что такое сильноточная электроника

Академик Ратахин: «Мир невидимых взрывов»

«Чаепития в Академии» — постоянная рубрика Pravda. Ru. Писатель Владимир Губарев беседует с выдающимися учеными. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию интервью с академиком РАН Николаем Ратахиным, директором Института сильноточной электроники. Ученый рассказал о типах руководителей, о работе института, его последних достижениях и сложностях.

Читайте также: Чаепития в Академии: Истина прекрасна и в лохмотьях!

Вещие сны случаются не только в Лондоне или Москве, но и таких провинциальных городах как Томск. Причем если в столицах нужно нечто неординарное, например, плодоносящая яблоня, под тенью которой так хорош послеобеденный сон, или только что изобретенный пьянящий напиток, позже названный «водкой», то в провинции просто надо много читать и думать — иных развлечений там попросту нет.

Перезрелое яблоко ударило Ньютону точно в лоб, что и послужило основой закона всемирного тяготения. Менделеев после дегустации напитка спал тревожно, и в полузабытьи элементы выстраивались в причудливую таблицу — оставалось только запомнить ее, а потом и зарисовать.

Ну, а Месяцу приснились взрывы, которые длились настолько короткое время, что и представить было невозможно — какие-то наносекунды, в миллионы раз короче, чем мгновение. Так родилась взрывная эмиссия.

«Новая физика часто рушит прежние представления. Какие-то процессы еще вчера были описаны и всем понятны, но переходишь в наносекундный диапазон — десять в минус девятой секунды, а тем более, пикосекунды — десять в минус двенадцатой, то есть тысячная доля миллиарда, — становится ясно, что все не так! — говорит академик Геннадий Андреевич Месяц, а потом добавляет. — В Томске ежегодно проводят три-четыре международные конференции по нашей тематике. Разные: получение ионных пучков, импульсная энергетика, эмиссионные процессы. Мои ученики в академических институтах, которые я в свое время создавал с шагом в десять лет в Томске и Екатеринбурге, наша школа, наша наука — все это продолжает развиваться, ориентируясь на международное сотрудничество, на мировые достижения, — развиваться, сохраняя свои приоритеты».

Ох, как нелегко после таких слов начинать беседу с одним из учеников мэтра академиком РАН Н. А. Ратахиным, нынешним директором Института сильноточной электроники. Как говорится, «надо держать планку», и Ратахин это прекрасно понимал. Месяц нас представил друг другу, а сам отправился по своим делам научного руководителя института. Разговор начался необычно.

— Есть два типа руководителей, — сказал Николай Александрович, — одни как гуру, душевные, и они способны убедить любого, и люди идут за ними. Другой тип — это генерал, который командует полковником, мол, я старший, иди и выполняй приказ — я ничего тебе объяснять не буду.

— Гуру быть трудно.

— А вы — какой руководитель?

— Стараюсь быть ближе к первому типу. Я радетель идей для всех.

— Что это значит?

— У меня большой отдел — 30 человек. И я никого не уволил, потому что мне людей жалко. Я стараюсь убеждать делать то или иное. Как директор, к примеру, собираю всех руководителей отделов, ставлю какую-то задачу, и если я вижу, что есть сомневающиеся, стараюсь выяснить причины их недоверия. И если их не убеждаю, то еще и еще раз проверяю: а верна ли идея или задача? Если есть сомнение, то где-то таится ошибка в идее или мы не можем сделать ту или иную конструкцию. Никогда я не говорит такую фразу: «Я так решил!» А ведь среди руководителей немало таких, кто ею злоупотребляет…Дело не в том, что я такой хороший — просто я такой!

— А есть ли какой-то секрет руководства?

— Если ты научный лидер , то должен больше всех работать и больше всех знать в своей области. Вот и все.

— Но есть еще одна мудрость руководства: опирайся на недовольных!

— Интересно, а какое место в нашей и мировой науке занимает сейчас ваш институт?

