Способ получения направленного и когерентного гамма-излучения и устройство для его реализации

Способ получения направленного и когерентного гамма-излучения и устройство для его реализации

Реферат

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для получения направленного импульсного пучка когерентного гамма излучения. Способ включает накачку активной среды в виде лазерного стержня, выполненного из монокристалла в виде удлиненного цилиндра, в объеме которого однородно размещены ядра изотопов гидрида урановой группы и атомы водорода, кристаллическая решетка монокристалла содержит кристаллические плоскости, параллельные между собой и оси лазерного стержня, который является одновременно замедлителем для быстрых нейтронов, формирователем нейтронной волны, источником накачки и активной средой, при этом лазерный стержень последовательно заключен в металлическую оболочку из материала, поглощающего тепловые нейтроны, несущий стальной корпус с соединительными фланцами по его торцам, на один из торцов корпуса герметично и жестко установлена конической формы металлическая заглушка, а на противоположном торце жестко установлен закрытый с одного торца стальной стакан с осевой камерой и затвором, состоящим из смежных симметричных радиальных камер, в одну из которых жестко установлен первый тротиловый заряд с детонатором, в осевой камере стакана и последовательно установлены выполненная с возможностью радиального перемещения во вторую радиальную камеру затвора металлическая пробка из материала, поглощающего нейтроны, выполненные с возможностью осевого перемещения по стакану внешний источник быстрых нейтронов в виде монолитного цилиндра и поршень, жестко закрепленный второй тротиловый заряд с детонатором, который размещен у закрытой стенки стакана, создание критического режима в монокристалле путем инициирования цепной реакции деления тяжелых ядер урана тепловыми нейтронами в момент контакта торцевой поверхности внешнего источника быстрых нейтронов с торцевой поверхностью монокристалла, последовательно подрывая первый и второй тротиловые заряды, в результате чего газовым давлением выбивают пробку в свободную радиальную камеру затвора, на место которой перемещают внешний источник быстрых нейтронов и поршень, который с усиленным контактом по всей поверхности равномерно прижимает торец источника нейтронов к монокристаллу, формируют нейтронную волну вдоль продольной оси монокристалла с последующим выходом из конической заглушки когерентного и направленного гамма-излучения. Обеспечено значительное повышение плотности потока и мощности излучения. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способам получения направленного и когерентного излучения высокой энергии в рентгеновском и гамма-излучательном спектральных диапазонах с высокой выходной плотностью потока гамма-квантов (10²⁴ -10²⁵ с^-1· см ^-2) и устройствам для ее генерации, и предназначено для создания системы защиты планеты Земля от столкновения ее с космическими объектами, представляющими угрозу жизни на Земле (П.П.Кузнецов. Анализ следов падения особо крупных астероидов на поверхности Земли. Доклад на семинаре “Малые тела солнечной системы” в АИ РАН от 25.09.2002 г., А.В.Зайцев. Столкновения можно ожидать в любой момент //Земля и вселенная, 2002 г., №2 за март-апрель). Величины потоков (10²⁰-10²¹ с^-1 · см^-2) нейтронов накачки в предлагаемом изобретении могут быть получены только в результате специально сформированного ядерного взрыва. При этом возбуждение лазерной среды должно производиться потоками нейтронов накачки (Бушуев В.А., Кузмин Р.