Александр Гордон:...электротехнике уже больше 200 лет. Но что за процессы происходят в электрической дуге – это до сих пор вызывают споры. Наша передача называется "Эктоны и взрывная электронная эмиссия". Вам принадлежит честь открытия эктонов. Не могли бы вы, может быть, начать с этого. Что это такое, и каким образом это объясняет процессы, которые происходят в выключателе всякий раз, когда рука до него дотрагивается?Геннадий Месяц: Да, действительно, электрическая дуга была открыта больше 200 лет назад. Ведутся споры, кто первый описал это явление. И действительно есть факты, доказывающие, что это сделал наш академик Петров в своей книге по описанию работы так называемого "вольтова столба". Но в серьезной физической литературе это впервые сделал Дэви.

На катоде образуется так называемое катодное пятно, у которого абсолютно необычное свойство. Например, из этого катодного пятна ионы движутся в обратную сторону, то есть положительные ионы двигаются в сторону анода, то есть в положительном направлении. Кроме того, скорости струй такие огромные – миллион сантиметров в секунду, – что дуга должна быть нагрета до миллиона градусов. Очень известный наш московский ученый, российский, покойный, к сожалению, профессор Кесаев в одной из своих книг написал, что, наверное, проще понять, что происходит на Солнце, чем то, что происходит в дуге.

Так вот, все считали, что это катодное пятно, это нагретый до высокой температуры металл, который испускает электроны, то есть, как обычно в электронной трубке телевизора, например, получается электронный луч, испускаемый нагретым катодом. Но наши исследования показали, что эта эмиссия происходит порциями, отдельными небольшими порциями. Длительность этих порций примерно 10 наносекунд, порядка миллиардной доли секунды, и в каждой порции примерно 10-12 электронов. Это можно назвать "электронный кластер" или "взрывной центр". Поскольку это было обнаружено во взрывных центрах, которые образуют на катоде нечто похожее на кратер на Луне, и поскольку оба названия в английском начинаются с букв "эй" и "си", собственно говоря, я и придумал этому название "эктон".

Но, вообще говоря, всё началось не с этого. Всё началось с того, что мы обнаружили эту взрывную электронную эмиссию при исследовании эмиссии электронов из тонкого металлического острия при высоких электрических полях, когда образуется ток автоэлектронной эмиссии. Когда очень высокая плотность тока – миллиард ампер на квадратный сантиметр, – то это остриё не плавится, как обычная проволочка, а взрывается, потому что там выделяется очень большая энергия. И этот взрыв приводит к образованию большого электронного тока, из места, где произошел взрыв, испускается большой электронный ток. Если до взрыва, положим, ток идет порядка одного ампер и даже меньше ампера, то после взрыва – уже сотни ампер и больше.

Когда мы это явление ещё в 60-х годах обнаружили, то стали создавать новый тип электронных приборов, возникла новая электроника, она получила название "сильноточной электроники". Это приборы, которые позволяют получать очень большие электронные токи, вплоть до миллионов ампер: кратковременной длительности, различных размеров, можно сфокусированные токи получать, предположим, десятки миллионов ампер на квадратный сантиметр. Вначале это использовалось для термоядерного синтеза, были очень большие программы и в Советском Союзе, и в Америке. Потом стали получать широкие электронные пучки, мы их стали использовать для накачки лазеров. Фактически, все мощные газовые лазеры, которые сейчас функционируют, вообще говоря, основаны как раз на использовании таких широких электронных пучков, но размерами до многих метров.

Потом стали получать так называемые кольцевые, цилиндрические электронные пучки, для генераторов СВЧ-излучения. Фактически, появилась новая электроника. Есть микроэлектроника, полупроводниковая электроника, а есть вакуумная сильноточная электроника.А.Г. То есть целая технология возникла.Г.М. Совершенно верно.А.Г. Но пока ещё без объяснения того, что происходит.Г.М. Да. Было ясно, что это взрыв. Было абсолютно ясно, что это взрыв, это взрывной процесс, это электрический взрыв в микроскопическом объеме.

Но было ясно, что процесс не стационарный. Когда уже потом стали более тщательно смотреть, то оказалось, что этот процесс порционный и не просто порционный, но самоподдерживающийся. Когда происходит взрыв, то он создает очень высокое давление, образуется плазма, плазма создает очень высокое давление, порядка 10 тысяч атмосфер на катод, и на катоде образуется, кроме того, жидкий металл. Этот жидкий металл разбрызгивается и, находясь в плазме, капли и струи жидкого металла взрываются уже вторично, то есть получается вторичный взрыв, и получается самоподдерживающийся процесс. Тогда пришла идея, что этот самоподдерживающийся процесс – это и есть электрическая дуга. Тогда уже стали заниматься исследованием дуги, то есть попытались понять уже те явления, которые сотни лет мы все используем. Вы правильно сказали: мы утром встаем, зажигаем свет, вечером ложимся спать, гасим свет, идем в туалет, зажигаем. Так вот, когда мы включаем и выключаем свет, происходят миллиарды электрических взрывов, вот таких, как показано на этом слайде.

Дальше стали думать над другими процессами. Оказалось, что есть очень много абсолютно не объясненных процессов. Например, ТОКАМАКи. В ТОКАМАКах есть очень большая проблема: когда плазма взаимодействует со стенкой, то начинает её через какое-то время разъедать, она, как короед, двигается, и этот металл исчезает. Оказывается, что это так называемая униполярная дуга: при взаимодействии плазмы с этим металлом образуется слой ионов, который создает высокое электрическое поле. И в этом высоком электрическом поле за счет автоэлектронной эмиссии возникают эти взрывы.

То есть, стало возможным объяснить многие явления в электрических разрядах в газе. В частности, некоторые процессы так называемого коронного разряда. Это очень давно известный процесс, открытый ещё в позапрошлом веке. Но там тоже были неясны некоторые эффекты, например, так называемая "корона Тричела". Почему она импульсная? Она то возникает, то исчезает. То есть оказалось, что это явление, которое позволило объяснить многие давно изученные процессы, и как бы внешне изученные. Но никто до нас не мог проникнуть в суть этих процессов.

То есть фактически есть два результата этих исследований. Одно – это создание совершенно новой электроники, очень важной для технологии, для оборонных дел. Например, сейчас можно получать электронные пучки и мощные электромагнитные источники, которые имитируют в небольших объемах взрывы, например, атомной бомбы. Фактически, это одна из технологий, которая позволила вместе с компьютерными методами избежать натурных испытаний. Это с одной стороны. А с другой стороны, мы смогли объяснить целый ряд физических явлений и фактически совершенно по-другому к ним подойти. То есть это уже объяснение явления природы. Вот, собственно говоря, что это такое.А.Г. А можно чуть подробнее? Что происходит как раз в этот момент, при каких температурах, за какое время? Вы уже начали говорить об этом. Какие нужны приборы при эксперименте для того, чтобы отследить этот процесс? Поскольку он происходит и при очень высокой температуре, как я понимаю, и при сильном токе, и за очень короткое время.Г.М. Вообще говоря, парадокс состоит в том, что всё происходит просто, в обычном вакууме, между обычными двумя электродами. То есть это плоские электроды, катод плоский и анод плоский. Но когда смотришь под микроскопом, то у самого гладкого катода всегда имеются микроскопические выступы, они небольшие, но они имеются. И когда мы прикладываем между катодом и анодом электрическое поле, то на этих микроскопических выступах электрическое поле усиливается.

Положим, у нас поле миллион вольт на сантиметр, это достаточно обычное поле при приложении кратковременных импульсов. А на микроскопических остриях эти поля усиливаются ещё в сотни раз. То есть, получается примерно сотни миллионов вольт на сантиметр. При таких высоких полях возникает так называемая холодная эмиссия или автоэлектронная эмиссия. Это туннельный эффект, он довольно хорошо исследован. Ещё до появления полупроводниковых приборов его пытались активно использовать для того, чтобы создавать новые электронные приборы.