— Есть магистральное направление, в создании которого принимал непосредственное участие Геннадий Андреевич. Это мощная электроника. Что скрывается за этим понятием, каждый воспринимает по-своему. При определенном лукавстве к ней можно притянуть и лазеры, но если вести конкретный разговор, то все становится на свои места. В молодые годы Месяца задача стояла ясная: надо сформировать короткие импульсы, но мощные. Тогда речь шла о наносекундном диапазоне. Надо было придумать, как это получить, и, главное, как зарегистрировать результат — что же ты получил. Сами разрабатывали аппаратуру, сами делали генераторы. Лазерщикам, во главе которых стоял академик Прохоров, нужен был «быстрый затвор». Они накапливали энергию в объеме, а потом ее нужно было быстро выпустить, то есть открыть затвор. Месяц и Ковальчук это сделали. Это было самое начало. Прохоров даже начал танцевать, когда они получили такой затвор. Геннадий Андреевич — человек неугомонный. Он расширял фронт работ, так как постоянно искал приложения для импульсной техники.

— И так дошли до «звездных войн»?

— Это позже начали делать лазер космического базирования.

— Не получилось?

— Задачу поставили, а потом от нее отказались. Многое уже было сделано. Были созданы громадные установки. Конечно, запускать их в космос было невозможно, но научные проблемы решались весьма успешно. Но в институте шли не только подобные работы, но и генерации рентгена, СВЧ, световых импульсов на лазерных системах, совершенно разные ускорители. Появилась школа специалистов высшей квалификации. Это признавалось всеми в Советском Союзе. И не только. Когда в институт приехали ученые из Америки, они были поражены, что у нас всего 300 человек. В Лаборатории Санди работало по этой тематике несколько тысяч! И мы ничуть не уступаем им, а в некоторых областях лидируем.

— Понятно, что ваши работы интересуют военных. А где ваши генераторы можно использовать в повседневной, нормальной жизни?

— Мы постоянно искали приложения для мирных целей. К примеру, мы сделали рентгеновские генераторы, которые можно просвечивать тех же мух. А биологи говорят: нам не нужны такие мощные импульсы, да и просвечивать мух нам не особенно требуется… Подобные генераторы эффективны для контроля различной продукции. Ими пользуются в различных исследовательских центрах мира. Каждый год мы продаем несколько установок в Европу, Азию, Америку, — везде в них есть потребность. Лет за двадцать в общей сложности мы продали больше ста установок. Для института — это немало, учитывая, что мы не предприятие, производящее серийную продукцию. Но мы следуем призыву Президента и Правительства о том, что ученые РАН должны заниматься не только фундаментальными исследованиями, но и прикладными проектами. У нас четыре лаборатории «заточены» сейчас именно на такие исследования.

— И что именно они делают?

— К примеру, небольшие генераторы могут модифицировать практически любые поверхности.

— «Модифицировать»?

— Речь идет не только об упрочнении материала, но и о создании специальных слоев на поверхности. На одном из заводов Новосибирска используются в производстве специальные матрицы. Они быстро выходят из строя, а оборудование очень дорогое. Мы с ними работаем. Нужны наши генераторы и в медицине. Там тоже идет речь об упрочнении инструментов, в первую очередь хирургических. Сделали мы систему, которая позволяет резко сократить кровопотерю при операциях. Она уже используется в медицинских центрах Томска. Установки для упрочнения материалов проданы в Японию. К сожалению, у нас промышленность не очень восприимчива к новациям, хотя о них много говорят все.

— А у них?

— Они делают на наших системах полировку зубных протезов, упрочняют лезвия бритв бритвенных станков и так далее. Там широко используют наши генераторы в разных областях.

— Хочется все-таки родного, нашенского?

— Приведу пример работы с одной из крупных корпораций. Объединение «Иркут» делает самолеты. Обратились к нам, мол, некоторые детали в кабине летчика нужно упрочнить. У них сейчас «единичка», а нужно «полтора». Мы говорим, что мы можем сделать «двойку». Причем, советуем им заказать детали у нас — им ведь не нужно их много, иначе им придется покупать оборудование, которое стоит дорого. Говорим им: чтобы у вас не было сомнений, привозите нам детали, мы их обработаем, а вы потом проверите и оцените нашу работу. Вроде бы договорились, но потом они говорят, что все-таки решили купить оборудование, чтобы от нас не зависеть… Будто мы против них можем санкции ввести… Или другое предприятие. Обратились к нам, чтобы мы сделали оборудование для упрочнения лопаток турбин.

