Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://physelec.phys.msu.ru/hystory.doc Дата изменения: Wed Sep 25 01:22:58 2013 Дата индексирования: Thu Feb 27 20:06:06 2014 Кодировка: koi8-r

ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ФИЗИКА ПЛАЗМЫ
(кафедра физической электроники)

Физическая электроника в самом общем смысле этого слова
представляет собой область физики, которая занимается изучением
явлений, связанных с движением заряженных частиц и в первую
очередь - электронов (отсюда и само название "электроника") в
различных материальных средах. Это прежде всего вакуумная
электроника, изучающая процессы, которые происходят при движении
заряженных частиц в вакууме и в основе которых лежат законы этого
движения. Сюда относятся вся электронная оптика, электронная и
ионная микроскопия, а также физика явлений, происходящих в
различных радиотехнических устройствах типа электронных ламп и
приборов, применяющихся для генерации или усиления
электромагнитного излучения, в том числе и СВЧ-диапазона.
Последнее направление в настоящее время оформилось в
самостоятельное - радиофизику СВЧ. Во-вторых, это явления
испускания электронов и ионов различными средами, в основном,
твердыми телами и плазмой, которые составляют обширный раздел
физической электроники, называемый эмиссионной электроникой. С
появлением полупроводников интенсивно начала развиваться
полупроводниковая электроника и на ее основе - электроника
твердого тела. В дальнейшем полупроводниковая электроника также
стала развиваться самостоятельно и является в настоящее время
разделом физики полупроводников. К области же собственно
физической электроники продолжают относиться такие разделы
твердотельной электроники как физика поверхности, тонких пленок и
пленочных структур - элементной базы современной
микроэлектроники. Исторически одним из основных разделов
физической электроники являлась так называемая газовая
электроника, изучавшая процессы в различных газоразрядных
радиотехнических устройствах, таких как тиратроны, разрядники,
стабилитроны и т,п. На основе изучения физики газового разряда
оформился и в дальнейшем получил самостоятельное развитие такой
крупный раздел физики как физика плазмы. Тем не менее наука о
плазменных средах является важнейшей составной частью физической
электроники. Наука о плазменном состоянии изучает большой круг
проблем, связанных с поведением газа заряженных и нейтральных
частиц. С развитием лазерной физики из этой науки выделился
крупный раздел, связанный с изучением законов поведения газа

- 2 -

возбужденных атомов и молекул и получивший название квантовой
электроники. Таким образом со временем из физической электроники
выделились крупные самостоятельные разделы, изучением которых
занимается ряд специальных кафедр. Поэтому ниже из перечисленного
круга вопросов освещаются только те, которые изучались и
изучаются на кафедре физической электроники.
Кафедра физической электроники, которая до 1990 г.
называлась просто кафедрой электроники, образовалась в 1932 г. на
базе лаборатории электрических явлений в газах при Институте
физики Московского университета. К моменту переезда в 1953 г. в
новое здание на Ленинских горах на кафедре оформились две
лаборатории: газовой электроники и электронной оптики. В 1963 г.
была организована Проблемная лаборатория микроэлектроники,
которая просуществовала до 199.. г. В 198.. г. в составе кафедры
был организован Научно-учебный центр субмикронной диагностики и
технологии материалов электронной техники Минвуза и Российской
академии наук, в сотав которого входят научные подразделения и
группы физического факультета и Научно-исследовательского
вычислительного центра МГУ, а также научные лаборатории
Физико-технологического института и Института проблем технологии
микроэлектроники и особо чистых материалов РАН. В 1995 г. при
кафедре была создана Совместная лаборатория проблем плазменного и
ионно-лучевого нанесения покрытий при Московском и Чувышском
госуниверситетах. Помимо этих подразделений в настоящее время в
структуре кафедры две научно-исследовательские лаборатории:
физики плазмы и плазменной электроники и твердотельной
электроники.
Научной основой, на которой выросла кафедра физической
электроники явились классические работы выдающихся профессоров
Московского университета - А.Г.Столетова по фотоэффекту,
П.Н.Лебедева по электромагнитным колебаниям и волнам и
С.А.Богусловского по кинетике электронов в электрических и
магнитных полях. Со дня основания по 1966 г. кафедрой заведовал
ее основатель ученик П.Н.Лебедева профессор Н.А.Капцов. С 1966 г.
по 1985 г. кафедру возглавлял профессор Г.В.Спивак, а с 1985 г.
кафедрой заведует последний аспирант Н.А.Капцова профессор
А.Ф.Александров. Профессорами кафедры были А.М.Рейхрудель и
В.Л.Грановский. В настоящее время профессорами кафедры являются

- 3 -

А.А.Рухадзе, А.А.Кузовников и М.Б.Гусева. В составе кафедры
сейчас работают также доктора физ.-мат. наук В.И.Петров,
И.Б.Тимофеев, И.Ф.Уразгильдин, В.С.Черныш, В.М.Шибков,
В.Е.Юрасова и Э.И.Рау.

I.ПЕРИОД СТАНОВЛЕНИЯ НАУЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ КАФЕДРЫ
(период до переезда в новые здания)
Одним из основных научных и учебных направлений кафедры с
момента ее образования было изучение электрических явлений в
газах и в вакууме, связанных с формированием и поддержанием
различных форм газовых разрядов. Первые систематические
исследования в области физики газового разряда были проведены на
кафедре Н.А.Капцовым. В них изучались процессы формирования
электронных лавин, процессов на катоде и связанные с ними явления
пробоя разрядного промежутка, становление его электропроводности
и возникновение переходных форм разряда. Были проведены
теоретические расчеты и экспериментальные измерения первого
таунсендовского коэффициента ионизации 7 a 0 (С.К.Моралев,И.И.Глотов)
и выявлено влияние на величину напряжения зажигания разряда V 43
давления газа (Капцов Н.А.) и состава плазмообразующих газовых
смесей (И.И.Глотов), наличия стационарных магнитных полей
(Г.В.Спивак, Э.М.Рейхрудель), искусственного подогрева и
поверхностного фотоэффекта (А.В.Афанасьева, Н.А.Капцов). Изучено
влияние на величину V 43 0 возбужденных и метастабильных атомов
(И.И.Глотов), и обнаружено их влияние на режим работы катодных
частей разряда (А.А.Зайцев, Г.В.Спивак, Э.М.Рейхрудель).
Г.В.Спиваком с сотрудниками (Е.Л.Столярова, Л.И.Голик,
А.И.Крохина) была разработана модель формирования плазменного
канала при пробе в длинных трубках при низком давлении газа в две
стадии: газосфокусорованного пространственным зарядом и зарядом
на стенках трубки электронного пучка и стадии, в которой
направленное движение переходит в хаотическое. Это нашло свое
подтверждение в экспериментах авторов, а также Э.М.Рейхруделя и
Т.А.Титовой. Возможность фокусировки электронных потоков в стадии
пробоя газа при высоких импульсных напряжениях и использование
этого явления для создания мощных источников рентгеновского
излучения были обоснованы в работах Э.М.Рейхруделя с
сотрудниками. Дальнейшие исследования показали, что время

- 4 -

формирования разряда типа искрового при повышенных давлениях
значительно меньше времени формирования, следующего из теории
Таунсенда. В работах Н.А.Капцова рассчитано перераспределение
однородного поля в разрядном промежутке, вызванное объемным
положительным зарядом, который образуется следующими друг за
другом электронными лавинами. Работы Н.А.Капцова явились большим
вкладом в утверждение новой так называемой стримерной теории, в
которой учитываются ионизация электронами, характеризуемая
коэффициентом 7 ф 0, фотоионизация в объеме газа и действие объемного
заряда, создаваемого лавинами и стримерами. Большое внимание было
уделено коронному разряду, возникающему при больших давлениях в
резко неоднородных полях из-за малого радиуса кривизны
поверхности электродов. Ионизация и свечение газа при этом
происходят лишь в тонком слое вблизи коронирующего электрода.
Н.А.Капцовым проведен расчет распределения поля в коронирующем
слое и вольтамперных характеристик короны рассмотрены прерывистые
явления в коронном разряде и ее переход в искровой или дуговой
разряд. Эти исследования имели большое практическое значение для
расчета потерь энергии с коронирующих электродов и объяснения
особенностей работы электрофильтров.
В тридцатые годы на кафедре были начаты систематические
исследования влияния внешнего магнитного поля на различные
характеристики газовых разрядов (Г.В.Спивак, Э.М.Рейхрудель с
сотрудниками). Была начата разработка основ зондовой диагностики
магнитоактивной плазмы. Применение метода зондов и оптических
методов (Х.М.Фаталиев и О.Н.Ренкова) позволили, по-видимому,
впервые наблюдать явление отжатия плазмы от стенок разрядной
трубки под действием внешнего продольного магнитного поля и
получить данные о влиянии магнитного поля на величину продольного
электрического поля и характер радиального распределения
параметров плазмы. М.И.Родиным получены интересные данные об
эффекте Холла в плазме.
Во время войны кафедра была эвакуирована вначале в Ашхабад,
а затем в Свердловск. В 1942 г. профессор Н.А.Капцов и группа
сотрудников физического факультета были вызваны в Москву для
выполнения правительственных заданий, связанных с развитием
военной техники. В Ашхабаде под руководством Э.М.Рейхруделя были
созданы стеклодувные мастерские по изготовлению стеклянных

- 5 -

изделий для нужд госпиталей и оборонных преприятий городов
Средней Азии. В Свердловске под руководством Г.В.Спивака и
Э.М.Рейхруделя создан цех по регенерации электрических ламп
накаливания, вошедший в систему Уралмаша.
В послевоенные годы Э.М.Рейхруделем с сотрудниками
(А.В.Чернецкий, В.В.Михневич, Т.И.Иванова, И.А.Васильева) были
продолжены исследования разрядов типа Пеннинга (разряд между
двумя катодами в газе низкого давления во внешнем магнитном
поле). Показано, что такой разряд с осциллирующими электронами
может служить эффективным источником ионов с холодными катодами.
Позднее Г.В.Смирницкая обнаружила интенсивное поглощение газа в
таком разряде продуктами ионного распыления катодов. В 1954 г.
этот эффект был использован для создания эффективных ионных
насосов. Эта работа была затем отмечена Госпремией СССР. В связи
с быстрым развитием электротехнических источников высокого
напряжения и созданием радиопередающих устройств стало
необходимым изучение новых видов газового разряда -
высокочастотной короны и факела, возникающих на высоковольтных
элементах. На кафедре под руководством П.А.Петрова была создана
экспериментальная база для получения и диагностики
высокочастотных разрядов. Изготовлены генераторы высокой частоты
в диапазоне от единиц до 750 мггц, ряд измерительных приборов и
начато изучение факельного и коронного разрядов высокой частоты.
Оптическим методом исследовался разряд низкого давления в области
перехода от низких ( 7` 050 гц) к высоким частотам (Н.А.Попов). Было
показано, что потенциалом зажигания и погасания можно управлять,
используя различную конфигурацию разрядного промежутка, изменяя
давление и состав газа, величину постоянного электрического и
магнитного полей. Зондовым методом были определены параметры
плазмы и потенциал пространства. Обнаружены минимумы потенциала
зажигания, подтверждено наличие постоянных полей в
высокочастотном разряде (Х.А.Джерпетов, Г.М.Патеюк). Изучение
факельного разряда, возникающего, как и коронный разряд, в
неоднородном разрядном промежутке, позволило определить границы
его существования при изменении давления газа, условия перехода к
дуговому разряду. Были измерены высокочастотные разрядные токи,
мощность, температура газа в его различных частях (Г.С.Солнцев,
М.З.Хохлов). Детальное изучение перехода от коронного к

- 6 -

факельному разряду привело к принципиально новому представлению о
механизме развития высокочастотной короны. Было показано, что в
высокочастотной короне наряду с лавинами электронов возникают
стримеры, если активная длительность полупериода напряжения
(часть полупериода с амплитудой выше потенциала погасания
разряда) достаточна для развития стримера. Для факельного разряда
характерно постепенное лавинообразное создание плазмы в течение
многих периодов поля (А.А.Кузовников)
В начале пятидесятых годов велась активная подготовка к
переезду кафедры в новое здание на Ленинских горах. Н.А.Капцов и
П.А.Петров проводили большую работу по оснащению кафедры
современным оборудованием и обеспечению соответствующими
помещениями. Немногим, вероятно, известно, что здание, которое
сейчас занимает Научно-исследовательский вычислительный центр
МГУ, было построено специально для кафедры электроники, и там
предполагалось размещение мощных генераторов высокой частоты и
соответствующих систем управления и диагностики.
Ко времени переезда на Ленинские горы на кафедре сложилась и
система лекционных спецкурсов, основой которой служил годовой
курс "Электроника", читавшийся для студентов радиофизического
отделения. Н.А.Капцовым было написано прекрасное учебное пособие
по этому курсу "Электроника" (изд.1953, 1954, 1956 гг.), а
позднее "Радиофизическая электроника" (1960г.), написанная под
его редакцией коллективом авторов. До выхода этих пособий
огромной популярностью как среди аспирантов и студентов, так и
среди широкой научной общественности пользовалась монография
Н.А.Капцова "Электрические явления в газах и вакууме" (1947, 1950
гг.).
Были так же созданы специальные физические практикумы по
газовой электронике и по электронной оптике и микроскопии.

II.ФИЗИКА ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ В ВЧ И СВЧ ПОЛЯХ

Интенсивное развитие радиолокации вызвало необходимость
исследовать взаимодействие радиоволн метрового и сантиметрового
диапазонов с ионизованным газом, а также условия возникновения и
свойства электрических разрядов, возбуждаемых ВЧ и СВЧ полями.
(На кафедре был организован стенд для регенерации бытовых

- 7 -

электроламп в организации которого принимали участие сотрудники
Э.М.Рейхрудель и Г.В.Спивак и стеклодув П.Баранов.)
Первые экспериментальные исследования ВЧ разряда при низких
давлениях (1-6 мгц), проведенные Х.А.Джерпетовым, П.С.Булкиным и
др. методом зондов позволили определить пространственное
распределение температуры и концентрации электронов. С помощью
электронного пучка были измерены постоянные и ВЧ поля в ВЧ
разряде. Развитие ВЧ разрядов низкого давления в воздухе и аргоне
при различных перенапряжениях на электродах изучались
сопоставлением осциллограмм тока и интенсивности излучения плазмы
(Г.Н.Застенкер, Г.С.Солнцев, Б.Н.Швилкин).
В 60-х годах в рамках работы "Комета", выполнявшейся большим
коллективом сотрудников и аспирантов под руководством профессора
Н.А.Капцова (Г.С.Солнцев, В.Е.Мицук, П.С.Булкин, М.З.Хохлов,
Г.Н.Застенкер и др.) проведены исследования возникновения
импульсного СВЧ разряда в воздухе.
Современная для того времени комплексная методика измерений
пробойной мощности и статистического времени запаздывания
позволила объяснить влияние радиоактивного облучения разрядного
объема и влажности воздуха на условия образования плазмы под
действием СВЧ поля сантиметрового диапазона. Было установлено,
что статистическое время запаздывания пробоя значительно
возрастает, когда парциальное давление паров воды сравнимо с
парциальным давлением кислорода или выше его. Эти результаты
имели практическое значение для обеспечения устойчивой радиосвязи
самолетов между собой и Землей в условиях полета в атмосфере.
Группа сотрудников и аспирантов под руководством
Г.С.Солнцева (П.С.Булкин, Л.И.Цветкова, В.Н.Пономарев,
Н.Ц.Герасимов, В.А.Довженко, П.П.Мельниченко, А.И.Орлов,
С.А.Двинин и др.) исследовали СВЧ разряд в двух
электродинамических системах: 1) разряд в трубке, расположенной
перпендикулярно широкой стенке волновода (плазма как локальная
неоднородность волновода) и 2) в длинной трубке, установленной по
оси волновода (плазменный столб - распределенная по длине
нагрузка волновода). Основным результатом явилась
самосогласованная модель разряда, позволяющая на основе
совместного решения уравнений баланса и поля электронов и их
энергии с уравнениями поля Максвелла. Специфической особенностью