Но проблема состояла в том, что зависимость плотности тока от приложенного электрического поля настолько сильно экспоненциальна, что этот прибор очень быстро выходил из строя. То есть маленькое перенапряжение, и катод сгорает, катод просто оплавляется, и ничего не получается. И всем казалось, что всё, проблема, так сказать, закрыта, катод использовать нельзя. Но! Мы показали, что в течение короткого времени, когда взрыв произошел, эта плазма, этот взрыв испускает электронный пучок.

Я ещё раз повторяю, вначале катод холодный, но в результате взрыва плазма нагревается практически до миллионов градусов, сам катод нагревается до тысячи градусов, до таких температур, которые приводят к плавлению и испарению. Но этот процесс очень кратковременный – именно процесс нагрева, процесс взрыва длится всего единицы наносекунд, то есть миллиардные доли секунды. Взрыв произошел, смотришь, а на катоде ничего нету, и если не поглядишь в микроскоп, то ничего не увидишь.

Что нужно было для того, чтобы исследовать это явление? Что нам потребовалось, и почему, собственно говоря, взрывная эмиссия была открыта в 66 году? Мы смогли посмотреть всё это в очень мощный усилитель света, использующий электронно-оптические преобразователи, когда можно было регистрировать отдельные кванты. Потому что взрывающаяся масса здесь ничтожная – 10-13 грамма, такова масса, которая при взрыве уходит, и поэтому свечение очень слабое. В 30-е годы обычно смотрели при помощи ячейки Керра так называемой, она очень ослабляла свет, ничего увидеть было нельзя. Только благодаря тому, что мы стали смотреть с экспозицией в наносекунды и с усилением света в миллион ампер, мы смогли наблюдать, как на катоде появляется первое свечение.

Когда потом стали смотреть в электронный микроскоп, мы увидели, что это свечение сопровождается появлением кратера – кратера не видели, пока не было электронных микроскопов. Фактически, наличие электронных микроскопов, то есть прибора, который позволяет иметь высокое пространственное разрешение, и высокоскоростной фотографии, которая позволяет иметь очень большое временное разрешение, наносекундное, позволило это явление открыть. А потом уже, когда появился радиационной метод, методы определения массы и так далее, мы смогли уже определить, сколько граммов на кулон уносится. Но самое главное, я считаю, – это усилитель света с электронно-оптическим преобразователем и очень мощный микроскоп. И осциллограф, естественно, потому что нужно регистрировать очень короткий ток. Я уже говорил, что вся наша электроника работала в наносекундном диапазоне. Сейчас мы перешли уже в пикосекундный диапазон, и тут, конечно, нужен осциллограф с очень высоким временным разрешением.А.Г. Разве хватает временного разрешения осциллографа для того, чтобы зафиксировать эти процессы с допустимой погрешностью?Г.М. Сейчас есть осциллографы, которые позволяют регистрировать времена порядка пикосекунд. Но импульсы, которые мы получаем, это электронные пучки, световые пучки, рентгеновские пучки длительностью в сотни пикосекунд. Это уже стало нормальным, обычным явлением. И фактически сейчас появилось новое направление, которое называется "техника мощных пикосекундных импульсов", "техника пикосекундных электронных пучков". Там появляются совершенно новые возможности. А.Г. Мы об этом чуть-чуть позже поговорим. А пока я хотел задать вам вопрос. Верно ли, что далеко не все разделяют ваш подход к объяснению того, что происходит в вольтовой дуге, несмотря на экспериментальное подтверждение вашей теории?Г.М. Понимаете, какая ситуация. Когда, например, Лавуазье доказывал, что горение связано с окисление, его идею при жизни так и не признали, считали, что это флогистон... Люди, с которыми мы сейчас живем, всю свою научную карьеру сделали на утверждении, что дуга начинается оттого, что разогревается катод, из катода идет обычная термоэлектронная эмиссия, и так далее. И поэтому очень трудно сейчас признать, что кто-то пришел из другой области, вдруг всё исследовал и всё открыл. Я-то их очень хорошо понимаю, и, в общем-то, есть вещи, о которых мы дискутируем.

Во всяком случае, даже самые отчаянные, так сказать, противники сейчас однозначно признают, что как минимум должен существовать первый взрыв. Потому что всегда есть кратер. Откуда кратер появился? Потом – откуда берутся ионы? При взрыве совершенно очевидно, почему ионы двигаются в другую сторону. Потому что при самом взрыве, очень кратковременном, выделяется энергия до ста тысяч джоулей в грамме, это уже энергия существенно большая, чем энергия взрывчатки. Там уже образуется плазма, плазма образуется при самом процессе разогрева. И там имеются и ионы, и электроны, то есть обычная плазма. И в результате взрыва по инерции ионы летят в противоположную сторону. Этот непонятный эффект так называемых "аномальных ионов" был открыт ещё в 30-х годах. Сначала думали, что это просто пар, а потом наш ученый Плютто в Сухумском физико-техническом институте обнаружил, что это не пар, а ионы. А сейчас мы понимаем, откуда эти ионы происходят.

Во всяком случае, по моим оценкам, было 15 абсолютно непонятных, разрозненных фактов, которые никто не мог объединить в единой теории. Принятие идеологии порционности, эктонности этого процесса привело к тому, что я смог объединить все 15 фактов в единое целое. Ведь квантовая механика тоже не сразу была признана, и, кстати, человек, который получил Нобелевскую премию за теоретическое доказательство квантовой природы света – Эйнштейн – до конца жизни сомневался в том, что кванты – это реальность. И сейчас есть люди, которые сомневаются. Но я опираюсь на факты, причем, на факты, полученные самыми современными методами. А.Г. Квантовая механика, как бы её ни объясняли и какие бы ни приводили логики для внушения принципов квантовой механики всему человечеству, это всё-таки уже инженерная наука, она работает, с её помощью исчисляются вещи, которые заставляют работать приборы и целые технологии. Вы сказали, что на основе ваших открытий тоже возникает новая технология. А нельзя ли сказать подробнее о перспективах ее развития, что, грубо говоря, наш колхоз может получить от этого явления?Г.М. Во-первых, из-за того что все приборы работают в импульсном режиме за очень короткие времена, то все приборы – очень компактны. Я могу сказать, что при импульсе напряжения в 200 киловольт требуется обычная высоковольтная линия передачи, огромная, вы знаете, стоят железные столбы и так далее. Так вот, в наносекундном диапазоне такой импульс можно подавать по кабелю в 5 миллиметров, и кабель не будет пробиваться. То есть все приборы становятся очень компактными. Прибор в миллион вольт напряжения имеет размер с этот стул. Это означает, что все высоковольтные технологии, которые известны при постоянных напряжениях, становятся простыми, компактными и дешевыми. При постоянном напряжении для миллиона вольт нужна огромная высоковольтная система размером с эту студию. То есть, фактически, все обычные высоковольтные технологии становятся очень простыми и доступными. Это колоссально, это очень важно.

Второе, это то, что есть параметры, например, электронных пучков, которые другими способами принципиально не достижимы. Какие способы извлечения электронов существуют? Термоэлектронная эмиссия – в лучшем случае можно получить амперы на квадратный сантиметр. Автоэлектронная эмиссия, которая очень устойчива из-за того, что при ней ток сильно зависит от напряженности электрического поля. И существует ещё вторичная электронная эмиссия, это побочный эффект, который мешает.

А здесь – эффект, который позволяет получать огромные, я повторяю, до миллионов ампер, электронные токи, превращать их в энергию высокочастотного излучения, в энергию лазерного излучения, в энергию рентгеновского излучения – фактически, во всех направлениях произошел переворот. Если мы получали раньше рентгеновский импульс для того, чтобы просветить человека, сейчас мы получаем рентгеновский импульс, при помощи которого можем просвечивать, положим, стены толщиной во много метров и рассматривать, что там происходит. То есть, просто трудно переоценить всё это.

Я не говорю уже о лазерах, потому что появление так называемых газовых лазеров с электронной накачкой позволило в миллион раз поднять мощности лазеров. Потому что если раньше лазеры работали при очень маленьких давлениях, порядка несколько миллиметров ртутного столба, то сейчас они работают при десятках атмосфер. А мощность примерно пропорциональна квадрату давления. Это настолько уже всё широко продвинулось, что за это уже стали и премии давать, и ежегодные международные конференции организовывают, и прочее, и прочее.

