Член-корреспондент РАН Валерий ШПАК, директор Института электрофизики УрО РАН

Электрофизика - наука молодая, но с большой историей. Под современным названием она выделилась в последней трети XX в., объединив разных специалистов - от физиков-теоретиков до инженеров-электриков. Однако ее истоки надо искать тремя веками ранее и они тесно связаны с открытием электричества - явления, резко изменившего весь ход развития мировой цивилизации.

Одним из первых электрофизиков справедливо считают американского просветителя, государственного деятеля и ученого Бенджамина Франклина (иностранный почетный член Петербургской АН с 1789 г.), чей портрет на стодолларовой банкноте США. Он первым ввел понятие положительного и отрицательного полюсов в электричестве, объяснил роль диэлектрика в электрическом конденсаторе, создал электрический запал и бифокальные очки, предложил молниеотвод с заземлением. А первым российским электрофизиком был академик Петербургской АН (с 1740 г.) Георг Рихман, современник Михаила Ломоносова*. К сожалению, сейчас его чаще упоминают как жертву шаровой молнии, а он

*См.: Э. Тропп. На пути к универсальному знанию. - Наука в России, 2011 N 5 (прим. ред.).

автор оригинальных работ по электричеству и магнетизму, изобретатель первого настоящего электроизмерительного прибора - электроскопа со шкалой.

Кстати, если присмотреться к истории естественных наук повнимательнее, то мы увидим, что каждому крупному успеху в любой из них предшествовало появление какого-то нового прибора, имеющего прямое отношение к электрофизике. На разных этапах это были электронные микроскопы, спектрометры, томографы, сверхточные измерители времени и расстояний - всего не перечесть. Более совершенный инструментарий открывал окна в ранее неизведанные области, помогал исследовать явления, которые затем становились основой принципиально новой техники. Она же, в свою очередь, стимулировала создание следующего поколения приборов, и все повторялось сначала, только время между этими циклами сжималось, а периоды становились все короче. Впрочем, речь не только об инструментах для научных исследований. Сегодня электрофизические приборы используются во многих областях человеческой деятельности - они важная часть производственного оборудования и современных вооружений, космической и бытовой техники.

Границы любой науки условны, вот и электрофизика нередко вторгается в области порою весьма далекие от отведенных ей рамок, однако существуют объекты исследований, интерес к которым у ее представителей неизменен. Среди них сверхсильные электрические и магнитные поля, плотные потоки энергии, но особо нужно отметить быстропротекающие процессы в различных средах и плазме. Ведь как любое вещество состоит из атомов и молекул, так и каждое явление составлено из коротких мгновений и их изучение открывает новые возможности, позволяет найти ключи к более глубокому пониманию окружающего нас мира.

Одно из двух учреждений РАН, у которых эта наука упоминается в названии, - Институт электрофизики в Екатеринбурге. В ноябре 2011 г. ему исполнилось четверть века. Здесь с самого основания небольшой коллектив ученых и инженеров поставил целью занять передовую линию исследований, хотя это нелегко: в науке никто не знает заранее, в какой области произойдет очередной прорыв. Вот почему в основе работы любого ученого - многолетний кропотливый труд, сопровождающийся поиском решений, частыми неудачами и редкими находками. Случается, что в развитие принципов действия какого-нибудь простого устройства рождаются целые направления науки и техники. Таким устройством автором статьи выбран всем знакомый плавкий предохранитель: ведь сегодня трудно найти человека, который бы ни разу не держал его в руках.

Предохранитель (электрики называют его плавкой вставкой) представляет собой стеклянную или керамическую трубочку с металлическими контактами и тонкой проволочкой внутри. От проходящего тока проволочка нагревается, но если ток становится большим, то проволочка плавится и разрывает цепь, защищая проводку от перегрева, а дом от пожара. Трудно предположить даже приблизительно, сколько таких немудреных деталей сегодня находится в работе. Только в автомобиле их больше десятка, а автомашин в мире свыше миллиарда. В блоке питания каждого телевизора, компьютера, в зарядном устройстве сотового телефона на случай короткого замыкания обязательно предусмотрен предохранитель. А у практичных англичан он присутствует даже в каждой электрической вилке! И хотя пожары от короткого замыкания электропроводки и сегодня не редкость, при расследовании их причин чаще всего выясняется, что в нужном месте не оказалось исправного предохранителя.

