РАБОТАЕТ ИМПУЛЬС!

или: один день в Институте сильноточной электроники СО АН СССР (г. Томск)

Еще один институт появился в Сибирском отделении АН СССР - Институт сильноточной электроники. Прописан в томском академгородке, на будущем Академическом проспекте.

Надо и дальше вести дело так, чтобы активная роль ученых помогала нам решать вопросы соединения науки с практикой и тем самым способствовать росту производительных сил страны.Л. И. БРЕЖНЕВ.(Из беседы с партийно-хозяйственным активом Новосибирской области 31 марта 1978 г.).

- НАНО - эта приставка к любому слову - уменьшает величину, которую оно обозначает, в миллиард раз (nanos - по-гречески карлик). Наносекунда... Отрезок времени, который просто невозможно реально ощутить, настолько фантастически ничтожной кажется эта величина. Но... "у каждого мгновения свой резон" - представьте теперь, что в течение нескольких наносекунд произошел импульс электронного тока силой до миллиона ампер и мощностью до 1013ватт (!), а следом еще один импульс, еще... Сильноточная электроника. Сильный ток. Это, наверно, и сильная точность? - напрашивается такой каламбур - всегда точные наносекундные импульсы и промежутки между ними, заданные параметры мощности...

- Да, но... Сильная точность - это жаргон,- улыбнулся, но не поддержал моей шутки Геннадий Андреевич Месяц, директор Института сильноточной электроники СО АН СССР, - а сильный ток - нормальное научное понятие. Можно было бы и так назвать наше учреждение: институт электроники больших мощностей, или институт электроники сильных токов. Но выбрали более лаконичный и более благозвучный вариант.


Директор Института сильноточной электроники СО АН СССР,
доктор технических наук, профессор Г.А. Месяц

РАСТЕТ томский академгородок - молодой научный центр Сибири. Он расположился невдалеке от старинного сибирского города, на высоком холме, среди величественных берез, стройного осинника и пушистых сосенок. Вокруг еще печать становления груды панелей, кирпича, контуры новых зданий, ориентиры просек и непременные детали любой стройки краны. Но уже пестрят занавесками жилые дома и рощи оживлены детским смехом, и прикреплены уже таблички на служебных корпусах: "Институт химии нефти". "Институт оптики атмосферы", "Институт сильноточной электроники".

..Последние два - не просто соседи по одной улице, будущему Академическому проспекту. Их связывают - можно так сказать - и родственные узы. Когда в 1969 году организовался Институт оптики атмосферы СО АН СССР (директор - член-корреспондент АН СССР В.Е. Зуев), он приютил у себя и отдел сильноточной электроники, отпочковавшийся от НИИ ядерной физики Томского политехнического института. А в сентябре 1977 года отделу сильноточной электроники был присвоен статус института.

 


Лабораторией импульсной техники руководит лауреат премии Ленинского комсомола Борис Михайлович Ковальчук. коллектив лаборатории занимается разработкой элементов мощной высоковольтной аппаратуры.
НА СНИМКЕ: младший научный сотрудник импульсной техники В.А. Лавринович, рабочий В.Н. Тарасов и аспирант А.П. Хузеев (слева направо) обсуждают последовательность монтажа элементов высоковольтного испытательного стенда.

.. ДВАДЦАТЬ лет назад студент Томского политехнического института Геннадий Месяц впервые заинтересовался генерированием наносекундных импульсов. Двадцать лет понадобилось на то, чтобы избранное им в 1958 году направление научных исследований завоевало мировое признание, чтобы был создан институт, занимающийся исключительно электроникой больших мощностей, и чтобы он (ныне уже доктор технических наук. профессор) стал директором этого института.
Многие из тех, кто когда-то начинал с ним, и сейчас являются ведущими сотрудниками института. ЗА эти годы защищено 23 кандидатских и 4 докторских диссертаций, недавно представлено к защите еще две докторские диссертации.

 


Кандидат технических наук Ю.И. Бычков (на снимке) руководит лабораторией газовых лазеров. Область применения лазеров обширна: они используются и в спектроскопии, и в фотохимии, и для разделения изотопов, и для зондирования атмосферы, и в микроэлектронике... Юрий Иванович участвовал в создании одного из самых больших в мире СО2-лазеров, который институт поставил в Физический институт АН СССР.

 

Много в институте молодежи. Средний возраст, это я так прикинул, не больше тридцати трех. Молодость - вот главный отличительный признак нового научного учреждения СО АН СССР. Молода наука, которой занимаются в институте, молод сам институт, молоды его сотрудники (кому как не молодым смело вторгаться в неизведанное) и молод у них директор, удостоенный за свои исследования в 1968 году премии Ленинского комсомола.
Ученый секретарь Ян Янович Юрике, деловитый и общительный, знакомит меня с институтом:
- Вот в этом корпусе расположены лаборатории и административные службы, в этом высоком здании помещение одно - высоковольтный зал. Одноэтажная пристройка между ними - по проекту была просто переходом. Но уже тогда, когда институт проектировался, и особенно, когда начали строить, стало ясно: площади производственной будет не хватать. И Геннадий Андреевич добился, чтобы этот переход расширили на шесть метров - получилась великолепная механическая мастерская. Но главное помещение нашего института, - Ян Янович остановился и выразительно показал рукой на пол, - там.