И надо сказать, что в этой области нам удалось сохранить лидирующие позиции, потому что мы этим стали заниматься в 50-х годах. Это моя студенческая работа была, когда я начал заниматься этой наносекундной техникой. В 63 году, 40 лет назад, была опубликована первая в мире книжка. И у нас сохранилась школа, которая идет от наших физиков, которые работали когда-то в Сибири, в Томске. Многому мы учились у академика Будкера, выдающегося физика, который основал ядерный институт в Новосибирске в 50-х годах.А.Г. Вы упоминали о том, что это используется и в военных технологиях. Не открывая государственных тайн, вы могли бы привести примеры...Г.М. Над этим во всём мире работают. Например, все попытки реализации так называемых "звездных войн", по существу, основывались на том, чтобы использовать мощное лазерное излучение. Первоначально предполагалось, что мощное лазерное излучение будут получать от мощных газовых лазеров высокого давления. Это уже проехали – проехали в том смысле, что показано, что напрямую это использовать нельзя. Но сейчас такие лазеры используют для других технологий.

Но, кроме того, используются мощные кольцевые пучки в диодах с магнитной изоляцией, это тоже открытие наше, отечественное. В 1973 году это была работа академика Гапонова-Грехова и академика Прохорова. Они показали, что такие пучки можно использовать для генерации очень мощного источника излучения – в сотни тысяч раз по мощности, превосходящие то, что было, например, в радиолокационных станциях, но тоже за очень короткое время. И такие мощные пучки электромагнитного излучения используются для того, чтобы разрушать радиоэлектронное оборудование, выводить его из строя. Эти работы ведутся; детали, тонкости, конечно, никто не разглашает, потому что огромная проблема, как провести эти потоки, как сфокусировать. А сама идеология, в общем, она очевидна.А.Г. После всех ваших объяснений я всё равно гадаю над тем, что могло бы означать ваше высказывание "эктон является первопричиной всякой порционности". То есть, здесь есть попытка обобщения, которая выходит за рамки...Г.М. Нет, нет, это вырвано из контекста. Я, конечно, имею в виду конкретные процессы. Я вообще не принадлежу к числу людей, которые пытаются делать такие мировые обобщения и сказать, что процесс в колодце и процесс во вселенной – это одно и то же. Нет, я совершенно здравый человек.А.Г. Еще вопрос о технологии. Наверное, просто в самой природе материала есть ограничения на эмиссию электронов. Какой материал является, с этой точки зрения, наиболее подходящим?Г.М. Понимаете, ограничения по самой эмиссии в природе имеется, но оно связано не столько с материалом, сколько с самим электронным пучком. Есть так называемая формула Чайльд-Ленгмюра, которая показывает, что плотность тока пропорциональна приложенному напряжению в степени три вторых – "закон трёх вторых". Когда электроны идут, собственный объемный заряд мешает тому, чтобы была большая эмиссия. Но дело всё в том, что, во-первых, этот барьер можно преодолевать нейтрализацией пучка, положим, ионными потоками, плазмой и так далее.

С другой стороны, если говорить о величине тока, то сейчас можно получать электронные пучки размером 6 метров на 1 метр. С таких площадей можно получать сплошной электронный пучок. Для какой цели такая установка разработана? Она разработана американцами в Лос-Аламосе для того, чтобы в огромных объемах накачивать и получать очень мощные лазерные излучения.

Поэтому можно говорить о плотности тока. По плотности тока есть совершенно фантастическая вещь, состоящая в том, что когда мы получаем большой ток, то собственное магнитное поле пучка этот пучок пережимает. То есть, кулоновская сила расталкивания электронов становится меньше, чем магнитная сила сжатия, и пучок начинает сам фокусироваться. И вот как раз на этом были основаны идеи использования таких пучков в термоядерном синтезе. Эти очень интересные эксперименты начинались академиком Завойским, проводились в Курчатовском институте, потом их продолжала группа академика Велехова, профессора Рудакова и так далее.

Но оказалось, что электронный пучок не может нагревать, то есть он передает мишени не эффективную энергию, электроны проходят как бы на просвист, мало оставляя энергии. Поэтому перешли на ионные пучки, тоже мощные, в миллионы ампер. Электронным пучком нагревают анод, образуется плазма, и эта плазма уже испускает ионы. То есть, фактически, при помощи электронного пучка можно получать ионные пучки. Тоже много лет существовала эта программа, были затрачены огромные деньги, и получены очень мощные пучки, вплоть до, по-моему, 30 миллионов ампер. Ионов разных металлов, типа талия, водорода и так далее. Оказалось, что это тоже не эффективно – это тоже недостаточно, чтобы нагреть мишень до ста миллионов градусов, которые привели бы уже к импульсному термоядерному синтезу.

Сейчас используют ту же наносекундную мощную технику, но для нагрева используют взрыв цилиндрических плазменных образований, цилиндрических лайнеров, образованных из микроскопических проволочек. И получили очень мощное и мягкое рентгеновское излучение.

Сейчас, фактически, новое направление в термоядерном синтезе с использованием этих сверхбыстрых процессов – это так называемые зет-пиньч. Скоро будет международная конференция в Санкт-Петербурге, мы там как раз будем рассматривать процессы сильноточной электроники, электронные пучки, СВЧ-излучение и так далее, и параллельно с нами же будут проводить конференцию по зет-пиньчам, потому что в этом направлении очень-очень много интересного в физике появилось. То есть, нагретая до фантастических температур, плазма излучает мягкое рентгеновское излучение в диапазоне до нескольких килоэлектрон-вольт, и это мягкое рентгеновское излучение можно использовать для нагрева, делать рентгеновскую баню для нагрева мишеней.А.Г. Вы сказали, что мы сохранили приоритет. Мы сохранили приоритет только в теории или и в технологии тоже?Г.М. Я бы так сказал, что в идейном отношении мы сохранили, бесспорно, приоритет. В частности, в области пикосекундной электроники – это совершенно точно, тут не только теоретический и экспериментальный приоритет, но и просто уникальные пикосекундные приборы делаем только мы, их никто больше не делает. Это работы, которые ведутся в институте, где я являюсь директором, в Екатеринбурге, в Институте электрофизики.

А что касается очень больших машин, когда можно получать десятки миллионов электрон-вольт ускоренных электронных пучков, со многими миллионами ампер электронного тока... Это установки, которые нужны для того, чтобы моделировать эффекты, связанные со взрывом атомного оружия, там нужны уже сотни миллионов долларов. Так вот, у нас есть такие установки, вне всякого сомнения, но не такое большое количество, как, скажем, в такой богатой стране, как Соединенные Штаты Америки. Они позволяют себе потратить сотни миллионов долларов на то, чтобы сделать такую установку.

В Томске, в том институте, который я создал в свое время, специальном Институте сильноточной электроники, созданном для исследования этих всех эффектов (он был создан в 76-ом году, я там работал 10 лет директором, потом переехал на Урал) сейчас ведутся работы в этом направлении. Ведет их академик Ковальчук, он, фактически, разработал новую идеологию получения очень мощных высоковольтных импульсов. Если раньше их получали при помощи конденсаторов, собранных по схеме Эрвина Маркса, то он перешел на так называемые линейные трансформаторы. Это очень интересная технология, которая позволяет все эти огромные установки, просто циклопических размеров установки, делать существенно более компактными, простыми. И сейчас, например, при разработке многих установок эти работы используются широко.

То есть, я считаю, что даже в таком конкретном конструкторском приложении у нас тоже имеются очень хорошие приоритеты в этой области. Но вы сами понимаете, сейчас такая ситуация, что делается только то, что кому-то надо. Так же, как, например, скульптор не может делать огромную скульптуру только для того, чтобы удовлетворить свое любопытство, обязательно кто-то должен заплатить. Такая ситуация и у нас. Если есть потребность, то, естественно, мы их разрабатываем. Но, разрабатывая их, мы не делаем их, как подмастерья, это всегда делается с какими-то новыми идеями, с попыткой использовать новое предложение.