Казалось бы, какая современная физика может быть в этом незатейливом устройстве? И действительно, еще в середине XIX в. физики Джеймс Джоуль в Англии и Эмилий Ленц (академик Петербургской АН с 1830 г.) в России вывели соотношение между протекающим током и нагревом проводников, сейчас известного как закон Джоуля-Ленца. Чем больше ток, тем скорее проволочка расплавляется и

тем быстрее разрывается электрическая цепь. При очень больших токах проволочка испаряется, да так быстро, что скачок температуры возбуждает ударную волну, скорость которой вписывается в явление, именуемое взрывом. При этом налицо все его признаки - яркая вспышка света, громкий звук и ударная волна, настолько ощутимая, что стеклянные корпуса предохранителей разлетаются в мелкие кусочки, поэтому для быстродействующих устройств используют более прочную керамику.

Со временем появилась теория взрывающихся проводников. Ее основное соотношение - произведение квадрата величины тока на время запаздывания взрыва проволочки для каждого проводящего материала есть величина постоянная. Самыми быстрыми оказались легкоплавкие металлы и их сплавы. И делая из подручных средств кустарный предохранитель - жучок, мы грубо нарушаем все эти соотношения и такой суррогат никогда не будет полноценной заменой. Впрочем, несмотря на то, что сегодня существует множество более эффективных (и, естественно, более дорогих) многоразовых защитных устройств, простой одноразовый плавкий предохранитель по-прежнему обязательный элемент любых электроустановок. На всякий случай.

Казалось бы, тем исследование взрывающихся проводников должно бы и завершиться. Но, как это часто бывает, в процессе изучения обнаружилось множество интересных вещей. Например, поджигать пороховой заряд проволочкой, нагретой электрическим током, придумал еще Бенджамин Франклин. Однако если намного ускорить рост тока через проводник, то скорость ударной волны может превысить скорость звука и перейти в диапазон, именуемый в физике детонацией. Так появились современные безопасные электродетонаторы, представляющие собой проволочку, запрессованную в таблетку из трудноинициируемого взрывчатого вещества. Они не боятся ударов и, даже попав в огонь, просто сгорают. Срабатывают же лишь при пропускании через проволочку мощного импульса тока от специального конденсатора.

А что же происходит с проволочкой после взрыва? Оказалось, все зависит от скорости роста тока, материала проволочки и среды, где происходит такой взрыв. Материал разлетается в виде пара и капель, которые, остывая, становятся мельчайшим порошком с размером частиц меньше микрона - наночастицами. И это едва ли не самое легкое состояние любого твердого вещества - литровая бутылка вмещает в себя всего 20 - 30 г такого порошка. Можно сказать, что в этом виде у материала почти нет массы, зато есть очень большая поверхность. Отсюда и необычные свойства нанопорошков, особенно их высокая химическая активность. Металлические нанопорошки приходится хранить в консервирующей жидкости или инертном газе - в воздухе они

быстро окисляются. Столь мелкие частицы легко проникают сквозь тонкие перчатки и даже через кожу рук, поэтому работа с ними требует крайней осторожности. Не спасают и обычные респираторы, поэтому стоит только порадоваться, что присутствие в названиях многих товаров модной нынче приставки "нано" не более чем рекламная уловка. Наконец, в любой дорожной или строительной пыли всегда есть немного наночастиц - так называемая нанофракция.

В практике нанопорошки используют в виде добавок, либо из них прессуют различные детали, в том числе сверхпористые для суперфильтров и мембран. Естественно, для этого требуются нанопорошки разных материалов и в больших количествах. Взрывом проволочек получать их в промышленных масштабах довольно затратно, и в производстве используют другие технологии, в основном химические. Однако электрофизическими методами можно получать нанопорошки с необычными свойствами или сразу готовые их смеси из различных материалов. Взрывая проволочки в соответствующей газовой среде, например, в кислороде, можно получать оксиды - готовый материал для производства нанокерамик. При одновременном взрывании проволочек из различных материалов не требуется смешивание, при котором очень сложно обеспечить однородность. В последнее время для резкого увеличения производительности в нашем институте успешно используют мощные волоконные лазеры и сильноточные электронные пучки. Ими испаряют небольшие участки материала на массивной мишени, и тогда не нужно изготавливать тонкую проволоку и заменять ее после каждого взрыва.