- 8 -

СВЧ разрядов в волноводе является высокая концентрация
электронов, превышающая критическую концентрацию соответствующую
равенству частоты плазменных колебаний электронов и частоты поля.
Измерена энергия, теряемая в среднем одним электроном за единицу
времени вследствие различных процессов, величина которой
определяет энергетический баланс в плазме.
Важную роль для обеспечения беспрепятственной эффективной
передачи СВЧ энергии по волноводам, например, в мощных
радиолокационных станциях играют процессы формирования СВЧ
разряда при высоком уровне СВЧ мощности. Результаты
экспериментальных исследований импульсных разрядов показали, что
формирование плазмы с высокой концентрацией электронов
сопровождается трансформацией одной моды волны в другую. Моды
соответствуют нормальному и аномальному видам дисперсии. Поэтому
обнаруженные формы разряда получили название нормального и
аномального (Пономарев В.И., Солнцев Г.С., Булкин П.С.), что
получило признание в научной литературе.
Последние десять лет успешно развиваются исследования
разрядов, поддерживаемых поверхностной волной в установках,
называемых сурфатронами. Получены данные о тепловых процессах,
приводящих к продольной неоднородности плотности газа, чего не
учитывают современные теории этих разрядов. Важным каналом
нагрева газа является ускорение ионов полями амбиполярной
диффузии и пристеночного слоя (Ершов А.П., Рахман М. и др.).
Установлено, что вследствие возникновения неустойчивостей в СВЧ
разрядах внутри волновода образуется слоистая структура
плазменного столба (А.М.Девятов, В.А.Довженко и др.).
В начале 70-х годов на кафедре физической электроники в
содружестве с большими научными коллективами академических (ИОФ,
ИПФ, ИРЭ) и отраслевых (НИИ радиопромышленности, Московский
радио-технический институт и др.) были начаты под руководством
А.А.Кузовникова работы по созданию и исследованию свойств нового
типа газового разряда - свободно локализованного СВЧ разряда в
воздухе, создаваемого мощным сфокусированным пучком
электромагнитного излучения сантиметрового диапазона длин волн
(В.Е.Мицук, Г.С.Солнцев, А.М.Девятов, В.А.Черников, В.М.Шибков,
В.В.Злобин, П.С.Булкин, А.В.Восканян, А.С.Зарин, Ю.А.Русанов,
В.Н.Куликов и др.). Создан экспериментальный комплекс, включающий

- 9 -

в себя магнетронные генераторы ( 7l 0=10см, 7t 4и 0=3мкс, W=1МВт и
7l 0=2,4см, 7t 4и 0?100мкс, W?200кВт), барокамеру объемом v?3м3 и вак
уумную систему, позволяющую получать заданное разряжение и напуск
исследуемого газа. СВЧ мощность подводится к разрядной камере с
помощью волноводного тракта, который содержит все необходимые
элементы для регулирования и измерения СВЧ мощности. Для
фокусировки подводимой к разрядной камере энергии использовались
полистироловые линзы, прозрачные для используемых диапазонов длин
волн.
СВЧ разряд, возникающий в области фокуса пучка
электромагнитной энергии, представляет собой сложное явление,
включающее нестационарный пробой газа, распространение плазменных
фронтов, взаимодействующих с излучением, поддержание падающим
потоком энергии слабоионизованной неравновесной плазмы, нагрев и
возбуждение нейтрального газа, сопровождаемые деформацией
плотности и другими гидродинамическими явлениями. Например,
ударными волнами для исследования свойств разряда данного типа
был разработан комплекс диагностических стендов, обеспечивающих
получение с пространственно-временным разрешением надежных
сведений об эволюции таких основных параметров молекулярной
плазмы как напряженность электрического поля, функция
распределения электронов по энергиям, концентрация электронов
электронная температура, а также поступательная, колебательная и
вращательная температуры газа и ряд других характеристик. В
экспериментах применялись методы основанные на скоростной
регистрации быстропротекающих процессов, на регистрации рефракции
и поглощения плазмой стороннего излучения и фиксации собственного
излучения плазмы в широком спектральном интервале длин волн от
ультрафиолетовой ( 2000 А) до инфракрасной (1+5 мкм) части
спектра. Регистрировались уширение и сателлиты запрещенных линий,
абсолютные и относительные интенсивности спектральных линий,
молекулярных полос и сплошного спектра. Для обработки
экспериментальных данных применялись математические методы,
напрмер, метод регуляризации для решения обратных некорректно
поставленных задач. При этом импульсный режим работы давал
возможность исследовать законы релаксации параметров плазмы в
активной фазе разряда и в стадии послесвечения плазмы, а также
"разрешить" во времени различные физические процессы, определить

- 10 -

вклад тех или иных процессов в изучаемое явление и выявить
основные механизмы и каналы их протекания.
На начальном этапе исследований проводился поиск и отработка
различных способов создания безэлектродного СВЧ разряда в
сфокусированном пучке. Затем акцент сместился на исследование
основных параметров свободно локализованного СВЧ разряда. По мере
накопления экспериментальных данных и выявления возможных
направлений практического применения такого рода плазмы акцент в
исследованиях переносится на изучение электродинамики разряда; на
выявление механизмов, ответственных за распространение разряда по
направлению к фокусирующей антенне; на изучение различных
неустойчивостей, могущих привести к дроблению и распаду
первоначально однородного СВЧ разряда на отдельные
мелкомасштабные образования; на исследование кинетики
перераспределения энергии, получаемой от внешнего СВЧ поля, между
различными степенями свободы электронного и молекулярного газа;
на отыскание механизмов, ответственных за нагрев нейтрального
газа в различных стадиях существования и распада СВЧ разряда; на
выяснение роли колебательного резервуара энергии; на влияние
отрицательных ионов, образующихся в плазме смеси
электроотрицательных газов, на кинетику заряженных частиц в
активной фазе разряда и в стадии деионизации плазмы и на
пороговые характеристики повторного пробоя; на разработку
различных методов создания условий для локализации СВЧ разряда в
фиксированном месте свободного пространства при больших временах
воздействия СВЧ энергии и отыскание способов управления
параметрами разряда.
Для локализации в фиксированном месте свободного
пространства СВЧ разряда в сфокусированном пучке электромагнитных
волн на кафедре был предложен и успешно реализован метод
программированного воздействия. Суть данного метода заключается в
том, что пробой газа осуществляется мощным коротким импульсом, в
течение которого передний фронт разряда не успевает уйти из
фокальной области, а поддержание плазмы осуществляется вторым
импульсом малой амплитуды, не способным самостоятельно вызвать
пробой газа, но если пробой уже осуществлен, то СВЧ мощность
импульса накачки достаточна для поддержания разряда в
фиксированном месте свободного пространства длительное время. В

- 11 -

ходе этого многопланового исследования было осуществлено
исследование процессов отлипания электронов от отрицательных
ионов кислорода в импульсном СВЧ-разряде в воздухе при давлениях
5-40 Тор. Показано, что в течение импульса 5-5мкс в плазме
нарабатываются отлипательно-активные частицы 0,N,0 42 0 (a' 7D 4g 0) в
количестве, которое может обеспечивать эффективное разрушение
отрицательных ионов 0 42 5- 0 и 0 5- 0. Распад плазмы осуществляется в две
стадии: первая (10-50 мкс после окончания импульса) - переходная,
связанная с установлением прилипательно-отлипательного баланса, и
вторая (t>50мкс), когда прилипание компенсируется отлипанием и
заряженные частицы имеют дополнительный канал гибели - ионную
рекомбинацию. Были определены скорости наработки
отлипательно-активных частиц, исследованы зависимости скорости
диссоциации 0 42 0 и возбуждения (0 42 0 (a' 7D 4g 0) от E 4эфф 0/N. Для
расчета
энерговклада в условиях эксперимента электрическое поле
измерялось по микроволновому эффекту Штарка для регулярного СВЧ
поле в плазме.
Полученные результаты позволили глубже понять кинетику
перераспределения энергии между различными степенями свободы
молекулярного газа, выявить сильную взаимосвязь и влияние друг на
друга заряженной и нейтральной компонент плазмы, показать важную
роль кинетических и газодинамических процессов в
пространственно-временной эволюции разряда в волновом пучке,
расширить существующие представления об изучаемом явлении,
оптимизировать режим создания и поддержания свободно
локализованного СВЧ разряда и стимулировали создание более
сложных моделей взаимодействия электромагнитных волн с
низкотемпературной плазмой. Часть этих исследований составило
основу докторской диссертации В.М.Шибкова.
Проведенные исследования стимулировали создание ряда
спецкурсов и написание соответствующих пособий: В.Е.Мицук
"Введение в физику излучения плазмы" (Изд.МГУ, 1984г.),
А.П.Ершов, Г.С.Солнцев "Взаимодействие электромагнитных волн с
плазмой и СВЧ разряды" (Изд. МГУ, 1990 г.) и постановку задачи
"СВЧ-диагностика плазмы" и "Автоматизация измерений при СВЧ
диагностике плазмы в спецпрактикуме кафедры.



- 12 -

III. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ
ПЛАЗМЕ

Данных о вероятностях элементарных процессов в ионизованном
газе и в настоящее время далеко недостаточно для решения многих
задач физики плазмы. Полвека тому назад их было совсем мало.
Поэтому в начале 50-х годов впервые в нашей стране (одновременно
с Ленинградским университетом) на кафедре была поставлена серия
экспериментальных работ по определению функций возбуждения
спектральных линий инертных газов и щелочных элементов, используя
моноэнергетические пучки электронов (1950-1960 г.г., А.М.Девятов,
Л.М.Волкова, Син Сан Гук).
По измерениям интенсивностей спектральных линий и ВАХ тока
на зонд в начале 70-х годов (Л.М.Волкова, А.М.Девятов,
Т.Н.Соловьев) было проведено изучение механизмов ионизации и
возбуждения атомов в положительном столбе разряда низкого
давления в парах щелочных металлов: Na, K, Rb, Cs. Были оценены
эффективные сечения ионизации и возбуждения перечисленных атомов
электронным ударом из основных и возбужденных состояний (прямые и
ступенчатые процессы). Многие из этих данных тогда были получены
впервые в мире и некоторые из них до сих пор являются
единственными.
В 1970-75 годы на кафедре электроники был предложен,
разработан и применен метод регуляризации для определения
параметров плазмы ( А.М.Девятов, С.Ф.Шушурин, Л.М.Волкова,
Е.А.Кралькина, М.А.Х.Шериф, А.С.Меченов) по измеренным
интенсивностям линейчатого и сплошного спектров излучения и по
измеренным ВАХ электронного тока на зонд. Были получены
энергетические распределения электронов по энергиям,
распределение компонент в разряде в бинарной смеси и т.д..
Применение метода регуляризации дает возможность получать
информацию о параметрах в тех случаях, когда она не может быть
получена традиционными методами.
В те же 70-е годы были исследованы механизмы ионизации и
возбуждения атомов щелочноземельных элементов в разряде в полом
катоде (Л.М.Волкова, А.М.Девятов, Ф.Х.Кидрасов, В.Х.Фазлаев).
Были измерены электрокинетические характеристики разряда и
впервые был предложен и применен способ определения концентрации

- 13 -

атомов по измеренным параметрам контуров самообращенных
спектральных линий. Результаты этого цикла измерений были
использованы для оценки усредненных по функции распределения
электронов по энергиям значений эффективных сечений прямого и
ступенчатого возбуждения некоторых спектральных линий магния,
кальция, стронция и бария электронным ударом.
С середины 70-х годов на кафедре проводятся интенсивные
исследования в области физики неравновесной плазмы в смеси газов
(А.М.Девятов, Л.М.Волкова, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова), причем если
разряд, ограничен стенками камеры, то в нем происходит разделение
компонентов смеси в продольном и радиальном направлениях
(катафорез). Получена зависимость степени радиального разделения
от парциальных давлений буферного и примесного газов, разрядного
тока и напряженности продольного магнитного поля (А.М.Девятов,
В.М.Шибков, Р.З.Шайхитдинов). Используя импульсную модуляцию
разрядного тока были исследованы законы релаксации параметров
плазмы и обнаружено явление уменьшения эффективной диффузионной
длины разряда для атомов примеси. Исследована кинетика заселения
метастабильных состояний атомов буферного и примесных газов.
Установлено, что в начальной стадии импульсного разряда при
определенных условиях возможно осуществление режима убегания
электронов, что приводит к инверсной заселенности возбужденных
состояний.
Изучение свойств нестационарной плазмы импульсного разряда в
молекулярных и атомарных газах позволило получить ряд констант
скоростей элементарных процессов и коэффициентов переноса:
эффективный коэффициент рекомбинации в воздухе; коэффициенты
диффузии метастабильных атомов в бинарных смесях инертных газов и
их температурные зависимости; зависимости коэффициентов диффузии
метастабильных атомов от процентного содержания компонентов
смеси; коэффициенты пеннинговской ионизации при взаимодействии
двух метастабильных атомов гелия и метастабильных атомов гелия с
атомами ксенона в основном состоянии; сечение ступенчатого
возбуждения метастабильных атомов ксенона электронным ударом
(А.М.Девятов, Л.М.Волкова, В.М.Шибков, Л.В.Шибкова, Ф.А.Аушева).
В начале и середине 80-х годов были проведены исследования
поведения характеристик неизотермической плазмы в инертных газах,
помещенной в продольное магнитное поле. В результате исследований

- 14 -

были предложены новые методы обработки ВАХ тока на зонд с учетом
эффекта стока электронов на зонд, влияния ионизации газа в
призондовом слое и анизотропии функции распределения электронов
по скоростям для получения информации о свойствах плазмы в
магнитном поле. Был разработан метод полной автоматизированной
обработки на ЭВМ вольтамперной характеристики тока на зонд, в том
числе и измеренных в магнитоактивной плазме (А.М.Девятов,
Л.М.Волкова, М.А.Мальков, В.С.Николаев, А.В.Куралова).
В конце 80-х начале 90-х годов на кафедре изучались
характеристики разрядов в бинарных смесях, одной из компонент
которых является электроотрицательный газ: He-H , He-I
А.М.Девятов, Л.М.Волкова, Ли Сын Чан, М.К.Таракджи, А.В.Калинин,
С.Р.Мийович). Присутствие электроотрицательной примеси и
отрицательных ионов в объеме ионизованного газа почти всегда
вызывает возникновение стоячих и бегущих страт в положительном
столбе разряда. Характеристики и механизмы перераспределения
компонент смесей газов в стратифицированном положительном столбе
на нашей кафедре изучались впервые. Обнаружено, что радиальное
перераспределение частиц - компонент смесей в разных участках
страт отличается качественно, количественно и по механизмам
перераспределения.
Результаты этих исследований составляют основу кафедральных
спецкурсов и учебных пособий А.М.Девятова "Упругое рассеяние
электронов на возбужденных атомах" (Изд.МГУ, 1991 г.),
А.М.Девятова и В.М.Шибкова "Элементарные процессы и физика
низкотемпературной плазмы" (Изд.МГУ, 1992 г.), М.А.Малькова,
А.М.Девятова, А.А.Кузовникова и А.П.Ершова "Зондовая диагностика
плазмы газоразрядных источников света" (Изд.Мордовского
университета, 1991 г.), также поставлены задачи спецпрактикума
"Определение эффективных сечений возбуждения энергетических
уровней гелия" и "Измерение концентрации возбужденных атомов в
ионизованном газе спектральными методами".

IV. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Большой цикл исследований колебаний, шумов и различных
волновых процессов был проведен на кафедре под общим руководством
А.А.Зайцева большим коллективом сотрудников и аспирантов

- 15 -

кафедры (М.Я.Васильева, Л.Пекарек, Г.С.Леонов, И.А.Савченко,
Г.В.Смирнов, Б.Н.Швилкин, В.В.Ильинский, Л.И.Маслова, А.К.Ахмедов
и др.). Изучены анодные колебания, локализованные вблизи анода и
возникающие при положительном анодном падении потенциала, а так
же электростатические колебания в зоне головы положительного
столба тлеющего разряда и вблизи накаленного катода. Установлен
физический механизм таких колебаний и предложены методы их
устранения. Исследованы спектры нерегулярных колебаний -
надтепловых шумов, возникающих в плазме установившегося газового
разряда из-за одновременного возбуждения различных мод регулярных
колебаний и волн разного типа и их нелинейного взаимодействия, и
разработаны эффективные газоразрядные источники шума.
Наиболее подробно исследованы ионизационные волны, так
называемые страты. Предложен и успешно использован метод
искусственного возбуждения страт малой амплитуды, позволивший
изучить их пространственно-временное развитие, определить их
дисперсионные свойства и инкремент. Изучено нелинейное
взаимодействие различных типов самовозбужденных страт большой
амплитуды. Найдено, что самовозбужденные страты одного типа
подавляются возбужденными извне стратами того же или другого
типа, и предложен механизм взаимодействия страт. Обнаружено, что
амплитудой страт можно управлять вплоть до полного их подавления
путем модуляции разрядного тока. Было изучено влияние геометрии
разрядной трубки на свойства бегущих страт и предложен способ
подавления бегущих страт при использовании разрядных трубок
конической формы.
Были проведены интересные экспериментальные исследования
ионно-звуковой неустойчивости, возбуждаемой в плазме газового
разряда. Успех этих исследований во многом был определен тем, что
эксперименты ставились целенаправлено, опираясь на развитую под
руководством А.А.Рухадзе линейную и нелинейную теорию
ионно-звуковой неустойчивости плазмы с током. Экспериментально
были найдены дисперсионные кривые, инкременты и критические токи
возбуждения этой неустойчивости, которые оказались в полном
соответствии с предсказаниями теории.
Экспериментально исследовано также возбуждение электростати-
ческих колебаний в плазме при наличии группы быстрых электронов.
Показано, что такая пучковая неустойчивость носит конвективный