Н. Проблемы создания лазеров рентгеновского диапазона длин волн. Проблемы гамма-лазера, с.34-53, М.: Общество “Знание” РСФСР, 1976 г.; Husain J. Current trends in development of gamma ray lasers. J.Sci. IND RES., v. 49(8), p.390, 1990; Baldwin G. Approaches to the development of gamma-ray lasers, Rev. Mod. Phys., vol.53, №4. Part 486, 1981). Все существующие современные лазеры, в том числе и гамма-лазер, содержат три основных компонента: активная среда (элемент), в которой создают инверсию населенностей, устройство для создания инверсии в активной среде (система накачки) и устройство для обеспечения положительной обратной связи, например, резонатор для ИК- и видимого диапазонов. Они также обладают способностью концентрировать любую энергию (в том числе и световую) в пространстве и во времени (Борейшо А. Лазеры: устройство и действие, учебное пособие. Санкт-Петербург: Механический институт, 1992). Указанные необходимые требования по созданию гамма-лазера с ядерной накачкой выполняются при временном факторе накачки порядка 10^-3 с, а время взрыва существующих ядерных зарядов определяются в 10^-9 с, что исключает создание рассматриваемого устройства с помощью существующих ядерных зарядов. Данное противоречие преодолевается при единственном условии, когда увеличивают (растягивают) время ядерного взрыва до 10^-3 с. Увеличение времени взрыва, осуществляют при изменении геометрического фактора и критических размеров (критический размер - это размер, сравнимый с длиной пробега нейтрона в среде, при котором начинают идти цепные ядерные реакции) ядерного заряда. В обычных ядерных зарядах (сферическая симметрия) критический размер заряда определяется только одним размером - диаметром. В этом случае ядерными реакциями однородно охватывается весь объем ядерного устройства за время 10^-8 с. В случае цилиндрической симметрии критический размер заряда определяется двумя размерами - диаметром и длиной заряда. При такой симметрии осуществление ядерных реакций деления тяжелых ядер происходит не сразу во всем объеме, а с одного из торцов цилиндрического заряда (стержня). При этом стартовое (начальное) инициирование ядерных реакций деления производят с одного из торцов с помощью дополнительного источника быстрых нейтронов на основе существующих для этого ядерных реакций. В этом случае схватывание ядерными реакциями деления будет иметь неоднородный характер, т.е. возникнет подобие волны реакции. Волна реакций деления будет двигаться вдоль стержня со скоростью движения тепловых нейтронов, полученных в результате замедления быстрых нейтронов на ядрах водорода, и, которые в свою очередь рождаются при реакциях деления тяжелых ядер, инициируют эти реакции деления и усиливают в свою очередь волну ядерных реакций деления по мере продвижения по стержню ядерного заряда. В этом случае время взрыва определяется критической длиной стержня (длина ядерного заряда, при котором начинается цепная реакция деления) ядер урана и скоростью движения тепловых нейтронов, которые возбуждают реакции деления тяжелых ядер. Таким образом, в области волны реакции деления будет происходить излучение гамма-квантов, которые рождаются в процессе деления тяжелых ядер, двигаются вдоль стержня к противоположному торцу и излучаются с его поверхности в пространство. В зависимости от кристаллической структуры стержня и геометрического фактора активной ядерной твердотельной среды и от формирования волны реакции (инициируется нейтронной волной), которая создается дифракционным рассеянием тепловых нейтронов на кристаллической решетке и тем самым образуется когерентная волна гамма-излучения. Все необходимые параметры устройства, при которых осуществляются условия для излучения направленного и когерентного гамма-излучения, рассчитываются и определяются с позиции ядерной физики, квантовой электроники, квантовой физики твердого тела и квантово-волновой оптики нейтронов в твердотельных средах.

Известен способ (прототип) получения инверсной заселенности (накачка) ядерных уровней в материале активной среды гамма-лазера для создания когерентного гамма-излучения от источника накачки (В.И. Петрик (RU) RU №2074469, МКИ 6 Н 01 S 4/00, 1997), который включает в себя использование монокристалла осмия 187, перевод некоторой доли ядер в возбужденное метастабильное состояние материала активной среды, создание инверсной заселенности между изомерными уровнями ядер осмия 187, создание в материале активной среды гамма-резонансных условий гамма-излучательного перехода, осуществление накачки изомерного уровня внешним источником.