Сейчас, например, очень активно используется идея, связанная с применением полупроводниковых ключей. Если обычно использовали газовые ключи, газовый разряд, то сейчас открыто явление так называемого SOS-эффекта (это тоже открыли в моем институте в Екатеринбурге), когда полупроводниковый прибор может обрывать ток при напряжении в миллионы вольт, при плотности тока до сотни килоампер на квадратный сантиметр (это времена в наносекунды). Не включать, а обрывать кратковременный ток. Это позволило создать совершенно новые приборы. Если те приборы, о которых я говорил, обычно работали в одиночном режиме, потому что в качестве коммутаторов использовались газовые разрядники и уходило время на деионизацию плазмы, то полупроводниковые приборы могут работать в режиме десятков тысяч импульсов в секунду, сейчас у нас даже килогерцы есть. И в этом направлении – наш полный приоритет, не только идеологический приоритет, но и технологический. Мы просто являемся единственными производителями таких приборов во всем мире, и фактически, благодаря этому институту.А.Г. А эти приборы, поясните мне, пожалуйста, для чего они используются?Г.М. Во-первых, мы только что, в течение последних двух лет, создали абсолютно, принципиально новые рентгеновские аппараты для медицины. Эти аппараты имеют в 30 раз меньшую дозу, то есть человек получает в 30 раз меньшую дозу при том же самом эффекте. И потом они компактные, весь этот аппарат весит 29 килограммов и состоит из двух объемов. Вообще говоря, даже женщина может по одному объему переносить. Он переносной, его можно в МЧС использовать, его можно в скорой помощи использовать, и так далее. Они прошли все испытания, сейчас мы какое-то количество приборов этих продали.А.Г. То есть, есть заказ на них все-таки?Г.М. Есть заказы, но очень большая конкуренция. Почему-то всем хочется покупать за границей. Вот как-то своим не верят. И когда мы привозим, бесплатно даем и ставим, все поражаются и говорят: ну, не может быть, чтобы у нас делали такие приборы. Но такие приборы есть. Можно еще много приводить примеров.

Потом, что еще интересно? Оказывается, на этих компактных наносекундных приборах можно делать прекрасные лабораторные физические устройства. Имея буквально один импульсный генератор, можно приделывать к нему различные головки и наблюдать и рентген, и электронный пучок, и лазерное излучение. Я когда организовал свою кафедру в Томском университете, кафедру физики плазмы, то мы специально сделали целую серию студенческих экспериментов, это как бы малозатратный способ изучения фундаментальной физики, вообще говоря. Сейчас мы такой проект реализуем вместе с Министерством науки и технологий, и, в общем-то, надеемся, что сможем создать приборы, которые можно будет использовать, вероятно, даже в школах, а то, что в университетах, – это определенно. Они абсолютно безвредны, при определенной защите, конечно. Так что предложений очень много. А.Г. Говоря об использовании этих эффектов в оборонной промышленности, в том числе для моделирования ядерных взрывов, неужели и там недостаточное финансирование? Поскольку ведь это все-таки избавляет от довольно дорогостоящего процесса испытаний, не говоря уже о политической составляющей.Г.М. Тут такая ситуация. Понимаете, все же в России достаточно централизованная система, ведь испытывают-то не само ядерное оружие, а испытывают воздействие. И при хорошей организации дела, вообще говоря, на одну страну вполне может хватить одной большой установки. А если идет большая конкуренция, например, несколько компаний делают электронные приборы и друг с другом конкурируют, то естественно, каждый пытается сделать себе отдельно. Кроме того, есть много стран, и каждая страна желает иметь. Поэтому все, что нужно России, у нас есть.А.Г. Опять, если это не военная тайна, а в чем, собственно, заключается процесс моделирования воздействия ядерного оружия с помощью этой технологии? Г.М. Когда происходит взрыв, возникает очень много эффектов, которые приводят к разрушению. Первое – это ударная волна, кроме того, мощный свет, мощное нейтронное излучение, мощное электромагнитное излучение, мощное рентгеновское излучение. Каждый из компонентов моделируется разными методами. Так вот, электромагнитное излучение, например, мягкое рентгеновское и жесткое рентгеновское излучения можно моделировать теми методами, о которых я сказал. Это элементы общей системы моделирования. Например, сделали какой-то прибор, но непонятно, будет ли он радиационно стойким, будет ли он работать при воздействии того мощного электромагнитного излучения, которое возникает, а оно действительно огромной мощности. А если он не стойкий, значит, он не выдерживает конкуренции, у тебя его никто не купит. Вот поэтому такие испытания требуются. Это никакая не военная тайна, это обычное стандартное испытание.

Кроме того, еще требуется стандартное испытание, связанное просто с воздействием на приборы, очень важно исследовать стойкость приборов.А.Г. Если есть какие-то вопросы, которые вы не затронули, какие-то темы, которые вы бы хотели осветить, у нас есть еще немного времени, чтобы мы могли это сделать.Г.М. Что можно сказать? Действительно, из очень простых экспериментов, которые начаты были фактически студентами в Томском политехническом университете, образовалось целое направление, очень интересное, которое позволило развить многие представления, изучить многие явления и создать технологию. У нас в России для исследования этих процессов создано два института. Один в Сибирском отделении Академии наук, я уже говорил, который я создал в 76-ом году, Институт сильноточной электроники, и сейчас второй институт, Институт электрофизики в Уральском отделении, в Екатеринбурге. И надо сказать, что из-за того, что мы всегда использовали вещи, которые неизвестны, мы создавали принципиально новые приборы. И поэтому у нас длительное время не было конкуренции. Даже не получив патент на так называемый SOS-эффект, мы с 93-го года делаем приборы и продаем. И, вообще говоря, нам лучше не получать патента.А.Г. Потому что это ноу-хау.Г.М. Потому что никто не знает, каким образом мы делаем эти переходы. А если бы мы оформили патент, у нас бы все давно отобрали. Обычно все говорят: "Получай патент! Продавай!" А наш патент – это...А.Г. Филькина грамота, да? То есть ты открываешь карты, и больше ничего.

Скажите, опять-таки, обойдясь без ложной скромности, вам известны еще такие случаи в нашей науке, чтобы студенческое увлечение привело к созданию, по сути дела, целой отрасли науки, целого направления?Г.М. Понимаете, это довольно необычно, может быть, это специфично только для нашей страны. Вы понимаете, ты работаешь на конкретном месте, у тебя есть квартира, у тебя есть семья, ты не можешь никуда переехать, и ты все время этим делом занимаешься. Я знаю, что многие мои друзья, которые много что сделали, делали одно, потом переходили в другую лабораторию и делали другое... Консерватизм наших научных школ, вообще говоря, в некотором смысле все-таки связан с нашей немобильностью, с нашей бедностью, и так далее. И этот консерватизм наших школ позволил им каким-то образом законсервироваться и работать. И что парадоксально – чем дальше от Москвы, тем лучше. Вот что интересно.А.Г. Правильно, потому что летучие американцы, которые все время привлекают на свою сторону чужие мозги, так или иначе решают локальные проблемы за определенный промежуток времени.Г.М. Совершенно верно. Им дали деньги, они решили. Но это нормально. А у нас есть деньги, нет денег... Если у людей нет денег, они все равно ходят работать, и говорят: хоть дустом их, все равно будут работать...

1. Max_Evil

22.11.2004 16:53, 16 месяцев назад

(В основе обзора – статья В. Губарева из журнала ”Наука и жизнь” № 6 за 2003 год, статья из журнала “Успехи физических наук” том 165 № 6 за 1995 год).

Очень интересное и неведомое до сей поры явление - электрические разряды в газе и вакууме. По сути дела - это микровзрывы, которые происходят в объемах, измеряемых микронами, а по времени - продолжаются миллиардные доли секунды. Это самые настоящие взрывы. Их можно представить как кратеры, подобные тем, что есть на Луне… Эти микроскопические взрывы в определенных условиях возникают и поддерживаются - заряженные частицы испускаются из металла пакетами. Иными словами, металл способен выбрасывать заряженные частицы. Взрывные центры Г.А. Месяц назвал “эктонами”. Оказалось, что существует огромное количество явлений, которые до их открытия нельзя было понять до конца. К примеру, ты включаешь свет в квартире, и он загорается. Но что происходит в этот момент в выключателе? Оказывается, между его контактами возникает “миллиард” взрывов. Подобные явления - а их великое множество – Г.А Месяц и пытается понять и объяснить.