- 16 -

характер, а в силу пространственной ограниченности плазмы по
длине взаимодействия неустойчивость имеет вид стоячей волны.
В дальнейшем А.А.Зайцевым было предпринято детальное
изучение устойчивости плазмы газового разряда, находящегося во
внешнем продольном постоянном магнитном поле, которое привело его
к очень важному по тем временам результату, а именно, что при
напряженности магнитного поля большей некоторой критической в
плазме развивается макроскопическая неустойчивость, при которой
он закручивается в винт и приходит во вращение. Этот результат
полностью подтверждал теоретические выводы Б.Б.Кадомцева и
А.В.Недоспасова и имел принципиальное значение для проблемы
магнитного удержания плазмы в термоядерных реакторах. Именно в
силу этого обстоятельства А.А.Зайцев много раз повторял и
проверял свои результаты, направив их в печать с двухлетней
задержкой и уже после того как аналогичный результат был
опубликован Ленертом.
Важный этап в научной деятельности кафедры связан с именем
В.Л.Грановского, который вместе со своими аспирантами
(И.А.Васильева, А.С.Сыргий, В.С.Голубев, Ю.М.Алесковский,
Э.И.Уразаков) провел важные исследования поведения плазмы
газового разряда в магнитном поле, в частности, выяснению природы
аномально быстрого ухода частиц из замагниченной плазмы за счет
развития неустойчивостей - так называемой аномальной диффузии. В
этой связи была поставлена общая задача изучения влияния
магнитного поля на процессы диффузии и рекомбинации. Было
установлено, что при малых полях В<Вкр потери заряженных частиц
из плазменного канала уменьшаются с ростом В в полном
соответствии с результатами классической теории диффузии
замагниченной плазмы, причем в случае непроводящих стенок
разрядной камеры она носит амбиполярный характер. Полученный
вывод был подтвержден методом диффузионных волн.
Была исследована также азимутальная (холловская) диффузия в
стационарной плазме, измерена ее скорость, проверено соотношение
между скоростями (коэффициентами) прямой и поперечной диффузии,
магнитно-механический эффект холловского тока.
Показано, что при В>Вкр начинается аномально быстрый уход
заряженных частиц из плазмы (аномальная диффузия). Характер
аномальной диффузии и величина Вкр оказались в хорошем

- 17 -

соответствии с теорией токово-конвективной неустойчивости.
В работах этой группы исследован также процесс распада
(деионизации) плазмы в магнитном поле. Установлено, что процесс
распада плазмы замедляется магнитным полем из-за уменьшения
коэффициента диффузии, однако слабее, чем следует из классической
теории для В<Вкр, из-за возрастания роли объемной рекомбинации.
При В>Вкр возникает аномальная диффузия. Доказано, что ее
возникновение находится в соответствии с теорией токово-
конвективной неустойчивости.
В работах Б.Н.Швилкина и аспирантов Белавина, А.А.Сковороды,
В.Е.Бондаренко детально изучена дрейфово-диссипативная
неустойчивость бестоковой слабоионизованной неоднородной плазмы,
создаваемой с помощью ВЧ-разряда в длинных разрядных трубках при
низком давлении рабочего газа ( 7, 01 Торр), находящихся во внешнем
магнитном поле. Изучены особенности возбуждения неустойчивости,
связанные с эффектами отступления от квазинейтральности в
возмущениях и инерцией ионов. Определены области существования
неустойчивости по магнитному полю и давлению газа, исследован
закон дисперсии. Экспериментальные результаты оказались в хорошем
соответствии с теорией.
Проведенные исследования способствовали постановке в
спецпрактикуме кафедры следующих задач: "Деионизация плазмы" и
"Винтовая неустойчивость положительного столба и явление
аномальной диффузии в продольном магнитном поле".

V. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОСТРАНСТВЕННО-ОГРАНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЕ

В процессе систематических исследований различных форм ВЧ
газового разряда, проводившихся под руководством А.А.Кузовникова,
особенно нестационарных в пространстве и времени (таких как,
например, коронный разряд) особое внимание было уделено вопросам
их диагностики. В качестве одного из возможных представлялся
метод плазменного конденсатора. Однако последовательное
экспериментальное исследование импеданса такого конденсатора
показало, что эта проблема выходит далеко за рамки чисто
диагностических целей, а затрагивает фундаментальные вопросы
физики взаимодействия электромагнитных полей с плазмой, связанные
с изучением особенностей взаимодействия таких полей с

- 18 -

пространственно ограниченной плазмой (А.Ф.Александров,
А.А.Кузовников, К.С.Голованивский, Н.А.Николов, В.В.Северьянов,
В.А.Годяк, В.П.Савинов, Эль Саммани, С.Н.Окс, В.В.Тарасова,
В.С.Свиридкина и др.). В частности, было экспериментально
обнаружено, что в области частот поля, много меньших электронной
ленгмюровской, активная проводимость плазменного конденсатора
оказывается много меньше, чем рассчитанная по элементарной
теории, не учитывающей теплового движения электронов
(А.Ф.Александров, А.А.Кузовников). В связи с этим
А.Ф.Александровым был проведен последовательный учет эффектов
пространственной дисперсии диэлектрической проницаемости плазмы,
наличия широкого спектра собственных типов колебаний в плазме и
их возбуждения под действием внешнего высокочастотного
электрического поля. Проведенные экспериментальные и
теоретические исследования показали, что в области низких частот,
сравнимых или меньших ионной ленгмюровской поляризация
ограниченной плазмы носит ионный характер и в ней происходит
резонансное возбуждение стоячих ионно-звуковых волн -
низкочастотного аналога резонансов Тонкса-Даттнера. Наличие
вблизи ограничивающих плазму поверхностей слоев пространственного
заряда приводит к тому, что в области низких частот реактивная
часть импеданса полностью определяется емкостью этих слоев и
может служить для их исследования. Эти результаты затем были
обобщены на случай нелинейных резонансов и резонансов в
магнитоактивной плазме (Н.А.Николов). Особенности нелинейных
явлений в пространственно ограниченной плазме, обусловленных
сильной неоднородностью электрических полей, возбуждаемых в ней
под действием внешнего квазистационарного электрического поля,
теоретически исследованы В.В.Северьяновым. Им проанализированы
средние силы, возникающие из-за неоднородности ВЧ поля вблизи
границ плазмы вследствие экранировки и в объеме плазмы при
возбуждении стоячих ионно-звуковых волн. Экспериментально такие
усредненные силы исследованы в работах К.С.Голованивского путем
измерения токов на пристеночный зонд.
Параллельно с изучением особенностей взаимодействия
относительно слабых ВЧ полей с ограниченной плазмой велось
экспериментальное исследование специфических нелинейных эффектов,
возникающих в сильных полях, присущих ВЧ разрядам и обусловленных

- 19 -

наличием приграничных слоев пространственного заряда.
Исследование разрядов емкостного типа (по существовавшей в то
время классификации), возбуждаемых квазистационарными ВЧ полями в
цилиндрических или квазиплоских разрядных промежутках, показало,
что в них в одних случаях регистрируется протекание статических
токов (I-режим), в других - возникновение между электродами
постоянного напряжения (V- режим), причем по величине это
напряжение достигает амплитудного значения приложенного ВЧ поля
(А.А.Кузовников, А.Эль Саммани, А.Ф.Александров, В.П.Савинов,
В.А.Годяк). Была выдвинута, а затем - экспериментально и
теоретически обоснована гипотеза о детектировании ВЧ напряжения
на нелинейной вольт-амперной характеристике пристеночных или
приэлектродных слоев пространственного заряда. Явление
детектирования было промоделировано и подробно изучено с помощью
плоского ВЧ зонда. Результаты исследования легли в основу нового
метода диагностики параметров плазмы (В.А.Годяк, С.Н.Окс).
Детальному изучению была подвергнута ФРЭЭ в ВЧ разряде. Была
обнаружена резкая анизотропия функции распределения,
обусловленная, главным образом, наличием группы быстрых
электронов, возникающей из-за ускорения электронов в постоянном
поле пристеночного (приэлектродного) слоя пространственного
разряда (ППЗ). Процессы генерации электронных пучков в слоях ППЗ
были детально исследованы в работах Савинова В.П. и Ковалевского
В.Л. Пучки были визуализированы, прямые измерения их энергии
показали, что она достигает амплитудного значения приложенной к
разрядному промежутку разности потенциалов. Наличие пучков во
многих случаях определяет основной ход ионизационных процессов в
плазме, при этом пространственная локализация этих процессов
определяется длиной релаксации электронных пучков.
Развиты представления о раскачке собственных типов
колебаний в плазменном конденсаторе были затем обобщены на случай
плазменной индуктивности и применены к электродинамической задаче
оптимизации энерговклада в ВЧ-разряд при различных способах его
возбуждения - поверхностным током (катушка индуктивности) либо
поверхностным зарядом (обкладки конденсатора). В результате такого
анализа был предложен естественный принцип деления разрядов на
емкостные и индуктивные, основанный на характере
электромагнитного поля, возбуждаемого в газоразрядной плазме: в

- 20 -

случае, если поле носит преимущественно вихревой характер, разряд
следует называть индуктивным, если потенциальный характер, то
емкостным. Такой подход, позволил дать четкое физическое
обоснование физической природы диссипации э.-м. энергии в
генераторах плазмы, работающих вблизи геликонного резонанса, и
существенно улучшить их параметры, в частности, параметры таких
генераторов, используемых в качестве источника ионов
(А.Ф.Александров, А.А.Рухадзе, Е.А.Кралькина, Н.Ф.Воробьев,
С.Г.Кондранин, Г.Э.Бугров).
Результаты проведенных исследований были обобщены в
докторской диссертации А.А.Кузовникова и в новом спецкурсе и
учебном пособии А.П.Ершова, А.А.Кузовникова и В.П.Савинова
"Физика граничных слоев плазмы" (Изд.МГУ, 1990 г.).

VI. СИЛЬНОТОЧНЫЕ ИЗЛУЧАЮЩИЕ РАЗРЯДЫ

В 1967 г. были начаты работы в области экспериментального и
теоретического изучения физических процессов в сильноточных
излучающих разрядах. С практической точки зрения эти исследования
были нацелены на создание особо высокоинтенсивных источников
некогерентного излучения видимого и ближнего УФ диапазонов длин
волн для накачки сверхмощных лазеров. Рабочим телом таких
источников должна была служить плотная излучающая плазма с
плотностью электронов порядка 10 517 0...10 520 0 см 5-3 0 ,
температурой
2.10 54 0... 10 55 0К и временем жизни ( временем устойчивого состояния)
порядка 100 мкс. Состояние плазмы с такими параметрами
предполагалось реализовать в сильноточных самосжатых разрядах
(пинчах) в атмосфере тяжелых газов. С чисто научной точки зрения
необходимо было решить принципиальные вопросы физики излучающих
разрядов, т.е. таких разрядов, в энергобалансе которых излучение
является основным механизмом переноса энергии. Нужно было
разработать принципы формирования таких разрядов, найти условие
их равновесия, исследовать устойчивость равновесного состояния.
Указанные исследования проводились под руководством проф.
А.Ф.Александрова и легли затем в основу его докторской
диссертации.
В течение двух лет силами сотрудников, аспирантов и
студентов кафедры был создан экспериментальный стенд "Фотон", -

- 21 -

емкостной накопитель энергии с параметрами: общая емкость 500
мкФ, рабочее напряжение 50 кВ, запасная энергия - до 600 кДж,
оснащенный средствами разрешенной во времени диагностики основных
макроскопических параметров разряда. Это был крупнейший из
действовавших в то время в СССР экспериментальных стендов
подобного типа.
Были исследованы два больших класса излучающих разрядов: так
называемые "вакуумные" разряды, образованные металлическим
взрывом в вакууме металлических проволочек (И.Б.Тимофеев,
В.В.Зосимов, В.В.Перебейнос, А.Т.Савичев, Э.Армия) и
"атмосферные" разряды или разряды в неограниченной газовой среде
(В.В.Зосимов, И.Б.Тимофеев, А.Т.Савичев). В последнем случае для
иницирования пробоя протяженных газовых промежутков, и, частично,
для создания необходимого массового состава плазменного
образования так же использовался электрический взрыв проводников.
Путем электрического взрыва проволочек из тяжелых металлов
(серебро, вольфрам) была реализована стадия магнитного удержания
плазменного шнура. Было показано, что изменяя начальные условия
можно реализовать такие режимы горения разряда, когда его
оптическая толщина велика и он излучает как абсолютно черное
тело(оптически непрозрачный разряд) либо близка к единице
(полупрозрачный разряд). В обоих случаях коэффициент
преобразования введенной в разряд энергии в излучение доходил до
...%, причем этот коэффициент преобразования для заданного
спектрального интервала у полупрозрачного разряда оказывался
существенно выше при том же значении времени устойчивого
состояния, которое определяется временем развития силовых
неустойчивостей типа перетяжек и винтов.
Детальные исследования протяженных, длиной до 1 м
сильноточных разрядов в атмосфере, получаемых путем взрыва
металлических проволочек, показали, что возможна реализация
режима развития разряда типа тепловой волны. Была изучена
динамика такого разряда, определены скорости расширения
плазменного канала и создаваемой им ударной волны. Характерное
значение этих скоростей (3...5).10 53 0 м/с что совпадало с расчетами
по автомодельной теории атмосферных разрядов. При высоком
значении скорости ввода энергии в канал возможна стадия
магнитного удержания плазменного канала, после чего происходит

- 22 -

отрыв ударной волны, а сам разряд преобретает характер
квазивакуумного.
Подробно была изучена структура атмосферных разрядов с
помощью комбинации оптических методов-метода Бертельса для
стадии, когда разряд являлся полупрозрачным (Галузо С.Ю.,Савичев
А.Т., Канавец И.А.), метода плазменной индуктивности
(А.Т.Савичев, Б.А.Пункевич) метода миниатюрных магнитных зондов и
метода дифракции лазерного излучения и лазерного рассеяния
(Савичев А.Т.,Карпов О.В.,Петров Г.Д.).
С целью формирования коаксиальных (трубчатых) плазменных
оболочек в системах типа обратного пинча изучались явления,
происходящие при одновременном взрыве параллельно расположенных
по окружности электродов проволочек (Перебейнос В.В.) и
цилиндрической фольги. Эксперименты по взрыву многих проволочек в
вакууме показали, что в случае, когда каждая отдельная проволочка
имеет отдельную цепь питания, возможно исключить эффект развития
"макроскопической" перегревной неустойчивости, возникающей из-за
статистического разброса в паузе тока для отдельных проводников.
При этом формируется сплошная токовая оболочка, параметры которой
для стадии магнитного удержания хорошо описываются теорией
обратного пинча в оптически непрозрачной плазме, причем оболочка
не проявляет признаков развития силовых неустойчивостей
(Перебейнос В.В.). В случае взрыва многих проволочек в воздухе
при атмосферном давлении наблюдается так называемый "эффект
неслияния" отдельных токовых каналов, которые живут автономно в
течение всей активной фазы разряда. Формирование сплошных
плазменных оболочек достигается только в случае, если отдельные
токовые каналы соприкасаются в той фазе, когда не произошло
формирования и отрыва ударной волны.
Исследовались так же разряды с испаряющейся стенкой прижатые
давлением собственного магнитного поля к поверхности диэлектрика
(H-прижатые разряды) у которых форма излучающей поверхности могла
изменяться от цилиндрической до плоской, а размеры определялись
практически только энергоемкостью внешней цели (Э.Армия, Лакутин
В.Л.). Этот тип разряда отличался высокой устойчивостью.
Все описанные типы разряда отличались высокой яркостной
температурой, а их излучение в области прозрачности кварца было
близко к равновесному. Характерное значение яркостной темпратуры

- 23 -

для сильноточных излучающих пинч-разрядов достигало 5...6 эВ, в
атмосферных разрядах и разрядах с испаряющейся стенкой было
порядка 2...3 эВ.
Применительно к задачам создания импульсных источников
ультрафиолета для импульсного фотолиза и накачки лазеров на
органических красителях были исследованы особенности динамики и
излучение кумулирующих на стенку пинчей в инертных газах при
средних давлениях (Суров О.И., Артамонов В.И.,Юсупалиев У.).
Исследование динамики и пространственного распределения
параметров плазменной оболочки в таком разряде обнаружило эффект
возбуждения обратных токов и развитие индукционной
неустойчивости, приводящей к выбросу рабочего вещества из
плазменной оболчки непосредственно после начала процесса сжатия.
На основе кумулирующего пинча был создан источник излучения с
яркостной температурой 1...1,5 эВ, длительностью импульса порядка
нескольких микросекунд с фронтами порядка 0,2 мкс, который был
успешно применен для накачки лазера на родамине 6Ж повышенной
мощности ( 1 Мвт).
Результаты исследований по рассмотренному направлению легли
в основу монографий А.Ф.Александрова и А.А.Рухадзе "Физика
сильноточных электроразрядных источников света" (Атомиздат, 1976
г.), спецкурса, к которому затем было написано учебное пособие
А.Ф.Александрова А.А.Рухадзе, И.Б.Тимофеева "Динамика излучающей
плазмы" (Изд.МГУ, 1990 г.) и поставлены задачи спецпрактикума
"Плотная нестационарная плазма импульсного разряда" и "Вычисление
пространственного распределения параметров плазмы при
исследовании ее оптическими методами.