Известно устройство (прототип). Рентгеновский и гамма-лазер с ядерной накачкой от внешнего источника (Эдвард Теллер (US). Лазерное оружие //Ракетная и космическая техника, №16(1121), 17 апреля 1981 г., с.20, рис.3), которое включает внешний ядерный источник накачки активной среды, лазерные металлические стержни с диаметром, равным поглощению рентгеновского излучения, расположенные вокруг источника, твердое вещество в стержнях с высокой атомной плотностью,

Известный способ не может обеспечить представленным энергетическим источником внешнюю нейтронную накачку ядерных уровней для поддержания инверсной заселенности, чтобы на выходе получить потоки гамма-излучения порядка 10²⁵ с ^-1· см^-2, т.к. для этого понадобятся потоки гамма излучений, превышающих выходные потоки гамма на несколько порядков, а такой источник в способе не указан. Накачка для возбуждения ядер в этом способе производится гамма-излучением, при ядерном взрыве, а не нейтронами, что резко уменьшает выходные потоки гамма-лазерного излучения, т.к. первичное гамма-излучение только частично будет поглощаться в активной среде гамма-лазера при создания инверсной заселенности небольшой доли возбуждаемых ядер. Кроме того, для создания инверсной заселенности необходимо, чтобы было совпадение энергии налетающего гамма-кванта с ядерным переходом с точностью до ширины перехода. В данном случае такая часть необходимой энергии гамма-квантов содержится только в очень малой доле энергетического распределения гамма-излучения при ядерном взрыве. В основном при ядерном делении вылетают гамма-кванты с энергией 6-9 МэВ. При самом ядерном взрыве за счет образования высокотемпературной плазмы излучается сплошной спектр излучений в рентгеновском диапазоне 10-100 кэВ. Таким образом, выходная потоковая величина гамма-лазерного излучения станет еще на несколько порядков меньше по сравнению с исходным потоком гамма-квантов от ядерного взрыва. При этом необходимая энергия гамма-кванта лазерного излучения должна иметь величину порядка 257 кэВ, а для рассматриваемого спектра интенсивность излучения при такой энергии уменьшается на несколько порядков. В данном случае только небольшая часть выходного излучения будет использована на возбуждение необходимых ядерных уровней. При этом основная часть энергии излучения накачки бесполезно рассеется. Кроме того, предлагаемый способ преобразования энергии накачки в направленное когерентное гамма-излучение не подтверждается какими-либо математическими расчетами или результатами экспериментов.

В известном устройстве используется внешняя накачка материала активной среды гамма-лазера рентгеновским излучением и гамма-излучением ядерного взрыва. При внешней накачке только очень небольшая доля энергии излучения поглощается в тонких стержнях на глубину их диаметра. В данном случае в основном поглощается излучение в рентгеновском диапазоне, т.к. длина поглощения рентгеновского излучения составляет десятые доли мм. Такой же толщины берутся и металлические стержни. В результате такой накачки активной лазерной среды происходит поглощение излучения за счет эффекта Оже (процесс заполнения электроном вакансий в одном из внутренних уровней энергии атома Физический Энциклопедический Словарь, изд. МЭС, с.484, 1984). Верхние электроны в атоме тяжелого металла за малый промежуток времени (10 ^-15 с) начинают занимать освободившийся уровень и излучать кванты перехода с верхнего уровня на нижний уровень. Поэтому, чтобы создать условие инверсной заселенности на данном атомном уровне, необходимы потоки накачки рентгеновским излучением, намного превышающие современные источники ядерных взрывов. В силу эффекта Костера-Кронига (процесс, при котором первичная вакансия энергетического электронного уровня переходит в одну из вторичных вакансий, принадлежащих одной и той же оболочке многоэлектронного атома, см. там же.) излучаемый квант по мере продвижения в электронной среде атома преобразуется в несколько квантов меньшей энергии в сумме, равной энергии первоначального кванта. Таким образом, энергия выходного гамма-кванта уменьшается. Данное устройство было испытано в США, но когерентного излучения получено не было. Однако было получено направленное излучение за счет геометрического фактора длинного тонкого стержня (струны). Такой способ накачки является неэффективным с точки зрения кпд преобразования, т.к. с одной стороны геометрические свойства внешней накачки таковы, что основная часть энергии излучения не используется, а с другой стороны выходное излучение не является когерентным, и будет иметь место сильная геометрическая расходимость выходного излучения. В том случае если излучение было бы когерентным, то имело место дифракционная расходимость, которая на несколько порядков меньше геометрической. Поэтому полученные при испытании в США величины выходного излучения рассматриваемого лазера, составляющие сотни терраватт, практического интереса не представляют, т.к. при характерном времени накачки рентгеновского уровня атома, равном 10^-20 с, выходная энергия излучения при такой мощности составит только 0,01 Дж. В данном устройстве выходное излучение представляет собой только рентгеновский диапазон, что соответствует энергии кванта 10-100 кэВ, а это небольшая часть полного спектра ядерного взрыва, т.к. в этом случае происходят большие потери энергии накачки также и по спектру излучения. Полученные результаты по выходному излучению из стержня показали, что они составляют только 0,001% от рентгеновского излучения ядерного взрыва. Таким образом, называть рассматриваемое устройство рентгеновским лазером и тем более гамма-лазером в свете описанных выше условий работы и выходных параметров излучения можно только условно, а само устройство (прототипа) надо рассматривать как ядерный заряд со стержнями с высокой атомной плотностью. Однако каких-либо других устройств подобного типа до настоящего времени создано не было и подобных экспериментов больше не проводилось. Дополнительно можно отметить, что в известном способе и устройстве отсутствует единый замысел, т.к. в способе отсутствует ядерный источник накачки, но присутствует активная среда гамма-лазера, а в устройстве активная среда присутствует, но не для осуществления в устройстве лазерных процессов, а для возбуждения глубоких высокоэнергетических атомных уровней и переизлучения энергии накачки в направленное излучение, за счет влияния геометрического фактора накачиваемой среды. В результате рассмотренные способ и устройство (прототипов) не являются средствами защиты планета Земля от встреч с космическими объектами из-за недостаточной энергетической мощности выходного излучения в обоих прототипах и общий для обоих них низким кпд их работы.

