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. 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 Opening 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 считался 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 было 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 «Наука Урала», №4, 2004 г.