За последние годы им было получено несколько крупных результатов. Первое - это открытие эктонов. Второе - новые свойства кремниевых полупроводников при огромных плотностях тока.

Сильноточная электроника - это электроника больших мощностей и сильных полей. Ученые шли к ней через исследования разряда в вакууме и газе. Пришлось создавать новую технику, дающую короткие и мощные импульсы, приборы, способные запечатлеть изменения физических процессов за очень короткие (миллионные и миллиардные доли секунды) промежутки времени. Обнаружили не описанное в литературе явление и, отбросив груз старых представлений и традиций, заинтересовались им как реальностью, назвав “взрывной электронной эмиссией”. Суть ее такова. Если в металлический катод быстро ввести энергию большой концентрации, то происходит мгновенный переход металла из твердого состояния в плазму и выделяется большой поток электронов - это и есть микровзрыв. Процесс взрыва был известен и ранее, но его боялись, и многочисленные исследования разных институтов направлялись на то, чтобы его предотвратить. Новый вид эмиссии электронов позволяет избавиться от специального нагревания катодов, благодаря чему можно создать надежные управляемые источники мощных электронных пучков, технику больших мощностей.

Начался поиск материалов, способных дать наибольшую эмиссию электронов. Результаты сразу же нашли применение в технике и в науке. Следующим шагом было развитие сильноточных ускорителей электронов, затем - термоядерный синтез, исследования в области плазмы и так далее. И если раньше ученые занимались интервалами времени, измеряемыми наносекундами (миллиардные доли секунды), то теперь оперируют пикосекундами (тысячными долями от этой величины).

Электрический разряд в вакууме состоит из трех стадий: пробой, искра и дуга. Вакуумный пробой является одним из способов возбуждения вакуумной дуги. Но прежде, чем наступает дуга, разряд переходит еще в искровую фазу. Вакуумная дуга является наиболее загадочной фазой вакуумного разряда. Для нее характерны низкое напряжение горения разряда, сравнимое с ионизационным потенциалом атомов материала катода, большая плотность тока в области катодной привязки, высокая концентрация плазмы в прикатодной области, испускание высокоскоростных плазменных струй из катодного пятна, а также капель жидкого металла, наличие субструктуры в катодном пятне, которая выражается в мелких (10-4 мкм) кратерах внутри значительно больших и т.д.

Убедительного теоретического описания дугового разряда, которое бы объясняло все экспериментальные результаты, долго не было. Первыми, кто попытался с помощью системы уравнений, описывающих совокупность процессов в пятне, определить параметры в пятне, были Ли и Гринвуд (1961). Они задавались известными значениями катодного падения потенциала, работы выхода катода, коэффициента теплопроводности, констант испарения и т.д. Бейлис, Любимов, Раховский (1969) для описания процессов переноса тока в прикатодной области использовали совокупность уравнений движения и баланса энергий тяжелых частиц и электронов в трехкомпонентной катодной плазме. Для описания процессов на катоде применялись обобщенное уравнение эмиссии и уравнение баланса энергии на катоде. Эти и другие теоретические подходы к катодному пятну на основе классических представлений об испарении металла не смогли объяснить известные экспериментальные данные. Кроме того, авторы исходили из неверного предположения о том, что плотность тока в пятне не выше 105-106 А/см2. Сейчас можно считать однозначно установленным, что плотность тока в пятне порядка 108 А/см2. Именно поэтому изложенные выше методы для описания дуги бесперспективны.

Ни один из известных авторов не рассматривал вакуумный разряд как единое целое: пробой, искра и дуга. Каждой из этих стадий посвящены многие тысячи статей и десятки монографий. Считается, что все они существуют как бы сами по себе, а не являются отдельными стадиями одного явления - вакуумного разряда.

Г.А. Месяц впервые дал описание всех трех стадий разряда в вакууме (пробой, искра и дуга) с единых физических позиций Он показал, как эти стадии совершенно естественным образом переходят одна в другую. Эти позиции основываются на признании фундаментальной роли микровзрывов участков катода, которые приводят к взрывной эмиссии электронов (ВЭЭ). Так как взрывной процесс длится сравнительно коротко, то испускание электронов в течение ВЭЭ идет отдельными порциями, которые назвали эктонами (от первых букв слов Explosive Centre). Появление каждого эктона сопровождается разрушением участка поверхности катода, который затем превращается в кратер, появлением жидкого металла в виде струй и капель, струй плазмы и т.д. Сюда следует добавить еще один важный физический эффект - это разогрев анода пучком электронов в искровой стадии и появление анодной плазмы и перенос жидкого металла с анода на катод. Одной из главных причин возникновения микровзрывов является джоулев разогрев микроучастков катода током большой плотности. Все эти процессы составляют основы рассматриваемой нами концепции вакуумного разряда.

В рамках этого механизма все три стадии вакуумного разряда находят свое естественное физическое объяснение. Пробой и явления, которые называют предпробойными, - это процесс концентрирования энергии в микрообъеме поверхности катода. Как только удельная энергия, накопленная в этом микрообъеме, превосходит некоторую предельную величину, начинается взрыв и стадия пробоя завершается. Начало взрыва и появление ВЭЭ - это начало искровой стадии. Сама искровая стадия сопровождается постоянным возобновлением микровзрывов, которые инициируются плазмой и струями жидкого металла от предыдущих микровзрывов. Искровая стадия естественным образом переходит в дуговую после перемыкания катодной и анодной плазмы и уменьшения скорости роста тока.

Какие факты заставили ученого прийти к заключению о фундаментальной роли эктонов в вакуумном разряде? Можно назвать два направления исследований, которые этому способствовали. Прежде всего, это цикл работ Г.А. Месяца и его группы, которые привели к открытию явления взрывной эмиссии электронов (ВЭЭ) и пониманию физики импульсного вакуумного пробоя и вакуумной искры. В них впервые были использованы методы регистрации тока, напряжения и свечения из промежутка с наносекундным разрешением, а световые потоки усиливались в 106 раз. Это позволило визуально наблюдать процессы микровзрывов на катоде и жестко связать их с появлением электронного тока ВЭЭ, который и определял начальную фазу искрового разряда в вакууме.

Сравнение полученных данных для искрового разряда по удельной эрозии катода и плотности тока на катоде, а также измеренных параметров катодной плазмы, жидкого металла, включая микрокапли и кратеры и т.д., с наиболее достоверными данными для вакуумных дуг привело к важным выводам. Эти данные оказались удивительно близкими, что привело автора к выводу об идентичности процессов, происходящих в катодной области искры и дуги. Но поскольку уже было ясно, что основой существования искры являются микровзрывы на катоде и появление ВЭЭ (взрывной эмиссии электронов), то нужно было искать доказательства их существования и в самой дуге и объяснять причины их появления. Для этого Г.А. Месяцем и его сотрудниками была поставлена серия экспериментов по исследованию дуги с наносекундным временным и субмикронным пространственным разрешением при токах, близких к пороговому. Эти исследования еще больше убедили ученого в правильности сделанного им предположения. В катодном пятне вакуумной дуги действительно фундаментальную роль играли микровзрывы участков катода. Эти исследования привели ученого к заключению, что испускание электронов, плазмы, жидкого металла и т.д. происходит порционно. Порция электронов и была названа эктоном. Эктон является первопричиной всякой порционности. Только благодаря идее порционности была получена возможность объяснить экспериментальные данные по катодным процессам.

