Борис Михайлович Ковальчук – выдающийся специалист и настоящая «рок-звезда» в области мощной импульсной энергетики. Его научный авторитет был безграничен как в России, так и за ее пределами. Ковальчук обладал уникальным даром: из простейших подручных материалов, таких как швейные иголки и кастрюли, ему удавалось создавать устройства с рекордными характеристиками, соответствующими мировым стандартам. Это вызывало восхищение у его институтских коллег, ученых-теоретиков, которые, хотя и удивлялись его находкам, со временем находили научные объяснения этим гениальным идеям. Его работа стала символом того, как креативность и практический подход могут привести к выдающимся результатам в науке.


Уникальное мышление и международное признание
Борис Михайлович Ковальчук – российский физик, специалист в области мощной импульсной энергетики , создатель ряда сильноточных ускорителей и импульсных энергетических установок национального и мирового масштаба, действительный член Российской Академии Наук (РАН), доктор технических наук. После окончания в 1962 году электроэнергетического факультета (ЭЭФ) Томского Политехнического Института работал инженером и заведующим лабораторией в НИИ Ядерной Физики ТПИ. В 1964 году был приглашен в свою группу будущим академиком, а тогда еще молодым аспирантом Геннадием Месяцем.
Затем Борис поступил в аспирантуру, защитил кандидатскую диссертацию и с 1970 года возглавил Лабораторию Наносекундной Техники (ЛНТ) в Институте Оптики Атмосферы (ИАО) Сибирского Отделения (СО) РАН. В 1977 году лаборатория вошла в состав Института Сильноточной Электроники (ИСЭ) СО РАН, а в 1981 году была реорганизована в Отдел Импульсной Техники (ОИТ) института, которым Б. М. Ковальчук руководил до своей смерти. В 1987 году Борис Михайлович был избран членом-корреспондентом, а в 1992 году – действительным членом РАН .
В 1970-х годах при участии Бориса Ковальчука были заложены основы нового научного направления: физика и техника генерации мощных электрических импульсов. Были созданы первый отечественный сильноточный ускоритель электронов, первые отечественные мощные газовые лазеры, первый импульсный генератор с индуктивным накопителем энергии и плазменным прерывателем тока.
Среди реализованных Борисом Михайловичем проектов – созданный в Томске импульсный генератор ГИТ-12, на котором отрабатываются новые методы формирования мощных импульсов, а также многоплановые исследования по электродинамическому сжатию (имплозии) плазменных лайнеров или Z-пинчей. Эти работы напрямую связаны с реализацией импульсного термоядерного синтеза.
Справка
ГИТ-12 находится в отдельном здании и имеет диаметр около 30 метров. Многомодульная мультимегаамперная установка с мегаджоульным запасом энергии позволяет осуществлять синхронную инжекцию энергии в плазменную нагрузку.
Импульсная мощность, подводимая к нагрузке, сопоставима с суммарной мощностью электростанций целых государств. В результате в формирующемся плазменном столбе на короткое время создается температура, как на Солнце – несколько миллионов градусов. Ученые получают возможность изучать поведение вещества в экстремальном состоянии. Сейчас в Томск приезжают ученые из многих стран для проведения уникальных экспериментов на созданном Ковальчуком импульсном генераторе.
Под руководством Бориса Ковальчука был выполнен цикл работ по созданию многомодульных импульсных генераторов с мультимегаджоульным запасом энергии. Генераторы такого типа позволили создать ускорители электронов с энергосодержанием в электронном пучке до 100 кДж при энергии электронов 3 МэВ и длительности импульса 1 мкс. Им также созданы многокулонные газоразрядные коммутаторы с высоким ресурсом, обеспечивающие работу конденсаторных батарей с мегаджоульным запасом энергии, и на их основе – источники питания для установок лазерного инерциального термоядерного синтеза.
