Основными факторами поражающего действия ядерных взрывов в атмосфере являются воздушная ударная волна, световое излучение и потоки элементарных частиц. По грубым оценкам первых испытаний ядерного оружия было известно. что при воздушном ядерном взрыве примерно одна треть освобождающейся энергии выделяется в виде светового излучения в широкой спектральной области – от ближней инфракрасной до дальней ультрафиолетовой. Однако, этой информации было явно недостаточно, чтобы правильно оценивать как полную энергию взрыва, так и возможности поражающего действия светового излучения. Необходимо было определить закономерности воздействия световой энергии во времени, ее затухание с расстоянием от места взрыва. Необходимы были также прямые измерения максимальных значений плотности лучистого потока вблизи объектов, подвергающихся воздействию светового излучения. Таким образом, измерения параметров светового излучения и оценки результатов его воздействия на различного рода объекты были важной составной частью исследований физических полей, возникающих при исследовании ядерного оружия.
Методики и аппаратура для регистрации параметров импульсов световой энергии от воздушных ядерных взрывов (наряду с другими разработками для регистрации ударных волн и проникающего излучения) разрабатывались в стенах Спецсектора Института химической физики АН СССР. Разработки были нацелены на регистрацию максимальных значений выделенной лучистой энергии, на изучение процессов выделения энергии и изменения интенсивности излучения (во времени и с расстоянием), на установление параметров первой фазы интенсивности излучения воздушного ядерного взрыва и других особенностей светового импульса.
К великому сожалению, великих ученых – наших учителей, возглавлявших исследования по воздействию ядерного взрыва, в том числе и исследования процесса выделения лучистой энергии при взрыве, уже нет с нами; они могли бы дать наиболее полное освещение проблем того времени и возможных способов их решения. Это - академики Н.Н. Семенов, М.А. Садовский, М.А. Ельяшевич, член-корреспондент А.А. Ковальский, доктора наук П.Ф. Похил, Г.Л. Шнирман, И.Л. Зельманов, заведующий лабораторией П.В. Кевлишвили, бывший одним из руководителей исследований при высотных ядерных взрывах.
Тем не менее, мы, авторы данной статьи, являясь в разное время непосредственными участниками разработок и испытаний соответствующей аппаратуры, можем представить достаточно подробное описание применявшихся тогда методик и приборов для определения соответствующих параметров светового воздействия, особенности этих разработок, а также, в большей части, время и место их применения. При изложении соответствующих материалов мы будем, по возможности, придерживаться хронологического порядка проведения разработок и исследований. При этом в названиях приборов будет использована терминология, принятая на момент их разработки.
Разработками по измерению во времени плотности лучистого потока в заданном месте испытательного поля [Дж/см 2 ], а также ее интенсивности [(Дж/см 2 )/с] занималась лаборатория Г.Л. Шнирмана; разработками по измерению максимального значения плотности потока занималась лаборатория А.А.Ковальского, а в дальнейшем - лаборатория Г.Л. Шнирмана. Эти же подразделения занимались изучением конкретных вопросов воздействий светового излучения на различные объекты.
Количественные измерения энергии светового излучения основывались на принципе контроля нагрева измерительного теплопроводящего тела с черной поверхностью, поглощающей падающий лучистый поток с широким спектральным диапазоном излучения.
На ранних стадиях испытаний на Семипалатинском полигоне соответствующие измерения во времени проводились посредством приборов ИИИ (“измеритель интегрального излучения”) и ДТР (“дистанционный терморадиометр”) различных модификаций. Измерения проводились Л.Л. Декабруном (1949, 1951, 1953г.г.), А.А. Разореновым (1951г.) и А.С. Зверевым (1953г.) - сотрудниками лаборатории Г.Л. Шнирмана.
Приборы ИИИ применялись для измерений плотности лучистого потока во времени. В них в качестве датчика использовался набор идентичных по массе медных зачерненных с одной стороны дисков диаметром порядка 25 мм и толщиной не менее 1,5 мм, температура которых измерялась с помощью припаянных к обратной стороне термопар “хромель-копель” известной чувствительности. Чернение дисков обеспечивалось химическим способом Паспортизация партии таких элементов осуществлялась выборочной проверкой при воздействии на элементы дозированным по времени потоком неизменной интенсивности с одновременным контролем показаний термопар. Диски помещались в кольцеобразные изоляторы, которые, в свою очередь, располагались в открытых круговых ячейках в прямоугольной или квадратной алюминиевой полированной панели площадью, равной примерно 0,15 ? 0,25 м 2 (в зависимости от модификации), имея шаг, немногим более диаметра диска. Термопары соединялись последовательно; выход осуществлялся непосредственно на шлейф светолучевого осциллографа. Диск достаточно хорошо аккумулировал тепло за время облучения, что устраняло появление погрешностей за счет теплопотерь на излучение, а геометрические и физические параметры дисков и термопар при оптимальной конструкции установки дисков обеспечивали возможность проведения калибровки устройства, осуществляемой созданием дозированного потока известной интенсивности. Благодаря надежности и простоте обслуживания прибор достаточно широко использовался на Семипалатинском полигоне в течение продолжительного времени (в конце 50-х годов эта аппаратура все еще применялась при измерениях во времени плотности потока светового излучения).
Приборы ИИИ, однако, обладали определенной инерционностью, проявлявшейся в некотором запаздывании регистрируемого момента вступления процесса, обусловленном, в основном, за счет конечного времени прохождения теплового фронта по толщине диска. Наличие такого запаздывания в показаниях приборов ИИИ было установлено в натурных опытах при их совместном использовании с приборами типа ИТИ (“измеритель теплового излучения”), разработанными позднее, в которых был применен менее инерционный чувствительный элемент. Описание приборов типа ИТИ будет дано ниже.
