На основе SOS-эффекта

SOS-эффект — это не сигнал бедствия. Это явление наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках. Его обнаружение положило начало новому научно-техническому направлению – сверхмощной наносекундной полупроводниковой электронике. За цикл фундаментальных исследований процессов нано- и субнаносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках и создание на их основе нового класса сверхмощных полупроводниковых приборов и электрофизических устройств ученым Института электрофизики УрО РАН кандидату физико-математических наук С.А. Дарзнеку, члену-корреспонденту РАН Ю.А. Котову, научному сотруднику С.К. Любутину, доктору технических наук С.Н. Рукину, главному специалисту Б.Г. Словиковскому, доктору технических наук А.Л. Филатову, кандидату физико-математических наук С.Н. Цыранову и директору отделения Физико-технического института РАН им. А.Ф. Иоффе члену-корреспонденту И.В. Грехову была присуждена Государственная премия Российской Федерации, о чем «НУ» уже сообщала. Сегодня мы попросили подробно рассказать об этой работе одного из ее авторов Сергея Николаевича Рукина, заведующего лабораторией импульсной техники ИЭФ УрО РАН.

— Мощная импульсная техника — это токи в десятки и сотни килоампер, напряжения в сотни киловольт и единицы мегавольт, импульсная мощность в десятки гигаватт. Традиционно в этой области использовались плазменные коммутаторы — искровые разрядники либо прерыватели тока на основе распада плазмы, взрывающихся проволочек. Еще 10–15 лет назад считалось, что полупроводниковые коммутаторы здесь работать не могут, поскольку в те времена они имели мощность на три порядка меньше, чем требовалось. Но вот в 1992 году мы обнаруживаем эффект резкого обрыва тока в обычных полупроводниковых выпрямительных диодах, которые выпускались нашей промышленностью. Он заключался в способности таких диодов отключать или обрывать сверхплотные токи за одну или десятки наносекунд при определенных параметрах проходящего по ним импульса тока. Впоследствии это явление и получило название SOS-эффекта (от английского Semiconductor Ope-ning Switch — полупроводниковый прерыватель тока). Мощность коммутации — процесса переключения энергии — оказалась в сотни раз выше, чем в традиционно использовавшихся полупроводниковых приборах.             

— Дмитрию Ивановичу Менделееву, которому, кстати, 8 февраля нынешнего года исполнилось 170 лет, периодическая таблица явилась во сне. А как произошло ваше открытие?

— Говорят, оно валялось под ногами, все просто проходили мимо, считая чем-то несущественным. Диод выпрямляет ток, и во время восстановления обратного напряжения на нем возникает бросок перенапряжения. Этот эффект всегда считали отрицательным, потому что он снижает надежность работы диода и для его устранения требуются специальные меры. А мы подошли к проблеме с противоположной стороны: попробовали этот эффект усилить и использовать его для обрыва тока в индуктивных накопителях энергии. Нам просто повезло — мы это сделали первыми. 

Произошло это в самое глухое кризисное время — в 1992 году. Тогда большинство членов нашего авторского коллектива были сотрудниками лаборатории Юрия Александровича Котова. Мы только что переехали в новый корпус Института физики металлов и вели исследования в еще не обустроенной комнате, где были только стол, экспериментальная установка для исследования полупроводниковых диодов и осциллограф. Там и был обнаружен SOS-эффект. В том же году появилась и первая публикация на эту тему.                

