Миссия эмиссии. Открытие сибирских физиков полвека двигает науку.

Ровно 50 лет тому назад в Томском политехническом институте (ТПИ) (ныне Национальный исследовательский Томский политехнический университет) произошло событие, послужившее развитию целого ряда новых научно-технических направлений. Молодые ученые Геннадий Месяц, Сергей Бугаев и Дмитрий Проскуровский исследовали импульсные вакуумные разряды в наносекундном диапазоне времени и обнаружили неизвестное прежде явление, которое получило название “взрывная электронная эмиссия” (ВЭЭ). Его первое описание было сделано в докторской диссертации Г.Месяца “Исследования по генерированию наносекундных импульсов большой мощности”, представленной в июне и защищенной в декабре 1966 года в ТПИ. Вот что рассказал об этом в беседе с корреспондентом “Поиска” академик Геннадий Месяц:

— Для проведения эксперимента требовались три прибора: генератор высоковольтных наносекундных импульсов, высокоскоростной осциллограф и электронно-оптический преобразователь с фотоумножителем. У нас были только первые два. В это время в Новосибирске в Институте ядерной физики проводились исследования ударных волн в плазме, в ходе которых Александр Искольдский использовал подходящий прибор, уникальный для того времени. Коллега также подключился к нашим экспериментам. 

Исследования показали, что после приложения к вакуумному разряднику импульса напряжения с наносекундным фронтом на катоде наблюдается слабо светящаяся плазма и возникает ток электронов, наличие которых подтверждалось при помощи рентгеновского излучения и воздействия магнитного поля. Это и был ток взрывной эмиссии электронов. 

Первая публикация об этом эффекте появилась в “Журнале технической физики” (ЖТФ) №12 за 1967 год. Было установлено, что ток ВЭЭ происходит за счет электрического взрыва микроострий на катоде под действием автоэлектронной эмиссии (АЭЭ). В 1940-е и 1950-е 

годы, до появления полупроводниковых приборов, в СССР, США и странах Европы предпринимались попытки создать электронные лампы с холодным автоэмиссионным катодом. Однако их созданию препятствовал переход АЭЭ в дугу, который длился очень короткое время и не мог наблюдаться при помощи микросекундных генераторов импульсов и осциллографов. Именно в этом эффекте перехода и существовала взрывная эмиссия электронов в течение времени движения в катодной плазме до анода.

Открытие ВЭЭ, а затем и создание нашей группой в 1967 году сильноточного наносекундного ускорителя электронов сделали возможным рождение в науке нового направления — сильноточной электроники, и это стало мировой сенсацией. Мы нашли новый способ извлечения тока электронов из металла, и уже через несколько лет его сила превысила миллион ампер. 

— В 1968 году я стал приглашенным докладчиком на III Международном симпозиуме по разрядам и электрической изоляции в вакууме (International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum) (ISDEIV) в Париже. Затем, в 1970 году, мое сообщение об открытии взрывной эмиссии захотели услышать в Канаде. В 1971-м в Оксфорде организаторы конференции “Явления в ионизованных газах” внесли меня сразу в два списка — молодых ученых и основных спикеров, — вспоминает академик. — В 1976 году Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР признал явление взрывной электронной эмиссии открытием. При этом учли одновременную публикацию в том же номере ЖТФ статьи сотрудников Ленинградского государственного университета (ЛГУ, ныне СПбГУ) Георгия Фурсея и Павла Воронцова-Вельяминова, в которой было показано, что появление вакуумной дуги инициируется не просто нагревом и испарением микроэмиттеров (микроострий), а их взрывом, однако предположения о возможности появления тока свободных электронов в этой работе не содержалось. Так в числе соавторов открытия ВЭЭ кроме сибирской группы появились и два представителя ЛГУ. 

В 1977 году Г.Месяц стал первым директором томского Института сильноточной электроники СО АН СССР (ныне ИСЭ СО РАН), организованного по его инициативе для разработки методов генерирования сверхмощных электрических импульсов, потоков заряженных частиц и электромагнитных излучений, их воздействия на вещество, а также развития физики вакуумного и газового разрядов. Был обеспечен прорыв, в результате которого, в частности, появились сверхвысокочастотные генераторы, мощные ускорители электронов и лазеры на основе объемного электрического разряда в газе повышенного давления, открылась возможность для производства компактных рентгеновских аппаратов. В конце 1990-х здесь создали ГИТ-12 (генератор импульсных токов), внесенный Европейской организацией по сотрудничеству и развитию в перечень уникальных исследовательских установок, произведенных в России, а также “Синус-7” — сильноточный ускоритель электронов, и по сей день не имеющий аналогов в мире по совокупности параметров. Недавно ИСЭ и ФИАН разработали комбинированный лазер, дающий 15 тераватт мощности при длительности импульса 50 фемтосекунд, в котором используется цилиндрический пучок электронов с током 500 тысяч ампер.

Осенью этого года, как и в далеком 1968-м, Геннадий Андреевич выступит на очередном XXVII симпозиуме ISDEIV, который пройдет в Сучжоу (Китай). Рабочее название доклада, который по просьбе оргкомитета будет представлять собой исторический обзор развития направления исследований, инициированного когда-то Г.Месяцем, — “Взрывная электронная эмиссия: физика и технологии”. В программе этого научного форума также предусмотрено замечательное событие: награждение двух российских ученых Japan Prize (Премией Японии) за лучшую работу, представленную на ISDEIV в 2014 году. Тогда Г.Месяц и его ученик, старший научный сотрудник Института электрофизики УрО РАН Игорь Уйманов, рассказали о результатах совместного исследования. В 2015 году в журнале “IEEE Transactions on Plasma Science” вышла их статья “Гидродинамика расплавленного металла при формировании кратера на поверхности катода в вакуумной дуге”. Награда пришлась как раз к юбилею не только открытия взрывной электронной эмиссии, но и одного из его основных авторов: в этом году академик Геннадий Андреевич Месяц отметил свое восьмидесятилетие.

— Я считаю, — сказал он в заключение беседы, — что мы жили в замечательное время, когда отношение к науке было в высшей степени уважительное. В Томском политехническом институте, которому в этом году исполнилось 120 лет, были созданы замечательные условия для научной работы. Когда я стал работать в Академии наук СССР, не было никаких преград для сотрудничества академических институтов друг с другом и с вузами. Открытие взрывной эмиссии электронов, сделанное полвека тому назад, — прекрасный пример, подкрепляющий мои слова.