А.Г. Что я могу сказать Ц удачи.
А.С. Спасибо.

Эктоны


29.10.03
(хр. 00:38:14)

Участник:
Геннадий Андреевич Месяц Ц академик, вице-президент РАН

Александр Гордон: …электротехнике уже больше 200 лет. Но что за пр
оцессы происходят в электрической дуге Ц это до сих пор вызывают споры.
Наша передача называется «Эктоны и взрывная электронная эмиссия». Вам п
ринадлежит честь открытия эктонов. Не могли бы вы, может быть, начать с это
го. Что это такое, и каким образом это объясняет процессы, которые происхо
дят в выключателе всякий раз, когда рука до него дотрагивается?
Геннадий Месяц: Да, действительно, электрическая дуга была отк
рыта больше 200 лет назад. Ведутся споры, кто первый описал это явление. И дей
ствительно 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 абсолютн
о 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 ог
ромные Ц миллион сантиметров в секунду, Ц 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 темпе
ратуры металл, который испускает электроны, то есть, как обычно в электро
нной трубке телевизора, например, получается электронный луч, испускаем
ый нагретым катодом. Но наши исследования показали, что эта эмиссия прои
сходит порциями, отдельными небольшими порциями. Длительность этих пор
ций примерно 10 наносекунд, порядка миллиардной доли секунды, и в каждой по
рции примерно 10-12 электронов. Это можно назвать «электронный кластер» ил
и «взрывной центр». Поскольку это было обнаружено во взрывных центрах, к
оторые образуют на катоде нечто похожее на кратер на Луне, и поскольку об
а 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 обнар
ужили эту взрывную электронную эмиссию при исследовании эмиссии элект
ронов из тонкого металлического острия при высоких электрических поля
х, когда образуется ток автоэлектронной эмиссии. Когда очень высокая пло
тность тока Ц миллиард ампер на квадратный сантиметр, Ц то это остриё н
е плавится, как обычная проволочка, а взрывается, потому что там выделяет
ся очень большая энергия. И этот взрыв приводит к образованию большого э
лектронного тока, из места, где произошел взрыв, испускается большой эле
ктронный ток. Если до взрыва, положим, ток идет порядка одного ампер и даже
меньше ампера, то после взрыва Ц уже сотни ампер и больше.
Когда мы это явление ещё в 60-х годах обнаружили, то стали создавать новый т
ип электронных приборов, возникла новая электроника, она получила назва
ние «сильноточной электроники». Это приборы, которые позволяют получат
ь очень большие электронные токи, вплоть до миллионов ампер: кратковреме
нной длительности, различных размеров, можно сфокусированные токи полу
чать, предположим, десятки миллионов ампер на квадратный сантиметр. Внач
але это использовалось для термоядерного синтеза, были очень большие пр
ограммы и в Советском Союзе, и в Америке. Потом стали получать широкие эле
ктронные 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 р
азмерами до многих метров.
Потом стали получать так называемые кольцевые, цилиндрические электро
нные пучки, для генераторов СВЧ-излучения. Фактически, появилась новая э
лектроника. Есть микроэлектроника, полупроводниковая электроника, а ес
ть 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 взры
в, это взрывной процесс, это электрический взрыв в микроскопическом объе
ме.
Но было ясно, что процесс не стационарный. Когда уже потом стали более тща
тельно смотреть, то оказалось, что этот процесс порционный и не просто по
рционный, 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 пла
зме, капли и струи жидкого металла взрываются уже вторично, то есть получ
ается вторичный взрыв, и получается самоподдерживающийся процесс. Тогд
а пришла идея, что этот самоподдерживающийся процесс Ц это и есть элект
рическая дуга. Тогда уже стали заниматься исследованием дуги, то есть по
пытались понять уже те явления, которые сотни лет мы все используем. Вы пр
авильно сказали: мы утром встаем, зажигаем свет, вечером ложимся спать, га
сим свет, идем в туалет, зажигаем. Так вот, когда мы включаем и выключаем св
ет, происходят миллиарды электрических взрывов, вот таких, как показано
на этом слайде.
Дальше стали думать над другими процессами. Оказалось, что есть очень мн
ого 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 э
тот металл исчезает. Оказывается, что это так называемая униполярная дуг
а: при взаимодействии плазмы с этим металлом образуется слой ионов, кото
рый создает высокое электрическое поле. И в этом высоком электрическом п
оле за счет автоэлектронной эмиссии возникают эти взрывы.
То есть, стало возможным объяснить многие явления в электрических разря
дах в газе. В частности, некоторые процессы так называемого коронного ра
зряда. Это очень давно известный процесс, открытый ещё в позапрошлом век
е. Но там тоже были неясны некоторые эффекты, например, так называемая «ко
рона Тричела». Почему она импульсная? Она то возникает, то исчезает. То ест
ь оказалось, что это явление, которое позволило объяснить многие давно и
зученные процессы, и как бы внешне изученные. Но никто до нас не мог проник
нуть в суть этих процессов.
То есть фактически есть два результата этих исследований. Одно Ц это со
здание совершенно новой электроники, очень важной для технологии, для об
оронных дел. Например, сейчас можно получать электронные пучки и мощные
электромагнитные источники, которые имитируют в небольших объемах взр
ывы, например, атомной бомбы. Фактически, это одна из технологий, которая п
озволила вместе с компьютерными методами избежать натурных испытаний.