Для получения готовых изделий нанопорошки прессуют. Этот процесс называется компактированием, и он оказался совсем непростым делом. Широко используемые механические и гидравлические прессы для данной цели непригодны - внутренние силы трения порошка и прочность прессформ не позволили достичь нужных давлений и температур. И снова выручила электрофизика - там давно были известны механические свойства мощных импульсных магнитных полей. Магнитно-импульсные прессы создают так называемую мягкую волну сжатия при длительности воздействия 10 - 1000 мкс. Это позволяет обеспечить нужный разогрев прессуемой массы за счет трения порошка и избежать разрушения оснастки. Уже сейчас с помощью таких устройств делают сверхтвердые детали из алюминиевой нанокерамики, основой которой служит нанопорошок окиси алюминия. Пример таких деталей - тонкостенные трубки из оксидных керамик с субмикронной структурой разной плотности и пористости, например, для суперфильтров или электролитов твердо-оксидных топливных элементов - важнейшего звена устройств водородной энергетики.

Электротехника также не упустила возможность воспользоваться свойствами взрывающихся проводников в качестве быстрых прерывателей тока. Известно, что обрыв тока в электрической цепи, содержащей индуктивность, создает на ней перенапряжение тем большее, чем короче время обрыва. Все видели искру в размыкающихся контактах выключателя или в трамвайном токосъемнике: это как раз результат пробоя воздуха при перенапряжении. Такая искра может перейти в газовый разряд, именуемый электрической дугой, той самой, которую используют в электросварке или газоразрядных осветительных лампах. Однако в выключателях искру нужно как можно быстрее погасить, иначе и электрическая цепь не разомкнeтся, и контакты сгорят.

Справедливости ради отметим: обрыв тока в катушке индуктивности уже давно используют для получения импульсов высокого напряжения. В старых школьных кабинетах еще остались катушки Румкорфа - высоковольтные импульсные генераторы, созданные в XIX в. немецким изобретателем, механиком Генрихом Румкорфом. В них ток разрывается механической контактной системой. Похожие по принципу действия генераторы применяли в системах зажигания карбюраторных двигателей внутреннего сгорания. При этом водителю приходилось регулярно чистить контакты прерывателя и регулировать зазор, поэтому они были заменены бесконтактными полупроводниковыми системами.

Итак, проблема любого прерывателя заключается в скорости обрыва тока, ведь чем больше последний, тем большее время нужно для его выключения. Ограниченная же скорость обрыва не позволяет создавать мощные устройства на основе индуктивных накопителей энергии, хотя они проще и примерно в 100 раз компактнее емкостных - конденсаторов. Здесь и пригодилось быстрое время обрыва тока взрывающихся проволочек. С их применением были разработаны импульсные генераторы с напряжением выше 1 млн. вольт и током в сотни тысяч ампер. Пиковые, кратковременные мощности таких устройств достигают сотен мегаватт и сравнимы с соответствующими показателями крупных электростанций. Однако их очевидный и главный недостаток заключался в необходимости замены проволочки после каждого импульса и удаления продуктов взрыва, небезопасных, как показано выше. В итоге, как стало уже обычным в современной технике, на смену пришли полупроводниковые прерыватели. Однако их рождению предшествовала значительная работа. Ведь при обрыве тока и сам прерыватель должен выдерживать скачок напряжения. При использовании проволочки особых проблем не возникало, там существовало время формирования разряда, так называемая пауза тока. Но обычные полупроводниковые структуры пробивались и разрушались при первом же выключении. Как быть?

Базой для создания эффективных высоковольтных прерывателей стал обнаруженный в нашем институте в 1992 г. эффект резкого обрыва тока при переключении высоковольтных полупроводниковых диодных структур, названный SOS-эффектом (Semiconductor Opening Switch). Его авторами стали член-корреспондент РАН Юрий Котов и доктора технических наук Сергей Рукин и Александр Филатов.

Следует отметить: с перенапряжениями в электрических сетях из-за быстрых обрывов тока постоянно боролись разработчики мощных полупроводниковых выпрямителей. Выход они нашли в создании специальных диодов с так называемым "мягким", без резкого обрыва тока, выключением. В нашем институте использовали это вредное явление, обнаружив, что при последовательном включении большого числа

полупроводниковых структур обратное напряжение между ними при обрыве тока распределяется равномерно. Это позволяет практически неограниченно увеличивать выходное напряжение генератора без сложных и громоздких систем выравнивания напряжения, неизбежных при последовательном включении полупроводниковых диодов и к тому же потребляющих заметную часть энергии. Обнаруженное явление было сразу применено для генерирования мощных импульсов. И теперь предельное выходное напряжение, средняя и импульсная мощность устройств на SOS-диодах ограничены только возможностями систем охлаждения.