VII. ИМПУЛЬСНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ СТРУИ И ДОЛГОЖИВУЩИЕ ЭНЕРГОЕМКИЕ
ИЗЛУЧАЮЩИЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ

В связи с разработкой различных типов излучающих разрядов
в семидесятых годах было начато под руководством А.Ф.Александрова
и И.Б.Тимофеева изучение динамики и излучения плотных импульсных
плазменных струй, истекающих в атмосферу. Помимо практической
задачи создание автономных, то есть оторванных от источников
питания плазменных излучателей эта задача представляла
значительный физический интерес, поскольку моделировала истечение

- 24 -

плазменной струи в затопленное пространство. Проведенные
исследования (В.А.Черников. У.Юсупалиев, Б.Аззеддин, А.П.Ершов,
К.Ш.Исаев, М.Г.Скворцов, О.И.Суров) показали, что процесс
истечения импульсных плазменных струй, генерируемых с помощью
плазмотронов различного типа приводит к формированию плазменных
образований, имеющих характерную пространственную структуру и
обладающих аномально высоким (по сравнению с "естественным"
рекомбинационным временем жизни) - так называемые долгоживущие
плазменные образования (ДПО).
Эта структура определяется, в основном, скоростью
истечения плазменной струи и давлением окружающего газа и при
ударном сверхзвуковом режиме истечение имеет вид типичной
бочкообразной ударно-волновой конфигурации, в режиме дозвукового
истечения характерную грибообразную форму, и в определенных
промежуточных режимах истечения наблюдается практически
равномерное расширение плазменной струи (режим "разлета"). В
процессе дальнейшей эволюции струи после прекращения энерговклада
из нее формируются ДПО различной конфигурации. Наиболее
характерными являются ДПО тороидальной и шарообразной формы,
которые образуются соответственно из плазменных "гриба" и
"бочки". Детально исследованы динамика и параметры плазменной
струи и ДПО, Измерены характерные скорости плазменного
тороидального вихря и шара. Сравнение экспериментальных данных о
движении контактной поверхности плазма-газ с результатами
теоретического расчета движения контактно поверхности в задаче об
ударном истечении нейтрального газа в газ показало, что истечение
плазмы удовлетворительно моделируется истечением нейтрального
газа. Методом лазерного рассеяния, зондовыми и спектральными
методами исследовано пространственное распределение плотности
электронов и нейтрального газа, их температур, а также
электрического поля в плазмоне и вне его. Установлено, что ДПО
является бестоковой структурой сложного химического состава в
состоянии, близком к термодинамически равновесному. Химический
состав ДПО со временем меняется, при этом совокупность
экспериментальных данных и результаты численного расчета
позволяют считать, что протекающие в плазме химические реакции, а
на поздней стадии нагретые твердые дисперсные полимерные частицы
являются одними из основных источников энергии, за счет которых и

- 25 -

происхлдит аномально длительное (до 1 с) свечение ДПО.
Были поставлены специальные теоретические и
экспериментальные исследования по образованию ДПО в атмосфере на
основе заряженного полимерного материала, образующегося при
эрозии и испарении стенок испульсного плазмотрона при деструкции
полимерной изоляции с целью промоделировать процесс естественного
образования таких ДПО в природе при деструкции полимерной
органики (листья, трава, кора и т.п.) стримерами разрядов молний.
Было показано, что образующаяся в ДПО полимерная сетка обладает
развитой поверхностью, способной накапливать большие
электростатические заряды без их рекомбинации (удельная
энергоемкость до 30 дж/см ). ДПО обладала целым рядом свойств,
присущих шаровой молнии: оно могло проходить как единое целое
через маленькие отверстия 2мм в диаметре, не разрушаясь;
прожигало отверстия в металлических фольгах и не
взаимодействовало с поверхностью диэлектриков.
Проведенные исследования были обобщены в докторской
диссертации И.Б.Тимофеева.

VIII. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УДАРНЫХ ВОЛН С ПЛАЗМОЙ

В начале восьмидесятых годов на кафедре были развернуты
работы по изучению распространения ударных волн (УВ) в
низкотемпературной плазме. Чрезвычайный интерес к этому
направлению связывался с предполагаемой возможностью
значительного ослабления или усиления УВ в такой среде - либо за
счет "размазывания" структуры УВ, либо за счет использования
внутренней энергии плазмы. Понимание физики явления открывало
дорогу к решению весьма широкого спектра прикладных задач (
прежде всего в сверхзвуковой авиации и ракетной технике), а также
обьяснению ряда необычых явлений.
Эти перспективы обусловили широкий фронт научных
исследований, в которых участвовали как институты АН СССР - ФТИ
им.А.Ф.Иоффе, ИВТ, ИОФ, ИХФ, ИФ АН Грузии, так и ряд отраслевых
институтов.
Привлечение кафедры к этому, совершенно новому для нее
направлению исследований, было инициировано профессором
А.А.Рухадзе, который занимался теоретической разработкой

- 26 -

проблемы. Экспериментальные исследования проводились под
руководством профессоров А.А.Кузовникова и А.Ф.Александрова, был
исследован весьма широкий диапазон параметров плазмы,
взаимодействующей с УВ - от слабоионизованной плазмы тлеющего
разряда до полностью ионизованной плазмы сильноточных разрядов. С
самого начала по инициативе кафедры к работам был подключен
Институт механики МГУ, где на уникальной гиперзвуковой трубе с
числом Маха М=6 были начаты эксперименты по созданию разрядов в
сверхзвуковом потоке газа и изучению обтекания плазмой различных
моделей (А.П.Ершов, А.Н.Иванов, Б.Е.Лягушина и др.).
Первые значимые экспериментальные результаты были получены
(И.Б.Тимофеев, Скворцов М.Г., Теселкин С.Ф.) при изучении
взаимодействия слабых (М=1,1 - 1,5) УВ взрывного типа с плазмой
распадающейся лазерной искры в воздухе и инертных газах. Они
подтвердили существование ранее полученного в Институте физики
ГрССР сенсационного эффекта аномально высокого поглощения УВ в
плазме лазерной искры, однако позволили дать уверенное обьяснение
наблюдаемому явлению на основе совершенно другого механизма -
рефракции УВ на сферической тепловой неоднородности. Этот же
механизм позволил обьяснить проведенные в группе эксперименты по
взаимодействию УВ с плотной плазмой, создаваемой электрическим
взрывом металлических проволочек в воздухе.
Теоретический анализ структуры заряженной компоненты УВ
постоянного давления в слабоионизованной неизотермической плазме
проводился асп. Теселкиным С.Ф. Он показал, что для
неизотермической плазмы прежде всего характерно наличие области
сжатия заряженной компоненты, опережающий вязкий скачок
уплотнения за счет амбиполярной диффузии электронов. Однако
опережающие возмущения могут иметь место и на более крупном
масштабе за счет высокой электронной теплопроводности. В
слабоионизованной плазме, поддерживаемой переменным электрическим
полем, поперечным к направлению движения фронта УВ, в отличие от
случая сильноионизованной плазмы идет не нагрев, а остывание
электронов. Это должно приводить к возникновению волны разрежения
заряженной компоненты.
Экспериментально распространение УВ постоянного давления с
числами Маха М=1,1 - 3 в плазме тлеющего и ВЧ разрядов в воздухе
и инертных газах исследовалось (А.П.Ершов, В.М. Шибков, асп.

- 27 -

Васильев О.Г., Пономарева С.Е.) на созданной ударной трубе
диафрагменного типа в двух аспектах: изучения структуры
заряженной компоненты УВ и поиска основного механизма ускорения
УВ. Важность решения последней задачи была обусловлена тем, что
несомненный факт значительного ускорения УВ в газоразрядной
плазме подвергался даже в близких условиях разнообразной,
противоречивой и часто спекулятивной трактовке. Поэтому для
корректного описания физики взаимодействия УВ с газоразрядной
плазмой было необходимо применение целого комплекса
диагностических методов и постановка, позволяющая провести
сравнение полученных результатов с теоретическими расчетами.
Так, структура компонент УВ изучалась в плазме поперечного
ВЧ разряда низкого давления в воздухе и аргоне. Привлечение к
обработке экспериментальных результатов сотрудников кафедры
физики атмосферы (проф. Пытьев Ю.П., асп. Клишин С.В.) позволило,
обосновав и апробировав применение метода редукции к СВЧ
интерферометрии УВ в слабоионизованной плазме, заметно повысить
пространственное разрешение прибора и уверенно зафиксировать
предсказанный для этих условий А.А.Рухадзе и С.Ф.Теселкиным новый
тип теплопроводностного предвестника УВ в виде волны разрежения
заряженной компоненты. Близкие эксперименты в плазме тлеющего
разряда в инертных газах для слабых УВ взрывного типа были
проведены В.С.Свиридкиной, В.В.Тарасовой и асп. Суховым А.К.
Механизмы ускорения УВ изучались в плазме протяженного
тлеющего разряда в воздухе и инертных газах. И здесь большое
значение сыграло привлечение теоретической группы А.А.Фурсенко из
ФТИ им.Иоффе. Подробные измерения параметров УВ и плазмы с
пространственным и временным разрешением в широком диапазоне
давлений воздуха позволили провести сравнение экспериментальных
данных с результатами одно- и двумерного численного моделирования
распространения УВ в газе с неоднородным распределением
температуры. Это сопоставление позволило заключить, что роль
зарядов и возбужденных частиц в слабоионизованной плазме, как
правило, невелика и определяющим является механизм взаимодействия
УВ с тепловой неоднородностью.
Интересными являются и исследования выпуклых правильных
многоугольных УВ, генерируемых при электрическом взрыве
проволочек (А.Ф.Александров, И.Б.Тимофеев, У.Юсупалиев, И.Х.Имад)

- 28 -

на стенде "Фотон", в результате которого определены условия
кумулятивного схождения многоугольных УВ.

IX.ФИЗИКА СИЛЬНОТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И РЕЛЯТИВИСТСКАЯ
СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКА

Одним из фундаментальных направлений, развивающихся на
кафедре физической электроники, является релятивистская СВЧ
электроника. Специфика этой области СВЧ электроники состоит, с
одной стороны, в возможности использовать исключительные
возможности предоставляемые техникой современных сильноточных
электронных ускорителей (СЭУ) по мощности и энергии пучка и выйти
на уровень выходной СВЧ мощности ~ 10 ГВт и энергии одиночного
импульса ~ 10 кДж. С другой стороны, она по новому позволяет
взглянуть на проблему освоения коротковолновой части диапазона
СВЧ вплоть до оптических частот. Это связано с разработкой нового
класса принципиально релятивистских приборов, так называемых
лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), в которых используется
механизм рассеяния волн с повышением частоты пропорционально
квадрату релятивистского фактора ускоренных электронов. Работы на
кафедре по этой тематике ведутся под руководством проф.
Александрова А.Ф.
Развитие этого направления стало возможным с запуском в 1978
году на кафедре сильноточного импульсного электронного ускорителя
(СЭУ) прямого действия "Тандем-1". По своим выходным параметрам#
диапазон энергий электронов 200кэВ:1.2МэВ, ток пучка 1:20 кА,
длительность импульса от 200 нс до нескольких микросекунд,
ускоритель представлял собой уникальный инструмент для
экспериментальных исследований, позволяющий в широких пределах
изменять характеристики электронного пучка. Работа по созданию
этого ускорительного комплекса в МГУ (Александров А.Ф., Галузо
С.Ю., Плетюшкин В.А.) велась совместно с НИИ высоких напряжений
при Томском политехническом институте.
Первые экспериментальные исследования (1978-1980 гг.,
Александров А.Ф., Галузо С.Ю., Плетюшкин В.А.) были проведены с
известными ранее и хорошо зарекомендовавшими себя в диапазоне
длительностей импульсов ~10 нс источниками черенковского
излучения с электродинамическими системами, поперечные размеры

- 29 -

которых были порядка длины генерируемой волны. В этих
экспериментах была предпринята попытка существенно увеличить
энергию импульса СВЧ излучения за счет увеличения его
длительности при сохранении высокой выходной СВЧ мощности (~1ГВт
в трехсантиметровом диапазоне длин волн) и параметров
электронного потока, а, следовательно, и механизма взаимодействия
потока и поля, на уровне, достигнутом в десятинаносекундном
диапазоне длительностей. Однако эта попытка не увенчалась
успехом, увеличения длительности СВЧ излучения не было
зарегистрировано, хотя длительность пучка более чем на порядок ее
превышала. В дальнейших экспериментах с регулировкой мощности
электронного пучка (1981-1982 гг.) было зарегистрировано
увеличение длительности импульсов СВЧ излучения при уменьшении их
пиковой мощности. Таким образом, проведенный комплекс
исследований наглядно продемонстрировал, что в традиционных
источниках черенковского излучения с малыми поперечными размерами
уже достигнут предельно высокий уровень плотности энергии как
пучка, так и высокочастотного поля, при котором с характерным
временем около 10 нс развиваются вторичные нелинейные процессы,
ограничивающие уровень излучаемой СВЧ энергии.
Эти исследования показали, что для существенного повышения
энергии импульсов СВЧ излучения в сильноточной релятивистской
высокочастотной электронике необходимо осваивать новые,
нетрадиционные принципы построения источников СВЧ излучения, в
том числе с использованием пространственно развитых
электродинамических систем, в которых при сохранении высокого
уровня мощности выходного излучения можно уменьшить плотность СВЧ
энергии в объеме источника.
Реализация этого направления усилиями научных групп на
кафедре физической электроники и под руководством проф. Канавца
В.И. на кафедре радиофизики СВЧ привела к появлению пионерских
работ по использованию пространственно развитых
электродинамических систем в релятивистской СВЧ электронике. Так
были созданы релятивистский генератор поверхностных волн
(1981-1982 гг., Александров А.Ф., Галузо С.Ю., Канавец В.И.,
Плетюшкин В.А.) и релятивистский генератор дифракционного
излучения (1982-1983 гг., Александров А.Ф., Галузо С.Ю., Михеев
В.В., Канавец В.И., Плетюшкин В.А.). На генераторах этого типа

- 30 -

впервые удалось преодолеть рубеж длительности СВЧ импульса в 100
нс при высоком уровне мощности СВЧ излучения.
В первых работах с пространственно развитыми
электродинамическими системами был выявлен другой фактор
ограничивающий длительность СВЧ излучения, а именно характерная
для взрывоэмиссионных катодов, применяемых в сильноточной
электронике, временная и пространственная нестабильность пучка
релятивистских электронов. Это потребовало дополнительного более
детального изучения параметров самого пучка, процесса его
траспортировки в вакуумных дрейфовых каналах, в том числе и в
присутствии сильного СВЧ поля, а также изучения возможных методов
стабилизации его параметров.
Для решения этой задачи были проведены пионерские
исследования параметров РЭП методом рассеяния лазерного излучения
(1983-1984 гг., Александров А.Ф., Галузо С.Ю., Михеев В.В.), для
чего совместно с ВНИИФТРИ была создана уникальная установка. С ее
помощью были проведены количественные измерения параметров
функции распределения электронов РЭП, что позволило провести
более детальные оценки процесса формирования РЭП в коаксиальных
диодах с магнитной изоляцией.
Исследования транспортировки РЭП в вакуумных дрейфовых
каналах позволили изучить динамику расширения электронного пучка
за счет разлета катодной плазмы взрывоэмиссионного катода. В ходе
экспериментов совместно с ИОФ АН СССР был предложен и реализован
метод импульсной магнитной компрессии, который позволил в течение
микросекунды стабилизировать положение пучка в дрейфовом канале
(1984-1988 гг., Александров А.Ф., Галузо С.Ю., Михеев В.В.).
Исследование изменений пространственного распределения
плотности тока тока пучка по мере прохождения вакуумного
дрейфового канала позволило связать их с развитием диокотронной
неустойчивости (1984-1988 гг., Александров А.Ф., Веснин В.Л.,
Галузо С.Ю., Кубарев В.А., Михеев В.В., Плетюшкин В.А., Сергиенко
В.Ю.). Был впервые для пучка микросекундной длительности
реализован метод стабилизации его пространсвенного распределения
при использовании взрывоэмиссионного катода с конической
эмиттирующей поверхностью (1989-1992 гг., Александров А.Ф.,
Веснин В.Л., Галузо С.Ю.).
Измерения радиального профиля плотности тока РЭП на выходе

- 31 -

черенковского СВЧ генератора поверхностной волны позволили
зарегистрировать эффект воздействия сильного высокочастотного
поля на расширение пучка (1986-1988 гг., Александров А.Ф., Веснин
В.Л., Галузо С.Ю., Кубарев В.А., Михеев В.В., Плетюшкин В.А.,
Сергиенко В.Ю.), что послужило дополнительным обоснованием
необходимости снижения плотности СВЧ энергии.
Кроме детального изучения транспортировки РЭП были
продолжены исследования процессов, приводящих к ограничению
длительности СВЧ импульса в источниках черенковского излучения, а
именно СВЧ пробоя электродинамической системы. В качестве одной
из причин, вызывающих развитие СВЧ пробоя, были проанализированы
приповерхностные вторично эмиссионные разряды, теоретически были
рассмотрены как стартовая так и нелинейная стадия их
существования (1982-1990 гг., Галузо С.Ю., Одинцова Н.В.).
Работа с СВЧ генераторами с пространственно развитыми
электродинамическими системами выявила ряд трудностей в
обеспечении одночастотного режима взаимодействия потока и СВЧ
поля. В связи с этим получило развитие направление по
исследованию источников черенковского излучения с выходной
пространственно развитой секцией, построенных по схеме
умножителей частоты (1990 г. - наст. вр. Александров А.Ф., Галузо
С.Ю., Кузнецов А.М., Канавец В.И.).
А.Ф.Александровым и С.Ю.Галузо был создан новый спецкурс и
написано учебное пособие "Физика сильноточных релятивистских
электронных пучков" (Изд.МГУ, 1991г.).

X. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА КАФЕДРЕ

С приходом на кафедру в 1966 году профессора А.А.Рухадзе
началась серьезная систематическая работа в области теории плазмы
и газового разряда. На кафедре появились молодые
теоретики-дипломники, аспиранты, стажеры-исследователи,
установились тесные контакты с теоретическими коллективами таких
крупных академических институтов как ФИАН и ИОФАН, ИАЭ
им.И.В.Курчатова Кафедра стала серьезной школой по подготовке
квалифицированных теоретиков в области физики плазмы и
электродинамики материальных сред. Утверждению такой репутации в
немалой степени способствовала традиция приема дополнительных

- 32 -

экзаменов по известному теоретическому минимуму Ландау. Экзамены
принимал у каждого студента - кандидата в теоретики в течение не
менее трех лет лично А.А.Рухадзе. Это требование предъявляется
молодым теоретикам и в настоящее время.
Начиная с 1966 года теоретический минимум сдали и успешно
защитили теоретические дипломы более 40 студентов, более 30 из
них закончили аспирантуру и защитили кандидатские диссертации,
более 10 сегодня являются докторами наук и сами готовят
теоретические кадры. Многие из них работают в различных научных
центрах и высших учебных заведениях как в нашей стране, так и за
рубежом, руководя кафедрами теоретической физики, теоретическими
секторами и лабораториями.
К числу наиболее ярких выпускников кафедры и
стажеров-исследователей 60-ых годов можно отнести докторов
физ.-мат. наук Б.А.Альтеркопа (ныне профессора Тель-Авивского
университета,Израиль), Б.Милича (ныне профессора университета в
Белграде, Югославия), В.В.Северьянова, в течение многих лет
руководившего кафедрой теоретической физики Тульского
пединститута, и которого на этом посту заменил также выпускник
кафедры, недавно успешно защитивший докторскую диссертацию
В.А.Панин, С.А.Тригера (ныне профессора, заведующий сектором
теоретического отдела ИВТАН).
Среди выпускников 70-х следует отметить: доктора, профессора
Н.А.Мартинова (ныне заведующего кафедрой теоретической физики и
проректора Софийского университета, Болгария), доктора,
профессора Абу-Асали Элиаса (ныне декана университета в Дамаске,
Сирия), доктора Д.Зюндера (ныне заведующего теоретической
лабораторией Института Макса Планка в Берлине), доктора
Р.Д.Джамалова (ныне заведующего теоретическим отделом в Институте
Теплофизики в Ташкенте), доктора И.В.Чашея (ныне заведующего
теоретической лабораторией в Пущинском филиале ФИАН), доктора
О.М.Градова (ныне ведущего научного сотрудника Института
Металлургии РАН).
Даже среди выпускников 80-х годов есть доктора наук. Следует
особо отметить очень яркого и плодовитого доктора, М.В.Кузелева
(ныне профессора, заведующего кафедрой физики в Полиграфическом
институте), который тесно связан с группой А.А.Рухадзе и
подготовил более 10 кандидатов наук. Успешно защитил докторскую

- 33 -

диссертацию в ФИАНе С.А.Решетняк, тоже выпускник кафедры этого
периода.
На кафедре давно сложилась хорошая традиция преемственности,
когда воспитанники кафедры, становясь твердо на ноги, сами
воспитывают молодых специалистов. Так, Б.А.Альтеркоп был
соруководителем аспиранта Абу-Асали Элиаса, защитившего
диссертацию по нелинейной плазменной акустике, Н.И.Карбушев был
соруководителем аспирантов С.Ю.Удовиченко и Э.В.Ростомяна,
защитивших диссертации по теории устойчивости релятивистских
электронных пучков. Самым плодовитым в этом плане был и остается
М.В.Кузелев, который воспитал целую плеяду прекрасных теоретиков
из Тулы: В.А.Панина, Ю.В.Бобылева, В.В.Романова, Ю.В.Плотникова,
составивших вместе с В.В.Северьяновым основу кафедры
теоретической физики в Тульском Педагогическом Университете. Они
внесли существенный вклад в релятивистскую плазменную СВЧ
электронику. Ряд воспитанников М.В.Кузелева такие как
Г.В.Санадзе, А.Т.Богданов(Болгария), В.В.Богданов,
Д.П.Филиппычев, А.Н.Халилов, О.П.Пыркина успешно работают в
различных научных учреждениях СНГ и даже вне СНГ. Так
А.Т.Богданов работает в Германии, сохраняя тесный контакт с
кафедрой, Г.В.Санадзе трудится в Грузинском политехническом
институте. Все указанные ученики М.В.Кузелева внесли существенный
вклад в развитие теории релятивистской СВЧ электроники и в
особенности, плазменной СВЧ электроники. В этой области сегодня
они признанные специалисты в нашей стране. Недавно представил
диссертацию еще один ученик М.В.Кузелева - М.А.Красильников.
Следует отметить, что проводимые на кафедре теоретические
исследования всегда были тесно связаны с экспериментом и, в
первую очередь, с экспериментальными работами самой нашей
кафедры. Более того многие экспериментальные исследования были
инициированы и даже первоначально теоретически обоснованы нашими
теоретиками.
Уже в первых теоретических исследованиях 60-х и начала 70-х
годов в работах А.А.Рухадзе, Б.Милича, Б.А.Альтеркопа, Абу-Асали
Элиаса и других была развита линейная и нелинейная теория
ионно-звуковой неустойчивости разряда в постоянном электрическом
поле, что в значительной степени способствовало проведению
целенаправленных экспериментов в группе А.А.Зайцева. Эти

- 34 -

эксперименты количественно подтвердили порог возбуждения
ионно-звуковых колебаний в слабоионизованной плазме с током,
рассчитанный теоретически, а также нелинейную ее стадию как
суперпозицию основной нарастающей моды и ее нелинейной затухающей
гармоники. Такой метод анализа диссипативных нелинейных явлений
впоследствии получил широкое распространение и сегодня лежит в
основе теории диссипативных сенергетических структур. Именно к
таким структурам приводят дрейфовые неустойчивости
экспериментально исследованные С.Сотниковым и Б.Н.Швилкиным по
предложениям Б.Милича и А.Рухадзе.
Работы В.В.Северьянова и А.А.Рухадзе были нацелены на
экспериментальные исследования профессора А.А.Кузовникова и
нашего болгарского стажера Н.А.Николова - ныне профессора
Софийского Университета, в которых исследовались нелинейные
резонансы при воздействии ВЧ излучения на плазму. Одним из
основных результатов этих исследований было получение формулы для
средней силы, действующей на плазму, обобщающей известное
выражение Силы Миллера, справедливое в СВЧ области, на область
ВЧ, в которой существенна пространственная дисперсия плазмы.
Формула для средней силы в области ВЧ лежит в основе современной
нелинейной электродинамики плазмы.
Теоретические работы А.А.Рухадзе и С.А.Тригера стимулировали
развертывание большого цикла исследований на установке "Фотон".
Более того, они легли в основу ряда исследований в этой области,
проводимых в тесном контакте с кафедрой, также и в других научных
коллективах (ФТИРАН, МГТУ им.Баумана, Институте прикладной
математики РАН и др.). Общая совокупность этих исследований
привела к развитию новой области науки - радиационной магнитной
гидродинамики, теоретическому и экспериментальному обоснованию
возможности создания эффективных источников света на основе
сильноточных излучающих разрядов. Излучающий разряд - это особое
состояние плазмы, в которой процессы переноса определяются
излучением. именно это обстоятельство определяет эффективное
преобразование вложенной в разряд энергии в энергию
излучения.А.Ф.Александров и А.А.Рухадзе в 1978 году на основе
проводимых на кафедре исследований опубликовали монографию
"Физика сильноточных электроразрядных источников света",
М.,Атомиздат, 1978 г. Они же в составе коллектива авторов за цикл

- 35 -

исследований в этой области в 1981 году были удостоены
Государственной премии СССР в области науки и техники.
Большой цикл теоретических исследований был начат
И.Желязковым (ныне профессор Софийского университета, Болгария)
под руководством А.А.Рухадзе по теории устойчивости
релятивистских электронных пучков (РЭП). Ими совместно с
Л.С.Богданкевич впервые были предсказаны токово-конвективная и
слиппинг неустойчивости РЭП , которые в ряде случаев определяют
предельно достижимые в релятивистских пучках, токи, а
следовательно, максимальную мощность СВЧ излучения, генерируемую
в приборах, основанных на релятивистских электронных пучках.
Формула же Богданкевич-Рухадзе для предельного тока
релятивистских электронных пучков сегодня цитируется так же, как
в свое время формула Чайльда-Ленгмюра для тока нерелятивистских
пучков, и служит тестом для правильности полученных результатов.
Очень важный вклад в теорию равновесия и устойчивости
релятивистских пучков внесли Н.К.Карбушев и С.А.Удовиченко,
которые в соавторстве с А.А.Рухадзе развили полную
последовательную теорию их устойчивости и решили долгое время
считавшуюся неразрешимой задачу о диокотронной неустойчивости
ограниченных цилиндрических электронных пучков. Весь этот цикл
исследований вошел в золотой фонд релятивистской электроники, его
результаты постоянно цитируются и излагаются в различных обзорах
и монографиях.
Составляют основу современной сильноточной плазменной
электроники также и работы Э.Ростомяна, Б.А.Альтеркопа,
В.В.Северьянова, В.Тараканова, исследовавших под руководством
А.А.Рухадзе задачи инжекции релятивистских пучков в
пространственно-ограниченную плазму с возбуждением
электромагнитного излучения. В.Крочеком была развита
квазилинейная теория инжекции релятивистских пучков в
столкновительную плазму, в которой излучение интенсивно
поглощается и греет плазму. Линейная и квазилинейная теории
развития неустойчивости, в первых работах, позже были обобщены на
нелинейную стадию М.В.Кузелевым, В.А.Паниным и В.Таракановым с
участием ряда аспирантов и сотрудников А.А.Рухадзе. Это удалось
бдагодаря сочетанию аналитических методов с численным
моделированием. Особо следует отметить нелинейные трехмерные

- 36 -

коды, созданные ими и получившие распространение. В частности код
"КАРАТ" запатентован США, продается за довольно высокую цену
потребителям самых разных стран. Высокий уровень методов
численного моделирования позволил нашим теоретикам значительно
расширить круг исследуемых задач физической электроники и
электродинамики с учетом нелинейных эффектов и сложной геометрии.
Более того, численное моделирование позволило даже предсказать
ряд новых физических явлений.
Работы А.А.Рухадзе и С.Ф.Теселкина дали толчек
экспериментальным исследованиям структуры ударных волн в плазме.
Была теоретически предсказана, а затем экспериментально
подтверждена ступенчатая структура ударных волн, состоящих из
нескольких скачков плотностей и температур отдельных компонент
плазмы.
Особо следует отметить работы А.А.Рухадзе по формулированию
основных принципов релятивистской СВЧ электроники. В его работах
с сотрудниками и аспирантами (М.В.Кузелев и В.А.Панин, и др.) по
теории стимулированного излучения сильноточных электронных
пучков. По-существу, заложены основы теории лазеров на свободных
электронах. В результате создана новая область физики плазмы -
релятивистская плазменная СВЧ электроника. Рассчитанные
теоретиками и апробированные в металле на ускорителях "Терек" в
ИОФ РАН плазменные СВЧ генераторы успешно конкурируют с
вакуумными и даже обладают рядом преимуществ. При этом роль
теоретиков не ограничивалась развитием общей теории, теоретически
рассчитывались конкретные схемы, оптимизировались параметры
конкретных приборов. Теоретические исследования А.А.Рухадзе и
М.В.Кузелева в этой области обобщены в монографии "Физика плотных
электронных пучков в плазме", М.,Наука,1990 г., недавно
переведенной на английский язык и изданный во Франции. Цикл
совместных экспериментально-теоретических исследований по
релятивистской СВЧ электронике был отмечен в 1989 году
Ломоносовской премией МГУ 1-й степени (А.Ф.Александров,
В.И.Канавец и А.А.Рухадзе).
Несколько в стороне стоят работы А.А.Рухадзе и Р.Джамалова
по кинетической теории квантовой плазмы, в которых была развита
теория колебаний плазмы в сильном квантующем магнитном поле.
Позже С.А.Тригером и А.А.Рухадзе эта теория была обобщена на

- 37 -

случай электронно-дырочной плазмы твердого тела, что позволило
авторам сделать очень интересные выводы о различных каналах
фазового перехода полупроводник-диэлектрик, либо
полупроводниксверхпроводник, которые еще ждут своей
экспериментальной проверки.
Свежую струю в классическую теорию газового разряда внесли
работы, проводимые нашими теоретиками в содружестве с кафедрой
физики Дагестанского Университета. Еще в начале 80-х годов в
работах А.А.Рухадзе, С.А.Решетняка и А.П.Бройтмана была отмечена
существенная роль коллективных эффектов в зарождении и развитии
лавин ионизации и стримеров на начальных стадиях газового
разряда. Эти исследования дали теоретическое обоснование
плазменной модели стримера, развитой А.А.Рухадзе и докторантом
кафедры О.А.Омаровым (ныне профессор О.А.Омаров - ректор
Дагестанского Университета). Впоследствии О.А.Омаровым с
сотрудниками были проведены экспериментальные исследования,
количественно подтвердившие теорию.
В последнее время теоретические исследования классической
теории высокочастотного разряда также обещают существенно
изменить старые представления о роли коллективных эффектов в
таких разрядах. Здесь следует отметить недавно опубликованные
работы А.Ф.Александрова и А.А.Рухадзе по классификации таких
разрядов и А.А.Рухадзе и Н.Ф.Воробьева по применению теории
высокочастотных разрядов, инициируемых поверхностными
источниками, к расчету конкретных источников плазмы,
экспериментально исследуемых на нашей кафедре в содружестве с
Институтом прикладной электродинамики при МАИ.
Особо надо отметить роль теоретиков в совершенствовании
преподавания на кафедре. Большим авторитетом на кафедре и
физическом факультете в целом пользуется годовой теоретический
спецкурс по электродинамике плазмы, читаемый с 1966 года
профессором А.А.Рухадзе. На основе этого курса создан учебник
А.Ф.Александров, Л.С.Богданкевич, А.А.Рухадзе. "Основы
электродинамики плазмы", М., Высшая школа, 1978 г., второе
издание которого (1988 г.) в 1991 году был удостоен
Государственной премии СССР в области науки и техники. Учебник
был переведен в 1984 г. на английский язык, и издан в Германии
издательством Шпрингер-Ферлаг и получил высокую оценку в СССР и

- 38 -

за рубежом, превратившись в настольную книгу для
физиков-плазменщиков. Этот учебник, по-существу, представляет
собой изложение основ электродинамики сред с пространственной
дисперсией и ее применению для описания электромагнитных свойств
плазмы и плазмоподобных сред. В несколько измененном виде этот
курс читается А.Ф.Александровым для студентов отделения
радиофизики под названием "Колебания и волны в плазменных
средах". Учебное пособие с таким названием было издано в 1990 г.
(А.Ф.Александров, Л.С.Богданкевич, А.А.Рухадзе "Колебания и волны
в плазменных средах", изд.МГУ).
Следует отметить большой вклад профессора А.А.Рухадзе в
развитие электродинамики сред с пространственной дисперсией,
который частично изложен в указанном учебнике. Трудами профессора
А.А.Рухадзе получило обоснование новая формулировка
электродинамики материальных сред, что привело к изменению старых
представлений дисперсионных свойств диэлектрической и магнитной
проницаемостей материальных сред в частности достигнуто более
глубокое физическое понимание магнитных свойств вещества. Такое
изложение электродинамики материальных сред получает все большее
признание и распространение в ВУЗах нашей страны и за рубежом. В
частности, именно в таком русле излагается курс теории плазмы в
Школе Теоретической Физики в Триесте, одним из содиректоров
которой является профессор А.А.Рухадзе.

