Главная / Библиотека / Шелест гранаты (издание второе) /
/ 4 Ионы — в дрейф! / 4.2 Дрейфовая трубка: электроны в ней не дрейфуют

Глав: 7 | Статей: 53
Оглавление
Эта книга об оружии, но не только — она открывает причудливую мозаику явлений физического мира: химические и ядерные взрывы, разделение изотопов и магнитная гидродинамика, кинетика ионов в плотных газах и ударные волны в твердых телах, физика нейтронов и электроника больших токов, магнитная кумуляция и электродинамика. Обо всем этом автор рассказывает, не прибегая к сложному аппарату высшей математики. Для тех, кто пожелает ознакомиться с этими явлениями подробно, им же написано рассчитанное на подготовленного читателя учебное пособие для университетов и военных академий «Взрывы и волны».

В книге, которую держит в руках читатель, он найдет также исторические экскурсы, пронизанные иронией рассуждения о политике и политиках, а также — о персонажах замкнутого мира военной науки.

Во втором (электронном) издании переработан текст, существенно расширен иллюстративный ряд.

4.2 Дрейфовая трубка: электроны в ней не дрейфуют

4.2

Дрейфовая трубка: электроны в ней не дрейфуют

…Пока шла борьба за тему диссертации, я побеседовал с разработчиками и вынес впечатление, что большинство даже приблизительно не представляло кинетику заряженных частиц в счетчике. Возможно, причиной этого была простота конструкции: труба-катод, пара изоляторов да натянутый между ними анод из тончайшей проволоки. Когда требовалось создать новый счетчик, проще было подобрать его конструктивные элементы, а не мучиться с расчетной оптимизацией. Но, понятно, для докторских диссертаций, задуманных моими руководителями, метод «втыка» не годился.

…Я попросил своих руководителей обсудить детали того, что предстояло сделать. Последовала истерика Затычкина, который не забыл унижения на заседании ученого совета, но почему-то решил избрать аспиранта в качестве громоотвода, заявив: «Мне плюнули в лицо, приказав замолчать, пусть сами теперь думают о выходе из положения!». Положение осложнялось тем, что именно Затычкин имел большой опыт работы со счетчиками. Тугой удерживал от полного разрыва, старался утешить его самолюбие, предостерегал от колкостей и меня. Рваная рана обиды у Затычкина постепенно затягивалась, но все беседы традиционно начинались с заявлений о том, что он накопил столько научных результатов, что их хватит для нескольких докторских диссертаций. Один из своих результатов он считал открытием — обнаруженным лично им законом природы — о чем старался как можно чаще упоминать на заседаниях комиссий и советов. «Открытие» касалось перезарядки ионов в смесях газов. Независимо от того, какие первичные ионы образовывались, после нескольких столкновений (то есть — практически сразу), к катоду дрейфовали ионы, образованные из атомов того газа, потенциал ионизации которого был самым низким среди компонент смеси. К такому выводу Затычкин пришел, измеряя длительности импульсов, регистрируемых счетчиками с различным газовым наполнением.

Маневрируя между рифами начальственных амбиций, все же удалось добиться, чтобы требования к дрейфовой трубке, с помощью которой предстояло измерить скорости заряженных частиц, были сформулированы (в основном, конечно — Затычкиным). Одним из первых значилось ионообразование в коронном разряде. Затычкин заявил, что справочные данные, получение которых было целью работы, должны максимально учитывать условия эксплуатации счетчиков, а счетчики работали в режиме коронного разряда. Это противоречило его же «открытию»: после первых же столкновений не будет иметь значения, какие и каким способом образованы первичные цастицы, все равно в смеси будут дрейфовать ионы газа с наинизшим потенциалом ионизации. Выслушав мои соображения на этот счет, Тугой стал убеждать, что демонстративное игнорирование требований Затычкина может привести к тому, что на защите тот займет враждебную позицию. Вспомнив экзальтированное и нелогичное поведение «полуруководителя» в других ситуациях, пришлось согласиться.