Вроде бы все решили. Но потом молчание на несколько месяцев. Наконец, добиваемся, чтобы разъяснили ситуацию — нам же работать надо. Отвечают, что если установят наше оборудование, то им нужно сократить несколько десятков человек. А это социальная напряженность! Ну как людям объяснить, что новое всегда более прогрессивно и его нужно внедрять, а освободившихся людей переучивать или переводить на другую работу. Иначе всегда будем работать по старинке. А еще постоянно сталкиваемся с разными группами — их еще называют «мафиями», которые ничего не хотят делать на своих предприятиях, мол, и так прибыль хорошая… Не думают о будущем, планы в основном строят на год-два, а дальше хоть трава не расти… С временщиками сотрудничать просто невозможно.

— «Просвет в конце туннеля» все-таки есть или сплошная темнота?

— Что-то поблескивает впереди… Хорошо работать с министерством обороны — имеем дело с серьезными людьми. И довольно надежно сотрудничаем с зарубежными партнерами.

— С кем именно сейчас?

— Япония, Южная Корея, Канада, Франция… Французы любят Бориса Михайловича Ковальчука. Выдающийся специалист! Сделает все, даже то, что невозможно! Предложили ему сделать дробилку для каких-то особых материалов. Он сконструировал ящик, в нем вода, подает туда энергию — все трясется, дробится. Сделал через какое-то время замечательную установку — импульсный генератор. Французы все забрали, а он поинтересовался: зачем такая дробилка? Они в ответ, мол, это их дело, деньги заплачены и теперь установкой они могут распоряжаться, как хотят. Так что приходится подчас и такие заказы выполнять — рынок есть рынок. Мы участвуем в крупных проектах. Но, к сожалению, зарубежных. У нас ничего подобного нет. Надеюсь, что пока. Да, чуть не забыл. Американцы собираются создать «Икс-машину». Она очень мощная. Пока ее не строят, но проект опубликован. Там упоминается и наше участие…

— Что за «Икс-машина»?

— «Икс» — так как это рентген. Излучение в генераторе должно быть очень мощное, в несколько раз превышающее ныне существующие. Проектов там сделано несколько. В одном из них мы участвуем… Ну, а если вернуться к бытовым вещам, то стоит упомянуть стерилизацию. Наши системы используются в медицине и в других областях. Есть много разных вариантов использования нашей техники, уже выросло поколение специалистов, которые могут на ней работать, но в России сейчас ситуация для модернизации производства неблагоприятная.

— Таким образом, вы держитесь на заказах на такую аппаратуру?

— Конечно. Бюджетное финансирование у нас порядка 45 процентов, а остальные необходимые средства мы зарабатываем сами. К нам приезжают нынешние так называемые менеджеры, пытаются сделать из нас бизнесменов. Говорят, изобретайте, делайте все, а они продавать будут наши установки. В общем, им нужно, чтобы мы превратились в своеобразный «научный магазин». Но нам-то это не нужно! Это иллюзия, что ученым денег хочется, что они их очень любят. Говорю им: представьте, что работа — это ваше хобби, доставляющее вам удовольствие. В этом как раз загадочность натуры ученого. Ему интересно познавать. Мы получаем наслаждение от процесса поиска, от рождения новых идей, а не от денег.

— Мне сказали, что вы вдруг занялись землетрясениями?

— Но ее же начали возрождать?

— Вашу установку взяли?

— Я поинтересовался у заказчиков, а мне в ответ, мол, они уже купили аналогичную установку в Канаде. Спросил: сколько заплатили? Ответили: семь миллионов долларов. Огромная установка. Бьет по земле молотом, все рушит, об экологии забыли, а результаты во много раз хуже, чем у нас. Ну и стоит канадский монстр в сотни раз больше. Мы думали тогда не о миллионах, а хотя бы десяток тысяч долларов найти… Впрочем, когда денег море — это у нефтяников и газовиков — то им некогда думать о государственной пользе. Заманчивей пару раз съездить в Канаду, чем в Томск. Когда власть говорит, что принудит бизнесменов работать в стране, не надо слепо верить, что ей это удастся.