Это заставило заново пересмотреть известные экспериментальные данные по дуге, полученные и другими учеными. В первую очередь это относится к исследованиям И.Г. Кесаева. Очень важные выводы, сделанные им, состоят в том, что катодное пятно дискретно в пространстве и времени. Оно содержит отдельные ячейки, ток которых не превышает двух пороговых, и в каждой ячейке происходят циклические процессы. Хотя временное разрешение осциллографа не позволяло точно оценить длительность цикла, но по размерам следа катодного пятна ( 10-4 см) и примерной скорости распространения тепла (104 см/с) можно было показать, что оно порядка 10-8 с. Интересно, что существование ячеек и циклов полностью вписывается в эктонный механизм дуги. Ячейка обусловлена взрывом струи жидкого металла, а цикл - временем существования предыдущего взрыва и подготовкой к последующему. Сам И.Г. Кесаев не придерживался идеи электрического взрыва металла в катодном пятне. Он считал, как и многие до него, что в пятне происходит обычное испарение металла. Однако для объяснения многих неясных фактов он очень часто возвращался к мысли о взрывных процессах. Например, анализируя плазменные струи с катода, он говорил, что “не исключена возможность термического происхождения струй при участии взрывных явлений”.

Несмотря на выдающиеся экспериментальные результаты, И.Г. Кесаев был недоволен тем, что он не постиг первопричины катодных процессов дуги, не нашел того феномена, от которого все зависит. Г.А. Месяц хорошо лично знал И.Г. Кесаева и общался с ним в последние годы его жизни. Это был ученый, желавший дойти до самой сути любого явления. Он проявлял исключительно большой интерес к открытому Г.А. Месяцем явлению ВЭЭ, предполагая, что оно поможет раскрыть механизм катодного пятна дуги. Эктон и есть тот феномен, которого так не хватало Кесаеву для полного понимания проблем дуги в вакууме.

Необходимо заметить, что идея взрыва металла в катодном пятне вакуумной дуги высказывалась неоднократно и ранее. Упомянем ряд работ. Например, Танберг (1930), чтобы объяснить большую скорость разлета струй пара из катода (106 см/с), показал, что необходим разогрев катода до 105 К. Прямое же измерение температуры катода показало, что она не выше 3000 К. Поэтому он заметил, что такой перегрев металла можно получить при взрыве проводников. Для объяснения уноса массы с катода Некрашевич и Бакуто (1959) предположили, что верхние слои металла катода взрываются. Сравнивая свойства плазмы в катодном пятне и при взрыве проводников, Ротштейн (1964) заключил, что катодное пятно можно рассматривать как взрыв металла. Однако он не указал, что и отчего взрывается. Важный вклад в понимание физики катодных процессов в вакуумных разрядах внесла серия работ Дайка и его сотрудников по автоэлектронной эмиссии, опубликованных в 50-60-х годах. Они показали, что при большой плотности автоэлектронного тока острийный катод разрушается, в результате чего образуется вакуумная дуга. Считалось, что разрушение острия происходит за счет его расплавления. Наиболее интересными среди ранних являются идеи Фурсея (1967), предположившего, что в катодном пятне вакуумной дуги происходит взрыв микроострий на поверхности катода током автоэлектронной эмиссии, а самоподдержание дуги обусловлено увеличением плотности тока с таких острий за счет поля в контакте плазма-катод.

Однако настоящим прорывом, позволившим в конечном счете понять механизм вакуумного разряда, включающего пробой, искру и дугу, было открытие в 1966 году Г.А.Месяцем и его сотрудниками явления взрывной электронной эмиссии. Тем не менее, Г.А.Месяц признает, что его идеи об эктонной природе катодных процессов в вакуумном разряде не являются общепризнанными, хотя и имеют много сторонников, причем число сторонников этих идей увеличится.

Отметим, что эктонная модель вакуумного разряда естественным образом объясняет наблюдаемые Любимовым и Раховским два типа катодных пятен дуги. Пятна первого типа образуются из-за микровзрывов на катоде за счет взаимодействия катодной плазмы с поверхностью катода. Пятна же второго типа - это результат взаимодействия плазмы со струями жидкого металла, приводящего к их взрыву.

Несмотря на кажущуюся сложность явлений, происходящих в трех стадиях вакуумного разряда, основными являются два процесса: во-первых, взрыв микроучастка поверхности катода и сопутствующие ему явления (взрывная эмиссия электронов, эктоны, струи жидкого металла, капли и т.д.) и, во-вторых, взаимодействие плазмы, образуемой от этого микровзрыва или от внешнего источника, с катодом и появляющиеся в результате этого новые микровзрывы.

Можно назвать три возможных результата взаимодействия плазмы с поверхностью катода. Во-первых, при воздействии плазмы на диэлектрические пленки и включения они заряжаются ионным потоком плазмы, а затем происходит их электрический пробой, приводящий к новому микровзрыву на катоде. Во-вторых, микровзрыв может возникать за счет высокой концентрации энергии в микровыступах катода, расположенных рядом с начальным взрывом. В-третьих, новый вторичный микровзрыв возникает при взаимодействии плазмы со струями жидкого металла, которые образуются при самом взрыве. Второй и третий способы возбуждения микровзрывов близки по своей природе. Это создание высокой плотности тока в микровыступах катода, их быстрый джоулев разогрев и взрыв.

В результате микровзрывов на катоде возникает взрывная эмиссия электронов, которая существует короткое время, а затем исчезает. Перед микровзрывом плотность тока составляет около 109 А/см2. Это приводит к быстрому разогреву микрообъема поверхности катода и его взрыву, который сопровождается эффективной термоэлектронной эмиссией. По мере развития микровзрыва происходит увеличение зоны эмиссии, теплоотвод, унос тепла за счет выброса плазмы и нагретого жидкого металла. Эти процессы снижают температуру зоны функционирования эктона и плотность тока эмиссии, что приводит к еще более быстрому охлаждению из-за снижения эффективности джоулева разогрева.

Посмотрим подробнее, что происходит в каждой из трех стадий вакуумного пробоя. Вакуумный пробой происходит тогда, когда достигается такая высокая концентрация энергии в микрообъеме поверхности катода, которая приводит к микровзрыву. Концентрирование энергии в микрообъеме катода, достаточной для взрыва, происходит из-за несовершенства поверхности катода, так как невозможно получить абсолютно гладкую и чистую поверхность металла. Пробой определяется следующими основными факторами, приводящими к концентрированию энергии в микрообъеме катода и возникновению взрывной эмиссии электронов. Это микроскопические выступы на катоде, диэлектрические и полупроводниковые пленки и включения на нем, адсорбированный газ, а также микрочастицы металла, диэлектрика или полупроводника, которые свободно лежат на поверхности. Однако одним из наиболее эффективных методов создания катодного микровзрыва и взрывной эмиссии электронов является джоулев разогрев микровыступов на катоде током автоэлектронной эмиссии. Электрическое поле на кончике микровыступов может усиливаться до 100 и более раз. Следовательно, при среднем электрическом поле в промежутке 106 В/см поле на кончике может быть 108 В/см, что соответствует плотности тока автоэлектронной эмиссии 108-109 А/см2. При таких плотностях тока взрыв микроострий происходит за время 10-8-10-9 с. Зависимость времени задержки взрыва острия /э от плотности тока j определяется из зависимости j2t = h, где h - удельное действие, которое зависит от сорта катода.

При инициировании вакуумного пробоя важную роль играет плазма от какого-либо источника, направляемая на катод. Для того чтобы эта плазма была эффективной, достаточно затратить 10-8 Дж энергии. Эта плазма взаимодействует с катодом и приводит к появлению новых микровзрывов за счет зарядки и пробоя диэлектрических пленок и включений, а также за счет усиления плотности тока на микровыступах катода. Плазма на катоде может создаваться за счет различных внешних воздействий, таких, как луч лазера, удар ускоренной микрочастицы о катод, быстрый нагрев катода, воздействие на него электронного пучка и т.д. В первом и втором случаях плазма образуется за счет быстрого разогрева катода. В третьем и четвертом случаях происходит десорбция газа и его ионизация в электрическом поле электронами термоэлектронной эмиссии с катода или воздействующими на катод ускоренными электронами.

Таким образом, всякое воздействие на катод, приводящее к пробою, производит этот пробой за счет создания на нем плазмы.

Пробой возникает также при образовании плазмы на аноде. Однако энергии, необходимой для образования плазмы, в этом случае нужно на несколько порядков больше, чем при катодном инициировании пробоя. В этом случае пробой возникнет тогда, когда появится хотя бы один микровзрыв на катоде. Ионы анодной плазмы попадают на катод. Они разогревают катод и заряжают диэлектрические пленки и включения, что, в конечном счете, приводит к образованию катодной плазмы, появлению микровзрывов, взрывной эмиссии и эктонов.