Главным противоречием было то, что коронный разряд возникает при крайне неравномерном распределении электрического поля (концентрации его вблизи анода), в то время как в справочных данных требовалось указывать точно известную, соответствующую данной скорости дрейфа напряженность сугубо однородного поля. Но разряд можно «зажечь» не между соосными электродами, а между анодами из вольфрамовой нити и сравнительно толстым катодом из проволоки (рис. 4.1). В такой короне могли накапливаться ионы, а когда наставал момент проведения измерений, распределение напряжений должно было измениться так, чтобы потенциалы всех электродов источника сравнялись. Вакуумные управляемые искровые разрядники, опыт работы с которыми был приобретен еще в НИИАА, могли коммутировать большие токи за сотни наносекунд, так что, меняя с их помощью потенциалы электродов, можно было рассчитывать на запас в четыре порядка: время дрейфа ожидалось равным миллисекундам.

…Тугой стал убеждать, что в заявку на «Источник ионов для дрейфовой трубки» надо включить и Затычкина: вполне возможно, что, несмотря на его экзерсисы, он поможет в дальнейшем. Наивно было надеяться на последнее, но, скрепя сердце, пришлось согласиться.


Рис. 4.1

Вверху слева: электроды ионного источника дрейфовой трубки — аноды из проволоки микронной толщины и катод миллиметрового диаметра. В режиме накопления ионов (ниже), между ними зажигается коронный разряд, причем потенциалы ускоряющего и сеточного электродов немного выше, чем потенциал анодов (Uk<<Ua<Uy=Uc). При таком распределении потенциалов, все носители отрицательного знака «оттягиваются» на ускоряющий и сеточный электроды, а пакет положительных ионов локализуется в плоскости коронирующих электродов. Справа пространство дрейфа изображено полностью. В режиме измерения потенциалы ускоряющего УЭ, анодов А, катода К, сетки С, охранного электрода ОЭ пропорциональны удалению каждого из них от приемного электрода ПЭ (Uy<Ua=Uk<Uc<Uоэ<Uпэ=0). При этом занимающие значительный объем носители отрицательного заряда дрейфуют к УЭ и нейтрализуются на нем, а компактный пакет положительных ионов дрейфует к ПЭ. Соответственно, осциллограмма дрейфового тока (внизу) состоит из двух компонент: «треугольника», обусловленного дрейфом отрицательных носителей, сопровождаемого непрерывным уменьшением их количества, и относительно постоянной, индуцируемой движением положительных ионов. Поскольку все межэлектродные расстояния известны, осциллографирование длительности этих импульсов (Т. и Т+) дает возможность определить и соответствующие скорости дрейфа.

Заявка пролежала у Затычкина без малого месяц, на осторожные напоминания он отвечал, что прочитать ее не позволяет крайняя занятость. Наконец, он снизошел до разговора и, достав исчерканный разноцветными карандашами черновик (весьма предусмотрительно ему не были предоставлены подготовленные к отправке экземпляры), после обильного, но малосодержательного словоизвержения, заявил, что в заявку следует включить дополнительные материалы. Мне из уже довольно обширного опыта, включавшего и отстаивание заявок в Контрольном совете института патентной экспертизы, было известно, что описание изобретения должно быть лаконичным, а технические подробности скорее вредят рассмотрению. Стремление внести дополнения можно было объяснить либо незнанием специфики составления заявки, либо желанием иметь основание впоследствии заявить, что решающий вклад в изобретение сделал именно он, Затычкин. Более вероятным было второе, потому что изрядно распалившийся в ходе дискуссии «большой ученый» внезапно выкрикнул: «У вас здесь все неправильно. Стоит заполнить трубку газом с другой диэлектрической проницаемостью и все распределение электрического поля, которое вы приводите, изменится, это знает любой школьник!». Он схватил лежащей на столе справочник по физике и начал листать. Его трясущиеся от возбуждения пальцы часто теряли страницы. Наконец, были явлены чертеж плоского конденсатора и формула, из которой следовало, что напряженность электрического поля в изоляторе зависит от диэлектрической проницаемости. Сдерживая желание восхититься знаниями, которые оппонент приобрел в школе, пришлось объяснить, что речь идет об абсолютной величине напряженности, а распределение ее (то есть положение в пространстве поверхностей равного потенциала) останется постоянным при любом значении проницаемости, если она не претерпевает скачков. Затычкин еще более возбудился и фальцетом заверещал: «Как вы решаетесь читать поучения специалисту с более чем тридцатилетним опытом!». На беду Затычкина, в открытом им справочнике нашлась таблица, из которой следовало, что проницаемости газов отличались друг от друга на ничтожные величины, заведомо меньшие ошибки эксперимента — их даже не стоило учитывать!

