Краткий очерк научной деятельности академика Г.А. Месяца

Академик Геннадий Андреевич Месяц — выдающийся ученый-физик, вице-президент Российской академии наук, директор Физического института им. П.Н. Лебедева, является основателем новых научных направлений: импульсной энергетики большой мощности, импульсной электрофизики и сильноточной электроники. Им и его учениками заложены физические основы этих направлений, а также разработали целый ряд уникальных электрофизических установок с мощностью 10⁶—10¹² Вт, напряжением 10³—10⁷ В, током  10³—10⁷ А, длительностью импульсов 10^-10—10^-5 с, частотой повторения до 10⁴ Гц. Благодаря работам академика Г.А. Месяца запасаемая энергия и импульсная мощность высоковольтных генераторов были увеличены на несколько порядков, что привело к революционным изменениям в технике ускорителей электронов и ионов, лазерной технике, СВЧ-электронике, технике генерации мощного рентгеновского излучения, радиолокации и других областях.

Началом научной деятельности академика Г.А. Месяца можно считать 1957 год, когда перед ним, еще студентом Томского политехнического института (ТПИ), была поставлена задача создать высоковольтный импульсный генератор с наносекундным фронтом нарастания напряжения. Такой генератор был необходим для исследования процессов развития электрического разряда в твердых диэлектриках. В то время уже было понятно, что генераторы с напряжением в десятки киловольт при наносекундной длительности фронта импульса можно создавать на основе искровых разрядников со сжатым газом. Но в целом задача представлялась довольно сложной. Достаточно сказать, что в то время еще не было даже широкополосных осциллографов для регистрации электрических сигналов с такой малой длительностью фронта. Не было и устройств для передачи высоковольтных наносекундных импульсов. Работа, по сути, была пионерской, начиная с решения вопросов создания самого генератора и кончая разработкой методов регистрации импульсных сигналов.

Для изучения проводившихся в то время в СССР работ в области высоковольтной импульсной техники Г.А. Месяц в январе 1958 г. был командирован в Москву в Энергетический институт (ЭНИН), во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ), в Московский энергетический институт (МЭИ), а также в Ленинград в Политехнический и Электротехнический институты, где находились лучшие в стране высоковольтные лаборатории. В этих организациях непосредственно высоковольтной наносекундной техникой никто не занимался. Однако некоторые результаты в этой области уже были получены. Так, профессор И.С. Стекольников (ЭНИН), один из пионеров исследования быстропротекающих процессов в электрических разрядах в газе, много сил отдавший исследованию природы молнии и моделированию грозовых разрядов, создал первые в СССР широкополосные скоростные осциллографы, которые могли регистрировать импульсы с длительностью фронта 10^–8 с.

Немецкий ученый профессор Ф. Ланге, работавший в то время в МЭИ, познакомил Г.А. Месяца с довоенными работами ученых Германии по получению высоковольтных коротких импульсов с использованием в качестве коммутатора искрового разрядника. Изучение этих работ позволило Г.А. Месяцу в короткий срок сформулировать основные принципы теории генерирования импульсов с наносекундным фронтом. При этом для описания процесса коммутации тока в разряднике использовалась модель искрового канала, предложенная Ромпе и Вайцелем.

Вернувшись из командировки, Г.А. Месяц начал активно работать по созданию генератора импульсов и скоростного осциллографа. Задача была решена успешно и уже в июне 1958 г. в своей дипломной работе Г.А. Месяц продемонстрировал данные по получению импульсов напряжения до 30 кВ при длительности фронта ~1нс.

Тема дипломной работы, по существу, определила дальнейшую научную деятельность Г.А. Месяца, которая в современной терминологии характеризуется как высоковольтная импульсная энергетика больших мощностей.

После окончания института Г.А. Месяц поступил в аспирантуру и продолжил свои исследования в НИИ ядерной физики, организованном при ТПИ в 1957 г. Первая научная работа Г.А. Месяца была доложена на Всесоюзной конференции по газовой электронике, которая проходила в МГУ осенью 1958 г. Эта работа была опубликована в журнале «Радиотехника и электроника» в 1959 г. Обзор своих первых результатов по методам генерирования высоковольтных наносекундных импульсов Г.А. Месяц опубликовал в коллективной монографии «Высоковольтное испытательное оборудование и измерения» (Энергоиздат, 1960 г.) под редакцией профессора А.А. Воробьева.

