Ученые института
электрофизики (ИЭФ) УрО РАН создали новый класс устройств в области мощной
импульсной техники – сверхмощные пикосекундные твердотельные генераторы,
способные выдавать импульсы мощностью в десятки ГВт. Рекордный показатель – 77
ГВт. Этот результат был отмечен президентом РАН Александром Сергеевым среди
важнейших научных достижений, полученных российскими учеными в 2020 году.
Существует целый ряд
задач как научно-исследовательского, так и практического характера, для которых
необходимы электромагнитные импульсы экстремально высокой мощности:
исследования процессов пробоя диэлектриков в экстремально высоких электрических
полях, рентгенография быстропротекающих процессов взрывного типа, неразрушающая
дефектоскопия, радиолокация большой дальности, мощная СВЧ-электроника, накачка
газовых лазеров, нагрев термоядерной плазмы, ядерно-физические эксперименты и
многое другое.
Но как получить импульс с
мощностью разряда молнии «от розетки»? Это достигается сокращением длительности
импульса, когда при фиксированном энергозапасе повышение мощности
осуществляется за счет сокращения времени выделения энергии. Грубо говоря,
импульс сжимают до длительности в считанные нано- и пикосекунды и за счет такой
компрессии происходит увеличение его мощности до мега- и гигаваттного уровня,
хотя и в очень короткий промежуток времени. Созданием устройств, формирующих
такие импульсы, занимается особый раздел технической физики – пикосекундная
электроника.
Одним из устройств,
способных сформировать такой импульс, являются твердотельные SOS-генераторы с
полупроводниковым прерывателем тока (SOS – Semiconductor Opening Switch). SOS-эффект – эффект наносекундного обрыва
сверхплотных токов в полупроводниках – был обнаружен в ИЭФ УрО РАН
(Екатеринбург) в 1992 году. В 1994 году для проведения исследований в этой области
была организована Лаборатория импульсной техники, создавшей высоковольтные
полупроводниковые приборы нового класса – SOS-диоды.
Фото 1. Вид SOS-диода SOS–200–8 (напряжение –
200 кВ, обрываемый ток – 8 кА, диаметр сборки – 64 мм, длина – 156 мм, масса –
760 г), который в свою очередь представляет собой сборку из десятков
элементарных SOS-диодов – небольших «шайбочек», включающих по 4 полупроводниковые
структуры. 1 – катод, 2 – анод, 3 – колонка последовательно соединенных диодов
и охладителей, 4 – охладитель, 5 – элементарный SOS-диод.
«Мы обнаружили эффект
резкого обрыва тока в обычных полупроводниковых выпрямительных диодах, которые
выпускались нашей промышленностью, – рассказывает руководитель лаборатории,
главный научный сотрудник ИЭФ УрО РАН, Сергей Рукин. – Он
заключался в способности таких диодов обрывать сверхплотные токи за одну или
десятки наносекунд».
SOS-диоды и послужили
основой для разработки принципиально нового класса мощных полупроводниковых
наносекундных генераторов. Последовательное и параллельное соединение
SOS-диодов в общую сборку позволило создавать прерыватели тока мегавольтного
уровня напряжения с переключаемой мощностью более 1 ГВт. Разработанные лабораторией генераторы используются как в России, так и поставляются за рубеж. Импульсные генераторы и прерыватели тока были поставлены в 22 зарубежные
организации в США, Китай, Великобританию, Японию, Германию, Израиль, Францию,
Корею, Индию.
Фото 2. Генератор S-500
при обрыве тока в 14 кА за 2 нс выдает импульсы длительностью 7 нс и пиковой
мощностью 6 ГВт и частотой до 1000 Гц. В прерывателе тока генератора S-500
содержится 928 «шайбочек» элементарных SOS-диодов. Габариты устройства – 4,8 x 1,4 x 1,1 м,
масса – 3,2 т.
К примеру,
генератор S-500, новейшая разработка лаборатории, имеет пиковую мощностью 6
ГВт. Это уже сравнимо с мощностью
разряда молнии, которая составляет величину от 1 до 1000 ГВт. Два атомных
реактора ледокола «Арктика» позволяют развить мощность на два порядка меньше,
чем S-500, –
60 МВт, но, конечно, надо понимать, что ледокол выдает ее постоянно, а не в
течение нескольких наносекунд.
Но, оказывается, и 6 ГВт
– не предел. Импульс можно сжать до пикосекунд. Ученые ИЭФ УрО РАН решили
объединить SOS-генератор с устройством, которое называется линией магнитной
компрессии энергии – MCL (Magnetic Compression Line). MLC представляет собой отрезок коаксиальной линии
передачи энергии, на внутренний проводник которой надеты ферритовые кольца. Вся
система находится в продольном магнитном поле, создаваемом внешним соленоидом.
При поступлении на вход такой линии импульса в ней возникают колебания
напряжения из-за процесса взаимодействия векторов продольного и азимутального
магнитных полей в феррите. В этой комбинации SOS-генератор выполняет функцию
вспомогательного элемента, формируя входной импульс в систему компрессии
энергии MCL.
«Наши исследования
начались с того, что мы задались вопросом: «А что будет, если длительность
входного импульса окажется близка к периоду возбуждаемых в MCL колебаний?» –
рассказывает Сергей Рукин. – Ответ на него фактически и привел к созданию и
развитию SOS+MCL-подхода. Оказалось, что при выполнении такого условия MCL начинает работать как
усилитель входного импульса, сжимая его во времени и увеличивая его мощность».
Рис.1. Схема установки с
линиями магнитной компрессии энергии: 1 – электроды линий, 2 – ферритовые
кольца, 3 – внешний соленоид, 4–7 – изоляторы, 8 – нагрузка, 9–12 – емкостные
делители напряжения.
В результате объединения SOS-генератора S-500 и
четырехступенчатого магнитного MCL-компрессора на ферритовых гиромагнитных линиях
впервые в мире для твердотельных импульсных систем получены рекордно высокие
значения пиковой мощности – 77 ГВт. Фактически речь идет о появлении нового
класса устройств в области мощной импульсной техники – сверхмощных
пикосекундных твердотельных генераторов на основе SOS+MCL-подхода. Такие
устройства будут востребованы в приложениях, требующих высоких скоростей
нарастания тока, напряжения и мощности.
«Самое главное в
SOS+MCL-подходе заключается в том, что устройство сжатия импульса вообще не
содержит каких-либо коммутирующих элементов – замыкающих или размыкающих, –
подводит итог работе Сергей Рукин. – Усиление импульса по мощности и сжатие его
во времени происходит автоматически в процессе прохождения импульса по линии
MCL. В конечном итоге именно это обстоятельство и позволило поднять мощность
пикосекундных импульсов на два порядка величины – от сотен МВт до десятков
ГВт».
Достигнутый рекорд
мощности – не предел. На основе SOS+MCL-подхода можно получить и более мощные
импульсы.
«На сегодняшний день
просматриваются варианты выхода на мощность в диапазоне 100-200 ГВт при
длительности импульса 200-300 пс, – утверждает Сергей Рукин. – Но энергетика
такой системы должна быть существенно выше. Для нее понадобится существенно
более мощный SOS-генератор входных импульсов – около 25 ГВт».
Подготовил Леонид Ситник,
редакция сайта РАН