Вклад в создание термоядерных установок
Первая Государственная премия была присуждена Борису Ковальчуку за участие в создании импульсной термоядерной установки «Ангара-5-1», построенной в подмосковном Троицке: ему удалось решить проблему быстрого и точного подключения накопителей энергии установки к нагрузке, разработав управляемые газовые разрядники с напряжением до двух миллионов вольт и током до 300 тысяч ампер, с наносекундной точностью коммутации.
Справка
Экспериментальный комплекс «Ангара-5-1» создана в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» в 1984 году.
С момента создания и по настоящее время «Ангара-5-1» является одной из крупнейших на континенте установок для исследований физики быстрых разрядов сверхтераваттной мощности, динамики излучающей плазмы многозарядных ионов, проблемы инерциального управляемого термоядерного синтеза. Комплекс является энергетической базой для фундаментальных исследований уравнений состояния вещества с высокой плотностью энергии, ударных волн, рентгеновской спектроскопии. На комплексе проводятся исследования по электрофизике генераторов сверхмощных электрических импульсов, разрабатываются физические схемы мощных импульсных источников рентгеновского и нейтронного излучения.
Разработка термоядерных импульсных установок ведутся в России, США, Китае и Европе. Большой вклад в эту тематику внес академик Борис Ковальчук. Им была разработана концепция построения мощных импульсных генераторов на основе линейного трансформатора, что позволило радикально повысить удельный энергозапас генераторов и упростить их создание. Эта концепция получила название Linear Transformer Driver (LTD), а первые «медленные» ступени LTD были разработаны в 1995-1997 гг. Борисом Михайловичем.
Неспособность существующих технологий производить мощные драйверы для концепции инерциального удержания термоядерного синтеза и привлекательная конструкция «медленной ступени LTD» побудили Диллона Макдэниела из Sandia National Laboratories (SNL, США) обратиться к команде Отдела Импульсной Техники ИСЭ в конце 1990-х годов, чтобы рассмотреть возможность использования таких ступеней для исследований Z-пинча. В результате в 1998 году была организована совместная работа CEG-ИСЕ-SNL. Это сотрудничество имело большое значение для решения задачи разработки нового типа концепции инерциального удержания термоядерного синтеза. В ходе этого сотрудничества Александр Ким сообщил о возможности создания гораздо более быстрого, 100-нс, выходного импульса в ступени LTD без использования промежуточных систем сжатия импульсов.
Разработанные под руководством Бориса Михайловича прототипы сильноточных разрядников и мегаджоульных накопителей энергии были использованы при создании большой лазерной исследовательской установки для инерциального термоядерного синтеза Laser Mégajoule (LMJ, недалеко от Бордо, Франция, построенной французским управлением ядерной науки Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA)). Б. М. Ковальчук и его коллеги из Отдела Импульсной Техники разработали многокулонный газонаполненный коммутатор, работающий при атмосферном давлении для конденсаторных модулей лазерной установки LMJ. В окончательной конфигурации LMJ одновременно будут работать 480 модулей конденсаторной батареи. Большое количество модулей в установке LMJ накладывает жесткие требования на параметры коммутационной системы.
Искры и лазеры
В 2000-х гг. Борис Михайлович получил заказ от лаборатории SNL на разработку разрядника HYBRID для использования на выходе промежуточных емкостных накопителей при напряжениях до 6 миллионов вольт. Разработанные коммутаторы обеспечили более низкую индуктивность и, следовательно, более быструю коммутацию, а также более длительный срок службы за счет устранения одноканальной коммутации, которая использовалась ранее в коммутаторе Sandia. Сильноточные искровые разрядники всегда были сильной стороной Бориса Михайловича.
В 2011 году в Институте Сильноточной Электроники был запущен в эксплуатацию сверхмощный фемтосекундный лазерный комплекс THL-100. Выходной усилитель этой установки работает на газовой активной среде и по принципу построения не имеет аналогов в мире. Сильноточная основа лазера – ускоритель электронов на основе линейного импульсного трансформатора – создана под руководством академика Ковальчука. Установка вырабатывает импульсы излучения в видимой части спектра с рекордной мощностью более 20 ТВт. Установка готовится к фундаментальным исследованиям воздействия экстремальных световых полей на вещество.
