«Сразу было понятно, что это серьезное достижение — гиромагнитный генератор»

"Наука" начинает серию интервью с лауреатами Премии президента в области науки и инноваций для молодых ученых за 2016 год. ИЛЬЯ РОМАНЧЕНКО, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, награжден президентской премией за разработку гиромагнитных генераторов сверхмощных радиоимпульсов, способствующих защите от террористических угроз и развитию биомедицинских технологий.

Илья Романченко Мне 33 года. Родился, вырос и сейчас живу в Томске. Учился в Томском государственном университете на физическом факультете, окончил в 2006 году

К науке интерес у меня сформировался еще в школьное время. В средней школе, классе в пятом-шестом я заметил, что мне хорошо давалась математика. Я постоянно решал какие-то задачи, участвовал в олимпиадах, занимал там даже первые места. Но при поступлении решил, что физика все-таки интереснее, потому что она относится непосредственно к объективному миру, который можно потрогать, измерить, изучить детально. Кроме того, в те годы при моем школьном учебном учреждении открылась вечерняя физматшкола, где преподавали профессора из Томского университета. Увлеченные ученые читали школьникам лекции, вели занятия на хорошем уровне. Я был очень заинтересован, и тогда начало складываться представление о том, чем я буду заниматься.

"Сначала я ловил молнию"

Первое, чем я начал заниматься, это исследованием высоковольтного пробоя. Мои друзья в шутку говорили, что я "ловил молнию". Это было традиционным направлением для нашего института, Института сильноточной электроники. Процесс выглядит так: формируется искра вследствие электрического заряда — явление, близкое к тому, что действительно происходит во время разряда молнии. В ходе исследования обнаруживались всякого рода любопытные вещи, да и вообще — это было очень красиво, все светится, переливается. Но ничем эти исследования не завершились. Поэтому я занялся другими исследованиями, которые потом перетекли в то, за что я получил премию.

"А потом занялся генерацией мощных СВЧ-излучений"

Я начал работать в нашем институте в отделе физической электроники, который занимается генерацией мощных СВЧ-излучений — 10 гигагерц и выше частота. И, соответственно, мощность там достигает единиц гигаватт. Это направление очень сильное для нашей российской научной школы. И там решалась такая задача: чтобы сформировать это излучение, нужно сформировать мощный пучок электронов. А для этого нужно приложить на катод импульс высокого напряжения для ускорения электронов. Приложить очень быстро. Время нарастания напряжения должно было составлять меньше наносекунды — меньше, чем за одну миллиардную секунды напряжение должно было нарасти до сотен киловольт. Это колоссальная скорость, при этом создаются хорошие условия для формирования электронного пучка.

Такая скорость может достигаться при помощи обострения, формирования ударной электромагнитной волны. Для этого нужны передающие линии, заполненные ферритом — это как раз одно из решений, которым я и занялся. Оказывается, если высоковольтный импульс представляет собой электромагнитную волну, то есть это бегущий импульс, то когда он "пробегает" по линии, заполненной ферритом, он "бежит" с ударным фронтом, то есть формируется ударная волна, напряжение нарастает с колоссальной скоростью. Применение линий с ферритом уже было известно, и мы начали проводить эксперименты, чтобы адаптировать такое решение для наших задач. Это было довольно успешным занятием, прикладной задачей.

"Мы получили гиромагнитный генератор"

Но затем, изучив литературу, я обнаружил, что наши коллеги в Англии проводили исследования интереснее. Они не просто пропускали высоковольтный импульс через линию с ферритом, а еще и намагничивали эту линию — помещали ее в соленоид. Они получали в несколько раз более короткий фронт, то есть более быстрое нарастание напряжения. Я предложил провести такой же эксперимент у нас — сделать соленоид и поместить в него линию, которую мы исследовали. Мы сразу получили время нарастания напряжения не одну наносекунду, а уже половину наносекунды. Самое любопытное, что, помимо формирования ударного фронта, за ним мы заметили высокочастотные колебания с частотой порядка одного гигагерца. Сразу стало понятно, что нужно провести более глубокие исследования и найти условия, при которых можно эти колебания нарастить. Это позволит создать новые приборы, генерирующие на этой частоте.

Мы занялись этим поиском, прежде всего экспериментально. Пробовали различные конфигурации, пока одна из них действительно не оказалась эффективной. В итоге колебания существенно возросли. Мы поняли, что там происходит нарастание мощности этих колебаний вместе с длиной ферритовой линии, провели соответствующий эксперимент и получили приличный уровень колебаний — то есть получили мощный радиочастотный импульс. Радиочастотный импульс такой мощности обычно создается при помощи электронного пучка в электронных лампах. Там есть различные ограничения, в том числе и рентгеновское излучение. Мы же нашли способ, как формировать высокочастотные колебания без электронного пучка — при помощи линии с ферритом. Сразу было понятно, что это серьезное достижение — гиромагнитный генератор.

Гиромагнитный генератор так называется потому, что использует явление гиромагнитной прецессии. То есть существует гиромагнитный резонанс. Есть, например, магнитный резонанс ядерный, который используется при МРТ — когда соответствующие колебания на частоте в сотни мегагерц используются для распознавания различных тканей. Здесь же у нас не ядерный, а электронный резонанс — электронные оболочки магнитных элементов при перемагничивании начинают прецессировать. Что это значит: когда есть магнитный материал феррит, его достаточно легко намагнитить. Мы его намагничиваем с помощью соленоида, а затем прикладываем быстрый перепад напряжения, который создает быстрый перепад магнитного поля. Получается, что мы за доли наносекунды изменяем направление магнитного поля. В результате магнитный момент феррита начинает вращаться — это свойство вообще всех магнитных материалов называется гиромагнитной прецессией. И если перемагничивание делать очень быстрым, то амплитуда, угол, на котором раскручиваются эти колебания, достаточно большая. Да, конечно, эти колебания очень быстро затухают. Но в течение определенного времени колебания представляют собой излучатели. В нашей линии они и формируют излучение.

