Взрывная миссия

В середине июня в Петербурге будут чествовать первых лауреатов премии "Глобальная энергия". Известно, что деньги - "от олигархов", но весьма высокий государственный и международный статус награды очевиден.

"Глобальная энергия" - недвусмысленное указание на перспективы национального развития. Говорят, России нужно интегрироваться в мировую экономику. Но взгляните в глаза реальности - страна уже давно естественным образом туда вписалась как крупнейший поставщик энергоресурсов. Сами мы как бы стесняемся этой своей роли, но, если вдуматься, Россия сейчас в очень значительной мере "ответственна " за энергетическое благополучие всего мира. Не надо стесняться. Надо думать о том, чтобы не утратить эту роль в будущем, когда кончатся нефть и газ.

Слава Богу, начали думать. И даже платить. Пока немного - около миллиона долларов в год. По мере усугубления энергетического кризиса, в котором будут жить уже наши внуки, платить придется все больше и больше. Начало положено. Оно указывает сразу на две принципиальные вещи. Первая: приоритет развития России - энергетика. Вторая: главной наукой в России остается физика. Энергетика ставит перед физикой самые грандиозные задачи.

В общем, смысл этой глобальной премии действительно глобальный. Тем более хочется знать больше о первых лауреатах. Россию среди них представляет вице-президент Российской академии наук Геннадий МЕСЯЦ.

Вначале было слово

По запросу "Mesyats" Интернет выдает сотни документов. Бросается в глаза: с этим запросом неразрывно связана странная лексическая единица - ectons.

Последнее обстоятельство имеет вполне научное объяснение. Руководитель Института электрофизики РАН Геннадий Месяц в начале 1990-х годов написал трехтомную монографию о так называемых эктонах.

Что такое эктоны, простым языком объяснить можно сугубо приблизительно. Электрический разряд порождает заряженные частицы - электроны. Все знают об этом из школьного курса физики.

Но Месяц - физик по профессии. Он решил исследовать электрический разряд в вакууме при определенных условиях: во-первых, ограничил область исследований на катоде микроскопическими размерами; во-вторых, изучал процесс в неуловимо малое время - миллиардные доли секунды.

Оказалось, что при таких условиях возникает так называемая взрывная эмиссия электронов, при которой катод испускает не единичные заряженные частицы, а целые лавины электронов. Такие "порции" заряженных частиц Месяц и назвал эктонами. "Эктоны" - слово придуманное. Оно складывается из начальных букв английского выражения "Explosive Centre" (буквально - "точка взрыва").

От эктонов многочисленные гиперссылки в Интернете ведут к другим понятиям. Чаще всего встречается "Eplosive Electron Emission". Находится и русскоязычный эквивалент этого загадочного выражения. На сайте издательства Swallow Research обнаруживаем абстракт монографии "Взрывная электронная эмиссия". Автор - Геннадий Месяц.

Конечно - мы так и думали!

Содержательный вакуум

В 60-е годы прошлого века электронику, основанную на вакуумных лампах, вытеснила полупроводниковая. Однако многие ученые продолжали исследовать электронные процессы в вакууме. И, как выяснилось, не напрасно.

25 июня 1976 года Госкомитет по изобретениям и открытиям зарегистрировал открытие "Явление взрывной электронной эмиссии". А на следующий день в "Правде" вышло интервью доктора технических наук из Сибирского отделения АН СССР Г.А.Месяца:

"Известно, что работа электровакуумных приборов связана с электронными пучками. Без них не существовало бы телевизионных трубок, рентгеновских аппаратов, электронных ламп и микроскопов, ускорителей. В этих приборах потоки электронов чаще всего возникают от раскаленных катодов. Существуют и другие виды эмиссий. Однако все они дают возможность получать лишь сравнительно малые электронные токи.

Работы, проведенные коллективами физиков Томска, Новосибирска и Ленинграда, позволили обнаружить неизвестную ранее форму эмиссии - мы ее назвали взрывной".

Нельзя сказать, что до того дня об электронной эмиссии никто понятия не имел. Еще в XIX веке американец Вуд открыл так называемую автоэлектронную эмиссию, при которой импульсы возникают под воздействием электрического поля. Автоэлектронная эмиссия пришла на смену термоэмиссии - она происходит в обычной лампе, когда катод начинает испускать электроны при нагреве.

Удалось заменить горячий катод холодным. Стало немножко легче, но ученых всегда останавливало происходящее при автоэлектронной эмиссии разрушение катода. Так бы продолжалось и дальше, если бы "коллективы физиков Томска, Новосибирска и Ленинграда" не доказали, что при разрушении катода электронный ток не исчезает, а, наоборот, увеличивается, что дает возможность в короткие промежутки времени получать пучки с огромной силой тока.

Взрывать так взрывать

Ученые давно знали про этот злополучный взрыв, который разрушает катод. Взрыва боялись, и все усилия были направлены на то, чтобы его предотвратить. Застарелая проблема так бы и оставалась предметом вялотекущих исследований, не найдись те, на кого не давил груз старых представлений. Но нашлись. Это была группа молодых советских ученых во главе с Геннадием Месяцем.

Не надо бороться со взрывом, сказали они. Потому что в результате взрыва возникает новый вид электронной эмиссии. И он намного эффективнее старых. Потому что позволяет избавиться от специального нагревания катодов, создать надежные управляемые источники очень мощных электронных пучков, технику больших импульсных мощностей.

