Александр Гордон - Диалоги (октябрь 2003 г.)
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.