XI. ЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Hаботы по вторичной электронной эмиссии чистых и окисленных
металлов (Н.А.Капцов, А.В.Афанасьева, П.В.Тимофеев) велись на
кафедре еще с 1937 г.. В этих работах было доказано, что
вторичная электронная эмиссия - это существенно объемное явление.
П.В.Тимофеев до поступления на кафедру принимал активное участие
в организации промышленного производства вакуумных фотоэлементов.
Г.В.Спивак и А.С.Игнатов изучили процессы формирования
пространственного заряда в трубке с термокатодом. На основе этой
работы сконструирован и построен чувствительный манометр.
В.Е.Юрасова и В.М.Буханов обнаружили анизотропию
ионно-электронной эмиссии монокристаллов меди, а В.Е.Юрасова и
Г.А.Дубский впервые в эмиссионной электронике использовали схемы

- 39 -

совпадений. Вопросы становления плазмы при высоких импульсных
напряжениях (10 54 0-10 55 0В) тщательно изучены Э.М.Рейхруделем с
сотрудниками. На основе этих работ были созданы сверхэффективные
электронные эмиттеры на токи 10 53 0А и выше и мощные рентгеновские
трубки.
Тщательное исследование сурьмяно-цезиевых фотокатодов
проведено в работах Г.А.Желудевой. Ее результаты по угловым
распределениям фотоэлектродов стали пионерскими и получили
заслуженное признание и в нашей стране и за рубежом.
Серия работ выполнена на кафедре по изучению особенностей
различных электронных эмиссий в области фазовых переходов в
твердых телах. Г.В.Спивак и А.Гельберг изучили автоэмиссию в
точке Кюри, В.С.Черныш и С.С.Еловиков - Оже электронную эмиссию,
Е.С.Машкова и А.В.Афанасьева - вторичную электронно-электронную
эмиссию в той же точке, а Б.Б.Шишкин и Н.Я.Рухляда исследовали
термоэмиссию при полиморфных превращениях. Обнаружены скачки
эмиссионных токов в точках фазовых переходов.
Одна из интереснейших работ кафедры - прямое наблюдение в
электронном зеркальном микроскопе полей пятен
вторично-электронных эмиттеров при различных температурах
(Г.В.Спивак, И.А.Прямкова и сотрудники ленинградского
политехнического института). Естественным развитием этой работы
явились исследования В.Г.Дюкова, впервые скомбинировавшего
растровый электронный микроскоп с эмиссионным в качестве
коллектора эмиттируемых электронов. Автор смог наблюдать
электронные изображения одних и тех же объектов или в "быстрых"
вторичных электронах, или в "медленных" термоэлектронах.
Б.Б.Шишкин и И.П.Ли совместно с Н.Б.Брандтом впервые
наблюдали электронную эмиссию металлических монокристаллов при
воздействии на них мощных ударных волн.
Термоэлектронная эмиссия монокристаллов переходных металлов
изуучена экспериментально Б.Б.Шишкиным и В.А.Маштаковой. Опыты
этих авторов показали, что собственно термоэмиссия происходит при
сравнительно "низких" температурах, при "высоких" температурах
наблюдается новое явление - рекомбинационная электронная эмиссия.
Элементарные эмиссионные процессы в явлениях испускания
электронов накаленными телами теоретически исследовал Б.Б.Шишкин.
Стимулированные фото-вторично и фото-термо эмиссии изучены

- 40 -

Б.Б.Шишкиным и И.Б.Бурибаевым.
На протяжении многолетней истории истории кафедра физической
электроники поддерживала тесные связи с рядом зарубежных
исследовательских центров, с многочисленными отечественными
научно-исследовательскими институтами и промышленными
предприятиями. Были тщательно исследованы различные эффективные
источники электронов и созданы уникальные методики. Найдены
режимы активирования и тренировки катодов. В этих работах активно
участвовали Н.А.Капцов, Г.В.Спивак, Э.М.Рейхрудель, Е.М.Дубинина,
И.Н.Прилежаева, Н.Н.Седов, Т.Н.Домбровская, К.А.Мичурина,
Л.М.Волкова, В.Г.Дюков, Б.Б.Шишкин, В.А.Маштакова, многочисленные
студенты и аспиранты кафедры.
Результаты этих исследований нашли отражение в спецкурсе и
учебном пособии Б.Б.Шишкина "Эмиссионная электроника" (Изд.МГУ, в
печати), а также в задаче спецпрактикума.

XII. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ

Работы по взаимодействию ионов с поверхностью (ВИП) начаты
по инициативе профессора Г.В. Спивака в конце сороковых годов.
Надо было обладать незаурядной проницательностью и интуицией
крупного ученого, чтобы обратить внимание на это направление
исследований, не пользовавшегося в те времена никакой
популярностью, а теперь превратившегося в самостоятельный раздел
физики с широчайшим кругом практических приложений.
Первые работы, касающиеся ВИП, были выполнены Г.В.Спиваком и
И.Н.Прилежаевой в начале 50-х годов. Используя один из первых в
нашей стране просвечивающий электронный микроскоп, они
исследовали рельеф поверхности, образующийся в результате ионной
бомбардировки на катоде газоразрядной трубки. Они впервые
наблюдали конусообразные холмы на облученной ионами поверхности,
механизм образования которых был понят лишь впоследствии,
благодаря усилиям многих научных коллективах.
В дальнейших работах кафедры было показано, что с помощью
ионной бомбардировки можно выявить зернистую структуру
поверхности любых материалов, определить места выхода на
поверхность дислокаций, различить на поверхности зерна с
низкоиндексными гранями - по форме образующихся на них фигур

- 41 -

травления (В.Е.Юрасова, совместно с проф.А.А.Предводителевым и
сотрудниками). Эти исследования послужили базой для разработки
методики выявления структуры поверхности вещества в широкой
области изменения его температуры и создания первых в нашей
стране установок для ионного травления - УИТ (Г.В.Спивак,
В.Е.Юрасова, Ф.Ф.Кушнир, медаль ВДНХ 1960 г., премия С.И.Вавилова
1962 г.) Серия этих установок от УИТ-1 до УИТ-5 (последняя из них
- с дополнительной ионизацией электронным ударом в присутствии
магнитного поля) явилась прототипом современных установок для
магнетронного распыления, широко используемых в настоящее время
для получения упрочняющих покрытий и тонких пленок заданного
состава для нужд микроэлектроники.
Фундаментальные исследования распыления вещества при ионной
бомбардировке в первых работах касались образования рельефа на
облучаемой поверхности. Было обращено внимание на существенную
роль в этом процессе как избирательного распыления атомов,
наимение связанных с поверхностью, так и роста возвышений на
поверхности за счет радиационно-стимулированной диффузии
(В.Е.Юрасова). В тот же период были начаты работы по исследованию
механизма распыления. При распылении монокристаллов была
обнаружена анизотропия распыления преимущественно
плотноупакованных в широком интервале энергиий бомбардирующих
ионов до 5 кэв (В.Е.Юрасова), а два года спустя при энергиях до
50 кэв (В.Е.Юрасова, Н.В.Плешивцев, И.В.Орфанов). Это был очень
важный результат, поскольку было доказано, что распыление
существенно отличается от испарения и происходит благодаря
передаче импульса от бомбардирующих ионов атомам мишени.
Отметим наиболее существенные результаты, полученные на
кафедре электроники в дальнейших исследованиях процессов при
ионном облучении твердых тел.
1.Обнаружена анизотропия рассеяния ионов с энергией в
несколько кэв монокристаллами (В.Е.Юрасова). Показано, что выход
рассеянных ионов зависит от кристаллографических направлений: он
минимален в направлениях плотной упаковки атомов.
2.Установлена преимущественная эмиссия вторичных ионов в
направлениях плотной упаковки атомов монокристалла, а также
различный вход атомов и ионов для компонент соединений -
анизотропия по направлению и составу распыления и вторичной

- 42 -

ионной эмиссии, ВИЭ (В.Е.Юрасова). Эти явления имеют особое
значение для современных практических применений распыления и ВИЭ
в технологии получения пленок и покрытий заданного состава, а
также для развития методов анализа поверхности ионными пучками.
3.Впервые применено моделирование на ЭВМ для исследования
процессов взаимодействия ионов с поверхностью кристалла
(Д.С.Карпузов, В.А.Эльтеков, В.Е.Юрасова) и предсказан ряд
явлений, впоследствии наблюдавшихся экспериментально, например,
захват и длительное движение ионов в поверхностных полуканалах
(В.Е.Юрасова, Д.С.Карпузов).
4.Выполнены первые расчеты на ЭВМ имплпнтации ионов в
монокристалл (B-Si) и установлено, что распределение внедренных
ионов по глубине имеет два максимума, положение которых
согласуется с данными более поздних экспериментов; замечен
"радужный" эффект для траекторий ионов, захватываемых в режим
каналирования с переходом в смежные каналы (В.А.Эльтеков,
Ю.Мартыненко,В.Е.Юрасова).
5.Обнаружена ориентационная зависимость дифференциального
распыления (распыления в определенном направлении) и эффект
перпендикулярной фокусировки (фокусировка атомных соударений в
направлениях, перпендикулярных основному потоку атомов
(В.Е.Юрасова, В.М.Буханов). Показано, что угловая зависимость
отношения выхода распыления и ВИЭ в двух идентичных
плотноупакованных направлениях (например, в [110] и [101] для ГЦК
кристаллов ) существенно немонотонно. Установлено, что по
положению ряда минимумов этой зависимости можно определить
энергию связи и энергию смещения атомов в решетке. (Подобная
зависимость двумя годами позже наблюдалась также Элихом и
Рузендалом). Эти работы легли в основу докторской диссертации
В.Е.Юрасовой.
Результаты исследований В.Е.Юрасовой в период с 1956 по
1976 гг. отмечены наградой и дипломом Приборостоительной
Корпорации США - PHI - "За пионерские работы по распылению
твердых тел ионной бомбардировкой", 1981 г..
Из более поздних работ (с 1975 г. по настоящее время)
отметим основные направления, по которым проводимые на кафедре
исследования занимают лидирующее положение в рассматриваемой
области физики.

- 43 -

а). Цикл экспериментальных и теоретических работ по
ионно-индуцированной эмиссии вторичных частиц - атомов, ионов,
фотонов и электронов - вблизи температур фазовых переходов
первого и второго рода (полиморфного и магнитного). В первой
работе (В.Е.Юрасова, В.С.Черныш, М.В.Кувакин, Л.Б.Шелякин) было
обнаружено ступенчатое возрастание (?на 20%) распыления никеля
при переходе из ферромагнитного в парамагнитное состояние и
резкое увеличение выхода распыления (до 3 раз) вблизи точки Кюри.
Ступенчатое изменение распыления при магнитном фазовом переходе
указывает на весьма интересное явление: влияние спиновой
ориентации на эмиссию частиц при ионной бомбардировке
ферромагнетика. Из проведенного аналитического и компьютерного
расчета (М.В.Кувакин, А.С.Мосунов) следует, что ориентировка
спинов изменяет потенциал взаимодействия частиц, движущихся в
кристалле, что в свою очередь, влияет на условия распространения
каскадов соударений и энергию связи поверхностных атомов и,
следовательно, на распыление. Этот эффект был подробно исследован
(Л.Б.Шелякин, В.И.Бачурин. Е.С.Харламочкин и др.) для 3-d и 4-f
ферромагнетиков и многих видов эмиссии. Установлено наличие
нескольких максимумов и минимумов в температурной зависимости
распыления монокристалла никеля. Показано различное поведение
компонент магнитных материалов в температурной зависимости ВИЭ.
Однако, несмотря на значительное число экспериментальных данных,
природа некоторых закономерностей еще не выяснена окончательно, и
поэтому в настоящее время разработана широкая программа
исследований вторичной эмиссии при магнитном фазовом переходе с
привлечением коллективов из Ярославского государственного
университета и научно-исследовательского вычислительного центра
РАН.
б). Изучение особенностей распыления деформированных
материалов. Как и в работах Л.А.Сены и Ш.Г.Аскерова, в нашей
лаборатории в 1976 г. изучался метод выявления деформированных
участков на поверхности с помощью ионной бомбардировки в
криминалистике - для выявления сполированных номеров на
огнестрельном оружии, угнанных машинах и пр.. Исследование
механизма проявления деформированных областей (например,
штампованных цифр) при ионной бомбардировке показало, что
существенную роль играет как преимущественное распыление участков

- 44 -

с ослабленной связью, так и избирательная
радиационно-стимулированная диффузия примеси в область
наибольшего градиента механического напряжения, а также различие
в сегрегации и диффузии разных компонент материала мишени
(Л.Б.Шелякин, В.Е.Юрасова, В.А.Троян). В настоящее время
модернизируется установка для продолжения исследований в этом
направлении.
в). Создание уникальной установки со схемой совпадения и ее
использование для изучения корреляции вторичной эмиссии
различного рода частиц (ионов, электронов, фотонов) при ионной
бомбардировке твердого тела (Г.Дубский, Л.Б.Шелякин,
В.Е.Юрасова). С помощью схемы совпадений впервые было обнаружено
явление квантовой интерференции различных электронных состояний
во вторичной эмиссии атомных частиц, что выразилось в
осциллирующем характере спектра вторичных возбужденных ионов
кремния Si при ионной бомбардировке поверхности монокристалла
кремния (В.А.Абраменко, Д.В.Ледянкин, И.Ф.Уразгильдин,
В.Е.Юрасова). Эти результаты открывают перспективу применения
метода совпадения для исследования электронной структуры
поверхностных слоев.
г). Теоретические исследования. Они ведутся по двум основным
направлениям:
1. Компьютерное моделирование процесса распыления
одноэлементных веществ и бинарных соединений (в том числе
ферромагнетиков), направленное как на углубление наших знаний о
природе наблюдаемых явлений, так и на практические приложения
(создание материалов с наименьшим коэффициентом распыления,
получение пленок с заданным составом и свойствами). Работа
проводится М.В.Кувакиным, А.С.Мосуновым и В.А.Эльтековым с
аспирантами и сотрудниками. Часть этих исследований составляет
раздел программы, выполняемой лабораторией ВИП кафедры физической
электроники (координатор - В.Е.Юрасова) совместно с Сэлфордским
университетом, Великобритания (координатор - Дж.Коллигон).
2. Теоретические работы по неупругому взаимодействию ионов с
поверхностью. Эти исследования проводятся под руководством
И.Ф.Уразгильдина с группой сотрудников и аспирантов (А.Борисов,
Г.Махметов, М.Гусев, Д.Клушин и др.). Наиболее интересными
результатами, полученными недавно в этой группе, являются:

- 45 -

предсказание квантовых эффектов во вторичной ионной эмиссии и
объяснение резкого возрастания (на несколько порядков) эмиссии
ионов при адсорбции на поверхности металлов и полупроводников
электроотрицательных элементов (И.Ф.Уразгильдин). По этим
вопросам ведутся совместные работы между лабораторией ВИП
(координатор -И.Ф.Уразгильдин) и университетом "Париж-Юг",
Франция (координатор - В.А.Есаулов).
В настоящее время работы по этой тематике проводятся по
совместным проектам с Англией (Королевским Обществом
Великобритании) и Францией (Французской Академией Наук).
По результатам исследований по тематике ВИП были защищены
докторские диссертации В.С.Чернышом и И.Ф.Уразгильдиным.