Если считать, что пробой обусловлен взрывом микроострий на катоде током автоэлектронной эмиссии, то пробивное напряжение должно быть прямо пропорционально длине промежутка. Однако в ряде случаев наблюдается отклонение от этой закономерности. Этот эффект получил название эффекта “полного напряжения”. Его существование часто используют как аргумент против механизма вакуумного пробоя, обусловленного микровзрывами на катоде. Однако это не так. Этот эффект означает, что иногда для микровзрыва недостаточно только тока АЭЭ (анодной электронной эмиссии), а нужны другие явления, которые также приводят к концентрированию энергии в микрообъемах катода. К этим явлениям относятся отрыв микрочастиц от анода и удар их о катод, разогрев анода микропучками электронов автоэлектронной эмиссии из микровыступов на катоде, испарение участков анода при ударе о него микрочастиц с катода и т.д. Все эти процессы приводят к образованию на катоде плазмы, которая ускоряет процесс концентрирования энергии в микрообъемах катода. Следовательно, это те же эффекты, которые имеют место при пробое от набегания на катод плазмы от внешнего источника.

После того, как в микрообъеме катода достигается энергия, необходимая для его взрыва, начинается взрыв, стадия пробоя завершается и начинается искровая стадия. Появление микровзрыва сопровождается электронным током взрывной эмиссии. Этот ток в результате джоулева разогрева металла и приводит к образованию плазмы и жидкого металла. Чтобы искровая стадия была самоподдерживающейся, кроме самого факта взрыва необходимо еще выделение некоторой критической массы для обеспечения нужного количества плазмы и жидкого металла. Их взаимодействие и приводит к самоподдержанию искрового разряда.

Микровзрывы на катоде обусловливают его эрозию, т.е. унос катодной массы. Она состоит из трех компонент: плазменной, жидкометаллической (капли), паровой. Кроме того, с поверхности катода уносятся адсорбированные газы, а также диэлектрические и полупроводниковые загрязнения. Однако основными компонентами эрозии являются плазма и жидкий металл. Скорость разлета катодной плазмы для большинства металлов лежит в пределах (1-2) 105 г/Кл. Капли жидкого металла образуются в результате их отрыва от жидкометаллических струй. Скорость движения жидкого металла из зоны катодного пятна составляет порядка 104 см/с. Она определяется высоким давлением катодной плазмы на жидкий металл. Для меди общее удельное число капель составляет 2-Ю7 капель/кулон.

Ток искры, который является током взрывной эмиссии электронов, содержит отдельные порции электронов - эктоны. Наличие эктонов приводит к циклическому характеру тока искры. Для меди средний ток электронов эктона не более 10 А, длительность эктонного цикла ~ 10-8с, а число электронов в нем примерно 3-Ю11 штук. Взаимодействие этих эктонных электронов, ускоренных электрическим полем, с ионами от предыдущих эктонных циклов приводит к возникновению положительных ионов, двигающихся в аномальном направлении в сторону анода. В зависимости от условий эксперимента энергия этих ионов может составлять 103-107 эВ. По-видимому, это коллективное ускорение ионов электронными сгустками эктонов. При токе искры 100 А и длине промежутка 1 см в искре протекает не менее 103 эктонных циклов.

При таком большом числе эктонов в искровой стадии разряда есть ряд общих закономерностей протекания тока. Например, длительность искровой стадии прямо пропорциональна длине промежутка.

А теперь остановимся на механизме самоподдержания искрового разряда. Он обусловлен взаимодействием катодной плазмы с поверхностью катода. Если катод содержит диэлектрические пленки и включения, то ионы плазмы заряжают их до высокого электрического поля и вызывают их пробой или разряд по их поверхности. В том и другом случаях образуются значительно более плотные сгустки плазмы, которые приводят к появлению новых вторичных эктонов. Если на поверхности катода нет загрязнений, то вторичные эктоны возникают за счет эффекта усиления плотности тока на близлежащих микровыступах катода или на микроструях жидкого металла, возникающих при давлениях плазмы на жидкий металл.

Кроме того, важно учесть разогрев анода. Электроны взрывной эмиссии в искровой стадии разогревают анод. Это приводит к появлению плазмы, паров металла, а также жидкометаллической фазы металла анода. Скорость анодной плазмы достигает 106 см/с. Это приводит к эрозии анода. Для меди удельный унос массы составляет 10-2 г/Кл. При бомбардировке анода электронами взрывной эмиссии анод становится источником рентгеновского излучения.

Заключительной стадией вакуумного разряда является дуга. Она возникает после того, как катодная и анодная плазма соединятся, а ток выйдет на стационарное состояние. Все особенности дуговой стадии разряда обусловлены в основном процессами на катоде в катодном пятне дуги. Катодные пятна бывают первого и второго типов. Пятна первого типа появляются на катодах с диэлектрическими пленками и включениями. Они оставляют после себя много мелких кратеров, которые отстоят друг от друга на довольно большом расстоянии и имеют сравнительно малую эрозию катода. Пятна второго типа появляются на очищенных поверхностях катода и имеют довольно большую эрозию. В этом случае кратеры налагаются друг на друга или касаются друг друга. В основе анализа вакуумной дуги в этой монографии лежит изучение пятен второго типа. Катодное пятно имеет ячейки, каждая из которых оставляет микрократер. Ток ячейки равен двум пороговым токам дуги. Кроме того, процессы в катодном пятне имеют циклический характер. Это проявляется, в частности, в том, что катодное пятно циклически меняет свой катодный потенциал. При этом происходит периодическое увеличение и уменьшение катодного потенциала, который, однако, не становится ниже катодного падения.

Свойства дуги и искры очень близки. Например, удельная эрозия катода в дуге и искре почти одинаковы. Близки также свойства катодной плазмы, к примеру, скорость разлета плазмы ~ 106 см/с, концентрация плазмы в зоне пятна 1021 см-3температура электронов в зоне 4-5 эВ, наличие многозарядных ионов и т.д. Все это говорит о том, что в основе функционирования катодного пятна дуги, как и искры, лежит взрывная эмиссия электронов и эктоны. В основу анализа дуговых процессов нужно брать экспериментальные данные по дугам, ток в которых порядка порогового. В этом случае можно изучать отдельную ячейку катодного пятна. Рассмотрим подробнее параметры этих ячеек.

Для медного катода колебания напряжения в катодных циклах составляют 5-20В над уровнем катодного падения потенциала UK= 16B. Средняя продолжительность цикла для медного катода равняется 30 нс а для вольфрамового - 25 нс. Причем в последнем случае подскоки потенциала достигали 50 В. В течение цикла катодного пятна существуют ячейки, о которых можно судить по микрократерам, которые остаются в местах функционирования катодных пятен. Через каждый микрократер протекает ток, равный двум пороговым. Диаметр кратера при токе близком к току ячейки определяется процессом распространения тепла за счет теплопроводности в течение длительности цикла. Плотность тока катодного пятна определяется плотностью тока в ячейке. Она меняется в течение цикла.

При функционировании катодного пятна ячейки испускают струи плазмы, скорости которых для многих металлов равны (1-2)-106 см/с. Эти струи образуются за счет джоулева разогрева и электрического взрыва жидкометаллических острий при их взаимодействии с катодной плазмой. Потоки жидкого металла имеют скорость разлета порядка 104 см/с за счет давления на жидкий металл упомянутых выше плазменных струй. Средняя величина этого давления достигает 108 Па и более. Жидкий металл выплескивается из катодного пятна в виде капель жидкого металла. Для катодов из серебра, кадмия и меди удельное число капель, как и для искры, составляет порядка 107 капель/кулон. При токе ячейки близком к пороговому капля является элементом катодного цикла. Поэтому по числу испускаемых капель за один кулон можно оценить длительность цикла. Для указанных выше металлов она составляет 20-30 нс, что близко совпадает с измерениями другими методами.