— А как вы сюда попали?

— Я оканчивал Новосибирский университет. Мне предложили несколько мест для работы. В частности, в Троицк, в Сухуми, в Институт ядерной физики. Очень уж соблазнителен был институт в Сухуми — мору, мандарины, экзотика. Но удержался. А в Новосибирске мне говорят, что тут появился очень энергичный молодой доктор науки из Томска, зовет к себе. Так я встретился с Месяцем. Это было в 1973-м году. С тех пор я в Томске.

— Всю сознательную жизнь?

— Конечно. Было очень интересно и необычно. Лаборантами работали люди замечательные, выдающиеся. Со мной работал лаборант 8-го разряда. Он все умел. У Месяца рутинной работы не было, все горело. Подчас кастрюли шли в дело, на первые генераторы шло все, что было под рукой — энтузиазм был потрясающий! Все были в поиске, быстро ставились эксперименты, проверялись идеи. Так рождалась «школа Месяца».

— Она в этих стенах, хотя он в Москве?

— Безусловно. Все время хочется делать что-то интересное, новое.

— А времени директору такого крупного института на это хватает?

— Суббота и воскресенье — это моё. Сначала народ приходил и в субботу, видя свет в огне кабинета, но постепенно люди поняли, что и мне надо заниматься наукой. Ну, а в будни, конечно, мало времени остается для творчества, все уходит на административную работу. Но когда видишь, что она приносит плоды тоже, на душе становится спокойнее. В жизни ведь необходимо и то и другое. Сейчас особенно тяжело, так как идет реформа науки. Постоянно нужно принимать какие-то решения, писать бумаги. К сожалению, появление ФАНО привело к морю бумаг, бюрократизация науки выросла значительно. Приходится даже нанимать людей, которые занимались бы разбором этого бумажного вала. Такое впечатление, что нашу науку могут утопить в этом бюрократическом море.

— Но вы-то стоики?

Читайте все материалы из серии «Чаепития в Академии»

Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен

Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.

Источник

Сильноточная электроника: Учебно-методическое пособие

Страницы работы

Содержание работы

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроники и электроники

Учебно-методическое пособие для студентов

специальностей 10.01, 10.02, 10.04

В электротехнике и электроэнергетике широко используется различного вида преобразователи рода тока и параметров электрической энергии. В зависимости от степени связи между источниками питания и нагрузкой они подразделяются на два класса:

зависимые или ведомые сетью преобразователи;

независимые или автономные преобразователи.

Более широкая классификация идет по выполняемой функции:

выпрямители (управляемые и неуправляемые);

преобразователи числа фаз;

преобразователи постоянного тока;

регуляторы-стабилизаторы переменного и постоянного тока и ряд других преобразователей специального назначения.

При такой классификации нужно иметь ввиду, что группы преобразователей по роду выполняемой операции могут принадлежать одновременно к зависимым и независимым (инверторы, преобразователи частоты и др.), либо только к одному классу, например, выпрямители, относящиеся только к зависимым преобразователям.

Ниже рассматриваются принципы построения некоторых преобразователей, получивших наиболее широкое применение.

1. ЗАВИСИМЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Однофазные схемы обычно применяют для устройства малой (до 1,0–1,5 кВт) и средней (до 10 кВт) мощности. Принципиальные схемы однофазных выпрямителей приведены на рис. 1.1 а, б, в, где а – однофазная однополупериодная;

б – двухполупериодная с выводом средней точки трансформатора;

в – двухполупериодная мостовая.

В выпрямителях средней и большой (свыше 10 кВт) мощности обычно применяют трехфазные схемы, наиболее распространенными из которых являются трехфазная схема выпрямления с выводом нейтрали трансформатора (рис. 1.2 а) и трехфазная мостовая (рис. 1.2 б).

Диаграммы, поясняющие принцип работы, для схем оговоренных выше, не приводится по причине их общеизвестности. Единственное заметим соотношение между напряжениями для схемы рис. 1.2 а где – среднее значение напряжения на нагрузке;

– действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Отдельно рассмотрим принцип работы еще двух схем выпрямления, получивших достаточно широкое распространение в устройствах большой мощности.