XIII. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

В 50-х годах под руководством профессора Г.В.Спивака
несколько групп начинают развивать многочисленные методы
электронной микроскопии, в том числе нетрадиционной - для
изучения непрозрачных массивных объектов. Задача - изучить
структурные изменения поверхности при внешних воздействиях,
распределение электрических и магнитных полей на объекте,
динамику явлений на поверхности.
Первые эксперименты по эмиссионной, зеркальной и растровой
электронной микроскопии были проведены в начале 50-х. В те же
годы Е.М.Дубининой под руководством Г.В.Спивака были запущены
первые эмиссионные приборы. Впервые в мировой практике был
реализован стробоскопический режим в термоэмиссионном микроскопе.
Затем этот режим был последовательно осуществлен во
вторично-эмиссионном, зеркальном, просвечивающем и растровом
электронных микроскопах. В эмиссионных приборах со вторичной
ионно-электронной эмиссией исследования электрических и магнитных
микрополей проводили Н.Н.Седов, В.Г.Дюков, А.Н.Невзоров.
Н.Н.Седов впервые визуализировал доменную структуру
ферромагнетика. В.Г.Дюкову удалось заснять (в стробоскопическом
режиме с временным разрешением порядка 1 нс) прямое импульсное
падение напряжения в базе полупроводникового диода при
переключении смещения из обратного в прямое.
Конструирование и иэготовление первого в нашей стране

- 46 -

стационарного зеркального микроскопа осуществили Ю.М.Кушнир,
А.Н.Кабанов, И.А.Прямкова. Исследования разнообразных
электрических и магнитных микрополей (доменная структура ферро- и
сегнето-электриков, поля магнитной записи, пьезоволны, р-п
переходы и др.) проводили И.С.Желудев, И.П.Прилежаева,
Р.Д.Иванов, О.П.Павлюченко, Л.В.Лазарева, В.К.Азовцев,
А.Е.Лукьянов, Э.И.Рау, Р.С.Гвоздовер и др.
Вначале большинство исследований носили качественный
характер, но в конце 60-х Н.Н.Седов предложил математические
методы решения прямой и обратной задач (расчет изображений и
восстановление по изображениям рельефа и микрополей образца). Эти
работы существенно опередили исследования других ученых.
Теоретические расчеты экспериментально проверяли Н.Н.Седов,
В.Г.Дюков, А.Н.Невзоров, М.В.Назаров - на эмиссионных, а
А.Е.Лукьянов, Р.С.Гвоздовер, А.И.Бутылкин, И.Бартель, Э.И.Рау -
на зеркальном электронном микроскопе.
Проверка показала, что эмиссионные и зеркальные микроскопы
можно использовать не только для получения "картинок" микрополей
и микрорельефа, но и как приборы для их измерения. В дальнейшем
было выполнено множество прикладных исследований по хоэдоговорам
с измерениями полей р-п переходов, головок для магнитной записи и
т.п. Квантовый предел разрешения зеркального микроскопа был
уточнен в теоретической работе (Р.С.Гвоздовер, Б.Я.Зельдович).
В начале 70-х работы по эмиссионной и зеркальной микроскопии
были завершены и усилия нескольких групп (руководители
Г.В.Сапарин, В.И.Петров, А.Е.Лукьянов, Э.И.Рау) сосредоточились в
области растровой электронной микроскопии (РЭМ). Первые работы в
этой области на кафедре и в нашей стране провел Г.В.Сапарин.
В 1957 году Сапариным Г.В. под руководством Е.М.Дубининой
был собран первый лабораторный макет растрового электронного
микроскопа и на следующий год получено первое изображение во
вторичной электронной эмиссии поверхности алюминиевой пластинки с
нацарапанными буквами "МГУ". Увеличение не превышало 100, но это
был первый шаг, положивший начало развитию и распространению
методов растровой электронной микроскопии на кафедре, в
университете и нашей стране. Основу микроскопа представляла
откачиваемая стеклянная трубка с оксидным катодом в электронной
пушке. Система управления и фокусировки электронного пучка была

- 47 -

заимствована у бытового телевизионного приемника того времени
марки "ЛУЧ". В качестве коллектора вторичных электронов с объекта
использовался умножитель вторичных электронов (ВЭУ),
располагаемый вблизи объекта, облучаемого сканирующим электронным
пучком.
Полученый опыт и первые результаты заставили пересмотреть
отношение к развитию работ и основные усилия были направлены на
создание модели с исключением стеклянных узлов и оксидного катода
на базе электронографа ЭМ-4. Созданный микроскоп уже имел
разрешение 1-3 мкм и на нем удалось провести первые исследования
p-n перехода кремниевого диода, определить ширину области при
смещении в 40 В и неоднородность распределения поля на
поверхности кристалла в области смещений от -12 до -76 В. Эти
эксперименты привели к возможности оценки распределения
электрического потенциала в области p-n перехода.
Более совершенный макет растрового микроскопа с разрешением
в 0,5 мкм был создан также на кафедре на базе просвечивающего
серийного электронного микроскопа ЭМ-3 и с использованием
промышленной телевизионной установки. В дальнейшем на этом же
микроскопе проводились эксперименты с пучком ионов Li, т.е.
практически был введен в строй ионный растровый микроскоп.
Интерес к такому прибору был связан с большей чувствительностью
его к электрическим микрополям, поскольку при взаимодействии
ионов с твердым телом в спектре вторичных электронов максимум
распределения смещается в сторону малых энергий до 1,5 - 3,5эВ (в
зависимости от Z мишени), тогда как при электронном возбуждении
этот максимум находится в районе 5-15 эВ. Исследования показали,
что чувствительность к Е-полю над образцом повышается в 6 раз,
однако проблемы источника ионов заставили отказаться от
дальнейших экспериментов на ионном микроскопе. Исследования
электрических и магнитных микрополей на поверхности объектов в
шестидесятые годы завершились серией теоретических и
экспериментальных работ, в которых рассматривается механизм
образования контраста изображения Е и Н - микрополей в РЭМ
(Г.В.Спивак, Г.В.Сапарин, Н.Н.Седов, В.Г.Дюков, Л.Ф.Комолова).
Следующим этапом в развитии растровой электронной
микроскопии следует считать реализацию принципа стробоскопии в
этом виде микроскопа с целью изучения динамики электрических

- 48 -

микрополей на поверхности. Бурное развитие микроэлектроники и
схемотехники в этот период требовало создания новых методов для
диагностики быстропротекающих процессов в интегральных схемах.
Новый принцип был перенесен в растровую микроскопию из
просвечивающей, где он бвл предложен еще в 1956 году проф.
Г.В.Спиваком, и впервые реализован в растровой микроскопии в 1967
году. В первых же экспериментах этим методом удалось разобрать
пофазно механизм переключения кремниевого диода при работе на
частотах 10-15 кГц. С помощью этого метода можно было
обнаруживать распределение импульсных электрических сигналов по
сложной интегральной схеме, локализовать дефектность этих схем,
что невозможно другими способами. Новая методика нашла широкое
применение в зарубежных работах. Некоторые фирмы даже выпускали
приставки к РЭМ для стробоскопических исследований в
микроэлектронике и наноэлектронике.
Семидесятые годы в развитии растровой электронной
микроскопии были отмечены увлечением катодолюминесцентными (КЛ)
исследованиями и разработкой новых методов в этом направлении.
Были реализованы два пути:
а) работа микроскопа в монохроматическом режиме (черно/белый
контраст) с использованием монохроматора для получения КЛ-спектра
в точке, (это направление освоила группа В.И.Петрова)
б) использование цветного контраста для представления
КЛ-спектра в каждой точке и получения пространственного
спектрального распределения люминесцентного излучения в интервале
400-800нм (работы по этому пути от новых идей до результатов
осуществлены в группе Г.В.Сапарина. Первый цветной снимок удалось
получить в 1972г.).
Для реализации последнего направления была создана
специализированная высокоэффективная коллекторная система.
Цветной контраст позволяет на два порядка увеличить информативную
емкость изображения в сравнении с черно-белым контрастом. Для
изучения динамики излучения были использованы также принципы
стробоскопии.
Интересными результатами в исследовании КЛ кристаллов и
различных соединений являются эффект активации кристаллов и
катодолюминесцентная память, выявленные Обыденым С.К. и
Перловским Г.А.. Так на ряде кристаллов, в частности, GaN:Zn,

- 49 -

CdS, LiF и других был обнаружен повышенный до двух порядков
квантовый выход, а также изменение спектрального состава
излучения при предварительном облучении кристалла электронным
пучком. Активированное состояние может сохраняться годами и быть
использовано для архивной памяти высокой плотности (10 - 10
бит/см) в двоичной системе и существенно больших значений для
ассоциативной памяти. Механизм упомянутых явлений связан с
наличием примеси водорода, попадающего в решетку при выращивании
кристалла, и нарушением связей при облучении, что приводит к
формированию новых центров рекомбинации. Использование цветного
контраста привело к обнаружению эффекта двойной трансформации SiC
политипов (21R- 3C4H) при выращивании эпитаксиальных пленок.
Активное участие в этой работе принимали сотрудники
Физико-Технического института им.Иоффе (г.С-Петербург) Мохов Е.Н.
и Роенков А.Д.. В алмазных материалах новые методы диагностики
позволили сформулировать критерии оценки качества осаждаемых
пленок по отношению к природному алмазу как эталону. Растровая
микроскопия с цветным контрастом позволила также вести работу по
трехмерной диагностике люминесцирующих материалов. Наиболее это
наглядно удается на эпитаксиальных пленках, где возможно без
разрушения пленки провести структурный анализ и реконструкцию с
разрешением в сотни ангстрем.
С начала 70-х годов работы в области растровой электронной
микроскопии были тесно связаны с прикладными исследованиями и
применением методов РЭМ в области дефектоскопии, проблем
надежности и физики отказов объектов микроэлектроники. Все эти
годы в группе Э.И.Рау велись крупные проекты по хоздоговорным
темам с ведущими предприятиями МЭП, МОМ, с академическими НИИ,
Космическим Агенством и другими организациями.
Для исследования локальных свойств полупроводниковых
кристаллов, количественного определения их фундаментальных
параметров, распределения электрических и магнитных микрополей в
лаборатории был разработан ряд оригинальных методов и устройств
диагностики, защищенных 20 Авторскими свидетельствами. Основное
достоинство разработанных оригинальных методов - их неразрушающий
бесконтактный характер, высокое пространственное разрешение,
большая чувствительность, автоматизация экспериментальных
исследований, разработка новых принципов и их теоретическое

- 50 -

обоснование (например, зондовая микротомография объектов
микроэлектроники).
В группе А.Е.Лукьянова, в которой в разное время работали
В.П.Иванников, Р.С.Гвоздовер, И.Ф.Уразгильдин, Э.И.Рау,
Н.А.Бутылкина и другие, разработаны новые методы исследования
электрических и магнитных микрополей (р-п-переходы, поля
магнитной записи и т.п.) в РЭМ: СВЧ-детектирование видеосигнала
наведенного тока в полупроводниках, применение импулсного
преобразования сдвига кривой задержки тока вторичных электронов
для регистрации магнитного и потенциального контраста и др.
Зарегистрирована рекордная для того времени чувствительность при
регистрации полей магнитных головок (А.Е.Лукьянов, В.П.Иванников,
В.П.Новожилов).
Побочный результат исследований наилучших режимов подготовки
образцов для исследований в режиме наведенного тока - обнаружение
неожиданного эффекта: образование р-п перехода в однородном
кристалле р-Si при бомбардировке его ионами аргона.
Наряду с зеркальной и эмиссионной микроскопией на кафедре
развивались работы по просвечивающей электронной микроскопии.
Вначале эти работы были связаны с исследованием топографии
поверхности методом реплик, их выполняли Крохина А.И. и Степунина
В.В.. Затем начались исследования традиционных образцов - тонких
магнитных пленок и сегнетоэлектрических кристаллов, что явилось
продолжением исследований магнитных и электрических полей в
зеркальном и эмиссионном микроскопах.
Магнитную структуру тонких пермаллоевых пленок с 1964 года
исследовали Павлюченко О.П. и Петров В.И. на старом отечественном
микроскопе ЭМ-3. Тем не менее им удалось наладить
стробоскопический режим работы микроскопа и получить первые
изображения динамической доменной структуры. Далее эти
исследования с более высоким временным разрешением были
реализованы совместно с группой профессора Р.В.Телеснина. Они
привели к открытию, зарегистрированному под N159 в 1976 г.:
обнаружение явления разрыва доменных стенок под воздействием
импульсных магнитных полей. Несколько лет ранее Г.В.Спивак,
Р.В.Телеснин, Колотов О.С., Петров В.И. получили за эту работу
Ломоносовскую премию МГУ. Последняя работа в этой области
(Голубков В.В. и Петров В.И.) посвященастробоскопическим

- 51 -

исследованим перемагничивания границ с поперечными связями в
пермаллоевых пленках. Авторам удалось измерить скорость движения
поперечных связей вдоль границы.
В последующий период некоторые разработки по
стробоскопической электронографии (определение возбужденных
состояний молекул газа при лазерном облучении) были выполнены
совместно с лабораторией электронографии химического факультета и
кафедрой общей физики и волновых процессов. Благодаря возбуждению
очень коротких импульсов электронного тока за счет лазерного
облучения острийного катода электронографа было получено высокое
(0,5 нс) временное разрешение. Попытки разрешить обратную задачу
электронной микроскопии были предприняты и для просвечивающей
электронной микроскопии. В 1968 году Н.Н.Седов и В.И.Петров
предложили и реализовали метод определения хода намагниченности в
доменной границе тонких магнитных пленок.
По сегнетоэлектрикам следует отметить тщательные и
обстоятельные работы Шакманова В.В.. Он исследовал стрикцию и
доменную структуру титаната бария и измерил скорость движения
доменных стенок при воздействии импульсных электрических полей.
Далее наступил период повального увлечения растровой
электронной микроскопией. В 1968 г. был запущен Стереоскан МК-2.
На кафедру в 1970 и 1973 гг. были закуплены два микроскопа
японской фирмы (Jeol), которые на много лет определили профиль
исследования, в основном, полупроводниковых структур.
С этого времени начался этап разработки различных
РЭМ-методов исследования твердого тела: структуры и параметров
диэлектриков, измерения потенциалов на микрообъектах, считывания
информации с микрофишей, исследование объектов с глубокими
порами, магнитных головок и лент и т.д.. Один из растровых
микроскопов был полностью приспособлен для спектральной
катодолюминесценции (группа В.И.Петрова), на нем был реализован
уникальный режим ИК катодолюминесценции вплоть до длин волн 6,5
мкм и успешно проведены исследования локальных люминесцентных
свойств полупроводниковых структур. Были вскрыты и подтверждены
различные механизмы излучательной рекомбинации в этих объектах и
вклад в них структурных нарушений (точечные дефекты, дислокации и
т.д.). Это направление оказалось весьма плодотворным - работа
велась с целым рядом организаций : ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ИРЭ АН

- 52 -

СССР, Институт прикладной физики полупроводников и общей физики и
молекулярной электроники. Работа велась большим коллективом
сотрудников и аспирантов (Ю.Голубев, Е.С.Добрынина, А.Р.Гареева,
Файк Антер, В.Аль Шаер) под руководством В.И.Петрова, который
защитил по этому направлению докторскую диссертацию.
Работы получили высокое признание в СССР и за рубежом. В
частности, в течение 10 лет ведутся совместные исследования с
Берлинским иниверситетом им. Гумбольдта. Тема последних лет
исследований - люминесценция в квантоворазмерных структурах.
Эти исследования нашли отражение в организации учебного
процесса. Были подготовлены спецкурсы по электронной микроскопии
и томографии, написаны учебные пособия Г.В.Сапариным :"Введение в
растровую электронную микроскопию" часть 1 (Изд.МГУ,1988 г.) и
часть (1990 г.) и составлено 6 задач в спецпрактикуме.


XIV. ЭЛЕКТРОННО-СТИМУЛИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ

В группе Е.М.Дубининой с 1959 по 1969 гг проводились работы
по изучению физических процессов, происходящих в источниках ионов
с полым катодом. В работах принимали участие аспиранты М.Б.Гусева
и С.Ибадов, впоследствие защитившие диссертации по этой тематике.
Результатом исследований явилось создание источников ионов, в
которых была существенно снижена напряженность магнитного поля и
уменьшено давление рабочего газа при сохранении плотности ионного
тока.
В 1967 - 1968 гг были сделаны первые попытки использовать
электронное облучение для формирования полимерных пленок и
локализации в области электронного пучка пленок других
материалов. Несколько позднее (в 1969 году) аналогичные
эксперименты начали проводиться и с ионными пучками.
Начиная с 1969 года оба эти направления развивались в двух
научных группах. Под руководством Е.М.Дубининой исследовались
электронно - стимулированные процессы в диапазоне энергий
электронов 0,1 - 3 кэВ, а М.Б.Гусева возглавила работы по ионной
стимуляции явлений на поверхности твердых тел.
В 1969 - 1977 гг в группе Дубининой Е.М. основное внимание

- 53 -

было уделено изучению возможностей формирования с помощью
электронного луча пленок с управляемыми свойствами на основе
различных кремнийорганических соединений. Большой вклад в эти
исследования внесли сотрудники кафедры А.С.Овсяницкий и
Г.П.Нетишенская и аспиранты М.Саад Эльдин (Египет), В.П.Новожилов
и С.С.Еловиков, который с 1974 г. по настоящее время работает в
этой группе.
Для исследования свойств пленок привлекались как
традиционные электрофизические методы, так и современные
структурные методики, включая просвечивающую электронную
микроскопию. Были получены пленки с широким спектром свойств - от
прекрасных диэлектриков, не уступающих лучшим образцам
неорганических материалов, применяемых в тонкопленочных
конденсаторах, до резисторов с различными величинами удельного
сопротивления.
В 1975 году положено начало исследованиям электронно -
стимулированных процессов на поверхности, не связанных с
образованием полимерных пленок, в которых в дальнейшем приняли
участие аспиранты Г.Тюлиев (Болгария), В.В.Бурмистров,
Б.Г.Атабаев и Н.Н.Новикова. В этих работах был изучен целый ряд
явлений, происходящих на поверхности твердых тел при их
бомбардировке электронами низких энергий. Сюда следует отнести
изучение возможности локального осаждения пленок металла в
области взаимодействия электронов с подложкой, которое
закончилось получением опытных образцов пленок Ag, полностью
локализованных на следе электронного пучка. Это объясняется
созданием на поверхности радиационных дефектов, являющихся
дополнительными центрами конденсации. Оказалось, что такие
дефекты в некоторых случаях способствуют эпитаксиальному
выращиванию пленок различных металлов и полупроводников,
значительно снижая температуру эпитаксии.
Было также показано влияние электронов низких энергий на уже
сформированный осадок, например на коалесценцию в несплошных
металлических слоях. Электроны в ряде случаев приводили к
увеличению скорости миграционной коалесценции островков более чем
на порядок. Возможность управления свойствами растущей пленки
электронами позволила получить островковые пленки с заданными
размерами островков, что оказалось весьма ценным при исследовании

- 54 -

различных размерных эффектов. В частности, благодаря этому
удалось подробно изучить явление усиления генерации второй
гармоники при взаимодействии лазерного излучения с островками.
(Эти работы проводились совместно с кафедрой квантовой
радиофизики.)
В период с 1978 по 1994 гг был выполнен цикл работ,
связанных с изучением процессов образования дефектов на
поверхности оксидов и щелочно-галоидных кристаллов при
электронном облучении. В проведении исследований принимали
участие аспиранты Е.С.Шахурин, О.В.Раховская и Ю.В.Сушкова.
Установлено, что определяющую роль в этих процессах играет
электронно-стимулированная десорбция (ЭСД) атомов и ионов
различных компонентов, входящих в состав объектов.
С помощью методов электронной оже-спектроскопии и
масс-спектроскопии вторичных частиц явление ЭСД исследовано в
широком диапазоне температур, определено сечение процессов ЭСД.
Показано, что ЭСД может быть использована для практических
приложений, например, для получения тонких металлических слоев,
создания дозированных источников металла, в качестве методики
анализа поверхности.
Был создан спецкурс и учебное пособие С.С.Еловикова
"Электронная спектроскопия поверхности тонких пленок" (Изд.МГУ,
1992 г.), поставлена задача в спецпрактикуме кафедры. В течение
многих лет Г.В.Спивак, а затем Е.М.Дубинина и М.В.Гусева
подготовили и читали курс лекций по твердотельной электронике, на
основе которого М.Б.Гусевой и Е.М.Дубининой было написано учебное
пособие "Физические основы твердотельной электроники" (Изд.МГУ,
1986 г.), в которое вошли многие оригинальные идеи и результаты,
полученные сотрудниками кафедры в этой области.