В 1961 г. Г.А. Месяц защитил кандидатскую диссертацию на тему «Разработка и исследование высоковольтных наносекундных импульсных устройств с искровыми разрядниками». В ней были представлены результаты, оказавшие большое влияние на дальнейшее развитие импульсной энергетики больших мощностей. Были установлены обратно пропорциональная зависимость длительности фронта импульса от давления газа в области правой ветви кривой Пашена, уменьшение времени коммутации с ростом напряженности поля в промежутке, уменьшение времени коммутации в области, близкой к минимуму кривой Пашена при атмосферном давлении газа (в случае так называемого пробоя микропромежутков). Кроме того, была показана возможность получения наносекундного фронта импульсов при использовании разрядников с твердыми и жидкими диэлектриками.

Были разработаны методы регистрации напряжения и тока для высоковольтных наносекундных импульсов. Наконец, и это самое важное, были созданы первые действующие образцы высоковольтных наносекундных импульсных генераторов для физических исследований, которые были использованы для изучения пробоя диэлектриков, высокоскоростной фоторегистрации, управления ячейкой Керра, питания импульсных лазеров. Эти генераторы демонстрировались на ВДНХ и международных выставках, где получили золотые и серебряные медали. Они применялись в лабораториях ФИАН СССР, МГУ, ИРЭ АН СССР, ТПИ, ИЯФ СО АН СССР и др.

В 1962 г. Г.А. Месяц становится старшим научным сотрудником НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте. Он активно работает над усовершенствованием высоковольтных наносекундных импульсных устройств, а также использует эти устройства для исследования вакуумного разряда, разряда в жидкостях и газах, для задач квантовой электроники, для создания искровых камер и в других областях. В частности, при исследовании импульсного пробоя жидкости в 1962 г. было показано, что при длительности импульсов 10^–8 с электрическая прочность дистиллированной воды соизмерима с электрической прочностью трансформаторного масла. То обстоятельство, что диэлектрическая проницаемость воды почти в 40 раз выше, чем трансформаторного масла, дало возможность в дальнейшем использовать водяные накопители энергии для создания наносекундных импульсных генераторов с током до 10⁷ А. Для создания таких генераторов Г.А. Месяц предложил использовать импульсную зарядку отрезка длинной линии с последующим его разрядом через быстродействующий коммутатор на нагрузку. Эта идея была защищена авторским свидетельством от 19.07.62 г. Сейчас такая схема используется во всем мире для генерирования мощных наносекундных импульсов.

В этот период вокруг Г.А. Месяца сформировалась группа аспирантов, инженеров и студентов, выпускников различных кафедр ТПИ (Б.М. Ковальчук, С.П. Бугаев, Ю.П. Усов, Ю.И. Бычков, В.В. Кремнев, Д.И. Проскуровский, Ф.Я. Загулов и др.), которая впоследствии явилась ядром сектора высоковольтной наносекундной импульсной техники, а затем лаборатории электроники в НИИЯФ при ТПИ. В 1963 г. группой Г.А. Месяца были разработаны и созданы первые в СССР системы для модуляции добротности рубиновых лазеров, основанные на генераторах высоковольтных наносекундных импульсов. Данные исследования проводились в тесном сотрудничестве с ФИАН СССР (А. М. Прохоров, Н. Г. Басов), МГУ (Р. В. Хохлов), ИРЭ АН СССР (Н. Д. Девятков), Институтом физики АН АрмССР (А. И. Алиханов) и другими организациями.

В эти же годы под руководством Г.А. Месяца были созданы первые вакуумные обострители с разрядом по поверхности диэлектрика в вакууме, которые позволили получать фронт импульса ~ 10^–10 с. Были также созданы многозазорные коммутаторы и обострители с микропромежутками, разработаны методы трансформации и умножения напряжения наносекундных импульсов большой мощности.

Благодаря работам Г.А. Месяца и его сотрудников техника генерирования мощных наносекундных импульсов сформировалась как самостоятельное научное направление. Эти работы были обобщены Г.А. Месяцем (совместно с Г.А. Воробьевым) в монографии «Техника формирования высоковольтных наносекундных импульсов» (Атомиздат, 1963 г.), а затем в докторской диссертации «Исследования по генерированию наносекундных импульсов большой мощности», которая была защищена в 1966 г.

В последующем Г.А. Месяц постоянно возвращался к проблемам наносекундной импульсной техники. Этой проблеме были посвящены монографии «Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения» (совместно с А.С. Насибовым и В. В. Кремневым, 1970 г.), «Генерирование мощных наносекундных импульсов» (1974 г.) и «Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике» (совместно с В. В. Кремневым, 1987 г.). Эти книги были переведены и изданы на английском, японском и китайском языках.

Необходимо отметить, что в докторской диссертации Г.А. Месяца кроме технических и электротехнических исследований впервые были описаны два новых физических явления, которые впоследствии составили основу новых самостоятельных научных направлений. Эти явления удалось обнаружить благодаря использованию уникальной для того времени электронно-оптической аппаратуры для регистрации сверхслабых световых процессов, обладавшей высоким временным и пространственным разрешением.