Идея электронных пучков, рожденных взрывом, быстро завладела умами. Окрыленные собственным успехом, физики искали материалы, способные дать наибольшую эмиссию электронов. Получив такие материалы, сконструировали совершенно новое оборудование, образцы техники различного назначения. Когда в стране стала быстро развиваться квантовая электроника, созданная Месяцем и его коллегами научно-производственная инфраструктура смогла дать нужные приборы.

Посыпались заказы, открылись новые возможности. Следующий толчок - развитие сильноточных ускорителей электронов. Появилась потребность в мощных кратковременных электронных пучках - именно благодаря использованию явления взрывной электронной эмиссии в ускорителях элементарных частиц удается получать электронные пучки до миллионов ампер. Затем - термоядерный синтез, исследования в области плазмы, источники рентгеновского излучения, мощные лазеры...

Сделай сам

Взрывная электронная эмиссия - не только открытие. Это - научная школа. Больше того, новая отрасль науки - сильноточная электроника. Вскоре после открытия взрывной эмиссии происходит "оформление" новой науки: в 1977 году в Томске открывается Институт сильноточной электроники. Директором становится Геннадий Месяц.

В те годы институт был похож на опытный завод. Научного сотрудника подчас было не отличить от рабочего. Сами создавали новую науку - сами делали для нее новое оборудование. Буквально своими руками, на своем опытном производстве. Почему сами? Людям нужно было работать, а инструментария не было. Не было не из-за бедности, а вообще - в природе не было. Требовались техника коротких и мощных импульсов, приборы, способные запечатлеть процессы, происходящие в очень короткие (миллионные доли секунды) промежутки времени под воздействием сильных электрических и магнитных полей. Своеобразный микроскоп для исследований чрезвычайно коротких времен.

Ну, сделали такой временной микроскоп, а затем генераторы мощных нано-секундных электронных пучков на основе взрывной эмиссии электронов. Они-то и вызвали качественные сдвиги в науке и технике, как в свое время рентгеновские аппараты, электронные лампы, электронный микроскоп...

Еше одно открытие

Физика газового разряда - старая наука. С ней связаны открытия электрона, рентгеновского излучения, свойств плазмы. Так вот, физика газового разряда показала, что при высоких давлениях между катодом и анодом, находящимися под напряжением, возникает так называемый стримерный разряд (от английского stream - ручей). Считалось, что при достаточно высоком напряжении этот "плазменный ручеек" перемыкает катод и анод, и вся энергия концентрируется в очень узком объеме. Так считалось до поры до времени, пока электрофизики не доказали, что если значение напряженности электрического поля поднять очень высоко (до уровня, которого раньше просто нельзя было достичь технически), а в газ "впрыснуть" электроны, то возникает не стримерный, а объемный разряд. Плазма образуется в большом объеме при высоком давлении газа.

В 1989 году эта работа зарегистрирована как открытие. Автор - председатель Уральского отделения тогда еще АН СССР директор Института электрофизики Геннадий Андреевич Месяц.

Вообще-то приоритет открытия относится к его докторской работе 1966 года. Потребовалась почти четверть века, чтобы стали ясны перспективы практического применения. За эти годы была открыта взрывная электронная эмиссия. Вместе с открытием объемного разряда это позволило создать и новый класс газовых лазеров, и новые типы ускорителей, и мощные плазменные установки.

- Мне удалось увидеть результаты своих исследований. Это, правда, большая удача и большое счастье ученого, - признавался Геннадий Андреевич автору этих строк еще лет восемь назад.

Да, академик Месяц счастливый ученый. На редкость удачно сложилась его научная судьба. Несмотря на то, что в самом начале его :- сына репрессированного -выгнали с режимного радиотехнического факультета Томского политеха. Приняли на энергетический.

Потом факультет разделился на два новых, и Месяц оказался на электроэнергетическом. Вот уж правда: все что ни делается - к лучшему.

Глобальная энергия

В 1957 году Месяц создал в томском НИИ ядерной физики первый наносекундный генератор импульсов электроэнергии большой мощности. А в 1967 году - первый генератор мощных пучков электронов. Об установках узнали в большом научном мире. Уже в начале 1970-х годов в разных странах делали аналогичные устройства, которые давали электронные пучки с током в сотни тысяч ампер и имели энергию электронов до нескольких миллионов электронвольт.

Тогда же в научной печати обсуждался вопрос о перспективах применения мощного электронного пучка для поджига управляемой термоядерной реакции. И такие установки были созданы, в частности, в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР, в Курчатовском институте.

Позже Месяц сделал импульсный аппарат, который помещается в обычном "дипломате". "Чемоданчик" давал электрический удар в несколько миллиардов ватт. Миниатюризация таких приборов расширила сферу их применения в медицине, дефектоскопии, физических исследованиях, для анализа полезных ископаемых в. полевых условиях. По результатам наукометрических исследований журнала Sciences в 1991 году, технология, связанная с открытиями Месяца, была названа в ряду ключевых неядерных технологий. А работы, которыми он руководил, признаны наиболее продвинутыми в мире.

Хотя электронный пучок генератора электронных импульсов способен отдавать энергию очень короткое время - одну миллиардную долю секунды, - еще в 1972 году мощность такой установки была сравнима с мощностью всех электростанций мира. Сейчас она в сотни раз больше, но все равно получается, что премию "Глобальная энергия" Месяц заработал еще лет тридцать назад.

Михаил БУБЕН
Фото Николая СТЕПАНЕНКОВА
ПОИСК, №22 (732), 6 июня 2003 г.