Прибор ДТР предназначался для регистрации интенсивности светового излучения во времени. Непосредственно воспринимающим излучение элементом радиометров ДТР была тонкая металлическая (в том числе, медная) лента шириной порядка 1 мм и толщиной около 0,1 мм. Она наматывалась с шагом на металлическую черненую рамку с изоляторами из оргстекла (форма рамки близка к квадратной при площади примерно 1 ? 1,5 дм 2 в зависимости от модификации). Лицевая сторона ленты была покрыта слоем дисперсионной сажи. Малая толщина ленты обеспечивала малую инерционность при регистрации процесса. Два таких элемента были включены в мостовую схему. Один из них подвергался воздействию светового излучения, другой выполнял компенсирующие функции. Электрический сигнал от мостовой схемы через тракт, состоящий из усилителя переменного тока с емкостной дифференцирующей цепью (преобразующей сигнал, пропорциональный потоку, в сигнал, пропорциональный интенсивности) и балансного усилителя, поступал на шлейф осциллографа. Малая инерционность датчика обеспечивала разрешаемость длительности первой фазы процесса, однако, специальной независимой постановки ее измерений не производилось. При регистрации полной протяженности воздействия излучения во избежание возможного перегрева датчика могли применяться сменные дырчатые решетки, ослабляющие поток. Вследствие ограниченности полосы пропускания усилителя в области нижних частот при регистрации относительно протяженных световых импульсов могли иметь место определенные погрешности. Кроме того, вследствие применения электронного усилителя в устройстве при соответствующих условиях могла возникать помеховая реакция схемы на воздействие электромагнитного импульса ядерного взрыва. В опытах позднее 1953 года дистанционные терморадиометры не применялись. Разработка безусилительной аппаратуры для регистрации интенсивности излучения воздушного ядерного взрыва, и в частности, для регистрации первой фазы интенсивности будет рассмотрена ниже.
Примерно в этот же период времени в Спецсекторе ИХФ в лаборатории П.Ф. Похила был разработан полевой калориметр КСВ (“калориметр светового воздействия”) для автономной регистрации максимального значения плотности потока. Он представлял собой медный шар с внутренней полостью, заполненной ртутью, в которую с герметичным уплотнением был помещен чувствительный элемент ртутного термометра максимального действия. Ртуть обеспечивала тепловой контакт между шаром и термометром. Поверхность медного шара покрывалась чернением (нижний слой – химическим способом, верхний слой – нанесением дисперсионной сажи). При установке на месте измерения воспринимающая часть калориметра закрывалась сверху экраном для защиты от солнечных лучей. При известных массах используемых в конструкции материалов и размерах шара по показаниям максимального термометра можно было определить плотность потока, воспринятого прибором от светового излучения воздушного ядерного взрыва для данной дистанции установки прибора. Кроме того, прибор, вероятно, градуировался известными методами (аналогично, например, градуировке других калориметров - см. ниже). На Семипалатинском полигоне экспериментальные образцы прибора впервые были применены в 1953 году.
В начале 1954 года в ИХФ АН СССР по указанию академика Н.Н. Семенова была создана лаборатория тепловых измерений (в последствии переведенная в состав Спецсектора ИХФ), перед которой была поставлена задача по исследованию воздействий светового излучения воздушного ядерного взрыва на различные материалы и защитные покрытия - композиционные и технологические (определение критериев поражающего действия излучения для исследуемых объектов). Осенью этого же года А.А. Ковальский и С.М. Когарко с группой сотрудников (Г.С. Аравин, Г.А. Овсяников, С.С. Хлевной) на Семипалатинском полигоне впервые провели предварительные экспериментальные исследования по этому вопросу. Испытуемые образцы материалов размещались на различных дистанциях от взрыва в специальных камерах. Камеры имели прозрачную переднюю стенку из оргстекла и предназначались для защиты образцов от воздействия ударной волны. Совместно с камерами устанавливались калориметры КСВ для регистрации фактического значения полученной тепловой энергии.
В 1954 году в лаборатории А.А. Ковальского были образованы две самостоятельные группы. Группа С.М. Когарко (один из научных руководителей испытаний при высотных ядерных взрывах) ориентировалась на изучение поражающих факторов светового излучения. Группа же М.А. Ельяшевича – на аналитическое рассмотрение вопросов, а также на анализ экспериментальных данных по воздействиям воздушного ядерного взрыва для целей определения коэффициента выхода лучистой энергии при взрыве, необходимого для оценок тротилового эквивалента ядерного заряда по интегральному световому излучению.
На основании полученных в 1954 году результатов для проведения последующих экспериментов в лаборатории А.А. Ковальского была разработана новая защитная камера для испытуемых образцов (камера с гашением действия ударной волны внутри полости камеры).
Одновременно были разработаны новые калориметры КСВМ механического действия (т.е. ”механические”), более надежные и неприхотливые (нежели приборы КСВ), с более эффективным использованием воспринимающей поверхности, предназначаемые для массового применения на ядерных полигонах при измерениях максимальных значений лучистого потока.
Эти разработки были произведены под непосредственным руководством А.А. Ковальского сотрудниками его лаборатории С.С. Хлевным (защитная камера) и Г.А. Овсянниковым (калориметр КСВМ).
Калориметр КСВМ работал на принципе теплового изменения размеров тел. Чувствительным элементом являлась прямоугольная пластина из дюралюминия, жестко закрепленная одним концом на массивном основании из аналогичного материала, а свободным концом упиравшаяся в торец подвижного стержня, перемещавшегося вдоль своей оси при удлинении рабочей пластины от нагревания световым излучением. Воспринимающая поверхность пластины зачернена нанесением тонкого слоя дисперсионной сажи на анодированную поверхность (коэффициент поглощения 0,99). Стержень перемещался, преодолевая определенную величину трения, достаточную для его удержания от паразитных движений при воздействии ударной волны, а также при соответствующих манипуляциях с прибором по определению его показаний после остывания пластины. Фиксация стержня сохранялась при воздействии на калориметр продольных ударных перегрузок, превышающих 250 единиц “g” Таким образом, перемещение стержня на трении оказывалось равным удлинению пластины при нагреве. Это перемещение после проведения эксперимента определялось посредством микрометра (результатом являлась разность двух показаний, отсчитанных от одной базы на теле калориметра до свободного конца стержня при двух его положениях: до и после нагрева пластины). Перед измерением положение стержня дополнительно фиксировалось специальным стопором. Рабочие элементы калориметра размещались в массивном прочном цилиндрическом кожухе с прямоугольным окном в боковой стенке для прохождения теплового потока. Окно было закрыто прозрачным оргстеклом (коэффициент пропускания 0,87 с учетом отражений от двух поверхностей раздела сред) для устранения конвективных теплопотерь при облучении и для защиты рабочих элементов калориметра от действия ударной волны. Протяженность окна была меньше длины рабочей пластины, что устраняло влияние теплопотерь через концы пластины (главным образом, через закрепленный конец), поскольку за максимально возможное реальное время действия теплового импульса тепло, попавшее на пластину, не успевало преодолеть расстояние от края окна до ближайшего конца пластины. Ранг чувствительности прибора определялся применением рабочих пластин различной толщины (1 ? 12 мм), что обеспечивало широкий диапазон максимальных регистрируемых величин плотности лучистого потока (в пределе до 650 Дж/см 2 ).