Любому специалисту (и мне тоже) случалось делать заявления, вспоминая которые, приходится краснеть. Не всегда это свидетельствует о недостатке знаний, просто без достаточного обдумывания срывается с языка то, что лишь на первый взгляд кажется очевидным. Если сквозь рев уязвленного самолюбия прислушаться к контраргументам и с улыбкой сказать: «Вы правы!» — в большинстве случаев оппоненты не станет насмешничать, потому что и сами не раз оказывались в таком положении. К сожалению, ситуация была обострена обеими сторонами. Монолог Затычкина состоял из описаний всевозможных признаков уважения, оказанных ему при самых разнообразных обстоятельствах. Словоблудие утомляло и, достав подготовленные для отправки экземпляры, я спросил: «Так вы будете подписывать или нет? Меня устроит любое ваше решение!». Торопливо схватив ручку, Затычкин все подписал, но оставил за собой последнее слово: «Имейте в виду, я не дам вам отправлять заявки на ничего не стоящие изобретения!». Самым благоразумным в этой ситуации было промолчать, хотя адрес, по которому Затычкину следовало бы посоветовать пройти с его оценками значимости изобретений, общеизвестен. Тугой больше не настаивал на включении Затычкина в изобретения и публикации.

…В мастерской не требовали, чтобы чертежи деталей дрейфовой трубки были выполнены уж очень аккуратно, но систему допусков и посадок пришлось повторить, иначе изготовленное было бы невозможно собрать. Весьма полезным было знакомство с керамическим производством — для трубки требовались изоляторы больших размеров. Прошло около года, когда монтаж трубки, был завершен (рис. 4.2). Примерно к этому же сроку была готова и схема питания. Наконец, была нажата кнопка запуска дрейфовой трубки, наполненной самым дешевым газом — окружающим воздухом. Как и следовало ожидать, первые включения были неудачными — луч осциллографа прочерчивал раз за разом нулевые линии. Это была какая-то мистика, ведь все напряжения в схеме были тщательно измерены и соответствовали расчетным! Так продолжалось до тех пор, пока не пришла догадка проверить ток через ионный источник. Все прояснилось: электропрочность воздуха оказалась чрезмерной, разряд в нем хотя и зажигался, но в виде довольно редких импульсов (рис. 4.3). Переключая трубку в режим измерений в произвольный момент времени, «попасть на ионы» было весьма маловероятно! Наскоро был собран усилитель, который через разделительный конденсатор подсоединялся к источнику. Импульс тока усиливался, от его переднего фронта запускалась вся схема — присутствие ионов в пространстве дрейфа было гарантировано.



Рис. 4.2

Сверху: элементы конструкции дрейфовой трубки и приспособление для ее сборки. Внизу: дрейфовая трубка подготовлена к измерениям.

Но, наконец, трубка была «отожжена» и наполнена до давления в 16 атмосфер наиболее часто применявшейся для наполнения счетчиков смесью драгоценного гелия-3 с аргоном. Ток в ионном источнике сразу возрос и «ждущий» запуск стал не нужен. Поэтому-то счетчики и не наполняют только лишь «жадно хватающим» нейтроны гелием-3: ведь удобнее работать с более низким напряжением!