XV. ИОННО-СТИМУЛИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Начало работы по этому направлению восходит к 60-ым годам,
когда была создана по тем временам рекордно высокопервеансная
электронная пушка и миниатюрный высоковакуумный ионный источник с
полым катодом, впоследствии с большим эффектом примененный для
первых масс-спектрометрических исследований малых проб лунного
грунта (Г.В.Спивак, Е.М.Дубинина, М.Б.Гусева). С использованием

- 55 -

созданных источников было начато под руководством М.Б.Гусевой
систематическое исследование закономерностей и выяснение
механизма ионной стимуляции процесса конденсации и роста пленок.
Была разработана первая теоретическая модель
ионно-стимулированного зарождения конденсата на поверхности,
базирующаюся на представлении об образовании под действием ионов
точечных дефектов - центров конденсации, на которых ликвидируется
барьер зародышеобразования, а также впервые обнаружена ионная
стимуляция поверхностной диффузии (В.Г.Бабаев).
Быковым Ю.В. исследовалась ионно стимулированная конденсация
на поверхности ионных кристаллов. Им впервые были установлены
уникальные зависимости эффекта ионной стимуляции от параметров
ионного облучения и описан эффект ионной стимуляции эпитаксии.
Была также установлена корреляция между ионно-стимулированной
эпитаксией и экзоэлектронной эмиссией с облученных ионами
кристаллов, открывавшая перспективу прогнозирования условий
эпитаксиального роста по экзоэмиссионным свойствам поверхности.
Детальное исследование природы этой корреляции показало
(А.И.Зубков), что явление термостимулированной экзоэлектронной
эмиссии (ТСЭЭ), сопровождающее релаксацию радиационно
возбужденных кристаллов, связано с выходом точечных дефектов на
поверхность и их агрегацией в комплексы, сопровождаемой
ионизацией. Таким образом было показано, что ТСЭЭ может служить
индикатором появления на поверхности комплексов точечных
дефектов. Комплексы, состоящие из дефектов одного типа являются
центрами ориентированного зарождения. Комплексы, включающие
дефекты разных типов препятствуют ориентированному росту. Был
выяснен смысл температуры эпитаксии, как обеспечивающей условия
нуклеации преимущественно на комплексах состоящих из дефектов
одного типа.
Важную роль в развитии исследований ионно стимулированных
процессов сыграло исследование влияния ионного облучения на
процессы формирования, структуру и свойства углеродных пленок
(Н.Н.Никифорова), которое показало, что в зависимости от энергии
ионного облучения (Е Ar+=0-200эВ) свойства аморфных углеродных
пленок, конденсируемых в условиях ионного облучения, резко
немонотонно изменяются с энергией ионов, в ряде случаев
зафиксировано изменение типа химической связи между атомами

- 56 -

углерода. В последующем было надежно установлено (Н.Ф.Савченоко),
что в селективных интервалах энергии ионного облучения имеет
место изменение ближнего порядка в расположении атомов углерода -
происходит ионная стимуляция фазовых превращений , приводящая к
изменениям свойств углеродных пленок.
Впервые проведен теоретический анализ механизма перестройки
структуры углеродных кластеров под действием медленных ионов.
учитывающий эффекты неупругого взаимодействия ионов с углеродным
конденсатом, приводящие к интенсивному возбуждению электронной
подсистемы пленки. Такой подход позволил объяснить немонотонный
характер энергетической зависисмости эффекта ионного воздействия
осциллирующей зависимостью от энергии сечения резонансной
перезарядки ионов на углеродных кластерах.
Цикл работ по ионной стимуляции процессов на поверхности
твердого тела составил основу докторской диссертации М.Б.Гусевой.
Большой проблемой в этой работе была идентификация ближнего
порядка и типа химической связи в аморфном углероде. Детально
исследована электронная структура аморфного углерода, а именно
плотность электронных состояний в валентной зоне, основные
особенности которой определяются только ближайшим расположением
атомов (Н.Ф.Савченко).
В.В.Хвостовым была применена новая методика обработки
Оже-спектров, развит метод деконволюции KW-Оже линий углерода для
определения плотности электронных состояний в валентной зоне a-C.
С применением этого метода, а также с помощью анализа спектра
характеристических потерь энергии электронов им была впервые
исследована электронная структура карбина - новой аллотропной
модификации углерода и доказана его линейно-цепочечная структура.
Эти работы положили начало новому циклу приоритетных
пионерских исследований, посвященных развитию методов синтеза и
исследованию свойств и структуры карбина. К настоящему времени
реализованы методы газоразрядной, лазерной и
ионно-стимулированной конденсации карбиновых пленок, предложены
способы управления структурой карбина с применением радиационных
методов, позволяющие получать различные модификации карбина.
Кречко Л.М. заложены основы колебательной спектроскопии
карбина, и исследована атомная структура карбина с применением
современных методов исследования и обработки экспериментальных

- 57 -

данных, что впервые позволило построить структурную модель
карбина, абсолютно адекватную картине электронной дифракции.
Впервые получены (1990 г.) монокристаллические пленки
карбина. Их исследование привело к окончательному утверждению
новой линейно-цепочечной формы углерода. В 1993 году Д.П.Ерчаком
впервые исследован ЭПР-спектр карбина, обнаружены солитоны и
спиновые волны в карбине.
Совместно с сотрудниками кафедры сверхвысоких давлений
химического факультета с 1992 года ведутся эксперименты по
интерполлированию карбина, имеющие целью осуществить на основе
карбина ВТСП. Ранее с использованием процесса ионной стимуляции
впервые были получены пленки ВТСП с помощью сораспыления 1-2-3
керамики и меди.
Развивая углеродную тематику в плане получения углеродных
пленок с широким спектром свойств и, в частности, алмазных
пленок, с 1992 года ведется исследование ультрадисперсного алмаза
(УДА), получаемого методом взрывного синтеза. Проведенные
Валиулловой З.Х. исследования атомной и электронной структуры УДА
позволили предложить метод получения ультрадисперсных алмазных
пленок с применением лазерного испарения. Рекордно высокая
плотность частиц в пленке определила перспективу их использования
как зародышевого подслоя для последующего наращивания алмаза
методом СVD. Это привело к существенному повышению качества
CVD-пленок, их оптических и механических свойств (В.Г.Бабаев,
З.Х.Валиуллова, А.Ю.Брегадзе).
Выявление определяющей роли неупругих ионно-атомных
процессов в ионной стимуляции фазовых превращений в углероде
положило начало проведению фундаментальных экспериментальных и
теоретических исследований процессов неупругого взаимодействия
медленных ионов (Е<1-2кэВ) с поверхностью (М.Б.Гусева,
В.Г.Бабаев, В.В.Хвостов, Б.М.Костишко, Р.Р.Убайдуллаев и др.).
Первые экспериментальные исследования рассеяния ионов Аr+ и N+ на
поверхности кристалла NaCl были выполнены в 1986 году. Затем были
исследованы закономерности резонансной перезарядки ионов Аr на
ионно-ковалентных кристаллах Al2O3 и MgO, широко используемых в
технологии. Построена теоретическая модель перезарядки,
учитывающая кинетику атомов поверхности в условиях упругого
ионно-атомного и атомно-атомного взаимодействий. Объяснены

- 58 -

особенности дефектообразования под действием ионов в
ионно-ковалентных кристаллах - роль релаксационных процессов и
размеры зоны неустойчивости смещенных атомов.
Впервые построена законченная модель ионно-стимулированного
роста пленок и эпитаксии на поверхности ионных кристаллов, дающая
объяснение основным закономерностям ионно-стимулированной
конденсации и эпитаксии. Модель исходит из определяющей роли
резонансной перезарядки в образовании центров зарождения и
эпитаксиального роста и радиационной "тряски" поверхности в
определении эффективности этих центров. Доказана роль комплексов
точечных дефектов одного типа как центров эпитаксиального
зарождения. Проведены модельные расчеты рассеяния ионов N+ на
поверхности ионного кристалла NaCl, содержащей различные типы
дефектов. Показана возможность решения обратной задачи -
качественной и количественной диагностики дефектной структуры
поверхности по энергетическим спектрам рассеянных ионов.
C 1988 года Шибаевым П.В. ведутся работы по формированию
ориентированных молекулярных пленок методами вакуумной
конденсации и ионной полимеризации в качестве альтернативы методу
Ленгмюра-Блоджетт, применяемого исключительно к узкому кругу
веществ - молекул с гидрофильными и гиброфобными группами.
Экспериментально изучены закономерности роста тонких
ориентированных пленок алкоксицианобифенилов и создана модель
роста ориентированных пленок, базирующаяся на анализе
межмолекулярных взаимодействий и взаимодействий
подложка-адсорбат, объясняющая основные экспериментальные
закономерности ориентированного роста. Развита новая методика
количественного анализа ИК-спектров НПВО, учитывающая эффекты
локального поля. Методика позволяет оценивать распределение
молекул по ориентациям. Изучены закономерности формирования и
роста пленок жидких кристаллов на ЩПК, Ge, Si.
Совместно с лабораторией химических превращений полимеров
химического факультета (проф.В.П.Шибаев) круг этих исследований
был расширен и в настоящее время касается различных вопросов
синтеза и изучения структуры оптически активных
жидкокристаллических полимеров, с различными типами хиральности.
Эти исследования послужили основой научного сотрудничества между
Московским и Копенгагенским университетами (А.Ф.Александров,

- 59 -

В.П.Шибаев, П.В.Шибаев и др.).

XVI.НАУЧНО-УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР СУБМИКРОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ДИАГНОСТИКИ
МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Научно-учебный центр субмикронной технологии и диагностики
материалов электронной техники был создан в 1988 г. на базе
кафедры физической электроники физического факультета МГУ и
Института Проблем технологии микроэлектроники и особо чистых
материалов РАН. Вслед за этим в число членов НУЦ вошли
Научно-исследовательский вычислительный центр (НИВЦ) МГУ и
Физико-технологический институт РАН (ФТИАН).
Центр является организационной формой объединения усилий МГУ
им.М.В.Ломоносова и Научного центра РАН по фундаментальным
проблемам вычислительной техники и системам управления в
проведении исследований и подготовке специалистов в области
субмикронной технологии и диагностики материалов электронной
техники.
В рамках этой программы была создана совместная лаборатория
по диагностической микроскопии и микротомографии изделий
микроэлектроники (Э.И.Рау, А.В.Гостев, С.К.Лихарев, К.К.Фролов и
др.). В лаборатории, укомплектованной сотрудниками ИПТМ и МГУ,
где широким фронтом ведутся научно-исследовательские работы по
физическим методам локальной диагностики элементов электронной
техники и по физике их отказов.
В лаборатории, оснащенной двумя растровыми электронными
микроскопами были разработаны и построены новые тестовые приборы
оригинальной конструкции - рентгеновский микротомограф, лазерный
сканирующий комплекс, сканирующий мультизонд. К растровым
электронным микроскопам был разработан ряд специализированных
детекторов, спектрометров и других устройств диагностики
полупроводниковых структур, которые защищены авторскими
свидетельствами и получили международное признание.
В лаборатории были впервые разработаны и применены методы
бесконтактного неразрушающего контроля - компьютерной и
аппаратурной микротомографии в различных видах зондирующего
излучения (корпускулярного, в частности электронного,
оптического, в том числе инфракрасного и рентгеновского).
Сотрудники лаборатории проводят теоретические и

- 60 -

экспериментальные исследования в области разработки физических
основ и новых методов диагностики материалов и приборов
микроэлектроники, разрабатывают и создают дополнительные
устройства к растровым электронным микроскопам, методы
моделирования при контроле и диагностике структур
микроэлектроники во всей технологической цепи их производства. По
результатам этой группы работ защищена докторская диссертация
Э.И.Рау.
Важным направлением деятельности Центра является изучение
физических и химических закономерностей, лежащих в основе
процессов сухого (плазменного) травления - наиболее
перспективного метода в технологии изготовления СБИС. В этом
методе используются газовые разряды низкого давления широкого
диапазона частот во фтор, хлор и бромсодержащих газах.
В лаборатории, расположенной в здании ВЦ МГУ, развиваются
экспериментальные методы диагностики такой плазмы. В их числе -
спектроскопия, зондовая диагностика электроотрицательной плазмы,
масс-спектрометрический метод. Как правило, применяемые
экспериментальные методики используют ПЭВМ для управления
экспериментом и обработки его результатов.
Несмотря на сравнительно короткий срок, получен ряд новых и
важных результатов (А.А.Орликовский, А.П.Ершов, А.В.Калинин,
К.В.Руденко и аспиранты). Проведен большой обьем
экспериментальных и теоретических работ по выяснению особенностей
зондовой диагностики в плазме электроотрицательных газов и
определению факторов, учет которых необходим для корректной
обработки ВАХ зонда. В частности, методом Монте-Карло проведено
прямое численное моделирование электронного тока на сферический
зонд в условиях, характерных для плазмохимических реакторов
диодного типа.
Выработанная методика позволила впервые измерить параметры
плазмы, включая вид функции рапределения электронов по энергиям,
такого сильно отрицательного газа, как CF 43 0Br, где концентрация
отрицательных ионов более чем на два порядка превышает
концентрацию электронов. Измерены параметры плазмы C 42 0F 46 0 и их
эволюция в процессе травления двуокиси кремния на кремнии. Для
определения важного для технологии момента окончания травления
впервые в этих условия применен метод зондов.

- 61 -

В 1992 г. в рамках НУЦ создана группа процессов осаждения
тонких пленок (А.Г.Васильев, М.А.Кононов, И.С.Соколова,
А.В.Кобзев) оснащенная уникальным технологическим и
диагностическим оборудованием для изучения процессов формирования
тонких пленок и исследования их свойств, в частности, установка
магнетронного сороспыления SCM-850 Alcatel, установка
молекулярно-лучевой эпитаксии с эллипсометрическим контролем "in
situ" UMS-500P Balzers, установка исследования тонких пленок
методами вторичной ионной масс-спектроскопии и спектроскопии
фотонов при ионном возбуждении IEU-100 Balzers и др. Основные
направления работы связаны с исследованиями процессов
формирования тонких металлических, сверхпроводниковых и
полупроводниковых слоев для субмикронной технологии
микроэлектроники. Разрабатываются новые низкотемпературные
технологические процессы роста силицидов тугоплавких металлов для
высоконадежной металлизации УБИС, процессы формирования
низкоомных нитридных пленок для барьерных слоев и локальных
межсоединений УБИС, процессы молекулярной эпитаксии
германий-кремниевых гетероструктур для сверхскоростных биполярных
транзисторов, процессы магнитронного распыления многокомпонентных
мишеней, перспективные низкотемпературные технологии формирования
тонких пленок на основе ионно-, лазено- и плазменно-
стимулированных процессов.
За последние годы получены новые экспериментальные
результаты при исследованиях фазообразования двухкомпонентных
соединений в МПЭ-подобных процессах. Показана возможность
низкотемературного фазообразования в тонких пленках при
квазипослойном росте из молекулярных пучков. Определено влияние
примесей на процессы низкотемпературного роста. Разработаны
модели роста пленок и формирования границ раздела пленка-подложка
в системах металл-Si. Разработана новая самосовмещенная
технология формирования контактных слоев к супермелкозалегаущим
р-п переходам для кремниевых ИС, технология конформного осаждения
нитридных пленок, технология формирования термостабильных
многослойных металлических систем.
Исследованы процессы формирования гомогенных монофазных
Ge 4x 0Si 41-x 0 гетероструктур при осаждении Ge/Si слоев из молекулярных
пучков в сверхвысоком вакууме. Разработана модель, объясняющая

- 62 -

процессы низкотемпературного интерфейсного взаимодействия Ge/Si
слоев в сверхрешетках переменной толщины, сформированных методом
молекулярно-лучевой эпитаксии. Обнаружена и исследована новая
сверхструктура в пленках Ge 40.3 0Si 40.7 0/Si(111).
В рамках НУЦ был создан и прочитан ряд новых спецкурсов и
поставлены задачи в спецпрактикуме твердотельной электроники.

































- 63 -