Уже есть полностью полупроводниковые генераторы с выходным напряжением до 1 мегавольта и частотой следования импульсов более 1000 импульсов в секунду. Их преимущество - большой срок службы и надежность работы в любых условиях. Такие генераторы используются в качестве "фабрики озона" для очистки воздуха от токсичных примесей. За цикл исследований и разработку нового класса устройств на основе SOS-эффекта группа сотрудников нашего института была удостоена Государственной премии РФ за 2004 г. Следует отметить ведущую роль в этой работе члена-корреспондента РАН Юрия Котова. Этот рано ушедший из жизни ученый обладал редкой способностью доводить все свои разработки до практического применения. На его счету также взрывные электродетонаторы, установки для производства нанопорошков и мощные генераторы на индуктивных накопителях.

Если не ставить задачу взорвать всю проволочку, то в принципе можно предложить такую форму межэлектродного зазора, когда катод выполнен в форме острия, и мы будем взрывать только его кончик. В этом случае ток в цепи может замкнуться через элек-

тронный поток с острия при условии, если напряжение между катодом и анодом будет достаточно высоким, чтобы электрическое поле на острие превысило

10⁷ В/см. Такое поле способно преодолеть силу, удерживающую электроны в твердых телах при обычной температуре, и его достаточно для так называемой автоэлектронной (холодной) эмиссии. Сами по себе токи этой эмиссии по величине небольшие, микроамперные, но и сечения микроострий, через которые они проходят, тоже очень малы. Поэтому плотность тока через них достигает гигантских величин, до

10⁸ А/см², и этого уже вполне достаточно для взрыва микроострия за время около 1 нc (миллиардной доли секунды). Для сравнения: за это время свет в воздухе проходит расстояние всего лишь 30 см.

Как достигаются такие поля? Известно, что любая неровность поверхности электрода резко усиливает электрическое поле. Чтобы повысить электрическую прочность изоляции высоковольтные электроды даже полируют. Однако идеально ровных поверхностей вообще не существует, и соответствующие микрофотографии, сделанные с помощью электронного микроскопа, показывают: даже после оптической полировки на электродах остается множество микронеоднородностей. Помимо них ту же роль "усилителей поля" могут играть и острые грани кристаллов, края тонких пленок загрязнений, микродефекты материала, остатки используемых при обработке абразивных порошков. Вот почему электрическая прочность изоляции газовых и вакуумных промежутков сильно зависит от состояния электродов.

Следует отметить, что совсем необязательно создавать неоднородности на катоде после каждого импульса. Понятно, что, взрываясь, неоднородности исчезают, поверхность катода полируется, увеличивая этим электрическую прочность изоляции. Такой эффект называется тренировкой и широко используется при создании высоковольтных вакуумных и газоразрядных приборов. Однако было обнаружено обратное: если при тренировке увеличивать ток или длительность его прохождения, то поверхность катода становится еще более шероховатой, на ней появляются новые микронеоднородности. Это позволяет создавать вакуумные и газовые разрядники со стабильными характеристиками и большим сроком службы.

И еще. При взрыве микроострия на катодном электроде формируется плазменный шарик (факел). Он разлетается с высокой (свыше 10 км/с) скоростью в вакуумный или газовый промежуток между двумя электродами - катодом и анодом. Эта плазма плотная и горячая (около 50 000 °С), она не только ярко светится, но и является мощным источником заряженных частиц - электронов. Такой эффект был назван взрывной электронной эмиссией и зарегистрирован в 1976 г, как открытие группой сибирских и ленинградских ученых под руководством академика Геннадия Месяца, основателя, первого директора и научного руководителя нашего института, ныне вице-президента РАН и директора Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.

Исследование взрывной электронной эмиссии продолжается. Именно этот эффект признан ответственным за возникновение электрического пробоя газовой и вакуумной изоляции, поэтому его никак не обойти при создании любых высоковольтных приборов. Нашла применение и струя плазмы из катодного факела. Ее гиперзвуковая скорость - важный показатель для реактивного двигателя. Ведь чем больше скорость струи, тем меньше расход топлива при оди-

наковои тяге - это же прямой путь к увеличению ресурса космических аппаратов. Пока такие двигатели существуют в виде макетов, но специалисты НИИ машиностроения (г. Нижняя Салда, Свердловская область), чьи реактивные двигатели малой тяги успешно работают на Международной космической станции, настроены весьма оптимистично.

