Высоковольтная электрофизика
Высоковольтная электрофизика - научная школа, созданная в Томском политехническом институте после организации в 1946 г. кафедры техники высоких напряжений (ТВН), руководимой профессором А.А. Воробьевым. Высоковольтная электрофизика получила развитие на кафедре техники высоких напряжений, а также в НИИ высоких напряжений и НИИ ядерной физики. Большой вклад в развитие этого направления в Томском политехническом институте (университете) внесли ученые-электрофизики А.А. Воробьев, В.Я. Ушаков, А.А. Дульзон, И.И. Каляцкий, А.Т. Чепиков, В.И. Курец, Г.М. Кассиров, Г.А. Месяц, С.Г. Боев, В.В. Лопатин, Б.В. Семкин, Н.А. Ратахин, Г.А. Воробьев, В.Л. Корольков.
Начальный этап
В 1946 г. для подготовки инженеров-электриков по технике высоких напряжений в Томском политехническом институте под руководством и по инициативе профессора Александра Акимовича Воробьева была организована кафедра техники высоких напряжений.
В лаборатории кафедры в 1947 г. был создан первый в Союзе бетатрон, в 1956 г. сооружена первая на Востоке страны высоковольтная лаборатория. В 1960 г. на кафедре открыт высокоэффективный электроимпульсный способ разрушения и обработки твердых тел.
Сотрудники кафедры ТВН принимали активное участие в организации и работе научно-исследовательских проблемных лабораторий электроники, диэлектриков и полупроводников и электроимпульсного разрушения твердых тел («Кедр»). Достигнутые научные результаты послужили основанием для создания в 1968 г. НИИ высоких напряжений при ТПИ, а затем и института сильноточной электроники Томского филиала АН СССР. Основным составом научных сотрудников этих крупных научных учреждений явились выпускники кафедры и ее аспирантуры.
В 1944 г. в Томском политехническом институте была открыта аспирантура по специальности «Техника высоких напряжений», через которую осуществлялась подготовка научных и педагогических кадров для ТПИ, вузов и научных учреждений других регионов страны.
Базой для подготовки кадров и проведения исследований явилась созданная в 1955 - 1959 гг. первая в Сибири высоковольтная лаборатория, оснащенная установками для получения сверхвысоких постоянных, переменных и импульсных напряжений. к середине 60-х гг. лаборатория располагала современной регистрирующей и измерительной аппаратурой: скоростными фоторегистраторами, теневыми установками, электронно-оптическими преобразователями, импульсной осциллографической аппаратурой микро-и наносекундного диапазона и др.
Прогрессивная техника физического эксперимента позволила развернуть широкие исследования по физике пробоя диэлектриков, проводимые под руководством А.А. Воробьева сотрудниками кафедры ТВН и созданной в 1953 г. проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников.
Одновременно с изучением природы электрического пробоя диэлектриков на кафедре ТВН в 1950-х гг. велись поисковые исследования по применению электрических разрядов для целенаправленного разрушения горных пород и твердых материалов, названного электроимпульсным. Работы в области электроимпульсной технологии стимулировали новые физические и прикладные исследования по высоковольтной импульсной технике. (Г.А. Воробьев, Г.А. Месяц), изучению явления электрического взрыва проводников и разработке высоковольтных средств взрыва (М.А. Мельников, В.Б. Шнейдер) и изучению искры как источника механических и иных возмущений (руководитель - Б.В. Семкин). Значительный вклад в теорию и практику импульсного электрического пробоя жидкостей внесли исследования основных электрофизических характеристик и механизмов разряда в жидких диэлектриках, выполненные под руководством В.Я. Ушакова.
Исследования в области высоковольтной электротехнологии позволили создать к 1965 г. базу подготовки на кафедре ТВН инженеров по новой специальности "Инженерная электрофизика".
Развитие научных исследований на кафедре ТВН в области физики пробоя диэлектриков, ускорительной и высоковольтной импульсной техники, а также активная подготовки инженерных и научно-практических кадров послужили основой для создания в ТПУ новых учебных и научных подразделений - физико-технического и электрофизического факультетов, НИИ ядерной физики, НИИ высоких напряжений, Института сильноточной электроники СО АН СССР, нескольких кафедр по новым направлениям подготовки специалистов.
Результаты научных исследований сотрудников кафедры ТВН и НИИ высоких напряжений обобщены в многочисленных статьях и в целом ряде монографий, учебников и учебных пособий.
Высоковольтники Томского политехнического института были инициаторами и организаторами проведения в Томске Всесоюзных конференций и совещаний по физике пробоя диэлектриков, высоковольтной технике и электроимпульсной технологии.
