'Mission Oflameron' Synopsis. Jett и Steeve (Чехия. Прага. Ресторан. Какое-то время спустя). Jett: 'Вы говорили, что участвовали в работах по пучковым системам.' Steeve: 'Они всё время затрагивают дополнительные темы. В тот раз спросили, какие идеи я могу предложить в области мощных пучковых систем. Я почитал, что есть в открытых публикациях. Потом предложил использовать мощные кольцевые импульсные лазеры с торцевой накачкой. Дисковый лазер не сплошной, а в виде широкого кольца с неизлучающей серединой. Лазер пробивает в атмосфере канал с отрицательной ионизацией. Внутри лазерной "трубы" возникает разрежённая атмосфера и туда подаётся мощный ударный пучок отрицательных ионов водорода (с лишним электроном). Ионы уже разогнаны и начинают отталкиваться от отрицательно ионизированного лазерного канала, поддерживая обжатый пучковый канал.' Jett: 'Это известные технические решения - создание «полого» (кольцевого) лазерного луча для формирования оптического канала в атмосфере. В физике такие пучки называют донат-пучками (donut beams) или пучками с высшими модами. Лазерное кольцо нагревает воздух по периметру канала. Энергия лазера поглощаетсяя молекулами газа (даже без ионизации, просто за счет теплового поглощения), воздух мгновенно раскалится и начнет взрывообразно расширяться. Внутри лазерного туннеля столкнутся встречные волны расширяющегося газа. Там на доли секунды возникнет область повышенного давления. Затем, за счет инерции и последующего охлаждения/оттока, в центре и в зоне самого кольца сформируется канал пониженной плотности (вакуумный «туннель»). Горячий или ионизированный воздух в зоне кольца имеет меньшую плотность, а значит, и меньший показатель преломления, чем холодный воздух в пустой серединке и снаружи. Для лазерного луча это создает структуру, обратную световоду: Свет стремится изгибаться в сторону большего показателя преломления. Лазерное кольцо начнет самодефокусироваться - свет начнет «убегать» наружу и во внутреннюю пустую область. Кольцо быстро размоется по дороге. Чтобы это сработало и пустая серединка действительно превратилась в идеальный туннель для доставки энергии (или того же пучка водорода), используют ультракороткие фемтосекундные лазеры.' Steeve: 'Это понятно. Водородный пучок можно не "обдирать" (оставить отрицательно водородным с лишним электроном) и знак ионизации в лазерной рубке и у водородного пучка сделать одинаковыми. Тогда, подбирая диаметр трубы в лазерном излучении можно добиться минимизации расхождения водородного пучка. Представим, что мы запускаем в лазерную трубку не нейтральный водород, а чистый протонный пучок (положительный заряд) или пучок электронов (отрицательный заряд). Чтобы стенки лазерной трубки отталкивали пучок к центру и не давали ему расходиться, знаки зарядов действительно должны быть одинаковыми: 1. Вариант с протонным пучком (+): Стенки лазерного канала должны быть заряжены строго положительно. Протоны, пытаясь расшириться в стороны, будут натыкаться на положительный заряд стенок, отталкиваться от них и возвращаться к центру. 2. Вариант с электронным пучком (-): Стенки лазерного канала должны иметь избыточный отрицательный заряд. Электроны пучка будут отжиматься от стенок к оси туннеля. Реально ли создать лазерную трубку с нужным знаком заряда? Да, физика лазерной плазмы это позволяет, но с одним важным нюансом. Когда сверхмощный лазер ионизирует воздух в форме кольца, он выбивает электроны из молекул. Образуется плазма, состоящая из тяжелых положительных ионов (азота/кислорода) и легких свободных электронов. Из-за огромной разницы в массе происходит разделение зарядов: Легкие электроны мгновенно разлетаются в стороны от лазерного луча под действием радиационного давления света (это называется пондеромоторной силой). Тяжелые положительные ионы остаются на месте, так как они слишком массивные, чтобы быстро сдвинуться. В результате само лазерное кольцо на доли секунды становится мощнейшим источником положительного заряда, а вокруг него образуется «облако» из отрицательных электронов. Для протонного пучка (+): Условия идеальные. Стенки лазерного кольца заряжены положительно, и они будут отталкивать летящие внутри протоны (+), фокусируя их к центру. Это называется плазменным фокусом или плазменным волноводом. Но! Даже если мы подобрали идеальный диаметр трубы и знаки зарядов совпали, в атмосфере систему разрушит экранирование плазмы (Дебаевский радиус). Свободные электроны, которые лазер выбил из воздуха, невероятно подвижны. Как только ваш заряженный пучок влетит в туннель, окружающая плазма за наносекунды среагирует: электроны перераспределятся так, чтобы полностью «заэкранировать» и погасить любое внешнее электрическое поле. Стенки трубы мгновенно потеряют свой чистый плюс или минус для пучка, став электронейтральными, и фокусировка пропадет. Так вот, я придумал как сдувать плазму.'