 


Младший научный сотрудник лаборатории газовых лазеров, председатель совета молодых ученых института, комсомолец Д. Федоров за настройкой азотного лазера.

 

То, что оно главное, я понял потом, когда поочередно встречался с заведующими лабораториями, и каждый начинал беседу такими словами: "Пойдемте в бункер!"
НУ ЧТО Ж, спустимся? В центре огромного подземного этажа - монтажный зал. Здесь происходят сборка и отладка элементов мощной высоковольтной аппаратуры. Во все стороны от монтажного зала - ответвления... Массивные металлические двери, закрывающие проемы. Один, второй неожиданный поворот - и вы в комнате, где монтируют лазер, еще два-три поворота приводят в отсек, где отлаживают мощный ускоритель электронных пучков, еще два бетонированных изгиба .. И здесь тоже уникальная установка - генератор мощных субнаносекундных электронных пучков (длительность импульса в 10 раз короче наносекунды). Ну вот, а обратно уже самостоятельно не выйти, заблудился. Но вы уже, конечно, догадались, что институт - это айсберг. Все самое значительное рождается здесь, в "бункере". Здесь испытательный полигон ученых. Правда, многое еще строится, сверкают огни электросварки, повсюду обрезки, кучи металла. Научного сотрудника, подчас, не отличишь от рабочего.
- ДА, МНОГО у нас еще делается своими руками, - сказал Геннадий Андреевич Месяц. - Дело в том, что для себя, для проведения физических исследований мы создаем ряд уникальных установок, аналогов которых нигде нет. Это очень высоковольтные, импульсные, очень мощные генераторы, лазеры, источники широких электронных пучков... Нам, конечно, помогает Опытный завод СО АН СССР. Например, он сделал испытательные стенды Но в основном приходится институту самому заниматься и конструированием, и созданием машин, с помощью котторых мы собираемся провести экспернменты и показать возможности сильноточной электроники.
- Геннадий Андреевич, расскажите нашим читателям подробнее, о каких возможностях идет речь?
Сильноточная электроника имеет дело с электронными потоками, пучками очень большой мощности, до сотен и тысяч миллиардов ватт. Я говорю, конечно, об импульсной мощности таких пучков. Мы занимаемся фундаментальными проблемами, связанными с получением интенсивных пучков заряженных частиц и с разработкой приборов, в которых используются такие пучки. Но как извлечь их, как получить? Старые методы - термоэлектронная эмиссия, автоэлектронная эмиссия оказались непригодными... И вот тогда на помощь к нам пришли плазменная электронная и взрывная электронная эмиссии...
Я ПРЕРВУ здесь рассказ директора, чтобы сделать экскурс в середину 60-х годов, когда в Томском политехническом институте под руководством Г.А. Месяца велись интенсивные работы по наносекундной газовой электронике и созданию мощных генераторов наносекундных электронных пучков. Поиски привели к открытию нового явления - взрывной электронной эмиссии. Обычная эмиссия вам известна - при высокой напряженности электрического поля металл, например, вольфрам, испускает электроны. Так вот, исследования, проведенные томскими учеными (Г.А. Месяц, С.П. Бугаев и др.), а также сотрудниками Института автоматики и электрометрии СО АН СССР и Ленинградского университета, показали, что определенных условиях происходит разогрев и взрыв (!) кончика эмиттера, образуется плазма (ее назвали катодным факелом), и интенсивность потока электронов возрастает значительно. Время, в течение которого взрывается катодное острие, очень мало - менее наносекунды, поэтому переход автоэлектронной эмиссии во взрывную почти незаметен. (Может быть, поэтому долго не признавалось открытие). И только сверхточные измерения, произведенные томскими, новосибирскими и ленинградскими учеными, доказали, что взрывная эмиссия действительно существует. Причем, исследования показали, что расход катодного металла невысок, и взрывная эмиссия постоянно подготавливает все новые и новые микронеоднородности на поверхности катода для возобновления цикла-то есть, это явление непрерывно повторяющееся. И, самое главное, появилась возможность получать пучки с большой плотностью (до 107 а/см2), большим током (до 106 а), длительностью от наносекунд до микросекунд и эмитирующими поверхностями площадью до квадратных метров. В 1976 году явление взрывной эмиссии электронов было зарегистрировано как открытие в Государственном комитете Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий. Ну, а теперь снова предоставим слово директору:
- ...для того, чтобы получать взрывную эмиссию электронов и управлять ею, в Томске уже была практически подготовлена база - исследование процессов в вакуумном разряде привело к созданию мощных генераторов наносекундных импульсов. Они-то и оказались источниками питания новых мощных ускорителей. Вот, собственно, техника мощных наносекундных импульсов и способ извлечения электронов из металла - взрывная электронная эмиссия - и есть две точки опоры, на которых стоит сильноточная электроника...
- В Вашем институте?