Шестифазная схема выпрямления с выводом нейтрали трансформатора, векторные диаграммы напряжений и токов при активной нагрузке приведены на рис. 1.3. Для этой схемы заметим соотношение между напряжениями с обозначением величин, приведенных ранее.

В энергетических установках с большими токами со значениями до килоампер (примером могут быть тяговые подстанции для городского электротранспорта) применяется схема выпрямителя «звезда»-двойная «звезда» с уравнительным реактором. Основной особенностью такой схемы является практически постоянный по форме ток нагрузки без применения фильтров. Форма тока не зависит от величины тока нагрузки. Принципиальная схема приведена на рис. 1.4 а. Временные диаграммы для напряжений на обмотках и токов вентилей и нагрузки, поясняющие принцип работы и особенности схемы приведены на рис. 1.4 б. Поскольку основной нагрузкой тяговых подстанций являются электродвигатели постоянного тока большой мощности (100-200 кВт) в сопротивлении нагрузки всегда присутствует реактивная составляющая сопротивления от индуктивности . Следовательно, нагрузка носит всегда активно-индуктивный характер. Полуобмотки реактора симметричные . Особенностью по отношению к другим схемам выпрямления являются наличие критической точки, определяемая значением тока . При , когда сопротивление уравнительного реактора () невелико, выпрямитель представляет собой обычную шестифазную схему. При токах получается две схемы «звезда» с выводом нейтрали трансформатора, включенных параллельно и работающих на общую нагрузку , . Величина обычно невелика и составляет (3 –5)%. Такое изменение режима работы цепи и наличие критической точки показано на внешней характеристике выпрямителя рис. 1.4 в. Увеличение напряжения при малых нагрузках является недостатком и устраняется схемными решениями.

Соотношение параметров для трансформатора, вентилей и нагрузки в зависимости от схемы выпрямления и характера нагрузки неуправляемых выпрямителей приведены в приложении 1.

1.2 Особенности работы выпрямителей при наличии реактивных элементов в нагрузке.

При наличии реактивных элементов процессы значительно отличаются от работы на активную нагрузку. Не ставя себе целью рассмотрение различных схем выпрямления, остановимся только на основных положениях.

Работа выпрямителей на активно-индуктивную нагрузку рассмотрена на примере наиболее простой однополупериодной схемы выпрямления. Схема цепи и временные диаграммы тока и напряжения приведены на рис. 1.5. а, б.

Источник

Взрывная электронная эмиссия

В настоящее время во многих учебниках, научных книгах и энциклопедиях утверждается, что электрическая дуга – это один из стационарных электрических разрядов. Электрические дуги – явление очень распространённое. Мы говорим о дуге, которая горит сколько угодно долго при изначально холодных электродах. В этом явлении есть много фактов, которые очень трудно объяснить с точки зрения классической физики электрических разрядов.

Катодное падение низкое и находится на уровне первого потенциала ионизации паров катода. П оложительные ионы с катода движутся против электрического поля. Катод испускает струю плазмы с такой скоростью, как будто он нагрет до миллиона градусов, а реальная температура катодного пятна равна только нескольким тысячам градусов. Плазменный столб дугового разряда в магнитном поле движется в сторону обратную, чем предсказывает правило Ампера и т.д.

Физическое явление считается одним из нераскрытыхнаучных символов XX-го века. Над ним работали многие выдающиеся ученые: Комптон, Вуд, Штарк, Холл, Лэнгмюр, Фаулер, Милликен, Дайк, Оппенгеймер, Штенбек, Ромпе и др. Среди российских ученых следует назвать имена Арцимовича, Кесаева, Грановского, Елинсона, Мандельштама и др.

Первый ключ к разгадке этого явления был получен в 1966 г. благодаря открытию нами в Томском политехническом институте явления взрывной эмиссии электронов (далее – ВЭЭ). Это было сделано благодаря разработке техники мощных наносекундных импульсов.