'Mission Oflameron' Synopsis. Jett and Steeve (Prague, Czech Republic. A restaurant. Some time later). Jett: "You mentioned that you worked on beam systems." Steeve: "They’re always bringing up related topics. At one point, they asked what ideas I could offer regarding high-power beam systems. I reviewed the available open-source literature. Then I proposed using high-power, end-pumped annular pulsed lasers. The laser isn't a solid disc but a wide ring with a non-emitting center. The laser punches a negatively ionized channel through the atmosphere. A rarefied atmosphere forms inside this laser 'tube,' and a powerful pulsed beam of negative hydrogen ions-ions with an extra electron - is injected into it. These ions are already accelerated; they are repelled by the negatively ionized laser channel, which helps maintain the compressed beam channel." Jett: "Those are well-known technical solutions - creating a 'hollow' (annular) laser beam to form an optical channel in the atmosphere. In physics, such beams are called 'donut beams' or higher-order mode beams. The laser ring heats the air along the channel's perimeter. Gas molecules absorb the laser energy - even without ionization, simply through thermal absorption - causing the air to instantly superheat and expand explosively. Opposing waves of expanding gas collide inside the laser tunnel. For a fraction of a second, a high-pressure zone forms there. Then, due to inertia and subsequent cooling or outflow, a low-density channel - a vacuum 'tunnel' - forms at the center and within the ring itself." The hot or ionized air in the ring zone has a lower density - and consequently a lower refractive index - than the cold air in the hollow center and the surrounding area. For a laser beam, this creates a structure the reverse of an optical fiber: light tends to bend toward the region with the higher refractive index. The laser ring begins to self-defocus; light starts to "leak" outward and into the hollow inner region. The ring quickly dissipates as it travels. To make this work - and ensure the hollow center truly becomes an ideal tunnel for delivering energy (or, for instance, a hydrogen beam) - ultrashort femtosecond lasers are used. Steeve: "That makes sense. One could avoid 'stripping' the hydrogen beam (leaving it as a negative hydrogen ion with an extra electron) and ensure the ionization polarity of the laser channel matches that of the hydrogen beam. Then, by adjusting the diameter of the laser-generated tube, one could minimize the divergence of the hydrogen beam. Let’s imagine injecting a pure proton beam (positive charge) or an electron beam (negative charge) into the laser tube instead of neutral hydrogen. For the walls of the laser tube to repel the beam toward the center and prevent it from spreading, the charges must indeed have the same sign: 1. Proton beam scenario (+): The walls of the laser channel must carry a strictly positive charge. As the protons attempt to expand outward, they encounter the positive charge of the walls, are repelled, and are pushed back toward the center. 2. Electron beam scenario (-): The walls of the laser channel must carry a net negative charge." The beam's electrons would be pushed away from the walls toward the tunnel's axis. Is it feasible to create a laser tube with the required charge polarity? Yes, laser plasma physics allows for this, but with one crucial caveat. When an ultra-high-power laser ionizes air in a ring shape, it strips electrons from the molecules. This creates a plasma consisting of heavy positive ions (nitrogen/oxygen) and light free electrons. The vast mass difference leads to charge separation: the light electrons are instantly driven outward away from the laser beam by the light's radiation pressure (a phenomenon known as the ponderomotive force). The heavy positive ions remain in place, as they are too massive to shift quickly. Consequently, the laser ring itself briefly becomes a potent source of positive charge, while a "cloud" of negative electrons forms around it. For a proton beam (+), the conditions are ideal: the walls of the laser ring are positively charged and repel the protons (+) traveling inside, focusing them toward the center. This is known as a plasma focus or plasma waveguide. However, even if the tube diameter is perfectly chosen and the charge polarities align, the system will be disrupted in the atmosphere by plasma shielding (the Debye radius). The free electrons liberated from the air by the laser are incredibly mobile. The moment the charged beam enters the tunnel, the surrounding plasma reacts within nanoseconds: the electrons redistribute themselves to completely "screen out" and neutralize any external electric field. The pipe walls would instantly lose their net positive or negative charge relative to the beam, becoming electrically neutral, and the focusing would be lost. So, I came up with a way to blow the plasma away.