Градуировка прибора производилась на установке с нагреваемым электрическим током графитовым излучателем размерами 250х25х5 мм 3 с температурой поверхности 1500 ? 2000 ° С. Перед излучателем размещалась подвижная заслонка-жалюзи для дозирования потока по времени и защитный прозрачный экран из оргстекла, а перед экраном на равных расстояниях от излучателя симметрично устанавливались градуируемый и эталонный калориметры с соблюдением ориентировочного равенства падающих на них потоков излучения. Их положение фиксировалось. В процессе градуировки рабочий и эталонный приборы менялись местами. Конечный результат являлся средним из двух значений. В эталонном калориметре рабочая металлическая пластина изготовлялась из беспримесного материала с хорошо известной зависимостью “длина – функция температуры” в требуемом диапазоне изменений аргумента (медь, алюминий). Погрешность определения искомых постоянных приборов, калибруемых данным методом, не превышала 2%.
Погрешность измерений калориметрами КСВМ максимума плотности лучистого потока в натурных условиях, по оценкам, не превышала 10%.
На месте измерений прибор устанавливался на кронштейне, врытом в землю, и крепился к нему с помощью двух зажимов, обеспечивающих быстрое снятие прибора с места установки. Ориентация прибора на ожидаемое направление производилась при установке с помощью угломера. В дальнейшем, при уточнении направления, производилась соответствующая корректировка показаний прибора. Габариты прибора: длина 290 мм, диаметр 56 мм; вес 3,5 кг.
Разработанные устройства для измерения лучистой энергии и для исследования воздействий светового излучения при воздушном ядерном взрыве были успешно применены на Семипалатинском полигоне при испытаниях 1955 года, а также при последующих испытаниях. Так, в 1956 году на Семипалатинском полигоне было установлено более 100 таких приборов (совместно с исследуемыми образцами материалов, размещенными в защитных камерах) на различных расстояниях от эпицентра взрыва по нескольким азимутам. Массовость наблюдений позволила с достаточной точностью определить как параметры поражающего действия светового излучения на исследуемые объекты, так и искомый коэффициент выхода лучистой энергии ядерного воздушного взрыва. Массовое использование калориметров КСВМ подтвердило его высокие эксплуатационные качества для условий ядерных полигонов. Исследования показали неизменность параметров калориметров после их использования на полигонах. Профилактические работы для приборов, ранее использовавшихся в ближней зоне взрыва, заключались в смене механически поврежденной защитной пластины из оргстекла и в восстановлении сажевого чернения рабочей пластины.
В дальнейшем количество применяемых на Ново-Земельском и Семипалатинском полигонах калориметров КСВМ возросло до 1000 единиц.
Кроме того приборы стали применяться также и для самостоятельных целевых измерений (в частности, например, калориметры устанавливались на самолет-носитель, см. ниже).
Достаточная плотность установки измерителей КСВМ по дистанциям соответствующих азимутов на полигоне обеспечивала высокую точность интерполяционного определения полученной лучистой энергии для любой рабочей точки опытного поля. Полученные данные являлись исходными при определении поражающих факторов светового излучения для различных испытуемых объектов, установленных на площадках полигона (военная и гражданская техника, строительные объекты, биообъекты и пр.). Таким образом, калориметр КСВМ, вначале используемый для решения конкретной узкой задачи, благодаря своим качествам превратился в основной метрологический инструмент ядерных полигонов, регистрирующий энергию светового излучения воздушного взрыва.
В первоначальный период лабораторную наладку и градуировку приборов КСВМ производил разработчик – Г.А. Овсянников, а в дальнейшем в этом процессе также принимали участие А.А. Зенин и В.В. Александров. Каждый из перечисленных сотрудников занимался эксплуатацией калориметров на полигонах: В.В. Александров (Семипалатинский полигон), А.А. Зенин (Семипалатинский полигон и полигон Капустин Яр), Г.А. Овсянников (Семипалатинский полигон, полигон на Новой Земле, полигон Капустин Яр). Предположительно, калориметры факультативно использовались также на Тоцком полигоне при участии А.А. Ковальского. Использование прибора на полигонах продолжалось вплоть до запрещения воздушных испытаний ядерного оружия.
Касаясь некоторых других аспектов регистрации потоков светового излучения воздушного ядерного взрыва и его опосредованного воздействия на объекты (военная техника, различного рода сооружения и пр.), к чему специалисты Спецсектора ИХФ АН СССР имели непосредственное отношение, уместно отметить исследования по влиянию нагретого приземного слоя на механическое действие воздушной ударной волны. Оказалось, что вследствие предварительного воздействия светового излучения на поверхность земли происходил ее сильный прогрев и соответствующее развитие процесса подъема нагретого воздуха, паров воды и пыли. В результате этот нагретый газопылевой слой экранировал измерители светового излучения, и величина зарегистрированного потока лучистой энергии оказывалась заниженной.
Таким образом, благодаря массовому использованию калориметров (наряду с другими измерителями лучистого потока) на близких дистанциях от взрыва удалось зафиксировать явление нагретого слоя и, соответственно, экранирования измерителей, происходящее вследствие конвективного подъема пыли непосредственно в процессе действия светового импульса, что, в свою очередь, свидетельствовало о весьма быстром нагреве верхних слоев грунта световым излучением взрыва.
Кроме того, как показали независимые измерения параметров ввоздушной ударной волны, предварительное воздействие лучистого потока, вызывавшее появление градиента температур воздуха в приземном слое за счет возникновения интенсивной конвекции, приводило затем к опосредованному результату в виде размытия фронта ударной волны и снижению ее интенсивности, что, в конечном итоге, приводило к изменению механического действия ядерного взрыва.
Для подтверждения этого факта сильного влияния на характер ударной волны нагретого приземного слоя, обусловленного световым импульсом, по указанию М.А. Садовского в полигонных опытах 1954 – 1955 годов производились специальные измерения нестационарной температуры воздуха в приземном слое при воздействии светового излучения взрыва..