Теперь рассмотрим природу порогового тока и катодного падения потенциала в эктонном механизме вакуумной дуги. Пороговый ток это тот минимальный ток, при котором дуговой разряд будет самоподдерживающимся. Это происходит тогда, когда в каждой последующей струе жидкого металла масса и вложенная в нее удельная энергия не ниже некоторой предельной величины. Удельная энергия для медной струи должна составлять порядка I05 Дж/г. Катодное падение потенциала - это падение на прикатодном участке неидеальноЙ плазмы, которая образуется при электрическом взрыве струи жидкого металла. Например, для обеспечения катодного падения потенциала для медного катода (UK = 16 В) удельное сопротивление плазмы должно быть 10-4-10-3 Ом- см, а средняя концентрация плазмы не ниже 1021 см-3.

При функционировании катодного пятна происходит унос катодной массы. Он, как и в искре, происходит в виде плазмы (ионы), жидкого металла (капли) и его паров. Наибольший удельный унос для меди происходит в виде ионов 40 мкг/Кл, капельная фракция равна 25 мкг/Кл, а паровая фаза около 8 мкг/Кл. Для большинства металлов доля ионного тока уносимого на анод составляет 8% от общего тока дуги.

Функционирование катодного пятна сопровождается его хаотическим движением. Если приложить магнитное поле перпендикулярное электрическому, то движение принимает направленный характер и происходит в направлении, противоположном амперовскому, т.е. движению обычного проводника. Это движение получило название “обратного движения”. Фактически это движение кажущееся, так как происходит отмирание одних ячеек катодного пятна и появление новых. Физическая основа движения пятна второго типа связана с взаимодействием плазмы с микроструями жидкого металла. Это взаимодействие приводит к усилению плотности тока в струях, их джоулеву разогреву, взрыву и образованию вследствие этого новых ячеек катодного пятна на бруствере предыдущего кратера, так как именно там появляются струи жидкого металла. Одной из наиболее вероятных причин “обратного движения” является аномальное движение ионов и электронов в катодной плазме. С одной стороны, это обратные электроны, которые возвращаются на катод из катодной плазмы, а с другой - положительные ионы, которые после микровзрыва двигаются с катода на анод, т.е. в аномальном направлении.

При функционировании вакуумной дуги имеется конечная вероятность того, что дуговой разряд может погаснуть. Эта вероятность описывается случайным экспоненциальным законом, а время до погасания разряда растет с ростом тока экспоненциально. С точки зрения эктонного механизма дуги это явление кажется очевидным, так как взрывная эмиссия периодически исчезает и возникает вновь в эктонных циклах. Поэтому всегда есть вероятность того, что при каком-то токе значительная часть эктонов исчезнет “почти” одновременно, приводя к погасанию всей дуги.

Существование тока через катодное пятно, на один-два порядка превышающего ток ячейки, часто используется как аргумент против эктонного механизма. Как было показано выше, в этом случае происходит группировка ячеек катодного пятна в непосредственной близости друг от друга. Здесь реализуются энергетически более выгодные условия для воспроизводства эктонных процессов: выше плотность тока, температура поверхности, концентрация прикатодной плазмы. Когда плотность тока в таком коллективном пятне снижается до средней плотности тока одиночной ячейки, происходит его деление. Наличие субструктуры катодного пятна подтверждено экспериментальными данными по колебаниям светового излучения пятна, его электронно- оптической съемкой и эрозионными следами, оставляемыми на катоде.

Итак, мы показали, что в основе функционирования всех трех стадий вакуумного разряда, - пробоя, искры и дуги, лежат микровзрывы поверхности катода, взрывная эмиссия электронов и эктоны. Исходя из этого подхода, можно удовлетворительно объяснить многообразие процессов в катодной области вакуумного разряда. Никакой другой подход к изучению вакуумного разряда этого сделать не позволяет.

Существуют два механизма возбуждения вакуумного пробоя плазмой на катоде: один за счет зарядки диэлектрических пленок и включений и их пробоя, а второй за счет усиления плотности тока на микровыступах катода. В первом случае плотность плазмы, инициирующей разряд, на несколько порядков меньше, чем во втором.

Есть различные методы инициирования вакуумного пробоя за счет внешнего воздействия. Наиболее хорошо изученными являются лазерное инициирование, а также удар ускоренной микрочастицы об электрод. Во всех этих методах главным для пробоя является достижение большой концентрации энергии в микрообъеме катода, образование первичных эктонов и начало взрывной эмиссии электронов. Несмотря на различные методы инициирования, основными физическими эффектами являются образование плазмы и ее взаимодействие с поверхностью катода, которое приводит к образованию эктона.

Минимальная энергия, необходимая для инициирования пробоя вакуумного промежутка при воздействии на катод ускоренной микрочастицы, составляет ~ 10-8 Дж, как и в случае прямого воздействия плазмы искры на катод. При воздействии плазмы на анод в сторону катода будет направлен поток ионов, который, с одной стороны, разогревает катод и создает условия для возникновения на нем плазмы, а с другой - может приводить к зарядке диэлектрических пленок и включений и их пробою. При этом создаются первичные эктоны, которые и инициируют вакуумный пробой в основном промежутке. В этом случае фактом, значительно облегчающим создание плазмы на катоде, является газ, адсорбированный на его поверхности.

Итак, при электрическом взрыве металла вещество проходит несколько состояний: твердое, жидкое, смесь фаз, фазовые переходы, газ, плазма. Теоретическое исследование этого явления чрезвычайно трудно. Точные аналитические решения задачи невозможны. Поэтому очень важную роль играют экспериментальные исследования уравнений состояния металла и зависимости удельного сопротивления и теплопроводности от удельной энергии. Экспериментальные результаты для широкого диапазона состояния вещества используются для построения полуэмпирических моделей, которые анализируются компьютерными методами. Кроме того, существуют физические модели, основанные на фундаментальных представлениях о строении вещества и строящиеся с помощью основополагающих принципов. При этом для каждого состояния металла используется своя модель. Теоретически наиболее хорошо изучены область газовых состояний и область сверхвысоких параметров, когда вещество переходит в чисто атомарное состояние. В этом случае происходит перестройка атомарных оболочек, которая сопровождается отрывом наружных оболочек. Все эти эффекты имеют место также и при взрыве проводников.

Приложения. В последние два десятилетия особо получила развитие физика сильноточных релятивистских электронных пучков (СРЭП), не только потому, что СРЭП явились интересным объектом для научных исследований – они нашли широкое применение. СРЭП расшифровывается следующим образом. Сильноточные - это большие токи, до нескольких миллионов ампер; релятивистские - это электроны в пучке разогнаны до скоростей, близких к скорости света. Энергия электронов может составлять несколько миллионов электронвольт.

При создании СРЭП необходимо решить несколько проблем: реализовать электронную эмиссию с высокой плотностью тока; транспортировать пучки в условиях влияния собственного заряда электронов пучка; обеспечить соответствующие условия для эффективного использования СРЭП. Устройством для получения СРЭП является сильноточный ускоритель заряженных частиц, основной элемент которого - диод - система металлических электродов, разделенных либо вакуумным промежутком, либо газовым промежутком с соответствующим давлением газа. К электродам прикладывается высокое напряжение, под действием которого происходят эмиссия (выход) электронов из отрицательного электрода (катода) и их ускорение.

Релятивистские электронные пучки сейчас используются для разогрева плазмы до высоких температур (в задачах управляемого термоядерного синтеза), для получение вспышек мощного электромагнитного излучения - от рентгеновского до СВЧ-диапазона, для возбуждение квантовых генераторов, для модификация поверхности твердых тел и т.д. В настоящее время ведутся исследования в направлении расширения использования СРЭП для решения проблем экологии.

Библиография

Бугаев С.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия электронов // Успехи физ. наук. 1975. Т. 115. Вып. 1

Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М., 1968

Месяц Г.А. Эктоны в электрических разрядах // Письма в ЖЭТФ. 1993. Т. 57. Вып. 1-2

Месяц Г.А. Эктоны. Екатеринбург, 1994

Месяц Г.А. Эктон – лавина электронов из металла // УФН. 1995. Т. 165. № 6

Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М., 2000

Mesyats G.A., Proskurovsky D.I. Pulsed electrical