На основе разработок и открытия была создана сильноточная наносекундная импульсная энергетика и электроника, оказавшая огромное влияние на создание техники мощных импульсных генераторов электрической энергии, ускорителей электронов, мощных газовых лазеров, сверхвысокочастотных устройств, импульсных рентгеновских устройств большой мощности и т.д. Используя высоковольтную наносекундную технику, было показано, что ВЭЭ является порционным процессом.

Опираясь на многолетние исследования ВЭЭ, нами была найдена аналогия с процессами в дуге. Было показано, что на катоде дуги происходят самоподдерживающиеся электрические взрывы струй жидкого металла из-за большой концентрации энергии в них. При каждом таком взрыве испускается порция плазмы, получившая название «эктон».

В одном эктоне, в среднем, содержится триллион электронов и сто миллиардов ионов. Зона, где разыгрывается это явление, имеет размер порядка микрон. При таком микроскопическом взрыве давление на катодное пятно превышает десять тысяч атмосфер. Плотность тока – сто миллионов ампер на квадратный сантиметр. Длится этот взрывной процесс примерно 10 наносекунд и далее постоянно возобновляется. Пространство, где образуется эктон, называется ячейкой. Процессы в ней обусловливают все свойства дуги.

Последние новые результаты в этой области были получены нами в конце прошлого года и в этом году. Во-первых, проведена работа по измерению зависимости скорости ионов в дуге от тока. Было показано, что одно-, двух-, трех- и четырехзарядные ионы меди, несмотря на разные заряды, движутся с одной и той же скоростью, а средний заряд ионов не зависит от тока. Во-вторых, пороговый ток дуги можно объяснить критерием брызгообразования в жидком металле из-за взаимодействия их с плазмой.

Таким образом, дуги горят не на твёрдом катоде, а на жидком. В-третьих, при очень большом увеличении в электронном микроскопе отдельных струй жидкого металла, мы обнаружили, что их средняя масса равна массе ионов в эктоне. Всё это стало окончательным доказательством того, что электрическая дуга – это процесс порционный, обусловленный взрывами струй жидкого металла.

Эта модель была предложена и разработана нами в ходе совместной многолетней работы Томского политехнического университета, а также Института сильноточной электроники СО РАН и Института электрофизики УрО РАН, которые были основаны мной в Томске и Екатеринбурге в 1970-х и 1980-х годах.

Явление электрической дуги широко известно. Это явление мы наблюдаем в обычных выключателях, резке, плавке и сварке металлов, в напылении, в электроискровой обработке металлов, в вакуумных выключателях и т.д. Оно было открыто ещё в 1802 г. русским ученым, профессором Медико-хирургической академии Санкт-Петербурга В.В. Петровым, который впоследствии стал академиком. Он испытывал вольтов столб, у него произошло короткое замыкание, он увидел мощную вспышку и описал ее в своей книге. Так как она была написана на русском языке, то об этом не знали в Европе. В 1808 г. англичанин Дэви также наблюдал это явление и опубликовал сообщение о нем.

Исследовать физику этого процесса начали более сто лет назад, в конце 90-ых гг. XIX века. Объяснения этого явления, которые приводятся во всех научных книгах такое: за счет автоэлектронной эмиссии происходит нагрев микроучастков катода, потом начинается испарение, ионизация этого пара, ионы пара идут на катод, усиливают электронную эмиссию, происходит процесс самоподдержания дуги. Таким образом, считалось, что дуга – процесс стационарный.

На этом слайде я показал компактные импульсные наносекундные генераторы, разработанные членами-корреспондентами РАН В.Г. Шпаком и М.И. Яландиным в Институте сильноточной электроники СО РАН и Институте электрофизики УрО РАН, которые до сих пор пользуются большим спросом, в частности, для исследования вакуумных и газовых разрядов.

Решить эту проблему оказалось возможным только разработав технику мощных наносекундных импульсов и методы сверхскоростной регистрации электрических и оптических процессов. Разработка наносекундной мощной импульсной техники позволила выяснить это. Фактически в этих установках были проведены основные эксперименты, которые привели к открытию порционности дуги.

Этот генератор позволяет получить более миллиона ампер электрического тока и первоначально использовался для нагрева мишеней и получения плотной горячей плазмы.