Это с одной стороны. А с другой стороны, мы смогли объяснить целый ряд физи
ческих 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. Ка
кие нужны приборы при эксперименте для того, чтобы отследить этот процес
с? 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 пр
осто, в обычном вакууме, между обычными двумя электродами. То есть это пло
ские электроды, катод плоский и анод плоский. Но когда смотришь под микро
скопом, то у самого гладкого катода всегда имеются микроскопические выс
тупы, они небольшие, но они имеются. И когда мы прикладываем между катодом
и анодом электрическое поле, то на этих микроскопических выступах элект
рическое поле усиливается.
Положим, у нас поле миллион вольт на сантиметр, это достаточно обычное по
ле при приложении кратковременных импульсов. А на микроскопических ост
риях эти поля усиливаются ещё в сотни раз. То есть, получается примерно со
тни миллионов вольт на сантиметр. При таких высоких полях возникает так
называемая холодная эмиссия или автоэлектронная эмиссия. Это туннельн
ый эффект, он довольно хорошо исследован. Ещё до появления полупроводник
овых приборов его пытались активно использовать для того, чтобы создава
ть новые электронные приборы.
Но проблема состояла в том, что зависимость плотности тока от приложенно
го электрического поля настолько сильно экспоненциальна, что этот приб
ор очень быстро выходил из строя. То есть маленькое перенапряжение, и кат
од сгорает, катод просто оплавляется, и ничего не получается. И всем казал
ось, что всё, проблема, так сказать, закрыта, катод использовать нельзя. Но!
Мы показали, что в течение короткого времени, когда взрыв произошел, эта п
лазма, 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 д
о тысячи градусов, до таких температур, которые приводят к плавлению и ис
парению. Но этот процесс очень кратковременный Ц именно процесс нагрев
а, процесс взрыва длится всего единицы наносекунд, то есть миллиардные д
оли секунды. Взрыв произошел, смотришь, а на катоде ничего нету, и если не п
оглядишь в микроскоп, то ничего не увидишь.
Что нужно было для того, чтобы исследовать это явление? Что нам потребова
лось, и почему, собственно говоря, взрывная эмиссия была открыта в 66 году? М
ы смогли посмотреть всё это в очень мощный усилитель света, использующий
электронно-оптические преобразователи, когда можно было регистрирова
ть отдельные кванты. Потому что взрывающаяся масса здесь ничтожная Ц 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 т
ому, что мы стали смотреть с экспозицией в наносекунды и с усилением свет
а в миллион ампер, мы смогли наблюдать, как на катоде появляется первое св
ечение.
Когда потом стали смотреть в электронный микроскоп, мы увидели, что это с
вечение сопровождается появлением кратера Ц кратера не видели, пока не
было электронных микроскопов. Фактически, наличие электронных микроск
опов, то есть прибора, который позволяет иметь высокое пространственное
разрешение, и высокоскоростной фотографии, которая позволяет иметь оче
нь большое временное разрешение, наносекундное, позволило это явление о
ткрыть. А потом уже, когда появился радиационной метод, методы определен
ия массы и так далее, мы смогли уже определить, сколько граммов на кулон ун
осится. Но самое главное, я считаю, Ц это усилитель света с электронно-оп
тическим преобразователем и очень мощный микроскоп. И осциллограф, есте
ственно, потому что нужно регистрировать очень короткий ток. Я уже говор
ил, что вся наша электроника работала в наносекундном диапазоне. Сейчас
мы перешли уже в пикосекундный диапазон, и тут, конечно, нужен осциллогра
ф с очень высоким временным разрешением.
А.Г. Разве хватает временного разрешения осциллографа для тог
о, чтобы зафиксировать эти процессы с допустимой погрешностью?
Г.М. Сейчас есть осциллографы, которые позволяют регистрирова
ть времена порядка пикосекунд. Но импульсы, которые мы получаем, это элек
тронные пучки, световые пучки, рентгеновские пучки длительностью в сотн
и пикосекунд. Это уже стало нормальным, обычным явлением. И фактически се
йчас появилось новое направление, которое называется «техника мощных п
икосекундных импульсов», «техника пикосекундных электронных пучков».
Там появляются совершенно новые возможности.
А.Г. Мы об этом чуть-чуть позже поговорим. А пока я хотел задать в
ам вопрос. Верно ли, что далеко не все разделяют ваш подход к объяснению то
го, что происходит в вольтовой дуге, несмотря на экспериментальное подтв
ерждение вашей теории?
Г.М. Понимаете, какая ситуация. Когда, например, Лавуазье доказы
вал, 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 науч
ную карьеру сделали на утверждении, что дуга начинается оттого, что разо
гревается 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 од
нозначно признают, что как минимум должен существовать первый взрыв. Пот
ому что всегда есть кратер. Откуда кратер появился? Потом Ц откуда берут
ся ионы? При взрыве совершенно очевидно, почему ионы двигаются в другую с
торону. Потому что при самом взрыве, очень кратковременном, выделяется э
нергия до ста тысяч джоулей в грамме, это уже энергия существенно больша
я, чем энергия взрывчатки. Там уже образуется плазма, плазма образуется п
ри самом процессе разогрева. И там имеются и ионы, и электроны, то есть обы
чная плазма. И в результате взрыва по инерции ионы летят в противоположн
ую сторону. Этот непонятный эффект так называемых «аномальных ионов» бы
л открыт ещё в 30-х годах.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30