Техническим достижением настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, увеличения кпд работы способа и устройства, получения направленного и когерентного импульсного гамма-излучения высокой плотности мощности и потока энергии, которые осуществляются только при объединении в единый замысел нового способа организации гамма-излучательного перехода активной среды и источника ядерной накачки. Необходимые для поставленной задачи параметры выходного излучения можно получить только при совмещении источника ядерной накачки с материалом активной среды гамма-лазера и при использовании в качестве накачки активной среды нейтронные потоки ядерного взрыва, а не гамма-кванты. Для реализации такого устройства необходимо произвести изготовление твердотельного стержня с субкритическими размерами в виде монокристалла с определенным направлением межкристаллических плоскостей из неметаллического материала, являющегося химическим соединением атомов замедлителя для нейтронов накачки и тяжелых атомов источника накачки в активной среде гамма-лазера с гомогенным распределением в нем легких и тяжелых ядер.

Существующие способы получения мощных энергетических потоков для использования их на расстоянии порядка 10⁵ км в технических проектах не рассматривались, т.к. считались не реальными. Рассмотрение с одной стороны физических процессов возбуждения тяжелых ядер и их деление тепловыми нейтронами с позиции квантовой электроники, когда такие процессы определяются по аналогии с явлением инверсной заселенности атомных или ядерных уровней, возбуждаемых рентгеновским или гамма-излучением, а с другой стороны результатами исследований по применению новых технологий выращивания монокристаллов (Монокристаллы, их получение и свойства, Сборник трудов №8 ВНИИМонокристаллов, Харьков, 1982; Рязанов М.И. Взаимодействие ядерных излучений с монокристаллами. М.: МИФИ, 1979), а также разработками по выращиванию новых металлов и монокристаллов из соединений гидрида различным металлов (Царев В.А. Низкотемпературный ядерный синтез, УФН, т.160, вып.11, 1990), позволяют создать по материалам представленного изобретения источник управляемого когерентного гамма-излучения для направленной ее генерации в космическом пространстве. В этой связи вышедший из боевого торца гамма-лазера суммарный пучок длительностью 10 ^-3 с когерентных и некогерентных квантов рентгеновского излучения и гамма-квантов перемещается в пространстве со скоростью света и несет в себе большую часть энергии ядерного взрыва. Такой источник способен защитить планету Земля от любых космических объектов, пересекающих ее орбиту, путем многократного ударного воздействия в одно и тоже место на этом объекте с оптимального расстояния. При таком воздействии можно или разрушить тело астероида, или создать условия для отклонения его траектории на безопасное расстояние от планеты Земля, за счет образования реактивной тяги путем испарения вещества астероида в заданном направлении.