Первое явление было обнаружено при исследовании импульсного разряда в вакууме, второе — при исследовании импульсного газового разряда. Вопреки, казалось бы, установленному факту, заключающемуся в том, что вакуумный разряд начинается с анода, было обнаружено, что через несколько наносекунд после приложения высоковольтного импульса к межэлектродному промежутку на катоде появляются слабо светящиеся локальные участки, при этом одновременно начинается резкий рост тока в вакуумном промежутке. Это свидетельствовало о том, что вакуумный пробой инициируется процессами, происходящими на катоде. Кроме того, Г.А. Месяц установил, что время коммутации вакуумного промежутка растет линейно с длиной промежутка, а отношение длины промежутка ко времени коммутации составляет величину ~ 10⁶  см/с. Этот результат доказывал, что в процессе коммутации в вакуумном промежутке происходит движение плазмы. Электронно-оптические исследования подтвердили, что коммутация в вакуумных условиях — это движение катодной плазмы.

В своей работе Г.А. Месяц установил, что свечение на катоде обусловлено появлением сгустков плотной катодной плазмы, которая образуется в результате взрывов катодных микроострий за счет джоулева разогрева автоэмиссионным током большой плотности. При этом эмиссионный ток при микровзрывах в сотни раз и более превосходит автоэмиссионный ток, инициирующий эти микровзрывы. Явление испускания электронов с катода при взрывном фазовом переходе материала катода в плотную плазму Г.А. Месяц назвал взрывной электронной эмиссией (ВЭЭ). Г.А. Месяц также установил, что явление взрывной электронной эмиссии наблюдается не только в чисто вакуумном разряде, но и при разряде по поверхности диэлектрика в вакууме. Им было показано, что в тройной точке металл—диэлектрик—вакуум происходит усиление электрического поля, также приводящее к микровзрывам на поверхности катода и возбуждению интенсивной взрывной электронной эмиссии. Особенность взрывной электронной эмиссии состоит в том, что она относительно легко обеспечивает извлечение из сгустков катодной плазмы электронных токов, на многие порядки превышающих эмиссионные токи, обеспечиваемые другими видами электронной эмиссии. В 1976 г. явление взрывной электронной эмиссии было признано научным открытием с приоритетом от 1966 г. Это открытие положило начало новому направлению в науке — сильноточной электронике.

В 1967 г. в НИИЯФ группой Г.А. Месяца на базе генератора наносекундных импульсов и вакуумного диода с взрывоэмиссионным катодом был создан первый в СССР сильноточный импульсный ускоритель электронов. В отличие от американских ускорителей, в которых в качестве зарядного устройства формирующей линии использовались генератор Ван де Граафа или генератор Маркса, в первом советском ускорителе была применена импульсная трансформаторная зарядка формирующей линии, а электронный пучок формировался в вакуумном диоде с сегнетоэлектрическим плазменным катодом. Советский ускоритель позволял работать в импульсно-периодическом режиме, тогда как первые американские сильноточные импульсные ускорители работали только в режиме одиночных импульсов.

Основополагающие результаты были также получены в докторской диссертации Г.А. Месяца по пробою газов под действием импульсов с наносекундым фронтом нарастания напряжения. При высокой крутизне фронта импульса напряжения можно осуществлять пробой в режиме большого перенапряжения, т.е. в условиях, когда разряд формируется при электрическом поле, существенно превышающем поле статического пробоя. В соответствии с существовавшими в то время представлениями, разряд при высоких перенапряжениях должен развиваться по стримерному механизму, так что в сильноточной стадии в промежутке должен формироваться высокопроводящий искровой канал. Именно такая интерпретация измеренных времен запаздывания пробоя была предложена в классической работе Флетчера, где был представлен обширный набор результатов измерений для очень широкого диапазона внешних условий.

После тщательного анализа результатов Флетчера и проведения специальных экспериментов Г.А. Месяц продемонстрировал, что характер развития пробоя сильно перенапряженных промежутков существенным образом определяется количеством начальных электронов, которые инициируют пробой, и способом инициирования электронов. Была высказана гипотеза о существовании в перенапряженных газовых промежутках двух типов разрядов — с одноэлектронным и многоэлектронным инициированием.

Оказалось, что в случае одноэлектронного инициирования разряд действительно развивается в соответствии со стримерным механизмом, хотя и имеются некоторые особенности, обусловленные высоким перенапряжением на промежутке. Однако увеличение числа инициирующих электронов приводит к переходу от канальной формы горения разряда к объемной. Иными словами, в промежутке возникает импульсный сильноточный разряд высокого давления типа тлеющего разряда. Эта разновидность импульсного протекания тока в газе была названа объемным разрядом.