Это огромная установка на принципах наносекундной техники, сделанная в Томске академиком Б.М. Ковальчуком.

Это еще один наносекундный генератор с напряжением до миллиона вольт, с частотой следования импульсов до килогерц. Видна шестиметровая плазменная корона на проводе.

Это полупроводниковые SOS-диоды, которые работают на эффекте быстрого обрыва тока при плотностях до 10 4 ампер на квадратный сантиметр. При этих плотностях тока происходит резкий обрыв тока. Этот эффект был открыт доктором наук С.Н. Рукиным в Институте электрофизики УрО РАН. На этом была построена фактически целая индустрия полупроводниковых импульсивных генераторов большой мощности.

Взрывная электронная эмиссия позволила получать огромные электронные токи. Возникло совершенно новое направление в технике ускорителей электронов. Токи, которые получаем мы, например, в Томске, составляют многие миллионов ампер. Можно привести три важных примера приложения этих мощных пучков для получения мощных электромагнитных импульсов.

Во-первых, это мощная импульсная рентгеновская техника. Здесь на схеме показано как всё это происходит.

Это пример установки, которая была сделана в Институте сильноточной электроники. Здесь присутствует член-корреспондент Н.А. Ратахин, который является у нас главным специалистом в этом деле.

Для получения мощного СВЧ-излучения эти электронные пучки пропускают через резонатор. В 1973 году на ускорителях, которые были сделаны в Томске, в ФИАНе, был поставлен эксперимент с участием Института прикладной физики РАН. Было получено излучение 300 мегаватт. Это было выдающееся событие – 300 мегаватт в импульсе длительностью 50 наносекунд. Эта идеология получила очень широкое приложение. Эта идеология получила очень широкое приложение.

Это крупнейшая в мире импульснопериодическая установка «Синус-7» с импульсами СВЧ-излучения длительностью порядка 50 наносекунд, с мощностью в импульсе до 6 гигаватт.

Это самая мощная в мире установка – 5-10 10 Ватт. Она называется «Гамма». В свое время она наделала много шума, но, к сожалению, финансирование прекратилось.

Физические исследования этих СВЧ-генераторов проводятся также на настольных установках на базе «Радан», которые я показывал выше. Сейчас у проводятся и такие работы как гальваника на Урале.

Техника мощных наносекундных импульсов и взрывная эмиссия электронов оказали огромное влияние на развитие работ по мощным газовым лазерам. Я покажу только последнюю разработку ИСЭ и ФИАН – это комбинированный лазер, в котором электронный пучок до полмиллиона ампер цилиндрическим образом накачивает газовую смесь и получается 15 тераватт лазерной энергии в видимом диапазоне света при 50 фемтосекунд.

Здесь показано, как на базе наносекундной техники было открыто явление взрывной электронной эмиссии, которое было официально признано открытием. И открытием была признана закономерность протекания тока в газах высокого давления при интенсивной ионизации газа. Это, по существу, и послужило основой разработки мощных газовых лазеров.

С чего начинался у нас интерес к электрической дуге? Разрабатывая высоковольтную наносекундную технику в рамках моей докторской диссертации, возникла проблема вакуумного ключа. Нам нужно было быстро включать электрический ток. Но быстро не получилось.

Решая эту, абсолютно прикладную задачу, в 1965 году в Новосибирске, в Институте ядерной физике СО РАН, я и два моих аспиранта С.П. Бугаев и Д.И. Проскуровский провели эксперименты, чтобы понять, что происходит в вакууме между катодом и анодом, как ускорить процесс замыкания тока. Позже один из них стал академиком (С.П. Бугаев), а другой профессором (Д.И. Проскуровский).

Оказалось, что получить короткое время

Здесь показано нарастание тока в вакууме и представлены несколько фотографий свечения с экспозицией 3 наносекунды каждая. В начале там нет плазмы. Это время называется пробоем, то есть подготовкой. Потом на катоде появляется плазма, которая двигается в сторону анода со скоростью 10 6 см/с. Через некоторое время она появляется и на аноде, и происходит замыкание промежутка.