Технический результат достигается с помощью способа получения направленного и когерентного гамма-излучения, включающий в себя использование монокристалла осмия 187, перевод некоторой доли ядер в возбужденное метастабильное состояние материала активной среды, создание инверсной заселенности между изомерными уровнями ядер осмия 187, создание в материале активной среды гамма-резонансных условий гамма-излучательного перехода с энергией 257 кэВ, осуществление накачки изомерного уровня внешним источником, отличающийся тем, что в качестве материала активной среды используют монокристалл, который состоит из гидрида изотопа урановой группы, который получают, например, в вакуумной нагревательной печи внутри металлического цилиндра путем кристаллизации, для чего поверхность его внутреннего диаметра покрывают слоем материала из гидрида другого металла и выращивают цилиндрический монокристалл с межкристаллическими плоскостями, которые параллельны между собой и его оси и, таким образом, внедряют пропорционально и гомогенно распределяют ядра водорода и ядра изотопов урановой группы и в результате совмещают источник ядерной накачки, замедлитель для нейтронов, формирователь нейтронный волны и получают гомогенный ядерный реактор в предкритическом состоянии (начало цепных ядерных реакций деления), составляющий активную среду гамма-лазера в монокристалле, а на внешний диаметр цилиндра последовательно надевают металлические оболочки, которые отражают и поглощают тепловые нейтроны, и несущий стальной корпус, один из торцов, которого закрывают конической заглушкой, а к противоположному торцу дополнительно присоединяют стакан с глухим торцом и осевой полостью и затвор, с сообщающимися между собой и герметично закрытыми торцами радиальными полостями, в одну из которых устанавливают тротиловый заряд, а в общую осевую полость стакана и полость затвора соосно устанавливают с радиальным перемещением по затвору металлическую пробку из материала, поглощающую тепловые нейтроны, и с осевым перемещением по стакану внешний источник быстрых нейтронов в виде монолитного цилиндра и подвижного поршня, и еще один тротиловый заряд у глухого торца стакана, а направленное когерентное излучение гамма-квантов, рентгена и нейтронов, получают в реакторе из монокристалла, когда создают критический режим его работы при инициировании цепной реакции деления тяжелых ядер тепловыми нейтронами в момент контакта торцевой поверхности внешнего источника быстрых нейтронов с торцевой поверхностью монокристалла из гидрида урана, когда последовательно подрывают в радиальной и осевых полостях затвора и стакана тротиловые заряды, газовым давление которых выбивают пробку в свободную радиальную камеру, а на ее место перемещают монолитный цилиндр с источником нейтронов и подвижный поршень, который усиливает контакт по всей поверхности и равномерно прижимает торцы источника нейтронов и монокристалла друг к другу и инициируют тем самым запуск ядерных реакций источника накачки в активной среде гамма-лазера с последующим выходом из торца цилиндра с конической заглушки когерентного и направленного гамма-излучения, который в свою очередь образован путем инициирования ядерных реакций нейтронами нейтронной волны, движущейся направлено вдоль продольной оси монокристалла. Рассеивают и замедляют нейтроны деления тяжелых ядер до тепловых нейтронов с пространственно-неоднородным распределением и инициируют цепную реакцию деления тяжелых ядер и испускание нейтронов и гамма квантов цепной реакции деления. Рассеивают и замедляют быстрые нейтроны цепной реакции деления тяжелых ядер до тепловых нейтронов на ядрах водорода и формируют из части тепловых нейтронов когерентно рассеянные нейтроны за счет отражения на кристаллических плоскостях монокристалла из гидрида урана. Формируют и усиливают направленную нейтронную волну из когерентно рассеянных тепловых нейтронов в направлении оси цилиндра за счет процессов: инициирования цепного деления тяжелых ядер тепловыми нейтронами, отражения от гидридного слоя на внешней поверхности цилиндра и дифракционного отражения кристаллическими плоскостями монокристалла из гидрида урана. Инициируют, формируют и усиливают фазовую (когерентную) волну цепной реакции распада ядер урана в стержне из гидрида урана в результате поглощения нейтронов нейтронной волны тяжелыми ядрами. Инициируют, формируют и усиливают направленные фазовые (когерентные) волны нейтронов и гамма квантов за счет деления тяжелых ядер нейтронами нейтронной волны и когерентной волны цепной реакции деления тяжелых ядер. Формируют фронт тепловой волны в стержне, которая возникает за счет выделения энергии в процессах деления тяжелых ядер так, чтобы скорость тепловой волны не превышала скорости нейтронной волны. Формируют фронт волны испарения стержня, которая возникает в результате выделения тепла так, чтобы скорость волны испарения не превышала скорости нейтронной волны. Формируют фронт волны сжатия и разряжения среды стержня за счет образования фронта тепловой волны. Рассеивают и частично преобразуют направленную когерентную волну нейтронов в нейтронную волну для инициирования и усиления фазовой волны цепной реакции деления ядер урана, а остальную часть испускают с противоположного торца цилиндра монокристалла. Рассеивают и частично преобразуют направленную когерентную волну гамма-квантов в рентгеновскую когерентную волну за счет комптоновского рассеяния на электронах среды и испускают направленную когерентную волну рентгена и остальную часть направленного когерентного потока гамма-квантов через противоположный торец цилиндра из гидрида урана.