В качестве датчиков температуры в аппаратуре ИТВ (“измеритель температуры воздуха”), разработанной в лаборатории Г.Л. Шнирмана, использовались терморезисторы в виде нескольких отрезков нитей из медной или платиновой проволоки (в зависимости от конструкции, определявшейся номиналом шкалы измерителя) диаметром 0,1 мм и длиной до 4 см, соединенных параллельно. Отрезки располагались с шагом 2 мм в прямоугольном входном окне патрубка, через который при регистрации принудительно протягивался наружный воздух, опосредованно нагреваемый в процессе воздействия светового импульса. Соответствующая скорость протяжки снижала тепловую инерцию терморезистора до необходимого минимума. Вход патрубка прикрывался экраном для защиты от прямого действия излучения. Датчик включался в мостовую схему, в измерительную диагональ которой непосредственно включался шлейф осциллографа. Питание моста 3 В. В схеме обеспечивалась автоматическая тарировка измерительного канала. Воздухозаборники с датчиками устанавливались по длине вертикального трубопровода на высотах, примерно, 0,5; 2,5 и 4,5 м от поверхности грунта. Протяжка воздуха осуществлялась посредством вентилятора бытового пылесоса, установленного у нижнего конца трубопровода в заглубленном боксе. Питание вентилятора аккумуляторное 120 В. Включение системы и ее тарировка производились до момента взрыва по сигналам автоматики. Аппаратура ИТВ устанавливалась на нескольких дистанциях от взрыва. Максимально зарегистрированная температура воздуха на высоте 4,5 м от поверхности земли достигала нескольких сотен градусов Цельсия, а на высотах 0,5 м превышала полторы тысячи градусов.
Отметим, что попытка одновременного определения температуры воздуха через непосредственное измерение нестационарной скорости звука в нагретом приземном слое (в интервале от момента взрыва до прихода ударной волны в точку контроля), проводившаяся на горизонтальной базе в несколько метров на высоте ~ 1 м от поверхности грунта, успехом не увенчалась из-за сильного воздействия светового излучения.
Постановку измерения нестационарной температуры воздуха и экспериментов с измерением скорости звука обеспечивал А.А. Разоренов, одновременно непосредственно участвуя в постановке обширных комплексных измерений давления ударной волны в грунте, на его поверхности и в воздухе, проводившихся в тот период.
Необходимо отметить, что результаты, полученные на полигоне аппаратурой ИТВ, позволили произвести предварительные количественные оценки наблюдаемых явлений.
Кроме того, на основе зарегистрированных фактов сильного влияния теплого слоя у поверхности земли на параметры ударной волны М.А. Садовским вскоре было инициировано проведение специальных исследований данного явления на модельных опытах с малыми зарядами в лабораторных условиях Спецсектора. Такие экспериментальные исследования были проведены А.И. Коротковым и В.В. Адушкиным [1]. В экспериментах присутствие теплого слоя различной температуры около отражающей поверхности обеспечивалось либо электрическим током, проходящим через нити из нихрома, либо пламенем. Температура воздуха определялась по скорости звука, измеряемой на базе, находящейся внутри нагретого слоя. Пользуясь теорией подобия, по полученным экспериментальным данным можно было для определенных условий проведения ядерных взрывов прогнозировать величину ослабления ударной волны в теплом слое на различных расстояниях от эпицентра взрыва. Экспериментально было также показано влияние угла падения волны на преграду с присутствием теплого слоя воздуха.
После отъезда А.А. Ковальского с группой сотрудников на постоянную работу в г. Новосибирск (в связи с назначением А.А. Ковальского на должность директора Института химической кинетики и горения Сибирского отделения АН СССР) Г.А. Овсянниковым уже в составе лаборатории Г.Л. Шнирмана и под его руководством были разработаны в 1958 году две модификации калориметра КСВМ (КСВМ-Ц “цилиндрический” и КСВМ-С “сферический”), приспособленные для регистрации светового излучения высотных ядерных взрывов. Проведение разработки было обусловлено спецификой регистрации параметров высотных ядерных взрывов, где соответствующие приборы устанавливались не у поверхности земли, а на воздушных подвесках, вследствие чего для калориметра с плоской воспринимающей поверхностью необходимое обеспечение как азимутальной ориентации его рабочей оси, так и соответствующего наклона последней к горизонтальной плоскости оказывалось невозможным.
Отличительной чертой “цилиндрического” калориметра КСВМ-Ц (по сравнению с прибором КСВМ) являлось то, что в качестве чувствительного элемента использовался полый цилиндр из дюралюминия (вместо прямоугольной пластины в приборе КСВМ) с черненой внешней поверхностью, тепловое удлинение которого регистрировалось уже известным способом. Применение цилиндра обеспечивало круговой обзор, т.е. устраняло необходимость в азимутальной ориентации прибора. Необходимая чувствительность обеспечивалась выбором соответствующей толщины стенки цилиндра. Конструктивно чувствительный элемент был закрыт прозрачным цилиндрическим защитным кожухом из оргстекла (имевшим коэффициент пропускания 0,86) с металлическими крышками по торцам. Наибольшая регистрируемая величина плотности энергии лучистого потока такими приборами составляла 400 Дж/см 2 . Конструктивно приборы ориентировались на установку в специальные гнезда воздушной подвески. Габариты прибора: диаметр 6см, длина 25см. Методики градуировок приборов КСВМ-Ц и КСВМ аналогичны.
Конструкция “сферического” калориметра КСВМ-С по существу представляла собой комбинацию приборов КСВМ и КСВ. Чувствительным элементом прибора КСВМ-С являлся медный шар с черненой поверхностью (коэффициент поглощения 0,99), изготовленный как одно целое с цилиндром меньшего диаметра, примыкающим торцом к шару. Применение шара устраняло необходимость ориентации прибора. Тепловое удлинение цилиндра регистрировалось. Требуемая чувствительность прибора обеспечивалась изготовлением его рабочих элементов (шар и цилиндр) сплошными или полыми с соответствующей толщиной стенок (не менее 1 мм ) При сплошных рабочих элементах максимальная регистрируемая величина плотности потока энергии светового импульса составляла 600 Дж/см 2 . Диаметр шара 2,6 см, диаметр стержня 0,7 см, длина стержня 11 см. Конструктивно воспринимающая часть прибора была защищена прозрачным колпаком из термостойкого стекла (коэффициент пропускания 0,9 ), а регистрирующая часть помещена в металлический кожух. Приборы устанавливались в специальные гнезда воздушных подвесок.