Но само обнаружение SOS-эффекта — только начало. Нужно было всесторонне его изучить.  Мы исследовали процессы динамики электронно-дырочной плазмы при сверхвысоких плотностях тока, выявили основные закономерности процессов обрыва тока, как в наносекундном, так и в субнаносекундном диапазоне времени. На основе этих исследований были разработаны сверхмощные полупроводниковые приборы, получившие название SOS-диодов, и сильноточные наносекундные импульсные генераторы. По сравнению с известными ранее полупроводниковыми устройствами наиболее важные характеристики генераторов (импульсная мощность, выходное напряжение, ток, скорость нарастания мощности, тока и напряжения на нагрузке) увеличились в десятки и сотни раз. В частности, в наносекундной полупроводниковой технике был впервые освоен диапазон мегавольтных напряжений в сочетании с гигаваттным уровнем импульсной мощности. В отличие от традиционных устройств с плазменными и газоразрядными коммутаторами разработанные наносекундные генераторы имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии. Благодаря этому они отличаются высокой стабильностью формируемых импульсов в сочетании с высокой частотой их следования, имеют высокую удельную среднюю мощность, надежность и практически неограниченный срок службы. Именно эти качества необходимы для применения мощных импульсных устройств в различных электрофизических промышленных технологиях. 

— Совершат ли ваши разработки революцию в области техники?

— В 40-е годы изобрели транзистор — твердотельный прибор, который заменил электронную лампу — газоразрядный прибор. Это привело к созданию микроэлектроники на базе транзисторов, т.е. к технической революции, поскольку это изобретение могло широко использоваться на практике: вычислительная техника, связь, бытовая радиоэлектронная аппаратура и т.д. То, что мы сделали, — некий аналог этого события, но только в более узкой области физики и техники. Соответственно значение этого открытия на несколько порядков меньше. Мощная импульсная техника не внедрена так широко в нашу повседневную жизнь, используется в основном в электрофизическом эксперименте, и только в последнее десятилетие началось ее продвижение в технологию.  

На основе SOS-эффекта были созданы качественно новые электрофизические устройства: импульсные ускорители электронов, рентгеновские аппараты, устройства СВЧ- электроники, генераторы для сверхширокополосных излучателей, газовых лазеров и экологических технологий, например очистки выбросов ТЭЦ, генерации озона. Мощные импульсные рентгеновские аппараты создаются в лаборатории импульсных источников излучения во главе с А.Л. Филатовым. Они уже используются в клиниках Екатеринбурга. Негативное воздействие на организм человека у них существенно ниже, чем у обычных приборов. В лаборатории Ю.А. Котова разработан новый класс ускорителей электронов на основе SOS-диодов. Сейчас такие ускорители внедряются на предприятиях нашей области, где будут использоваться для стерилизации медицинских материалов и одежды.                

— Государственная премия присуждена большому коллективу авторов. Каким было «разделение труда»?

— Как я уже говорил, все мы начинали в лаборатории Юрия Александровича Котова. Б.Г. Словиковский и С.К. Любутин проводили экспериментальные исследования, С.А. Дарзнек и С.Н. Цыранов занимались теоретической частью, построением моделей SOS-эффекта. В 1994 году была создана лаборатория импульсной техники, которой мне было поручено заведовать, затем отделился А.Л. Филатов, но мы продолжили исследования в близких направлениях. Член-корреспондент РАН И.В. Грехов — ведущий специалист в области мощной полупроводниковой электроники — подключился к нашей работе уже после обнаружения SOS-эффекта. Он одним из первых признал наше открытие и активно поддерживал нас.                

Работа уральских электрофизиков получила признание не только в России, но и за рубежом. Участники авторского коллектива неоднократно выступали в качестве приглашенных докладчиков на престижных международных конференциях по мощной импульсной технике, мощным пучкам заряженных частиц и на международных симпозиумах по сильноточной электронике. Коммерческие образцы разработанных в ИЭФ полупроводниковых приборов и импульсных электрофизических устройств поставляются в исследовательские организации и промышленные компании США, Великобритании, Германии, Южной Кореи, Израиля, Японии, Китая. 

Беседовала Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото С. НОВИКОВА:

доктор технических наук С.Н. Рукин	член-корреспондент РАН Ю.А. Котов	кандидат физико-математических наук С.Н. Цыранов
научный сотрудник С.К. Любутин	доктор технических наук А.Л. Филатов	главный специалист Б.Г. Словиковский