Технический результат достигается также с помощью устройства для генерации гамма-излучения, содержащее, внешний ядерный источник накачки активной среды, лазерные металлические стержни с диаметром равным поглощению рентгеновского излучения, расположенные вокруг источника, твердое вещество в стержнях с высокой атомной плотностью, для генерации гамма-излучения, отличающееся тем, что оно состоит из лазерного твердотельного неметаллического стержня из гидрида металла урановой группы в виде удлиненного цилиндра с предкритическими размерами диаметра и длины, в объеме решетчатой структуры, в которой однородно размещены с концентрацией пропорционально химическому соединению изотопы урана и легких ядер атомов водорода, составляющих кристаллическую решетку монокристалла в виде межкристаллических плоскостей, параллельных между собой и оси лазерного стержня, и представляет собой гомогенный ядерный реактор, который в общем объеме состоит из лазерного стержня, являющийся одновременно замедлителем для быстрых нейтронов, формирователем нейтронной волны, источником накачки и лазерно-активной средой, а по внешнему диаметру монокристалл заключен в тонкую оболочку из фольги, состоящей из материала, отражающего тепловые нейтроны, например, из гидрида лития, титановую цилиндрическую оболочку и в металлические оболочки, состоящие из материалов, отражающих и поглощающих быстрые и тепловые нейтроны, а также в несущий стальной корпус с соединительными фланцами по его торцам, где на один из торцов корпуса герметично и жестко установлена конической формы металлическая заглушка, а на противоположном торце также жестко дополнительно установлен закрытый с одного торца стальной стакан, состоящий из осевой камеры, и затвор, состоящий из смежных между собой симметричных радиальных камер, в одну из которых жестко установлен тротиловый заряд, а в осевую камеру стакана герметично и последовательно установлены: радиально перемещающаяся в затворе монолитная металлическая пробка из материала, поглощающего нейтроны, и имеющие осевое перемещение по стакану внешний источник быстрых нейтронов в виде подвижного монолитного цилиндра и подвижный поршень, а также жестко установлен еще один тротиловый заряд, который размещен у закрытой стенки осевой камеры стакана. Пробка и источник быстрых нейтронов заключены в стальные цилиндрические рубашки. Цилиндр заключен в собственный, закрытый с одного торца металлический стакан из материала, поглощающего тепловые нейтроны, и открытым торцом направлен в сторону пробки, при этом он жестко и герметично размещен в стальной цилиндрической рубашке.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны варианты решетчатых структур цилиндрического монокристалла в виде кристаллических плоскостей, параллельных оси симметрии цилиндра (реактора): а - решетчатая структура выполнена в виде крупных кристаллических плоскостей, параллельных оси цилиндра; б - решетчатая структура выполнена в виде набора из отдельных цилиндров с параллельными оси кристаллическими плоскостями; в - решетчатая структура выполнена в виде отдельных мелких кристаллических плоскостей по варианту а и б; на фиг.2 представлена изометрия гамма-лазерного устройства с осевым разрезом, находящегося в предстартовом (в прекритическом состоянии) положении на космической орбите, на фиг.3 представлен элемент изометрии гамма-лазерного устройства с осевым разрезом в момент его старта на космической орбите при контакте торца активной среды монокристалла с поверхностью источника быстрых нейтронов, на фиг.4 представлено схематически физика процесса деления тяжелого ядра и образования гамма-кванта при поглощении теплового нейтрона, на фиг.5 представлено схематически образование когерентного излучения гамма-квантов в результате инициирования реакций деления тяжелых ядер нейтронами нейтронной волны, на фиг.6 показана картина дифракционного рассеяния тепловых нейтронов на межкристаллических плоскостях монокристалла и образование нейтронной волны, на фиг.7 дана общая физическая картина развития процессов при формировании и выхода когерентного гамма-излучения из монокристалла