Градуировка сферических калориметров КСВМ-С производилась на прожекторной установке. Первоначально в центр ее фокальной плоскости помещалась головка эталонного сферического калориметра, отградуированного описанным ранее способом. Перед фокальной плоскостью был расположен стеклянный диск, отражающий часть излучения на приемник-монитор, размещенный симметрично с калориметром относительно диска. Разогрев эталонного калориметра и монитора измерялся термопарами. Затем вместо эталона устанавливался испытуемый прибор с часовым индикатором, и снова производились измерения по монитору и индикатору. Погрешность определения приборной константы не превышала 5%.
Вернемся теперь к рассмотрению достаточно малоинерционных приборов, регистрировавших во времени процесс изменения лучистого потока от воздушного ядерного взрыва. Приборы типа ИТИ - “измерители теплового излучения” - в свое время были разработаны в лаборатории Г.Л. Шнирмана при его самом непосредственном участии; разработчиками также являлись С.С. Монахов и Б.З. Горбенко. Разработки начались в конце 1953 года, а уже летом 1955 года приборы эксплуатировались на Семипалатинском полигоне.
Разработанный резистивный чувствительный элемент , примененный в приборах ИТИ, при достаточной теплоемкости обеспечивал малую инерционность преобразования светового излучения в изменение сопротивления приемника и благодаря компактности имел достаточно малые тепловые потери за время регистрации импульса лучистого потока. Элемент представлял собой плоскую спираль из медной ленты, навитую по окружности дырчатого медного диска. Толщина ленты 0,16 мм, начальная ширина несколько больше 1 мм, межвитковая изоляция – конденсаторная бумага 0,01 мм с пропиткой клеем БФ-4, диаметр дырчатого диска порядка 2 см. Диаметр такой спирали (диска) доводился до 10 см, затем диск запекался при соответствующей температуре полимеризации клея, после чего протачивался до толщины 1 мм. Сопротивление спирального элемента составляло 5 Ом. Чернение рабочей поверхности датчика осуществлялось химическим способом, иногда с добавлением тонкого слоя дисперсионной сажи. При этом коэффициент поглощения не хуже 0,98 обеспечивался в широком спектральном диапазоне. На основе такого резистивного элемента был разработан прибор ИТИ-Д, обладавший достаточным запасом чувствительности, благодаря чему он мог обеспечивать надежную регистрацию явления даже на существенном удалении от взрыва, т.е. в “дальней” зоне. Прибор предназначался для регистрации лучистого потока, меняющегося во времени. Два конструктивно подобных элемента (рабочий и компенсационный), включенные в соседние плечи мостовой измерительной схемы, размещались друг за другом в едином выносном защитном алюминиевом корпусе с полированной внешней поверхностью. Для защиты чувствительного элемента от действия ударной волны и конвективных теплопотерь при облучении чувствительный элемент закрывался со стороны воздействия потока диском из полированного оргстекла. При необходимости перед ним могла закрепляться сменная дырчатая решетка из листового алюминия, ослабляющая поток до требуемого значения (в 2, 3, 5 и 10 раз ). Лицевая сторона решетки была полированной, а тыльная – черненой (во избежание влияния возможных паразитных отражений потока внутри конструкции). Два другие плеча моста, выполненные в виде резисторов из манганина, располагались вне выносного блока в пульте управления. Прибор рассчитывался на кратковременное включение до 1 минуты при питании от аккумулятора 24 В (потребление 5 А ). В приборе были предусмотрены также: система загрубления чувствительности мостовой схемы с помощью резисторов, включаемых последовательно с элементами выносного блока, система балансировки и система автоматической тарировки регистрирующего тракта перед началом измерений. Даже при использовании загрубления чувствительности предусмотренными для этой цели резисторами приборы данного типа давали возможность регистрировать текущие плотности энергии лучистых потоков в диапазоне 1,5 ? 12 Дж/см 2 . При этом выходной ток мостовой схемы при ее нагрузке в виде шлейфа осциллографа ( ~ 5 Ом) составлял 10 мА. Постоянная времени охлаждения воспринимающего элемента в системе выносного блока для начального участка остывания была не менее 170 с.
Примерно в это же время (1955 год) на основе описанного выше резистивного чувствительного элемента с применением ряда оригинальных технических решений был разработан специальный прибор для непосредственной регистрации во времени интенсивности лучистого потока воздушного ядерного взрыва. Практическое использование этих приборов на полигонах обеспечило получение высококачественных результатов. Чтобы не использовать, как это имело место в приборах ДТР, электронные усилительные схемы, применявшиеся для компенсации потери уровня полезного электрического информационного сигнала при его функциональном преобразовании с помощью дифференцирующей цепи (и тем самым избежать вероятности получения специфической помеховой реакции низкочастотного усилителя на воздействие импульса электромагнитного излучения взрыва), было решено данную потерю компенсировать увеличением энергии полезного сигнала, вырабатываемого датчиком. Это обеспечивалось увеличением энергии, рассеиваемой как в датчике, так и в остальных элементах схемы, что, естественно, требовало увеличения габаритов измерительной системы. Оценки показали, что при требуемой постоянной времени дифференцирующей цепи с низкоомным датчиком последняя в конструктивном плане оказывалась более оптимальной при использовании в ней индуктивного элемента (а не емкостного); при этом одновременным применением трансформаторной связи с обмоткой индуктивного элемента обеспечивалась необходимая развязка между сильноточной цепью датчика и низкоомной слаботочной цепью шлейфа осциллографа. Требуемый номинал индуктивности обеспечивался применением магнитопровода в конструкции двухобмоточного трансформатора. Кроме того, наличие магнитопровода практически устраняло присутствие погрешности дифференцирования электрическим методом, обусловленной влиянием полей рассеяния обмоток.
