем через зависимость:

и длительность периода колебания поля составляет Т=65,3×10^-9с.  Частоту колебаний поля определим через f = 1/T ,  f=15,313×10⁶Гц. Токи частотой от 100 кГц до 30 МГц принято называть токами высокой частоты.

Скорость перемещения головной части микроструи под действием электрического поля по оси Х определим через среднюю длину между амплитудными значениями b_ср=15,245×10^-5м, как

В результате скорость микроструи – υ_r  – за счет управляющего поля увеличилась  по сравнению с υ_p в 2 раза.

7. Определение энергетических параметров электрического поля

Известно, что

Следовательно, сила, с которой действует на ион электрическое поле, составляет примерно

Длина среднего трека на рисунке 2 составляла 34 мм. Объем  зоны, по которому двигался единичный ион, также зависит от площади поперечного сечения иона S и примерно составляет

В первом приближении объемная плотность энергии – ω_e в электрическом поле, в котором разгонялся ион, составляет

, где Е_w – энергия, затраченная на разгон иона железа, V_t – объем зоны, по которому двигался единичный ион.

, где ε₀ – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума) в ф/м , ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды для воздуха приравненная к 1.

Напряженность электрического поля – Е можно определить по уравнению

Соответственно заряд иона определим через уравнение

Экспериментально показано, что заряд электрона равен е=1,602176487(40)×10⁻¹⁹Кл. Поэтому, заряд разгоняемого иона по абсолютной величине приблизительно в 5 раз больше, чем заряд электрона.

Вокруг цилиндрического образца возникает тороидальное поле, перпендикулярное оси движения потока ударников [ 11].

Диаметр  стальной оболочки, на которой размещен пленочный детектор, составлял 30 мм, а диаметр стального защитного контейнера – 50 мм. Диаметр тороидальной антенны составлял 70 мм, длина – 200 мм, а число витков 66. Площадь сечения тороида составляет 7,065×10^-4 м². Объем тороидальной катушки составляет V_bob= 769,3×10^-6 м³. Объем металлического контейнера (Æ50×200) составляет V_cont=392,5×10^-6м. Тогда DV=V_bob – V_cont=376,8×10^{-6 м3} . При такой оценке энергия электрического поля в зазоре между антенной и контейнером в каждый период – Т составляет примерно 13125 КДж.  Кинетическая энергия соударения со сгустком пылевых частиц – 50 КДж, т.е. ≈ в 262 раз меньше.

Заключение

При анализе экспериментальных результатов по формированию и взаимодействию между собой электрических полей, микроструй плотной плазмы и сгустков высокоэнергетических ионов при сверхглубоком проникании выполнены оценки параметров генерируемого электрического поля, что позволяет сделать следующие основные выводы:

• Показано, что высокоэнергетические ионы и микроструи плотной плазмы, созданные в стальной преграде при СГП, управляются интенсивным электрическим полем.
• При сверхглубоком проникании в «горячих» точках внутри преграды возникают «галактические» ионы железа с положительным зарядом, который по абсолютной величине в 5 раз выше, чем заряд электрона. К моменту выхода из стальной преграды такой ион имеет среднюю энергию 105 МэВ.
•  В результате действия управляющего электрического поля ионы движутся: меняют направление движения, ускоряются и тормозятся. До выхода из преграды (поворота) средняя скорость ионов составляет 19000 км/с, а после поворота и движении по окружности– 35000 км/с.
• За счет воздействия управляющего электрического поля на ион железа энергия единичной заряженной частицы увеличивается до 250 – 490  МэВ за время длительности периода колебания поля Т.
• Определены основные параметры электрического поля: напряженность – 62,7·ГВ/м; силу, действующую на единичный заряд – 49,7 ×10^-9 Н; частоту колебаний поля  f — 15,3 МГц.
•  Плотность энергии электрического поля при СГП достигает ω_e — 34,8 МДж/м³.
• Энергия электрического поля в зазоре в каждый период (Т=65 нс) составляет ≈ 13125 КДж. Кинетическая энергия удара сгустка пылевых частиц для запуска режима СГП – 150 КДж.

 

 Список литературы

1. Amara Graps. Cosmic Dust and its Evolution . Latest update: July 2000. Can be retrieved at: http://www.amara.com/ftpstuff/dustevolve.txt .

2. Новиков Л.С. Воздействие твердых частиц естественного и искусственного происхождения на космические аппараты. – Москва, МГУ НИИ ядерной физики. Университетская книга. 2009. 104 с.

3. Impact-ionization mass spectrometry of cosmic dust. Thesis by Daniel E. Austin. Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy. California Institute of Technology. Pasadena, California. 2003, p.p. 167–168.

4. Ушеренко С.М. Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных материалов. НИИ ИП с ОП. 1998 г., – 210с.

5. Процесс сверхглубокого проникания. Глава 19. Ушеренко С.М. , Ушеренко Ю.С., Марукович Е.И. и др. Коллективная монография «Перспективные технологии» под редакцией академика НАН РБ В.В. Клубовича, – Витебск, Беларусь, УО «ВГТУ», 2011.  599 стр. (442–481).