гамма-лазера в момент старта с космической орбиты: на фиг.8 представлен график изменения интенсивности нейтронной волны при движении по стержню в результате выделение нейтронов за счет цепной реакции распада урана 235 инициируемые нейтронами нейтронной волны, на фиг.9 изображен график зависимости изменения критической длины от критического радиуса стержня из кристалла гидрида урана 235 без отражателя, на фиг.10 представлен график зависимости изменения критической длины (см) от критического радиуса (см) реактора из гидрида урана 235 с отражателем из гидрида лития толщиной 0,05 см, на фиг.11 представлен график зависимости изменения критической длины (см) от критического радиуса (см) реактора из гидрида урана 235 с отражателем из гидрида лития толщиной 0,1 см, на фиг.12 представлен график зависимости изменения критической длины (см) от критического радиуса (см) реактора из гидрида урана 235 с отражателем из гидрида лития толщиной 0,2 см, на фиг.13 представлен график зависимости изменения интенсивности (с^-1· см^-2) ядерных реакций распада урана от времени (с) в течение времени жизни теплового нейтрона в результате инициирования реакций распада нейтронами от источника на торце реактора, на фиг.14 показан график изменения скорости испарения стержня из гидрида урана в зависимости от длины испарения стержня за счет удельной выделяемой энергии в результате цепной реакции распада ядер урана инициируемой нейтронной волной, на фиг.15 представлен график изменения температуры (тепловая волна) разогрева стержня по мере продвижения нейтронной волны по реактору от расстояния на длине 10 см, на фиг.16 представлен график изменения температуры (тепловая волна) разогрева реактора по мере продвижения нейтронной волны по реактору от расстояния на длине 1 см.

Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из титанового полого цилиндра 1, внутренний диаметр которого по всей длине покрыт плотно прилегающей к его поверхности фольгой 2 толщиной до 0,1 см, выполненной из материала, отражающего тепловые нейтроны, например гидрида лития. В образованный фольгой 2 диаметр, также плотно к ее поверхности и по всей длине размещен путем выращивания цилиндрический монокристалл 3 из гидрида изотопа урановой группы с критическими размерами по диаметру и длине. Монокристалл 3 по всему объему представляет собой решетчатую структуру из параллельных между собой и оси цилиндра 1 кристаллических плоскостей 4 (вариант а), или из отдельных составных наборов цилиндрических элементов 5, каждый из которых включает позиции 1, 2, 3 (вариант б), или из отдельных мелких кристаллических плоскостей 6 (вариант в) на фиг.1. Для всех вариантов кристаллические плоскости имеют, например, координаты (1, 0, 0). Позиции 1, 2, 3, 4, 5, 6 характеризуют самостоятельный элемент устройства как лазерный стержень 7 с вариантами (а, б, в), который в лазерной технике и в нашем случае выполняет функцию зоны активной среды твердотельного лазера в виде монокристалла 3 фиг.2, 1. Активная среда лазера в виде монокристалла 3 совмещена с источником его накачки в виде гидрида изотопа урановой группы, равномерно размещенного в том же монокристалле 3. На лазерный стержень 7 (или на внешний диаметр титанового цилиндра 1) плотно и жестко установлены цилиндрические оболочки: оболочка 8, выполненная из материала, отражающего тепловые нейтроны, например бериллия, оболочка 9, выполненная из материала, поглощающего тепловые нейтроны, например кадмия, и стальной несущий корпус 10 с присоединительным фланцем 11. Оболочки 8 и 9, а также корпус 10 составляют вместе с лазерным стержнем 7 ядерный реактор 12. С одного торца реактор 12, через фланец 11, герметично закрыт съемной конической втулкой 13, которая определяет боевое направление лазерного стержня 7, а с противоположного торца он герметично и жестко соединен с вертикально расположенным и имеющим, например, прямоугольную форму корпуса, затвором 14. Внутри корпуса затвора 14 по всей длине его вертикальной оси выполнен сквозной прямоугольный канал 15, а на симметричных стенках затвора 14, в направлении продольной оси лазерного стержня 7, соосно