Разработанный прибор получил шифр ИТИ-Б; здесь последний знак в аббревиатуре указывал на целесообразность использования прибора на достаточно близких расстояниях от взрыва для получения высоких уровней полезного сигнала, т.е. в “ближней” зоне. Прибор состоял из следующих отдельных, относительно габаритных, соединенных последовательно блоков: датчика, дифференцирующего трансформатора, задающего “сменного” резистора, обеспечивающего коммутацией соответствующих его элементов неизменный фиксированный токовый режим работы датчика совместно с первичной обмоткой трансформатора, и пульта управления. При воздействии на датчик лучистого потока с определенной плотностью ток во вторичной обмотке дифференцирующего трансформатора, нагруженной на шлейф осциллографа, оказывался пропорционален интенсивности этого потока. Датчик прибора состоял из шести чувствительных элементов вышеописанной конструкции по 3,6 Ом каждый, включенных параллельно. Общие габариты блока датчика 6,4 х 4,5 х 1,7 дм 3 , вес 20 кг. Сердечник трансформатора П-образной формы и сечением 2,8 дм 3 был изготовлен из трансформаторной стали с проклейкой листов и имел зазор для устранения насыщения магнитопровода. Первичная обмотка трансформатора (160 витков с диаметром провода 2,5 мм) имела отводы, что позволяло обеспечивать семь различных значений индуктивности для выбора соответствующих значений постоянных времени дифференцирования в диапазоне 3,7 ? 18,2 мс. (При этом неизменность сопротивления цепи первичной обмотки обеспечивалась коммутированием соответствующих отводов от элементов задающего резистора, включенного в цепь первичной обмотки). Вторичная (выходная) обмотка трансформатора также имела 160 витков с отводами при диаметре провода 1 мм. Габариты трансформатора 3,4 х 4,8 х 5,4 дм 3 , вес 200 кг. Задающий резистор, помимо обеспечения неизменности требуемого токового режима первичной цепи обеспечивал также необходимую линейность зависимости тока во вторичной цепи от скорости нагрева элементов датчика лучистым потоком. Резистор выполнялся из манганина, имел полное сопротивление, равное 50 Ом и при работе рассеивал мощность 2 кВт. Обеспечение требуемого питания системы (120В, 20А) осуществлялось последовательным включением пяти аккумуляторов по 24В. Прибор был рассчитан на кратковременное включение до 1 минуты.
Расчеты электрической схемы и конструктивная проработка прибора проводилась Б.З. Горбенко. Им же были проведены необходимые оценки возможного влияния ряда специфических факторов на уровень погрешности регистрации процесса: например, времени прохождения теплового фронта в двухслойной системе датчика “чернь-металл” – либо слой черни из окиси меди в 5 мкм, либо слой дисперсионной сажи в 10 мкм на медных подложках соответствующей толщины (в свое время данная задача была достаточно трудоемкой, т.к. должна решаться численными методами); нелинейного изменения сопротивления датчика при постепенном его прогревании по толщине; теплопотерь за время воздействия теплового импульса. Было показано, что влияние факторов, обусловленных конечным временем прогрева, находилось за пределами разрешения системы регистрации (шлейф осциллографа), а постоянная времени для начального участка остывания датчика (220 с ) более чем на порядок превышала реальную максимально возможную длительность светового импульса, и, следовательно, при регистрации скачкообразного процесса интенсивности длительностью до 10 с искажения формы не превышали 5%. Производился также анализ погрешностей за счет влияния и других факторов, определяющих параметры системы на момент рабочей регистрации интенсивности светового импульса. Учитывая определенную сложность зависимости результата измерений от параметров системы (геометрических, оптических, тепловых, электрических, магнитных) в целом при расшифровке практических осциллограмм общая погрешность измерения интенсивности во времени не превышала ± 10% от максимума интенсивности.
Посредством прибора ИТИ-Б были получены уникальные полные данные прямой регистрации интенсивности светового излучения во времени для воздушных ядерных взрывов большой мощности, в том числе взрыва, произведенного 22 ноября 1955 года на Семипалатинском полигоне (взрыв с самым большим эквивалентом, когда-либо производимый на этом полигоне).
Приборы типов ИТИ-Д (4 шт.) и ИТИ-Б (2 шт.) в разное время, начиная с лета 1955 года и до окончания воздушных ядерных испытаний, эксплуатировались на Семипалатинском и на Ново-Земельском полигонах. Обслуживание приборов и обработка результатов обеспечивались сотрудникиами Спецсектора ИХФ (Б.З. Горбенко и С.С. Смолкотин).
Помимо этого к проведению ядерных испытаний 1961 года была разработана самолетная модификация прибора ИТИ-Д (прибор ИТИ-ДБ), которая была установлена на самолет-носитель. На самолет были также установлены калориметры КСВМ, фиксирующие полученную суммарную лучистую энергию, а также другая аппаратура (в частности, измерители первой фазы свечения воздушного ядерного взрыва, - см. ниже), регистрирующая соответствующие параметры произведенного ядерного взрыва и результаты его воздействия на самолет. Данными вопросами занимался А.А. Разоренов.
Отметим, что при разработке приборов ИТИ-Б уже не ставился вопрос о необходимости разрешения параметров первой фазы воздушного ядерного взрыва путем регистрации светового излучения подобными методами. К этому времени в Спецсекторе уже были разработаны и широко использовались надежные методы регистрации ее развития с помощью скоростных киносъемочных камер, а оценка ее доли энерговыделения лучеиспусканием в широком спектре, по-видимому, самостоятельного интереса уже не представляла.
Напомним, что по серии фотокадров, полученных скоростной камерой, с высокой точностью определялась скорость расширения светящегося огненного шара ядерного взрыва на начальной стадии его развития, т.е. до момента отрыва ударной волны от огненного шара. Таким образом, поскольку эта величина целиком определяется энергией, освободившейся при взрыве, экспериментально найденное значение скорости расширения огненного шара позволяло надежно оценивать тротиловый эквивалент взрыва.
Напомним также, что поскольку наличие первой фазы в интенсивности свечения при воздушном ядерном взрыве обусловлено изменением физических свойств воздуха (появлением непрозрачности) во фронте и за фронтом ударной волны мощного “точечного” воздушного взрыва, то продолжительность этой фазы, очевидно, растет с мощностью взрыва. Наличие такой корреляционной зависимости использовалось вначале только при факультативных пробных оценках тротилового эквивалента воздушного ядерного взрыва по длительности первой фазы интенсивности (т.е. по длительности от начала взрыва до момента наступления минимума интенсивности между двумя фазами свечения), поскольку этот метод обеспечивал меньшую точность из-за погрешностей определения минимума интенсивности свечения.