Сразу же после обнаружения таких разрядов Г.А. Месяцем совместно с Б. М. Ковальчуком были созданы сверхбыстрые лавинные пикосекундные газовые коммутаторы со скоростью роста тока до 10¹⁴ А/с. Еще одно направление, связанное с использованием объемных разрядов, которое начало стремительно развиваться после опубликования этих результатов — импульсные газовые лазеры высокого давления.

Большое значение в технике мощных газовых лазеров имел предложенный Г.А. Месяцем способ инициирования объемного разряда путем инжекции в газ пучка быстрых электронов от внешнего источника. Исследование показало, что, инжектируя электронный пучок в газ, можно иметь два режима разряда. Первый, когда электрическое поле выше поля статического пробоя. В этом случае нужен малый ток инжектируемых электронов, так как основную роль в таком разряде играет лавинное размножение электронов. Второй режим осуществлялся при низких электрических полях. В этом случае ток объемного разряда носит несамостоятельный характер и обусловлен ионизацией газа инжектируемыми электронами. В 1989 г. коллективом авторов под руководством Г.А. Месяца было зарегистрировано научное открытие под названием «Закономерность воздействия внешнего ионизирующего излучения на процесс развития импульсного разряда высокого давления в сильно перенапряженных газовых промежутках» с приоритетом от 16.09.66 г., когда был опубликован автореферат докторской диссертации Г.А. Месяца.

Таким образом, в докторской диссертации Г.А. Месяца было заложено три крупных научных направления: собственно генерирование мощных наносекундных импульсов; импульсная электроника большой мощности на базе взрывной эмиссии электронов; газовая электроника и импульсные газовые лазеры на базе объемных разрядов высокого давления.

В 1968 г. Г.А. Месяц был приглашен в Париж на III Международный симпозиум на электрической изоляции и разрядам в вакууме, где он сделал доклад об исследовании быстропротекающих процессов в вакуумном разряде, в котором был продемонстрирован взрывной катодный механизм вакуумного разряда и было показано, что ВЭЭ является начальной фазой вакуумного пробоя. После этого доклада работы Г.А. Месяца и его группы получили широкую известность за рубежом. В 1970 г. его пригласили с приглашенным докладом на симпозиум по этой же тематике в Ватерлоо (Канада), а в 1971 г. — на Международную конференцию по явлениям в ионизированных газах в Оксфорд, где он сделал приглашенный доклад на тему «Роль быстрых процессов в вакуумном разряде». Можно с уверенностью сказать, что после этого доклада окончательно утвердилась его концепция катодного механизма импульсного вакуумного разряда на основе ВЭЭ. Само название явления — взрывная эмиссия электронов, впервые высказанное Г.А. Месяцем, прочно вошло в международный лексикон физиков. На конференции в Оксфорде Г.А. Месяц представил также два доклада по объемным газовым разрядам в условиях многоэлектронного инициирования.

В 1968 г. Г.А. Месяц был удостоен премии Ленинского комсомола за разработку методов генерирования мощных наносекундных импульсов. В то время это была самая престижная премия для молодых ученых в возрасте до 33 лет.

В 1968—1971 гг. резко возрос интерес к мощным электронным пучкам. Во-первых, многие ученые стали обсуждать возможность использования мощных сфокусированных электронных пучков для эффективного нагрева термоядерной мишени. Для этого требовались электронные пучки с плотностью тока более 10⁷ А/см² с и энергией в сотни килоджоулей и более. Во-вторых, вновь возрос интерес к идее академика В.И. Векслера о коллективном ускорении ионов, для чего необходимы были сгустки электронов, которые захватывали бы ионы и ускоряли их до скорости, сравнимой со скоростью электронов. В третьих, в это время уже была в основном ясна идея создания мощных газовых лазеров с накачкой электронными пучками.

Перед группой Г.А. Месяца, которая постоянно получала предложения на научные разработки, вставали все новые задачи. В частности, в декабре 1969 г. в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (ИАЭ) состоялось заседание Совета по физике плазмы АН СССР, посвященное проблеме управляемого термоядерного синтеза с использованием мощных электронных пучков, где Г.А. Месяц выступил с докладом о сильноточных импульсных ускорителях электронов, созданных в Томске его группой. После этого заседания в ИАЭ была начата программа «Ангара» и группа Г.А. Месяца была привлечена к разработке первой очереди этой программы.

НИИЯФ при ТПИ в то время не проявлял большого интереса к данной проблеме. Поэтому встал вопрос о том, где продолжать работы по импульсной технике, электронным пучкам и их применению. В 1969 г. Г.А. Месяц получил предложение перейти всей лабораторией на работу в создаваемый то время в Томске Институт оптики атмосферы Сибирского отделения АН СССР (ИОА). В 1970 г. на базе его лаборатории в ИОА создается крупный отдел в составе трех лабораторий (отдел сильноточной электроники). Руководителем отдела был назначен Г.А. Месяц. Он также стал заместителем директора ИОА СО АН СССР.

За время существования отдела была проделана большая работа. В частности, в области импульсной техники были созданы импульсные генераторы с зарядкой формирующей линии с помощью трансформатора «Тесла», встроенного непосредственно в линию; разработаны генераторы субнаносекундных импульсов тока для питания полупроводниковых лазеров; созданы микропроволочные прерыватели тока; разработан быстродействующий импульсный генератор Маркса в сжатом газе; проведены первые эксперименты по радиационной физике твердого тела с использованием сильноточных наносекундных электронных пучков и т.д.

Были продолжены исследования процессов взрывной электронной эмиссии: установлены закономерности уноса массы материала с катода, исследованы свойства катодной и анодной плазмы, показана справедливость закона Чайльда—Ленгмюра для вакуумных диодов с ВЭЭ, разработана теория различных стадий ВЭЭ от момента взрыва до замыкания промежутка катодной и анодной плазмой. Дальнейшее развитие получили разработки электронных ускорителей и исследования сильноточных электронных пучков. Впервые были получены широкоапертурные сильноточные пучки с энергией электроннов до 500 КэВ при рекордно большой длительности импульсов (1 мкс). Создается ускоритель «Маус», с помощью которого получены килоамперные электронные пучки длительностью ~10^–9 с. Исследовано поведение взрывной эмиссии электронов во внешнем магнитном поле. Были радикально усовершенствованы импульсно-периодические ускорители типа «Синус». Создаются ускорители электронов типа «Пучок», которые широко использовались для работ по релятивистской сверхвысокочастотной электронике (ФИАН, ИПФАН, МГУ).

В 1976 г. под руководством Г.А. Месяца в Новосибирском Академгородке был проведен VII Международный симпозиум по электрической изоляции и разрядам в вакууме. На симпозиум приехали не только специалисты по вакуумному разряду, но и те, кто занимался проблемами импульсной энергетики большой мощности и сильноточных ускорителей. На симпозиуме были представлены почти все крупнейшие лаборатории США, занимающиеся этими проблемами (Sandia National Laboratories, Lawrence Livermore National Laboratory, Maxwell Laboratories, Physics International, Los Alamos National Laboratory и др.). Симпозиум значительно укрепил авторитет группы Г.А. Месяца в мире и расширил ее международные научные связи.

Большой прорыв был сделан в области исследований объемных газовых разрядов для накачки лазеров. Было проведено моделирование свойств плазмы в газовом промежутке с электрическим полем, когда в промежуток инжектируется электронный пучок. Обнаружены новые виды неустойчивостей протекания тока, в результате которых объемный разряд переходил в канальную форму горения, чему способствовал объемный заряд термализованных электронов пучка, а также неоднородность ионизации газа, которые возникали из-за наличия в энергетическом спектре электронов низкоэнергетической компоненты. Было также показано, что в перенапряженных промежутках в развитии неустойчивостей большую роль играет состояние поверхности катода. Из-за микровыступов на катоде и диэлектрических загрязнений возникает ВЭЭ, которая способствует локализации разряда и его переходу из объемной стадии в канальную.

Много интересных разработок в отделе, возглавляемом Г.А. Месяцем, было сделано по созданию мощных газовых лазеров: созданы импульсные азотные лазеры ультрафиолетового диапазона; разработано несколько типов СО₂-лазеров, в том числе уникальный лазер ЛАД-2 с энергией в лазерном излучении ~ 7,5 килоджоулей, в котором использовалась накачка активного объема пучком электронов от ускорителя на основе генератора Маркса и широкоапертурного вакуумного диода на основе ВЭЭ. В эти годы Г.А. Месяц пишет и издает ряд монографий и сборников статей, обобщающих проведенные исследования. Среди них коллективная монография «Ненакаливаемые катоды» (1974 г.), где Г.А. Месяц пишет раздел посвященный ВЭЭ. Под редакцией Г.А. Месяца и с его соавторством издаются сборники «Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов» (1974 г.) и «Разработка и применение источников интенсивных электронных пучков» (1976 г.).

В 1977 г. по инициативе Г.А. Месяца на базе отдела сильноточной электроники ИОА был создан Институт сильноточной электроники СО АН СССР (ИСЭ). Для подготовки специалистов по научным направлениям института Г.А. Месяц открывает кафедру физики плазмы в Томском государственном университете, которую возглавляет до 1986 г. В это время в институте работала уже новая группа талантливых сотрудников, таких, как С.Д. Коровин, Ю.Е. Крейндель, В.Г. Шпак, Ю.А. Котов, М.И. Яландин, Ю.Д. Королев, Н.А. Ратахин, А.С. Ельчанинов, Н.В. Гаврилов, Р.Б. Бакшт и др., которые много сделали для развития ИСЭ.

Кроме традиционных работ по ВЭЭ, физике импульсного пробоя газов, газовым лазерам и ускорителям электронов в Институте по инициативе Г.А. Месяца были начаты исследования в области релятивистской СВЧ-электроники, импульсной рентгенотехники, радиационной физики твердого тела, электрического взрыва проводников, технологического применения электронных и ионных пучков. В импульсной технике основной упор был сделан на поиски методов быстрого обрыва тока и создание генераторов с индуктивными накопителями энергии.

Релятивистская СВЧ-электроника зародилась в Советском Союзе. Ее развитие стало возможным благодаря созданию группой Г.А. Месяца сильноточных ускорителей электронов. Первая работа в этой области была выполнена в ФИАНе в 1973 г. совместно с группой Института прикладной физики РАН. В этой работе была продемонстрирована возможность использования сильноточных электронных пучков для генерации когерентного СВЧ-излучения с эффективностью ~ 10 %. На основе релятивистской лампы обратной волны была получена мощность СВЧ-излучения ~ 10⁸ Вт в трехсантиметровом диапазоне длин волн.

Г.А. Месяц предложил вести работы в этой области по четырем направлениям: исследования ВЭЭ в диодах с магнитной изоляцией; создание импульсно-периодических СВЧ-генераторов; создание компактных СВЧ-источников миллиметрового диапазона волн; совместно с МГУ исследования многоволновых СВЧ-генераторов. В результате проведенных исследований была изучена физика работы магнитоизолированных вакуумных диодов и установлен «эффект экранировки» — зависимость числа эмиссионных центров ВЭЭ от магнитного поля. Были разработаны малогабаритные СВЧ-генераторы с длиной волны 4—8 мм при мощности излучения 10⁸ Вт и более и длительностью импульсов 3—4 нс. Был разработан импульсно-периодический СВЧ-генератор с длиной волны 3 см длительностью импульса 5 нс и частотой следования импульсов 100 Гц при мощности СВЧ-излучения до 10⁹ Вт. На установке «Гамма» было получено СВЧ-излучение с рекордной импульсной мощностью 15•10⁹ Вт. Большой вклад в развитие этих исследований внесли С. П. Бугаев, В. И. Кошелев, С. Д. Коровин, В. В. Ростов, В. Г. Шпак, М. И. Яландин. Работы в этой области были удостоены Государственной премии РФ в 1998 и 2003 г.

В этот же период в ИСЭ были разработаны компактные рентгеновские аппараты с длительностью импульсов 10^-10—10^-9 с на основе высоковольтного генератора «Радан». Г.А. Месяц развил теорию генерирования импульсов рентгеновского излучения с использованием ВЭЭ. За работы по исследованию взрывной эмиссии электронов и созданный на их основе новый класс рентгеновских аппаратов Г.А. Месяц с группой ученых в 1978 г. был удостоен Государственной премии СССР.

В 1979 г. он был избран членом-корреспондентом АН СССР.

Поиск путей создания эффективных прерывателей тока — одна из важных задач импульсной энергетики большой мощности. Первое направление, которое развивалась группой Г.А. Месяца, связано с использованием взрыва микропроводников протекающим током, второе — с идей так называемого инжекционного тиратрона. Если в газоразрядный промежуток, к которому приложено электрическое поле, инжектируется электронный пучок, то это приводит к протеканию тока в промежутке, который можно прервать, прекратив инжекцию электронов. Эта идея стала очень популярной в мире. В развитии этих идей участвовали Ю.А. Котов и Б.М. Ковальчук.

Еще одна идея состояла в инжекции в вакуумный промежуток плазмы для создания прерывателей тока. Впервые резкое возрастание сопротивления плазмы при протекании тока наблюдал в СССР А.А. Плютто. Позже этот эффект был использован в ряде лабораторий США для обострения фронта импульса от 10^-7 до 10^-8 с. Г.А. Месяц и Б. М. Ковальчук предложили использовать плазменные эрозионные прерыватели тока в системах со временем нарастания ~10^-6 с. Это позволило совместить генератор Маркса с индуктивным накопителем энергии, в качестве которого выступала индуктивность разрядного контура. Эта идея была успешно реализована в ИСЭ, что позволило создать установки ГИТ-4 и ГИТ-12 с током 3 и 8 МА, которые сейчас успешно используются в экспериментах по Z-пинчам и получению мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения. В экспериментах на этих установках участвуют ученые США, Франции и других стран.

Г.А. Месяц высказал и реализовал ряд идей по технологическому применению импульсных пучков электронов для отверждения лаковых покрытий, стерилизации медицинских инструментов, в плазмохимических технологиях, в технологии изготовления полупроводниковых изделий и т. д.

В начале 80-х годов Г.А. Месяц с сотрудниками публикует целый ряд монографий и сборников: «Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде» (совместно с Ю. Д. Королевым 1982 г.); «Импульсный электрический разряд в вакууме» (совместно с Д.И. Проскуровским, 1984 г., переведена в США и в Германии в 1989 г).; «Инжекционная газовая электроника» (с соавторами, 1982 г.); «Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения» (совместно с Н. И. Комяком и Е. А. Пеликсом, 1983 г.). Кроме того, под его редакцией и при авторском участии были опубликованы сборники «Сильноточные импульсные электронные пучки в технологии» (1983); «Эмиссионная сильноточная электроника» (1984 г.); «Импульсный разряд в диэлектриках» (1985 г.).

В 1984 г. Г.А. Месяца избирают действительным членом АН СССР по отделению общей физики и астрономии. Осенью 1986 г. Г.А. Месяц возглавил Уральский научный центр АН СССР. Он приглашает в Свердловск 25 ученых-специалистов из Томска, Новосибирска и Москвы для работы в созданном им Институте электрофизики Уральского научного центра АН СССР (ИЭФ). Многие из них впоследствии стали руководителями лабораторий этого Института, а сам Г.А. Месяц был утвержден его директором.

В ИЭФ были развернуты работы по малогабаритной импульсной технике большой мощности (импульсные высоковольтные генераторы, сильноточные ускорители, СВЧ-генераторы, рентгеновские аппараты), использованию электронных и ионных пучков для поверхностной модификации свойств металлов, по исследованию вакуумной дуги, по получению нанопорошков металлов путем электрического взрыва проводников, по исследованию электрического пробоя твердых диэлектриков, по лазерной физике и технике и нелинейной оптике, по физике электрического разряда в газах применительно к газовым лазерам и др.

В это время Г.А. Месяц выступил с рядом инициатив, которые были успешно реализованы. Так, он предложил использовать эмиссионные методы для исследования свойств высокотемпературных сверхпроводников, импульсные пучки электронов для очистки газов от вредных окислов. Исследования показали, что энергетическая эффективность такой очистки почти на порядок выше, чем при использовании стационарных пучков. Он активно участвовал в работах по исследованию возможности применения силовых кремниевых диодов для быстрого обрыва тока, начатых по инициативе С. Н. Рукина. Работа привела к обнаружению так называемого SOS-эффекта и созданию нового класса полупроводниковых прерывателей тока. Это самые мощные из известных типов полупроводниковых импульсных диодов. SOS-диоды работают при импульсном напряжении до 10⁶ В, плотности тока в полупроводнике до 10⁴ А/см², длительности импульсов 10^-8 с, и частоте следования импульсов 10²—10⁴ Гц. На основе этих диодов создано несколько типов высоковольтных генераторов серии «СМ» со средней мощностью 1—50 кВт. Данный цикл исследований был удостоен Государственной премии РФ в 2003 г.

Однако наибольшие усилия Г.А. Месяц продолжал прилагать к изучению взрывной эмиссии электронов. Он пришел к выводу, что ток электронов в процессе ВЭЭ испускается отдельными порциями (10¹¹—10¹² электронов), названные им эктонами, которые являются электронными лавинами из поверхности металла, образуемыми в результате разогрева микроучастков катода при их взрыве. Затем эти микроучастки охлаждаются за счет теплопроводности и других процессов, что ограничивает протекание тока во времени (~ 10^-8 с). Используя идею эктонов, Г.А. Месяц развил новую теорию катодного пятна вакуумной дуги. Он убедительно доказал, что катодное пятно электрической дуги — типичный эктонный процесс. Проблеме эктонов и их роли в электрофизике посвящена его трехтомная монография «Эктоны» (1993 г.) а также монография «Эктоны в вакуумном разряде» (2000 г.).

Кроме того, им были опубликованы монографии «Физика импульского пробоя газов» (совместно с Ю.Д. Королевым, 1991 г.) и «Импульсные газовые лазеры» (совместно с В. В. Осиповым и В. Ф. Тарасенко, 1991 г.). Обе эти книги были изданы также на английском языке. Г.А. Месяц участвовал также в написании коллективной монографии «Применение мощных СВЧ-импульсов», изданной в 1994 г. в издательстве «Artech House» в США. В 2004 г. он опубликовал монографию «Импульсная энергетика и электроника», которая вскоре была выпущена издательством «Kluwer» на английский языке.

Необходимо отметить, что оба института, созданные Г.А. Месяцем, ИСЭ СО РАН в Томске и ИЭФ УрО РАН в Екатеринбурге, и сейчас успешно работают и активно участвуют во многих российских и международных программах. Он является научным руководителем этих институтов.

Наряду с научной работой Г.А. Месяц ведет большую педагогическую деятельность. Им подготовлено более 100 кандидатов и более 40 докторов наук. Многие его ученики избраны академиками и членами-корреспондентами РАН, удостоены Государственных премий СССР и Российской Федерации, премий Совета Министров СССР и РФ, а также премий Ленинского комсомола. Г.А. Месяц был создателем кафедры физики плазмы в Томском государственном университете и кафедры электрофизики в Уральском политехническом институте. Сейчас он возглавляет созданную им кафедру электрофизики в Московском физико-техническом институте, является председателем попечительского совета Томского политехнического университета.

Г.А. Месяц является крупным организатором науки. В 1986 г. он был назначен председателем Президиума Уральского научного центра АН СССР и избран членом Президиума АН СССР. В 1987 г. по инициативе Г.А. Месяца было основано Уральское отделение АН СССР (УрО АН СССР), в которое вошли Уральский научный центр, Башкирский и Коми филиалы АН СССР. В том же году Г.А. Месяц избирается председателем Уральского отделения АН СССР и вице-президентом АН СССР. Г.А. Месяц был членом организационного комитета по созданию Российской академии наук (РАН) и возглавлял секцию физики, ядерной физики и энергетики. По инициативе Г.А. Месяца на Урале были созданы научные центры в Перми, Ижевске, Челябинске, Архангельске, Оренбурге. Количество академических институтов на Урале увеличилось с 19 до 40. В 1991 г. он избирается вице-президентом Российской академии наук, а в 2004 г. — директором Физического института РАН им. П.Н. Лебедева.

Научные работы Г.А. Месяца широко известны в мире, многие его статьи и книги переведены и изданы за рубежом. В США, Китае, Германии, Японии издано десять его монографий и сборников научных статей под его редакцией. Он является членом оргкомитетов многих международных конференций, редколлегий журналов и научных обществ. Он член американского физического общества, американского оптического общества, член международного общества оптоэлектроников. Он является почетным профессором многих российских и зарубежных вузов.

В течение шести лет он работал в комиссии по физическому образованию ИЮПАП, участвовал в работе Генеральной ассамблеи ЮНЕСКО, научного комитета стран Европейского сообщества, четыре года возглавлял российско-американскую комиссию по технологиям двойного применения, возглавлял делегацию АН СССР на переговорах с АН Китая, а также многократно возглавлял советские и российские делегации на различных международных научных конференциях (по технике мощных импульсов, по явлениям в ионизованных газах, по пучкам частиц, по электрической изоляции и разрядам в вакууме и т.д.). Г.А. Месяц многократно выступал с лекциями в качестве приглашенного профессора в различных университетах и научных лабораториях мира (University of California, Irvine; Texas Tech University, University of New Mexico, California Institute of Technology, Stevenson Institute, École Polytechnique, Sandia National Laboratories, Los Alamos National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory, Nagoya University, Kumamoto University и др.).

Г.А. Месяц награжден многими отечественными и зарубежными наградами. Он лауреат премии Ленинского комсомола (1968 г.), Государственных премий СССР (1978 г.) и Российской Федерации (1998 г.), лауреат премий Правительства СССР (1990 г.) и Российской Федерации (2003 г.), Демидовской премии (2002 г.), Международной премии «Глобальная энергия» (2003 г.), Международных премий имени У. Дайка (1990 г.) и имени Э. Маркса (1991 г.). Он удостоен премии имени А.Г. Столетова (1995 г.), награжден Золотой медалью имени академика С.В. Вонсовского (2004 г.), Золотой медалью имени академика М.А. Лаврентьева (2005 г.). Г.А. Месяц награжден орденом Ленина (1986 г.), орденом Трудового Красного Знамени (1971 г.), орденом «Знак Почета» (1976 г.), орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени (1996 г.), III степени (1999 г.) и II степени (2006 г.), а также медалями СССР и РФ.

В начало страницы