На производстве мощные магнетроны на алюминиевых электродах самопроизвольно генерировали высокочастотные колебания, которые буквально сжигали дорогостоящую электронику. Физики предложили не подавлять этот эффект, а использовать его — как основу плазменного двигателя и генератора сверхмощных импульсов. Ключевой элемент — оксидная плёнка толщиной около 50 нанометров на электроде.
Как сообщили в пресс-службе НИЯУ МИФИ, разработка основана на вторично-эмиссионных неустойчивостях — одном из побочных эффектов в плазменных установках. Обычно с ним борются, поскольку он приводит к срывам плазмы и выходу из строя блоков питания.
Что происходило на производстве
В любой плазменной установке — от промышленных магнетронов до экспериментальных термоядерных реакторов и ионных двигателей — на границе между плазмой и стенкой камеры происходит обмен зарядами. Если электрод обладает высокой вторичной эмиссией, этот процесс может становиться неустойчивым. Возникают колебания тока и напряжения, которые традиционно считаются опасными.
Недавно к физикам обратились коллеги с производства. В их мощных магнетронах на алюминиевых электродах самопроизвольно возникали высокочастотные колебания, которые сжигали дорогостоящую электронику.
«До сих пор в промышленности нет понимания теории этого процесса. Явление слабо изучено, поэтому для нас, как физиков, открывается огромный простор для творчества. Мы превращаем то, что ломало оборудование, в инструменты для создания тяги и сверхмощных импульсов», — сказал старший научный сотрудник кафедры физики плазмы Иван Сорокин.
Как хаос превратили в инструмент
При грамотном контроле параметров разряд с высокоэмиссионным электродом представляет собой электрический элемент с особой вольт-амперной характеристикой — с областью отрицательного дифференциального сопротивления. Это позволяет превратить систему в генератор или широкополосный усилитель.
«Мы пытаемся не избавиться от этих эффектов, а использовать их. В предлагаемой нами системе высокочастотные колебания формируются за счёт самой плазмы и плазменно-поверхностного взаимодействия внутри камеры двигателя — без внешних генераторов, фидерных линий и согласующих устройств», — пояснил заведующий кафедрой физики плазмы Юрий Гаспарян.
Почему работает плёнка в 50 нанометров
Секрет технологии — в тончайшем слое на поверхности электрода. Учёные используют металлы, например алюминий, на которых формируется оксидная плёнка толщиной около 50 нанометров.
«Эта плёнка в совокупности с плазмой работает как широкополосный усилитель. В ней возникает электрическое поле, которое позволяет электронам из металла туннелировать. Часть электронов оседает на поверхности для перезарядки, а большая часть уходит в вакуум», — пояснил Сорокин.
Коэффициент вторичной эмиссии в такой системе возрастает в десятки и сотни раз. Этот слой, тоньше человеческого волоса в тысячи раз, определяет свойства мощного разряда, раскачивая колебания до гигагерцового диапазона или амплитудами до сотен киловольт.
Что это даёт двигателю
Первое применение — плазменные ракетные двигатели. Самые энергоэффективные современные образцы требуют внешних систем накачки высокочастотной мощности — геликонных антенн. Отсутствие такой антенны упрощает и облегчает конструкцию, позволяет использовать водоохлаждаемые металлические стенки разрядной камеры и кратно увеличивать мощность.
«При использовании в космосе очень важно, что у конструкции резко сокращаются габариты и вес. Количество устройств уменьшается, и можно использовать исключительно простые бортовые схемы постоянного тока», — отметил Сорокин.
Двигатель способен эффективно работать на водороде с примесями кислорода и, что самое важное, на парах воды. «Для космоса вода идеальна: она компактна, не требует тяжёлых газовых баллонов или сложных систем хранения, как водород. Если мы летим на планеты, где есть вода, то сможем заправляться на месте», — сказал Гаспарян.
Сейчас в МИФИ собран макет установки мощностью до 10 киловатт. Физики подбирают оптимальные режимы и исследуют работу на различных газах.
Где ещё пригодится
Вторая ветвь — генерация высоковольтных импульсов. Устройство с внешним питанием в сотни вольт способно на выходе выдавать частотно-модулированные импульсы размахом в сотни киловольт. Это открывает перспективы в ионной имплантации для создания новых материалов, в управляемой рентгенографии с гибкой регулировкой энергии и частоты излучения, а также в генерации нейтронов.
Коротко: главное
-
Что сжигало электронику на производстве? — Высокочастотные колебания в магнетронах.
-
Что предложили физики? — Использовать эффект, а не подавлять.
-
Какая толщина плёнки? — Около 50 нанометров.
-
На чём сможет работать двигатель? — На парах воды.
-
Какая мощность макета? — До 10 киловатт.
Резюме
-
На производстве высокочастотные колебания в магнетронах сжигали электронику.
-
Физики предложили использовать этот эффект как основу плазменного двигателя и генератора импульсов.
-
Ключевой элемент — оксидная плёнка толщиной около 50 нанометров.
-
Двигатель сможет работать на парах воды и не требует внешних генераторов.
-
Собран макет мощностью до 10 киловатт.
Материал подготовлен изданием «Техносуверен» (technosuveren.ru).
Дата публикации: 20 октября 2026 года.