Однако практика показала, что использование хорошо отработанных традиционных методов определения тротилового эквивалента воздушного ядерного взрыва (и в частности, метода с регистрацией развития первой фазы посредством скоростной киносъемки) в определенных случаях могло оказываться затруднительным. Поэтому в лаборатории Г.Л. Шнирмана, начиная с конца 1958 года, началась разработка приборов практического назначения с фотоэлектрической регистрацией процесса развития первой фазы воздушного взрыва (с целью последующего определения по осциллограмме значения длительности первой фазы и, соответственно, тротилового эквивалента). Такие приборы были достаточно просты в обращении и в дальнейшем использовались как для самостоятельной регистрации, так и для подстраховок в случаях применения традиционных методов регистрации; кроме того, эти приборы широко применялись для получения экспресс-данных. В качестве датчиков в приборах с фотоэлектрической регистрацией развития первой фазы использовались стандартные малоинерционные светоприемники различных типов с ограниченным спектральным диапазоном. При этом их выбор определялся из следующего обязательного условия - результирующая спектральная характеристика воспринимающей системы регистратора развития первой фазы корректировалась с помощью специальных светофильтров, чтобы в достаточной степени соответствовать спектральной характеристике фотопленки, традиционно использовавшейся в скоростных камерах для регистрации первой фазы. Для обеспечения регистрации данными приборами исследуемого процесса в широком диапазоне интенсивности светового излучения (в зависимости от мощности взрыва и дистанции от него) в них предусматривалось эшелонирование путем использования нескольких каналов регистрации (3 ? 4), пределы измерения которых отличались на порядок.
Одной из первых разработок таких регистраторов был прибор ИПФ-1 (“измеритель первой фазы”). Прибор имел четыре канала, обеспечивая регистрацию светового излучения в диапазоне изменения интенсивности, равном четырем порядкам, что достигалось установкой перед светоприемниками поглощающих нейтральных стеклянных сменных светофильтров соответствующей оптической плотности 0; 1; 2; 3. В качестве воспринимающих излучение элементов использовались вакуумные фотоэлементы СЦВ-З за светофильтрами из стекла ЖС-18 толщиной 4 мм и фотоэлементы ЦВ-3 за совмещенными светофильтрами из стекла КС-14 толщиной 4 мм и стекла ФС-7 толщиной 3 мм. Сигнал от фотоэлемента, пройдя через балансный каскад, регистрировался шлейфом осциллографа. Питание прибора осуществлялось от источника постоянного напряжения 24 ? 27 В. В приборе предусматривался автоматический обогрев при снижении температуры ниже 30 ° С внутри прибора. С включенным обогревом составляло не более 6 А, без обогрева – не более 2 А. Приборы использовались как на полигоне в наземных условиях, так и на самолете-носителе. Прибор ИПФ-1 применялся также на полигоне Капустин Яр для регистрации во времени характера принимаемого светового импульса, что страховало получение определенной информации в случае, если будут полностью отсутствовать данные скоростных съемочных камер из-за непредусмотренного изменения координат взрыва.
В последующих разработках измерителей длительности первой фазы в качестве датчиков использовались полупроводниковые селеновые фотоэлементы (типа СФ-10), выходной сигнал которых (электродвижущая сила) являлся функцией освещенности. Фотоэлементы обладали достаточно малой инерционностью и высокой чувствительностью, что позволяло производить регистрацию процесса непосредственно шлейфом осциллографа без применения усилителей. Конструктивно фотоэлемент представлял собой металлический диск с нанесенным на одной стороне светочувствительным слоем и с кольцевым контактным выводом на периферии. Рабочая площадь порядка 10 см 2 .
Приборы в виде выносных фотоголовок изготовлялись в двух модификациях.
Фотоголовка Ф-1 содержала один фотоэлемент, помещенный в металлический цилиндрический корпус. Перед элементом устанавливался светофильтр из стекла КС-14 и один из сменных нейтральных светофильтров с плотностями 0; 1; 2. Приборы, в основном, предназначались для использования на самолетах.
Фотоголовка Ф-2 имела три канала с чувствительностями, соотносящимися как 1:10:100. Головка суммарно содержала 12 селеновых фотоэлементов СФ-10 с соответствующими светофильтрами и имела форму диска диаметром 25 см и толщиной 4 см, в гнездах которой размещались указанные узлы. Первый канал содержал 10 фотоэлементов, включенных параллельно, перед которыми устанавливались светофильтры из стекла КС-14; второй канал содержал один фотоэлемент с таким же светофильтром; третий канал отличался от второго наличием стеклянного нейтрального светофильтра с оптической плотностью в единицу. Фотоголовка закреплялась на вершине вертикальной стойки, укрепленной в станине, и соединялась с каналами шлейфного осциллографа многожильным кабелем. Прибор предназначался для установки на кораблях, расположенных на соответствующем удалении от эпицентра взрыва, и мог также использоваться как в полигонных условиях, так и на самолетах.
Для регистрации сигналов фотоголовок Ф-2 (помимо осциллографической записи) разрабатывалась также система магнитной записи частотного сигнала, модулированного сигналом фотоголовки, т.е. регистрируемым процессом, и система частотной демодуляции (применение такого комплекса позволяло повышать оперативность обработки экспериментальных данных).
Последующим этапам разработок в направлении совершенствования методов измерения длительности первой фазы воздушного ядерного взрыва (миниатюризация выносной головки и создание регистрирующего устройства с непосредственной индикацией результата измерений для визуального снятия показаний) не суждено было воплотиться в реальные конструкции приборов: последовавшая серия временных мораториев на ядерные испытания и окончательный мораторий 1963 года закрыли проведение дальнейших исследований в этих направлениях.
Разработками и испытаниями перечисленной аппаратуры для регистрации длительности первой фазы интенсивности свечения воздушного ядерного взрыва занимались Г.А. Овсянников и А.А. Разоренов.
Из вышеприведенного краткого обзора вопросов изучения светового излучения воздушного ядерного взрыва следует, насколько многопланово и целеустремленно Спецсектор Института химической физики АН СССР уделял внимание вопросам оснащения ядерных полигонов Советского Союза соответствующими методиками и аппаратурой для исследования явлений, сопровождающих ядерный взрыв.