Рис. 4.3

Сверху: осциллограмма тока разряда при работе дрейфовой трубки, наполненной воздухом (электроотрицательным газом довольно высокой электропрочности). Разряд в таком газе был «несамостоятельным», лишь в редкие моменты ионизации газа фоновыми частицами наблюдались короткие «всплески» тока. Снизу: осциллограмма коронного разряда при работе дрейфовой трубки, наполненной смесью гелия-3 и аргона. Разряд стал «самостоятельным», ток возрос, значительна постоянная составляющая. Объяснение этого эффекта дано Ф. Пеннингом в 1928 г. Когда к газу, обладающему высоким потенциалом ионизации, добавляют примесь, потенциал ионизации которой ниже энергии возбуждения его метастабильного уровня, разряд в такой смеси начинает зажигаться при существенно более низкой напряженности поля. В основном газе, в отсутствие примеси, электроны между столкновениями не успевают набрать достаточную энергию, расходуя ее на только на возбуждение атомов. Если же примесь с требуемыми характеристиками присутствует, то ее атомы ионизуются при столкновении не только с электронами, но и с возбужденными ими атомами основного газа.

Казалось бы, в электрическом поле ионы должны двигаться с ускорением: ведь на заряженные частицы действует сила. Но в газе на своем пути ион испытывает огромное число столкновений с нейтралами, при каждом передавая им часть энергии, меняя направление движения. При давлении газа в несколько атмосфер, путь, проходимый между столкновениями (длина свободного пробега) в десятки миллионов раз меньше межэлектродного расстояния дрейфовой трубки. Отбор энергии в столкновениях приводит к изменению характера движения — ионы «дрейфуют» не с ускорением, а с постоянной скоростью, которая все же зависит от напряженности электрического поля.

Иногда приходится сталкиваться с представлением, что, если между электродами есть разность потенциалов и появились носители заряда, то импульс тока в цепи можно зарегистрировать лишь при приходе заряда на один из электродов. Это не так: ток будет протекать в течение всего времени дрейфа и закончится только тогда, когда будет нейтрализован последний носитель заряда.

Обработка осциллограмм показала, что скорости дрейфа ионов в смесях гелия-3 и аргона были пропорциональны напряженностям. Подтверждалось и «открытие» Затычкина: длительности дрейфовых токов соответствовали ионам компоненты смеси с наинизшим потенциалом ионизации.

Из осциллограмм также следовало, что в технических газах не дрейфуют свободные электроны! Об этом свидетельствовала длительность «треугольника» в начале осциллограммы дрейфового тока: он был типично «ионным», индуцируемый более быстрыми электронами был бы «короче» на два порядка!

Этому виделось только одно объяснение: свободные электроны исчезли из-за наличия примесей электроотрицательных газов. Конфигурация электронных оболочек некоторых молекул такова, что присоединение электрона энергетически выгодно: он «прилипает» к такой молекуле, образуя отрицательный ион. Энергия связи электрона в отрицательном ионе — десятые доли электронвольта и при нормальных условиях (когда тот же воздух не нагрет мощной ударной волной, не ионизуется интенсивным излучением, когда отсутствует сильное электрическое поле) именно они являются носителями отрицательных зарядов. Кислород, углекислый газ и пары воды («загрязняющие» примеси в наполнителях счетчиков) — электроотрицательны.

Поскольку плотность газов в трубке была высока, уже на небольших расстояниях от весьма узкой области коронирования происходило достаточное число столкновений электронов с молекулами загрязняющих примесей, чтобы основными носителями отрицательного заряда стали ионы. Из этого следовало два важных вывода:

— дрейф электронов не оказывает существенного влияния на перенос заряда также и в счетчике;

— исследовать кинетику электронов можно, либо на несколько порядков снизив плотность исследуемых газов (уменьшив тем самым число столкновений в процессе дрейфа, а значит, и вероятность захвата электрона), либо — получив для измерений сверхчистые газы, в которых концентрация примесей была бы снижена на столько же порядков.

Пока же примесей было столько, что в техническом гелии-3 и положительные ионы были чужеродными, не «гелиевыми» (рис. 4.4), но представления о производстве, приобретенные за годы работы, не способствовали развитию иллюзий о том, что результаты дрейфовых измерений станут причиной кардинального улучшения очистки газов. Что же касается исследований в существенно менее плотных газах, то тут перспективы были кошмарными: расчетные времена дрейфа ионов становились сравнимыми с длительностью переходных процессов в разработанной схеме, что делало невозможными сколь-нибудь точные измерения. Для исследования же кинетики куда более быстрых электронов тем более надо было создавать совершенно новую схему, но было непонятно, к чему подобные мучения, если при разработке счетчиков эти данные все равно не пригодятся.