Исследования электрического пробоя диэлектрических сред
Одним из основных научных направлений Томской школы высоковольтников является исследование электрического пробоя различных диэлектрических сред (вакуума, газа, жидкостей и твердых диэлектриков) преимущественно на импульсных микро-и наносекундного диапазона и электрического старения монолитной полимерной изоляции.
Исследование вакуумного пробоя, начатые Г.М. Кассировым на кафедре ТВН в 1961 г., были по существу первыми в СССР работами по наносекундному вакуумному пробою. Они позволили установить основные временные характеристики и количественные данные об электрической прочности технического вакуума. В последующем эта тематика получила бурное развитие под руководством Г.А. Месяца, вначале в НИИ ядерной физики при ТПУ, а затем в институте сильноточной электроники СО АН СССР. Были установлены фундаментальные физические закономерности вакуумного пробоя, а явление взрывной эмиссии зарегистрировано как научное открытие.
Исследование пробоя газов, начатые в 1959 г., были ориентированы на электроимпульсную технологию и выяснение возможности электроимпульсной проходки скважин и среде сжатого газа. Для этого были исследованы вольт-секундные характеристики газов, газовых смесей и паров при повышенных давлениях и температурах (имитация условий при бурении свехглубоких скважин). Впоследствии работы по газовому разряду (руководитель - Г.С. Коршунов) были ориентированы на создание газонаполненных сильноточных искровых коммутаторов.
В предвоенные годы в Томском политехническом институте были начаты работы по исследованию электрического пробоя жидких диэлектриков. Целью их было выяснение особенностей поведения изоляции маслонаполненных высоковольтных аппаратов, работающих на открытом воздухе в условиях суровых сибирских зим. Были найдены эффективные способы уменьшения вязкости трансформаторных масел без заметного снижения электрической прочности. В последующем работы по пробою жидкостей стимулировались развитием электроимпульсной технологии. Это существенно расширило набор исследуемых жидкостей (трансформаторное и солярное масло, техническая и очищенная вода, суспензии, эмульсии) и условия их испытаний (температура, параметры испытательных импульсов, геометрия разрядных промежутков). Результаты этих исследований были положены в основу выбора промывочных жидкостей, конструкций породоразрушающих иструментов, параметров высоковольтных импульсов.
Работы сотрудников ТПИ по пробою и разрушению твердых диэлектриков, выполнявшиеся в течение четверти века под руководством А.А. Воробьева, нашли признание в СССР и за рубежом. Именно исследования физики пробоя твердых диэлектриков стимулировали развитие в Томске высоковольтной наносекундной техники и послужили основой для работ по электроимпульсной технологии, радиационной физике твердого тела, тонкопленочной изоляции для устройств микроэлектроники.
Электроимпульсные технологии
Основные направления работ в области электроимпульсной технологии базируются на установленном в 1958 г. А.А. Воробьевым, Г.А. Воробьевым, А.Т. Чепиковым явлении превышения импульсной электрической прочности жидкостей над импульсной электрической прочностью твердых диэлектриков в области малых времен разряда. Это явление легло в основу разработки высоковольтных электроимпульсных технологических установок для разрушения горных пород, руд и других твердых диэлектрических и полупроводящих материалов (бетон, кварц, керамика, корунд и т.п.).
Работы в области электроимпульсного дробления до 1989 г. выполнялись в НИИ высоких напряжений (руководители - В.И. Курец, Э.Н. Таракановский) совместно с институтом "Механобр" (С-Петербург). Был разработан и принят в эксплуатацию дробильно-измельчительный комплекс (ДИК-1) для измельчения геологических проб. Были созданы такжк установки для выделения драгоценных органочных камней, переработки шлаков золотоплатиновых производств, измельчения кварцевого сырья и др. Преимущества электроимпульсного способа дробления по сравнению с механическими заключается в более высокой избирательности разрушения, возможности регулирования гранулометрического состава, значительно меньшем загрязнении готового продукта металлом.
Основные результаты работ в области электроимпульсной технологии можно сформулировать следующим образом:
- созданы научные основы электроимпульсной технологии;
- определены сферы наиболее эффективного ее внедрения;
- выбраны оптимальные схемы технологических процессов и созданы работоспособные конструкции установок и их элементов;
- проведены промышленные испытания отдельных образцов.
Высоковольтная наносекундная техника
В 1957 г. в ТПИ под руководством Г.А. Воробьева и Г.А. Месяца были начаты работы в области высоковольтной наносекундной техники. Появилась возможность углубить исследования физики пробоя диэлектриков, а также приступить к разработке источников сильноточных электронных пучков. В последующем работы по электронным пучкам выделились в самостоятельный раздел прикладной физики - сильноточную электронику - и привели к созданию в 1977 г. Института сильноточной электроники СО АН СССР.