- Да, в нашем институте... Естественно, эти работы ведутся и в других научных учреждениях. Но вот принципиальными вопросами формирования мощных наносекундных импульсов (преобразование импульсов, их коммутация, транспортировка, накопление энергии, обрыв тока и т.д.) и принципиальными вопросами извлечения больших потоков электронов из металла занимается в основном наш институт, применением же электронных пучков интересуются многие. И в Советском Союзе и за рубежом. Мы тоже выбрали несколько направлений, связанных с применением электронных пучков. Это, например, воздействие плотных или интенсивных электронных потоков на конденсированные среды и газы. Исследования показали, что при воздействии плотных пучков электронов на кристаллы возникают интересные эффекты:
проводимость диэлектриков, самых лучших (кристаллов, монокристаллов), возрастает на 15 порядков. То есть, диэлектрики на время импульса становятся достаточно хорошими проводниками. Сейчас мы ищем пути практического применения этого эффекта. Кроме того, при очень малых критических энергиях наблюдается разрушение кристаллов.
- Кристаллы приобретают хрупкость?
- Да, происходит разрушение. Это тоже может найти применение. И еще целый ряд интересных явлений при воздействии электронных пучков на твердое тело... Мы исследуем также низкотемпературную плазму, которая образуется при воздействии электронных пучков на сжатые газы...
- Геннадий Андреевич, общеизвестно, что на нынешнем этапе научно-технической революции научные исследования составляют основу развития техники, которая. в свою очередь, формирует материальную базу растущих производительных сил общества. Таким образом, при планировании физических исследований необходимо учитывать будущие материальные потребности страны.
- Четвертое направление нашего института как раз связано с будущим. Сейчас, например, очень активно обсуждается вопрос об использовании плотных электронных пучков для инициирования термоядерных реакций, для создания мощных лазеров, нового типа рентгеновских аппаратов. Последнюю работу (с нашим участием) Министерство приборостроения выставило на соискание Государственной премии СССР. Интересные практические результаты получены в лаборатории П.М. Щанина. Например, создаются сварочные пушки. В них с помощью плазменного эмиттера также получают электронные пучки, но узкие, способные производить в вакууме сварку разнородных металлов, которую в обычных условиях произвести невозможно. Исследования ведутся совместно с сотрудниками Томского института автоматизированных систем управления и радиоэлектроники. Эти пушки имеют большую надежность, чем известные электронные пушки с термокатодами. Или вот еще одна работа: оказывается, при воздействии электронных пучков можно получать отверждение лаковых покрытий... Отверждение лаков узкими непрерывными пучками известно давно, но при воздействии импульсных широких пучков этот процесс идет намного эффективнее.
- Недавно я вернулся из поездки,- продолжал Г.А Месяц.- Был на Бердском радиозаводе. Так директор завода А.Н. Шкулов сказал: если мы ему такую установку поставим, несколько корпусов убрать можно... - Геннадий Андреевич рассмеялся и сразу посерьезнел. - Вот какая экономия. Но, конечно, главное для нас сейчас создать надежную машину.
- Значит, у ваших электронных приборов большое будущее?
- Я не сомневаюсь. А также огромные возможности для исследований. Например, взрывная эмиссия присутствует в самых различных физических процессах, таких, как разряд в вакууме, в сжатых газах, в вакуумной электрической дуге. Здесь много фундаментальных проблем. Ну, а что касается технического и технологического применения, то наша задача состоит в том, чтобы заниматься созданием мощных электронных приборов нового типа, вот, собственно, главное - в институте создаются мощные электронные приборы на основе ненакаливаемых источников. А перевод технологической электроники на ненакаливаемые эмиттеры, это ведь, по существу, революция, я уж не говорю об огромном экономическом эффекте...
ЗАКАНЧИВАЛСЯ день моего пребывания в институте. Уже уходя, я увидел в коридоре стенд с большим листом ватмана - "Социалистические обязательства". Не буду много цитировать, но обратите внимание на их целеустремленность:
"Досрочно, к 7 ноября, запустить опытный образец мощного СО2-лазера..."
"Досрочно, к 20 ноября, смонтировать и запустить модельную установку для отработки режима полимеризации полиэфирных покрытий..."
"Досрочно, к 7 ноября, провести пусконаладочные работы..."
И так далее. Очень конкретные, напряженные обязательства. Это говорит о том, что в институте торопятся увидеть свои уникальные установки в деле. Помню, один из сотрудников поделился: "Они помогут нам сделать качественный скачок в наших научных исследованиях".
ПОВЫСИТЬ эффективность работы, связать ее теснейшим образом с практикой нацеливают советских ученых партия и правительство, "работать надо, - сказал академик В.А. Кириллин, - прежде всего над такими темами, которые лежат на столбовом пути развития современной науки и техники". Именно этому и обязан своим рождением новый институт Сибирского отделения АН СССР - Институт сильноточной электроники.

В высоковольтном зале Института сильноточной электроники СО АН СССР.
На снимке: испытательный стенд для исследования параметров мощных наносекундных коммутаторов.

Юрий Тюрин
Фото и рисунок автора.
ТОМСК - НОВОСИБИРСК.

"За науку в Сибири" 20 апреля 1978 г.