Рис. 4.4

Зависимости скорости дрейфа положительных ионов в гелии-3 (концентрация загрязняющих примесей значительна) от напряженности электрического поля в пространстве дрейфа при давлениях газа от 1 (верхний график) до 10 атмосфер. Высокие значения скоростей дрейфа позволили сделать вывод, что и положительные ионы в техническом гелии-3 чужеродны этому газу. Свои ионы двигались бы медленнее, потому что, при столкновениях со «своими» нейтралами, они часто «перезаряжались» бы на них, что вело бы к снижению скорости переноса заряда.

Довольно легко было убедить Тугого, что из темы диссертации и плана работ исследования кинетики электронов надо изъять, но был в составе совета человек, от которого можно было ожидать по этому поводу бурной истерики. На очередное заседание ученого совета представили скорректированную тему диссертации, научным руководителем которой было предложено оставить лишь Тугого.

Истерика действительно бабахнула многотонной бомбой, но, к счастью, не тогда, когда это представлялось наиболее опасным.

После рассказа о схеме и конструкции дрейфовой трубки, я показал осциллограммы токов через искровые разрядники и уже собирался ступить на очень опасную зыбь — продемонстрировать и прокомментировать осциллограммы дрейфовых токов, как вдруг раздался громкий фальцет Затычкина: «А почему в вашей дрейфовой трубке — медные уплотнительные прокладки? Когда вы будете исследовать галогены, они прореагируют с медью и в пространстве дрейфа у вас будет неизвестно, что! Такая трубка нам не нужна!» Год назад, формулируя требования к дрейфовой трубке, «полуруководитель» ни словом не упомянул галогены, поэтому сдержаться не удалось: «Какие галогены — в нейтронных счетчиках!?». Затычкин продолжал упорствовать: «Галогены применяются в других изделиях и вы обязаны учитывать производственные интересы!» Уважаемый доктор наук А. Дмитриев попытался успокоить: «Но, может, не стоит в самом начале работы пытаться делать сразу все? В конце концов, трубку можно потом собрать заново и на тефлоновых прокладках…» Дело было, конечно, не в прокладках. Реакционно-активные галогены «съели» бы серебро в паяных соединениях, диффундировали бы в пористые керамические изоляторы. Для них надо было создать дрейфовую трубку другой конструкции. Но изложить эти соображения не удалось, потому что Затычкина было уже не остановить: «Я был инициатором этой работы, но вижу, что мое мнение ни в грош не ставится. В таком случае я не желаю быть научным руководителем и нести какую-либо ответственность!» По-наполеоновски скрестив руки на груди, он стал к происходящему демонстративно безразличен. На фоне скандала изъятие нескольких слов из формулировки темы диссертации никто не заметил, а один научный руководитель (Тугой) смотрелся и вовсе естественно. Отчет, план и остальные документы были утверждены советом. Потом, чувствуя себя счастливцем, я подошел к стенографистке и проследил, чтобы она внесла в протокол слова Затычкина об отказе руководить диссертацией.

Начался монотонный процесс измерений. Дрейфовую трубку наполняли в отделе смесями очень дорогого гелия-3 до давления 100 кПа (10 атм), я нес ее в подвал, где проводил измерения сначала при максимальном давлении, а потом постепенно стравливал газ и опять проводил измерения. Вести себя при этом надо было, привлекая как можно меньше внимания: среди работавших в подвале были и закончившие аспирантуру, но не защитившиеся, они часто посмеивались над «бессмысленным» рвением, но, заподозрив успех, могли и навредить. Не раз приходилось убеждаться, что зависть — сильное чувство, управляющее поступками многих людей. В подвал часто заглядывал и бывший однокашник, любивший радовать анекдотами и всегда пребывавший в отличном настроении.

Оглавление книги

Реклама

Генерация: 0.097. Запросов К БД/Cache: 0 / 0