Высоковольтная аппаратура
Открытие в 1961 г. при кафедре ТВН проблемной лаборатории электроимпульсного разрушения горных пород, а в 1968 г. создание при ТПИ НИИ высоких напряжений стимулировали разработку высоковольтной аппаратуры технологического назначения. Была разработана серия генераторов импульсного напряжения 300-600 кВ. Высокие частота и КПД схемы достигались применением зарядных индуктивностей между ступенями генератора и зарядного дросселя. Конструкция этих генераторов позволила работать на открытом воздухе и транспортировать установки. В последующем продолжилось совершенствование генераторов технологического назначения с целью повышения их КПД, надежности и срока службы, уменьшения уровня шума и помех.
Широкое внедрение силовой полупроводниковой техники, постоянный рост мощностей генераторов и потребителей электроэнергии, увеличение уровня токов короткого замыкания в энергосистемах потребовали разработки новых типов отключающих аппаратов, способных надежно защитить электрооборудования в аварийных режимах. Одним из направлений создания таких аппаратов является использование энергии взрыва для сверхбыстрого разъединения контактов и гашения электрической дуги отключения.
Разработка взрывных коммутаторов (ВК) проводилась в НИИ ВН с 1968 г. (руководитель - В.Л. Корольков) по трем основным направлениям:
- токоограничивающие ВК (предохранители) для защиты полупроводниковых преобразователей;
- синхронизированные ВК (генераторные выключатели);
- взрывные короткозамыкатели.
В результате проведенных исследований определены основные закономерности протекания процесса отключения тока взрывом, разработан ряд новых технологических решений, на которые было получено более 100 авторских свидетельств на изобретения.
Совместно с кафедрой промышленной электроники разработаны и выпускались малыми сериями малогабаритные высоковольтные источники на базе высокочастотных преобразователей, предназначенные для заряда высоковольтных накопительных конденсаторов, питания импульсных и непрерывных лазеров, импульсного ускорения плазмы и т.д.
С 1976 г. были начаты работы по созданию под общим научным руководством академика А.М. Прохорова мощных электроразрядных СО2-лазеров. Если на начальных этапах этих работ институт ограничивался в основном разработкой и изготовлением источников накачки СО2-лазеров, то с 1981 г. институт приступил к разработке и изготовлению самих лазеров. Потребовалось изучение природы и характеристик объемного самостоятельного разряда в газовых смесях на основе СО2 при атмосферном давлении, разработка высокоэффективных предыонизаторов, оригинальных схем накачки, способов повышения коэффициента использования объема рабочей смеси на основе новых принципов формирования объемного разряда.
В 1984 г. в институте был запущен лазер с энергией излучения до 3 кДж и рекордной на то время апертурой излучения, в 1987 г. - действующий макет лазера с объемом рабочей смеси 320 л, межэлектродным расстоянием до 50 см и энергией излучения до 10 кДж. В 1988 г. был получен объемный разряд в межэлектродном промежутке 70 см, что примерно вдвое превосходит этот параметр у действующих лазеров. Этими работами руководили Б.В. Семкин и Б.Г. Шубин.
В 1980 г. были завершены разработка, изготовление и испытания излучателя электромагнитного импульса. Работа выполнялась под организационным руководством В.С. Колесникова. Ее выполнение послужило стимулом для развития и укрепления инженерно-технических и вспомогательных служб (конструкторского отдела, отдела снабжения, экспериментальных мастерских и др.); институт оборудовал второй загородный полигон. В 1985 г. с участием НИИ ВН было завершено сооружение крупномасштабного сильноточного ускорителя с уникальными параметрами. Общее руководство работами, порученными НИИ высоких напряжений, осуществляли В.Я. Ушаков и А.А. Дульзон.
Две группы сотрудников под руководством В.Б. Шнейдера (в 1984 г.) и В.Л. Королькова (в 1987 г.) начали работы по созданию мощных электродинамических установок для реализации идей в области высокоскоростного синтеза сверхтугоплавких материалов. Основой для таких работ послужили накопленный в институте опыт применения энергии взрывчатых веществ в мощной импульсной энергетике и наличие специалистов одинаково хорошо ориентирующихся как в высоковольтной электрофизике, так и в физико-химии, а также опыт разработки высоковольтных импульсных источников на основе индуктивных накопителей энергии с прерывателями тока в виде электрически взрываемых проводников.
Источники
https://portal.tpu.ru/departments/kafedra/tevn/About
Становление и развитие научных школ Томского политехнического университета: Исторический очерк/Под ред. Ю.П. Похолкова, В.Я. Ушакова. - Томск: ТПУ, 1996. - 249 с.