Научный персонал Спецсектора непосредственно участвовал в испытаниях ядерного оружия и обеспечивал обслуживание разработанной аппаратуры и методик на всех полигонах Советского Союза. Одновременно сотрудники Спецсектора проводили обучение технического персонала полигонов методико-техническим вопросам обслуживания аппаратуры, результатом чего во многих случаях являлась передача аппаратуры и методик на вооружение полигонов (однако, в некоторых случаях процедура “передачи опыта” затягивалась на годы, - взять, к примеру, хотя бы методику ИТИ-Б). Изготовлением, как опытных образцов приборов, так и их больших серий, были заняты коллективы всех производственных отделов Института химической физики АН СССР и его Спецсектора.
Сейчас мы, авторы данного обзора, возвращаясь памятью к событиям 50-летней давности, и оценивая нашу деятельность по созданию методик и аппаратуры для измерения светового излучения воздушного ядерного взрыва (и других его параметров), можем с удовлетворением отметить существенный вклад бывшего коллектива Спецсектора ИХФ АН СССР в обеспечение ядерных испытаний соответствующими приборными разработками.
Литература
• Академик М.А.Садовский, В.В.Адушкин. “Влияние нагретого пристеночного слоя на параметры ударной волны”. “Доклады Академии Наук СССР”, 1988 г., том 300, № 1, с.79 – 83.
От редакции: краткие сведения об авторах статьи
Адушкин Виталий Васильевич.
Член-корреспондент Российской академии наук, директор Института динамики геосфер РАН, лауреат премий Совета Министров СССР (1989г.) и Правительства РФ (1996г.). Окончил факультет теоретической и экспериментальной физики Московского инженерно-физического института (1956г.). Работал в Спецсекторе Института химической физики АН СССР (1953г.) и Института физики Земли АН СССР (1991г.). Является членом бюро Отделения наук о Земле РАН, председателем Научного Совета по проблемам народнохозяйственного использования взрывов РАН и АГН, заведующий кафедрой «Геофизика сильных воздействий» Московского физико-технического института.
Область научных интересов: геофизика, геомеханика, физика и сейсмология взрыва. Результаты исследований опубликованы в 250 научных статьях и 6 монографиях.
Горбенко Борис Захарович.
Родился 17 июня 1928 года в городе Луганске (Украина). Окончил МИФИ в 1952 году. Работая в Спецсекторе Института химической физики АН СССР в период 1952 - 1963 г.г. принимал непосредственное участие в испытаниях ядерного оружия на Семипалатинском полигоне и Северном полигоне на островах Новой Земли. В период 1963 - 1997 г.г. работал в системе Госстандарта СССР во ВНИИОФИ. Являлся одним из основных участников создания и внедрения в научные исследования уникальных экспериментальных и промышленных электронно-оптических камер для регистрации и измерения пространственно-временных характеристик быстропротекающих процессов, в том числе с предельным временным разрешением порядка 10 -12 секунды. Неоднократный участник выставок на ВДНХ, награжден пятью серебряными медалями «За достигнутые успехи в развитии народного хозяйства СССР». Автор и соавтор 4 изобретений и 44 публикаций в научных сборниках и журналах, в том числе в Трудах Международных конгрессов по высокоскоростной фотографии и фотонике.
Овсянников Георгий Алексеевич.
Родился 30 июня 1930 года в Москве в семье служащих. После окончания средней школы в 1948 году поступил в ММИ (Московский механический институт) – (будущий МИФИ) на физический факультет (№ 3). После окончания института в 1954 году направлен на работу в Институт химической физики АН СССР, где сразу же был привлечен к разработке, тарированию и эксплуатации полевых калориметров для измерения светового излучения воздушного ядерного взрыва. В период с 1954 по 1961 годы практически ежегодно участвовал в экспедициях на полигонах Семипалатинска, Новой Земли и Капустина Яра.
С 1961г. в связи с изменением тематики лаборатории занимался разработкой высокоэкономичных безколлекторных электродвигателей постоянного тока для протяжки пленки полевых сейсмографов, а затем разработкой систем коррекции положения равновесия маятников сейсмометров, размещенных в скважинах или штольнях.
В дальнейшем изучал воздействие СВЧ-излучения на диэлектрическую преграду. Первоначально занимался моделированием воздействия СВЧ-излучения с помощью встроенных в диэлектрик электронагревателей, а затем моделированием с помощью высокотемпературной газовой струи.
Следующим этапом работы стало изучение возможности сверхглубокого захоронения высокоактивных ядерных отходов в скважинах. Занимался моделированием процесса погружения с помощью воздействия СВЧ-излучения на поглощающее тело, находящееся в среде, не поглощающей излучение, что обеспечивало самопогружение объекта и давало возможность экспериментально выявлять особенности процессов при реальном погружении. Завершились эти работы экспериментальным моделированием конвективных течений с объемными источниками энерговыделения с помощью СВЧ-излучения.
Имеет 7 авторских свидетельств (5 в соавторстве) и более 20 статей (в большинстве в соавторстве) в различных технических журналах.
Разоренов Александр Александрович.
Родился 13 марта 1929 года в Москве. Начало трудовой деятельности – 2 февраля 1948 года - после окончания Московского электромеханического техникума имени Л.Б. Красина по специальности «производство радиоаппаратуры». В распределении выпускников принимала участие организация под названием ПГУ при СМ СССР (ее последнее название Минатомэнергопром). В направлении на место работы было указано: «... направлен тов. Н.Н. Семенову для тов. П.А. Рожановича», что на современном общедоступном языке означает: «направлен в Специальный сектор Института химической физики АН СССР для выполнения работ по тематике Семипалатинского испытательского полигона».
В данной организации, (но тоже с другим названием: с 1991 года Спецсектор преобразован в Институт динамики геосфер РАН) работает по настоящее время; должность - старший научный сотрудник.
В 1955 году окончил вечернее отделение МИФИ по специальности «физическое приборостроение». В 1967 году защитил кандидатскую диссертацию. В 1971 году утвержден в ученом звании «старший научный сотрудник» по специальности «приборы экспериментальной физики».
Принимал непосредственное участие в испытаниях ядерного оружия (на Семипалатинском полигоне и полигоне Новой Земли) в период с 1949 по 1967 годы. Научно-техническая специализация: аппаратурные и метрологические методики по исследованию различных физических процессов, а также вопросы геофизического приборостроения. Имеет 28 публикаций, в том числе 4 авторских свидетельства. Награды: орден «Знак почета» 1954г., медаль «За доблестный труд. В ознаменование 100-летия со дня рождения В.И. Ленина» 1970г., медаль «Ветеран труда» 1986г., орден Почета 1999г.
|
|
 |
