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