друг к другу, выполнены сквозные отверстия 16 и 17 соответственно. В канал 15 симметрично продольной оси, проходящей через центр отверстия 16 и 17, а также с перекрытием корпуса 10 (фиг.2) реактора 12 с вертикальным перемещением по каналу 15, плотно установлена заглушка 18 (фиг.2). Заглушка 18 выполнена из материала замедляющего и поглощающего быстрые нейтроны, например кадмия с углеродом, заглушка имеет собственную внешнюю рубашку 19 и герметично закрывает отверстия 16 и 17 (фиг.2). С торцов канал 15 герметично закрыт двумя одинаковыми, имеющими общую позицию, съемными крышками 20, через одну из которых в канал 15 жестко установлен тротиловый заряд 21 с детонатором 22 и герметично изолирующий подводящие провода (позиций не имеют) стальной болт 23 на одной из крышек 20. К стенке корпуса затвора 14 (фиг.3) со стороны отверстия 17 (фиг.2) герметично и жестко соосно с 7, 16 и 17 присоединен полый цилиндр 24 (фиг.2, 3), внутри которого плотно, с осевым перемещением, установлены: радиоактивный источник быстрых нейтронов 25, заключенный в свою металлическую цилиндрическую рубашку 26 (фиг.2, фиг.3) и прижимающий поршень 27. Открытый торец цилиндра 24 через соединительный фланец 28 герметично закрыт съемной крышкой 29, посредством которой в полый цилиндр 24 под крышкой 29 жестко установлен второй тротиловый заряд 30 со своим детонатором 31, подводящими проводами (позиций не имеют) и изолирующий их стальной болт 32, который герметично установлен на крышке 29. Тротиловые заряды и их детонаторы имеют самостоятельные позиции, т.к. они несут в себе разную мощность взрыва и выполняют различные технологические функции не связанные друг с другом. Радиоактивный источник быстрых нейтронов 25 представляет собой малогабаритный в масштабе (фиг.2) смесь радиоактивных элементов, ядра которых под воздействием ядерных реакций излучают быстрые нейтроны с величиной потока частиц порядка 10⁸-10 ⁹ с^-1· см^-2. Полученное таким образом устройство представляет собой гамма-лазер с ядерной накачкой, который в земных условиях должен быть герметично размещен в металлическом контейнере с защитными от радиации слоями, который снимается при запуске на космическую орбиту. В рассматриваемом изобретении контейнер не рассматривается и позиций не имеет.

Для определения позиций и с целью описания физических процессов в лазерном стержне 7 и в ядерном реакторе 12 на фиг.4 схематично и в развернутом виде изображено пространство кристаллической решетки 33 с атомами изотопов урановой группы 34, например урана 35 с внедренными в нее атомами водорода 36, образующей химическое соединение UH₆, имеющее твердотельное состояние в виде монокристалла. Кристаллическая решетка 33 состоит из атомов изотопа урановой группы 34, в которую внедрены и равномерно распределены атомы водорода 36. На фиг.4, 5, 6, 7 показаны ядерные частицы, которые участвуют в процессах ядерной накачки и инициирования ядерных реакций деления тепловыми нейтронами 37 с выделением быстрых нейтронов 38, гамма-квантов 39 (фиг.4), осколков тяжелых ядер 40 (фиг.4), инициирование за счет реакций деления фронта волны цепных ядерных реакций 41 (фиг.5 и 7) фронта тепловой волны 42, фронта волны испарения вещества 43, фронта волны разрежения 44 и волны сжатия 45 вещества, инициирование цепных ядерных реакций деления тепловыми нейтронами 37 с выделением быстрых нейтронов 38 и образованием в результате замедления на ядрах водорода быстрых нейтронов 38 и дифракционного рассеяния на кристаллической решетке 33 тепловых нейтронов 37, инициирующие когерентные цепных ядерные реакции деления 46 и нейтронной волны 47 (фиг.6), которая в свою очередь инициирует волну цепных ядерных реакций 41 и когерентную волну гамма-излучения 48 (фиг.6). Все рассматриваемые процессы осуществляются в монокристалле 3, в кристаллической решетке 33. Образование и выход направленного и когерентного гамма-излучения 48 из гамма-лазера с ядерной накачкой осуществляют следующим образом. С целью создания нового материала активной среды лазера в твердотельной фазе, например, в вакуумной нагревательной печи (позиции не имеет) выращивают м