Прежде всего тут требовалось сверхмощное радиоэлектронное оборудование, и теоретические расчеты Ландау ясно указали экспериментаторам оптимальный путь.
Сначала академик Капица приступил к оборудованию на своей подмосковной даче, расположенной на Николиной Горе, личной лаборатории, которую он назвал с язвительным подтекстом «избой физпроблем». Несколько лет Кентавр вел замкнутый образ жизни, выезжая в Москву только для чтения лекций в МГУ. Правда, к опальному директору иногда приезжали посетители. В основном это были его бывшие сотрудники, среди которых встречались институтские рабочие высочайшей квалификации, способные создавать сложнейшие лабораторные приборы и установки. Регулярно бывал на даче своего бывшего шефа и Ландау. Именно он рассказывал в своем теоротделе, как «изба физпроблем», под которую Капица выделил обширный сарай, превращается в самую настоящую небольшую частную лабораторию наподобие тех, которые Ландау видел во время своих давних загранкомандировок.
Все, что делал у себя на Николиной горе академик Капица, до сих пор окутано тайнами и легендами. Есть среди них полуфантастические и просто фантастические. Так, можно услышать, что когда строптивый академик не явился на празднование 70-летия «отца народов», его не только изгнали из МГУ, но и отключили его дачу от электроэнергии.
Однако по свидетельству тех, кто побывал на даче Капицы в последний период его ссылки, уже после «энергетической блокады», в доме и «физизбе» было освещение, работали электроприборы и научное оборудование. Откуда же поступала энергия? Ведь после смелого демарша академика с дачи сняли не только внешнюю проводку, но и спилили столбы линии электропередачи, которые вели к Николиной Горе. Некоторые говорят, что это сотрудники Иоффе привезли и установили уникальные полупроводниковые солнечные батареи с накопителями электричества, выработанного в светлое время суток. Действительно, это должен был быть какой-то довольно необычный источник энергии, ведь никто не видел и не слышал работы дизель-генератора или какой-то еще динамо-машины. Существует и вообще совершенно невероятная версия, особо популярная среди американских уфологов. Одним из первых ее озвучил М. Сейфер, предположивший, что еще в довоенное время в руки Капицы попали некие чертежи с «гиперрезонансными системами Теслы», и после долгих серий экспериментов, начатых еще в Институте физпроблем, Петру Леонидовичу удалось создать некое подобие «нейтронного магнетрона», принцип действия которого чем-то напоминал термоядерный реактор «холодного синтеза». Вот это совершенно фантастическое даже по сегодняшним меркам устройство и снабжало энергией дачу опального академика.
Но как невыносимо тяжело литератору «писать в стол», так и труд ученого требует признания или хотя бы обсуждения в научном сообществе. И того и другого Петр Леонидович был формально лишен, хотя изредка опального академика посещали коллеги, подтверждая его интуитивные представления о том, что он находится на правильном пути…
И тогда Кентавр решается написать ныне знаменитое, но долгое время неизвестное письмо Сталину. В нем академик Капица поднимает вопрос принципиально нового – волнового и пучкового оружия, которое полностью способно изменить характер будущих войн. Атомное вооружение, по словам академика, вообще малопригодно на современных театрах военных действий, поскольку оставляет после себя только выжженную радиоактивную пустыню, крайне опасно и для самих наступающих войск, а при множественном использовании даже способно вызвать глобальную природную катастрофу. В общем, делал вывод Петр Леонидович, любая стратегия и тактика ядерных ударов глубоко ущербна по своей сути.
Какую же альтернативу предлагал академик?
В пояснительной записке, сопровождавшей письмо и предназначенной для независимой научно-технической экспертизы, Капица указывал, что в своих опытах он использовал принципиально новый источник микроволновых колебаний, названный им ниготроном. Работы с ниготроном показали, что электромагнитную энергию можно сконцентрировать в небольших объемах и передавать ее на значительные расстояния без существенных потерь. В различных режимах эксплуатации этого высокочастотного генератора было получено электромагнитное излучение мощностью в импульсе до нескольких десятков киловатт, причем длину волны удавалось варьировать от нескольких миллиметров до метра. Ученый показал, что энергию высокочастотного электромагнитного поля большой плотности можно преобразовать в другие виды энергии и использовать для ускорения элементарных частиц, нагревания и удержания плазмы.
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 8Планотрон 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…
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.
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.