Вывод из этого следовал такой. На поверхности катода имеются микронеоднородности. За счет тока автоэлектронной эмиссии они взрываются, и на катоде образуется плазма. Между катодной плазмой и анодом протекает электронный ток. Таким образом, была открыта взрывная электронная эмиссия, которая в дальнейшем сыграла огромную роль в становлении того, что мы называем сильноточной электроникой.

На очищенных электродах видны микровыступы, на кончиках которых электрическое поле может усиливаться до сотни раз.

Здесь показаны коэффициенты усиления поля на микроостриях в зависимости от геометрии. Фактически они могут быть стократные и более.

Здесь показана зависимость времени задержки взрыва острия t от электрического поля Е (кривая 1) и плотности тока j (кривая 2).

Как возникает взрывная электронная эмиссия? В стадии пробоя течет ток автоэлектронной эмиссии.

Затем начинается взрывная электронная эмиссия из-за большого усиления поля на микронеоднородностях. Возникают электрические взрывы металла за счет колоссальной плотности тока на остриях.

Плотность энергии по оценкам скорости ионов, которые оттуда идут, составляет примерно до 10 5 джоулей в грамме.

На этой фотографии показан рост свечения на катоде (а) и на аноде (б) со временем.

В рамках джоулевой модели нагрева катода ток электронов взрывной эмиссии прекращается из-за охлаждения зоны эмиссии за счет теплопроводности.

Ток взрывной эмиссии течет в виде порций – эктонов. Доказывается это так. Если в центре анода сделать отверстие, то видно, что электронный ток из нее течет отдельными порциями. Этот факт натолкнул нас на мысль, что реально рост тока в искре носит циклический характер и что именно такая же цикличность может быть в электрической дуге. Когда мы стали сравнивать свойства плазмы при ВЭЭ со свойствами плазмы в дуге, то оказалось, что они очень близки. Речь идет о скорости движения плазмы, удельном уносе массы с катода, плотности тока, пороговом токе, составе плазмы и т.д.

Здесь видны кратеры от взрывов на катоде, струи металла и капли. Это кратеры на плоском катоде при различных длительностях взаимодействующего импульса напряжения.

Здесь показано распределение потенциала между катодом и анодом в электрической дуге и анодной зоне. У анода наибольшее падение потенциала. Один из самых непонятных эффектов – то, что катодное падение имеет очень низкое значение и величину порядка первого потенциала ионизации атомов катода, то есть порядка 10 вольт, в то время как в газе это падение – 100-200 вольт.

В 1930-ых гг. выдающийся физики Комптон, который занимался этой проблемой, дал такое определение электрической дуги. Он сказал, что дуга – это разряд, при котором наблюдается очень низкое катодное падение потенциала, сравнимое с потенциалом ионизации атомов металла катода.

Видно, как при горении дуги разлетаются нагретые капли металла. Эта фотография была сделана обычным фотоаппаратом.

Здесь показаны кратеры на катоде при наличии диэлектрических загрязнений на его поверхности. Видно, что если катод загрязнен, образуется очень много кратеров. Поэтому физику дуги с таким катодом изучить нельзя.

При чистом катоде и условиях, о которых я говорил выше, кратеры выстраиваются по-другому. Они возникают на местах, где дуга уже горела.

Как видно, образуется очень много ячеек. Они привязаны друг к другу. Это значит, что одна ячейка образуется на том месте, где образовались струи жидкого металла от предыдущей ячейки.

Эти фотографии получены недавно. Мы тщательно рассмотрели и статистически обработали эти струи. Оказалось, что одна струя имеет примерно ту же массу, что ионы в эктоне, которые покидают эту ячейку за одним цикл. Это доказывает, что ионный ток образуется за счет электрического взрыва этих струй. Эти струи были получены в дуге с вольфрамовыми электродами.

Здесь видны струи и капля вольфрама, которая не успела оторваться от струи. Долго шел спор, почему происходит самоподдержание дугового процесса, отчего происходят новые взрывы.

Возможно, что в узком перешейке при отрыве капли весь ток проходит через перешеек капля-струя и взрывается. В этом перешейке будет очень высокая плотность тока (

Это видно внизу. Для дуги это примерно 15 вольт.

Вот некоторые параметры эктонного цикла в ячейке:

Источник