Применение для борьбы с террористическими угрозами

Применением мы только начинаем заниматься. Существует определенное понимание применения в области борьбы с террористическими угрозами, а также сделаны первые несколько шагов, когда речь идет о биомедицинских технологиях.

Традиционное направление для мощного электромагнитного излучения — воздействие на функционирующую электронику, в том числе полупроводниковую. Под действием электромагнитного излучения происходит сбой в работе полупроводниковых элементов. Обычно они работают на единицах вольт, а при воздействии на них может попадать напряжение в сотни вольт. Соответственно, на какое-то время в устройстве происходит сбой. И если это функционирующее устройство, например, средство связи или передатчик, то в течение этого воздействия оно перестает функционировать. То есть определенный промежуток времени пользоваться устройством нельзя: оно будет требовать либо перезагрузку, либо переключение.

Существует такое направление, и по параметрам мы близки, чтобы применять наше устройство в этой области. Еще в СССР занимались подобными разработками: пытались сделать мощные источники, которые с определенного расстояния могли бы не просто ограничить функционирование устройства, а вывести его из строя. Это так и не удалось. Мы же теоретически можем применять генераторы для временных дисфункций, изменения в устройстве будут обратимыми. То есть после банальной перезагрузки компьютер, на который мы пытались воздействовать, снова придет в норму. Но для определенных задач и этого достаточно. Например, электронные компоненты, которые представляют угрозу, могут быть на некоторое время обезврежены.

Гиромагнитный генератор отличается от существующих аналогов, глушилок, например. У него более импульсное воздействие. Если сравнивать с существующими решениями, с теми же глушилками, результат будет, во-первых, достигаться за более короткое время. Во-вторых, устройство, находящее под воздействием, будет не просто ограничено в своих функциях, но оно полностью остановит работу на какой-то промежуток времени.

Существует определенное понимание применения гиромагнитного генератора в области борьбы с террористическими угрозами, а также сделаны первые несколько шагов, когда речь идет о биомедицинских технологиях

Биомедицинские применения

Наши исследования потенциально могут быть использованы для борьбы с раком. Но мы только в самом начале, мы не решили проблему, а пока только на пути ее решения. Мы можем воздействовать на клетки и на субклеточные структуры с помощью мощных коротких электромагнитных полей. Короткая длительность импульсов (единицы наносекунд) соответствуют тому, что средняя мощность не такая большая. Средняя мощность — мощность, усредненная за серию импульсов (источники формируют не один импульс, а целую серию). И эти серии могут излучаться с различной частотой, например, 100 импульсов в секунду. Известно, что биологическое воздействие наиболее эффективно в диапазоне 10-20 импульсов в секунду. За серию мощность воздействия на биологический объект не очень большая (ватты или доли ватт), никакого нагрева там не происходит. Но это импульсное воздействие за счет электрических полей имеет другой характер, не тепловой.

К электрическим полям чувствительны прежде всего мембраны клеток, поскольку на них существуют собственные электрические поля. Поля на мембранах и около них обеспечивают метаболизм клетки. То есть все, что проходит через различные каналы в клетке, поры, связано с приложенным потенциалом — электрическими полями. Поэтому мы воздействуем прежде всего на мембрану. Происходит стимуляция проницаемости мембран. То есть под действием приложенных полей проницаемость повышается — либо формируется большее количество пор, либо создаются условия для их открывания. Через эти сформировавшиеся поры начинает что-то проходить: либо из клетки что-то выходит, либо в нее что-то можно ввести. К этому нас привели эксперименты, которыми мы второй год занимаемся вместе с биологами.

Такие высоковольтные сигналы с высокими интенсивностями электрических полей, как уже давно известно, представляют интерес для воздействия на раковые клетки. Этим много кто в мире сейчас занимается. Задача формулируется таким образом: за счет интенсивного электрического поля обеспечить электропорацию мембран. Для чего. Первым вариантом была идея о том, что таким образом (при помощи открытия огромного количества пор) можно непосредственно привести к гибели раковых клеток. Сейчас ориентируются уже на другое направление, когда под действием электрических полей поры открываются, а потом закрываются — за это время через поры можно ввести в клетку антибиотик. Подобные вещи уже используются для лечения рака кожи в Европе: два электрода прикладываются к опухоли на коже, происходит воздействие, затем вводится антибиотик. Таким образом существенно повышается доля проникновения в клетку антибиотика, которая обычно ничтожно мала.

Мы же ищем, как обеспечить соответствующие условия при воздействии высокочастотных полей, которые позволят воздействовать глубже на опухоль, находящуюся не на поверхности, а внутри человека. Сейчас это большая проблема. Электроды, как на примере рака кожи, невозможно приложить изнутри. А высокочастотное излучение способно проникнуть внутрь. Следовательно, можно без электродов электрическое поле доставить внутрь клетки. Мы очень большой группой пытаемся найти способы, как это сделать, вплотную работаем с онкологами. То есть мы, я думаю, в состоянии решить эту проблему. Но сейчас мы только в начале пути, и завершить благополучно эти исследования — это не просто наша цель, а даже мечта.

Сейчас мы только в начале пути, и завершить благополучно исследования — это не просто наша цель, а даже мечта

Подготовила Анастасия Павелко