В настоящее время взрывная эмиссия - основа работы катодов, используемых в сильноточных ускорителях. Это так называемые ускорители прямого действия, т.е. у них на промежуток между анодом и катодом подается короткий импульс напряжения от десятков киловольт до нескольких десятков мегавольт. Этому напряжению и будет соответствовать максимальная энергия ускоренных электронов, она обычно измеряется в килоэлектронвольтах - кэВ. Уже при 100 кэВ скорость электронов становится близкой к скорости света. Таким образом, в принципе для подобного ускорителя требуются: источник высокого напряжения, достаточная вакуумная изоляция ускоряющего промежутка и эмиттер, позволяющий обеспечить нужный ток электронов от сотен до нескольких тысяч ампер. Естественно, кроме взрывных плазменных катодов, никакие другие эмиттеры обеспечить такие токи не могут. Для сравнения: самые распространенные оксидные термокатоды (их действие основано на использовании явления термоэлектронной эмиссии), известные нам по радиолампам и кинескопам старых телевизоров, в состоянии обеспечить плотность тока только до 100 А/см², к тому же они работают при температуре около 800°С и очень требовательны к вакуумным условиям.

Естественен вопрос - для каких целей нужны столь мощные ускорители? Обычно их используют как инструмент для воздействия на различные материалы, либо с помощью мощных электронных пучков генерируют электромагнитные излучения. Достаточно отметить сделанное в 1895 г. великое открытие нобелевского лауреата Вильгельма Рентгена: лучи, названные его именем, произвели революцию в медицине, да и не только в ней. А возникает это явление при взаимодействии ускоренных электронов с электронной оболочкой атомов анода, поэтому такое излучение часто называется тормозным. Рентгеновская трубка и есть один из самых используемых ускорителей прямого действия. Естественно, чем больше ток пучка, тем мощнее излучение. В настоящее время в медицинских и промышленных рентгеновских трубках используются "старые добрые" термокатоды. Однако для скоростной рентгенографии требуются короткие, но мощные импульсы и там незаменимы катоды на основе взрывной эмиссии, не требующие нагрева. Импульсные рентгеноаппараты с применением холодных катодов имеют заметно меньшие габариты, потребляют меньше энергии и могут работать от аккумуляторов. Они незаменимы в поле-

вых условиях, скажем, при рентгенодефектоскопии магистральных нефте- и газопроводов. Впрочем, уже существуют и передвижные установки, так называемые палатные импульсные рентгеноаппараты для медицинских стационаров.

В Институте электрофизики УрО РАН создан ряд ускорителей для различных целей. Самые большие размещаются в специальных залах, оборудованных мощной защитой персонала от вредного воздействия излучения, но есть и такие, которым достаточно небольшого чемоданчика. Прежде всего, сильноточные ускорители - очень эффективный инструмент, позволяющий проводить исследования в различных областях. Ведь короткие импульсы обладают большой мощностью при относительно небольшой энергии, поэтому позволяют получить результат, который недостижим при длительном воздействии, поскольку материал разрушается под действием тепла.

Однако электронный пучок ускоряется только в вакууме, а далеко не каждый образец можно поместить в вакуумную камеру. Для решения вопроса существуют электронные трубки с выводом ускоренных электронов из вакуума в воздух (используется их свойство проникать сквозь материалы). И если разогнать электроны до энергии 150 кэВ, то сквозь алюминиевую фольгу толщиной 50 мкм примерно половина их выйдет в воздух. А для него фольга будет надежным барьером и он не помешает работе трубки.

Одним из необычных применений такого ускорителя стал импульсный катодолюминесцентный анализатор, разработанный у нас под руководством доктора физико-математических наук Владимира Соломонова. В этой установке под действием мощного пучка электронов ярко светятся, люминесцируют все неметаллические материалы, в том числе и экзотические, в частности, алмазы. И каждый материал имеет свой неповторимый спектр люминесценции, по которому можно определить не только состав, например, минерала, но и месторождение, примеси и пр. Свечение регистрируется и анализируется спектрометром и поступает на компьютер, сравнивающий полученный спектр с имеющейся в его памяти базой данных. Понятно, что для таких анализов даже не требуются высококвалифицированные специалисты-минералоги. Более десятка таких приборов уже работают в российских лабораториях.

Среди многих мощных импульсных приборов, разработанных в нашем институте, рентгеноаппараты для промышленности и медицины, ускорители для быстрой поверхностной стерилизации медицинского инструментария и материалов, источники электромагнитных импульсов. Они успешно работают в исследовательских центрах и университетах 15 стран мира. За их разработку в 1998 г. группа наших сотрудников удостоена Государственной премии РФ.

И это только небольшая часть работ Института электрофизики. Исследования продолжаются, и трудно даже предположить, какие находки нас еще ждут впереди. А началось все с простого плавкого предохранителя.

Работы поддержаны грантами РФФИ: 09 - 08 - 00101; 09 - 08 - 198; 10 - 08 - 000814; 10 - 08 - 00517.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: