4. У истоков физики и техники варисторов

Исследованиям электрических свойств твердых тел Курчатов отдал последнюю дань, выполнив две работы [32, 33] совместно с Н. А. Ковалевым, Т. З. Костиной и Л. И. Русиновым - в будущем его сотрудником в лаборатории атомного ядра ЛФТИ. Работы эти носили прикладной характер, а их постановка определялась запросами электротехники, в частности необходимостью защиты линий электропередач от перенапряжений, вызываемых ударами молнии. В более ранние годы сходная задача уже ставилась перед ЛФТИ в связи с защитой линий связи от перегрузок, которые определялись соседством этих линий с линиями электропередач. В свое время эта задача была решена А. А. Чернышевым путем создания специальных вакуумных разрядников. В случае защиты высоковольтных линий эта проблема решалась с помощью твердых разрядников с саморегулирующимся сопротивлением. Оно включалось в цепь параллельно защищаемому объекту после срабатывания искрового промежутка с соответствующим образом подобранным расстоянием между электродами. Твердые сопротивления, разработанные с этой целью за рубежом, представляли собой специальные керамические массы (тайрит - в США, оцелит - в Германии). Технология их изготовления была очень сложна, в связи с чем необходимо было разработать какой-либо эквивалент. В качестве такового И. В. Курчатов и его сотрудники выбрали прессованные порошки карборунда (SiC) с определенным наполнителем - "связкой". Подобные порошки выпускались в других целях ленинградским заводом "Ильич". Необходимым условием работы таких составов в защитных устройствах было наличие зазоров (переходных контактов) между зернами карборунда. Все устройство в целом должно было отвечать ряду специфических требований, главным из которых было уменьшение сопротивления с ростом напряжения (нелинейная вольтамперная характеристика), а также устойчивость контактов, малая инерционность и большой срок службы, определявшийся процессами старения карборунда и скреплявшей его массы в процессе прохождения через них тока.

Лев Ильич Русинов. 1938 г.

Авторами [32] была разработана специальная технология получения карборундовых соединений и методика исследования их электрических характеристик (при импульсных нагрузках), позволившая подобрать необходимые эксплуатационные и геометрические параметры. Разработанное соединение марки С-100 характеризовалось прогнозированной в статье долговечностью не менее 5 лет и как по этому, так и по другим параметрам оценивалось как вполне рентабельное и конкурентоспособное по отношению к зарубежным образцам. Стабильность вольтамперной характеристики карборундовых соединений была столь высока, что аспирант И. В. Курчатова А. 3. Шакиров в развитие изложенных исследований предложил использовать С-100 для измерения высоких напряжений. Дальнейшая судьба этого предложения неизвестна. Известно другое: на основании исследования саморегулирующихся сопротивлений авторы [32] еще до публикации этой статьи подали в Комитет по изобретательству заявку на авторское свидетельство, которая была принята и напечатана [34] в разделе "Публикация о выдаче справки о первенстве заявки" с указанием приоритетной даты: 28 декабря 1931 г. По-видимому, авторское свидетельство по этой заявке выдано не было, так как в выпусках "Вестника Комитета по изобретательству" за 1932-1936 гг. никаких ее следов обнаружить не удалось.

Для объяснения механизма работы карборундовых саморегулирующихся соединений авторы, критически рассмотрев соответствующие американские работы (связывавшие "саморегуляцию" с возникновением микроскопических искровых разрядов между зернами карборунда), остановились на волномеханическом туннельном механизме прохождения тока (электронов) через тонкие зазоры между зернами, согласно которому ток по степенному закону зависел от приложенного напряжения. В результате экспериментальной проверки этих представлений был сделан вывод об их столь хорошем соответствии, что самим авторам "представлялось удивительным совпадение теории, выведенной для чистых условий и приложенной к карборундовым массам".

В дальнейшем авторы вернулись к задаче уточнения механизма процессов, протекающих в саморегулирующихся сапротивлениях. В работе [33] гораздо более подробно, чем в [32], были проанализированы все к тому времени имевшиеся попытки объяснить характер зависимости проводимости саморегулирующихся сопротивлений от приложенных к ним напряжений. Последовательно исключая на основе проведенных экспериментальных исследований механизмы, выдвинутые Слепяном, Гюнтершульце и другими, авторы [33] вновь приходят к выводу, что в основе процесса лежат электронные явления на контактах. При этом ими было найдено более точное выражение для вольт-амперной характеристики (экспоненциальная зависимость тока от приложенной разности потенциалов) и с помощью специальных опытов оценено расстояние между зернами карборунда в исследуемой массе (карборнуд-связка). Соответствующее значение оказалось равным ~10-6 см. Это определяло возможность использования развитой Я. И. Френкелем теории туннельного прохождения электронов через такого рода зазор. Проведенный подробный квантово-механический расчет дал для величины тока выражение, хорошо согласующееся с эмпирической формулой.^*

^* (Интересно отметить, что в 1932-1934 гг., когда выполнялись работы [32, 33], еще сохранялись большие трудности с проведением опытов с помощью катодного осциллографа. "Мы не располагали катодным осциллографом на все время исследований" [33, с. 130]. Видимо, и в середине 30-х годов он был "экспериментальной роскошью", заставлявшей авторов [33] разрабатывать заменяющие его довольно сложные приспособления для безынерционной индикации быстропротекающих процессов.)

Физика и техника "саморегулирующихся сопротивлений" продолжала интенсивно развиваться во второй половине 30-х годов и в послевоенные годы. Позднее соответствующие приборы получили название варисторов. Материалом для варисторов и теперь служит карбид кремния (карборунд). В связи с этим рассматриваемые работы Курчатова и его сотрудников следует считать пионерскими.

Наряду с разработанными ныне на основе SiC тиритом и вилитом последнее время все большее распространение получают окисно-цинковые варисторы. Математическое описание характеристик этих приборов (так называемый коэффициент нелинейности) совпадает с тем, которое использовалось в приведенных работах Курчатова. Что касается "физической подоплеки" процесса саморегуляции сопротивления, то, по современным представлениям, он определяется целым набором различных одновременно действующих механизмов: автоэлектронной эмиссией с острий карборундовых зерен, прохождением тока через р-n - переходы, образующиеся в нем в процессе технологического приготовления варисторов, тепловыми эффектами на микроконтактах. Высоковольтные варисторы и сейчас используются для защиты линий передач и высоковольтных аппаратов. Приборы характеризуются надежностью в работе и долговечностью, измеряемой десятилетиями.