Результаты, которые можно смело назвать прорывными, были получены в 2013-2014 годах на Томской установке ГИТ-12 при исследовании нейтронных потоков, создаваемых импульсным сжатием дейтериевых лайнеров. Получен выход более 3∙10^12 нейтронов за импульс и, что не менее важно, показано, что теоретическая зависимость выхода нейтронов, пропорциональная четвертой степени пикового тока имплозии, реализуется при токах более 2 мегаампер. Эта зависимость дает основания надеяться, что реализация критического эксперимента в термоядерной реакции дейтерий-тритий возможна при токе 40 МА, что примерно вдвое меньше, чем считалось ранее и доступно для нового поколения импульсных генераторов.
Слова коллег о Борисе Ковальчуке
По словам бывшего директора ИСЭ, члена-корреспондента РАН Николая Ратахина, «иностранцы доверяют академику Ковальчуку те работы, которые не в состоянии выполнить сами. За блестящими разработками Бориса Михайловича стоит огромный труд. Он непревзойденный инженер, который прекрасно разбирается в схемах и доводит их до совершенства, «шлифуя» казалось бы несущественные детали, что в итоге приводит к исключительному результату».
Андрей Жерлицын, кандидат технических наук, нынешний заведующий Отделом Импульсной Техники института, отметил, что «слово «первый» применимо практически ко всему, что сделал в науке академик Ковальчук. Сегодня Россия уверенно занимает лидирующие позиции в импульсной энергетике в мире: хотя самые амбициозные проекты по созданию сверхмощных импульсных приборов наиболее успешно продвигаются за пределами России, но именно в Томске, в офисе академика Бориса Ковальчука, рождаются идеи и предложения, к которым с высочайшим вниманием прислушиваются по обе стороны Атлантики. Международный авторитет томского ученого настолько высок, что ни один из крупнейших в мире проектов по созданию импульсных генераторов не обходится без его непосредственного участия и консультаций. На идеях Бориса Михайловича основано новое, оригинальное и перспективное направление, которое сегодня активно развивается не только в ИСЭ, но и в ряде зарубежных стран, – технология создания импульсных генераторов по схеме линейных трансформаторов. Эта технология рассматривается как один из перспективных подходов к созданию импульсных генераторов нового поколения с уровнями мощности и тока, значительно превышающими ГИТ-12. Вклад Ковальчука в отрасль фундаментален, а его разработки являются пионерскими».
По словам Владимира А. Кокшенева, старшего научного сотрудника ИСЭ, ответственного за работу по импульсной технике на том же объекте ГИТ-12, долгие годы проработавшего рядом с Б. М. Ковальчуком, «все его творения – это совершенство и простота, основанные на тонком знании законов природы, физики и техники. Возможно, некоторые из них еще не сформулированы, но Борис Михайлович интуитивно их чувствовал. Обладая талантом и огромным опытом, он был по натуре трудоголиком. Он вынашивал свои планы, тщательно продумывал детали. Он работал за столом и за чертежной доской. Регулярно посещал цех опытного производства, стоял у станка, часто принимая новые конструкторские решения прямо во время изготовления деталей. Он был человеком дела, самобытность его таланта отчетливо видна в его оригинальных творениях. У Бориса Михайловича было то, что, как мне кажется, присуще настоящему русскому интеллигенту: он ценил мнение о себе в профессиональном сообществе выше официальных званий, наград и должностей. Его кабинет был прост до аскетизма, главным была работа. Многие идеи Бориса Михайловича нашли воплощение в современной элементной базе мощной импульсной техники и сегодня используются в уникальных действующих установках, созданных в различных лабораториях мира, в том числе и для исследований по инерциальному термоядерному синтезу. Борис Михайлович был признанным лидером мировой электрофизики, пользовавшимся непререкаемым авторитетом среди зарубежных ученых. Этот авторитет сохраняется за его именем и сегодня. Созданные под его руководством уникальные установки успешно работают в Китае, Франции, США, Израиле и других странах мира. В 90-е годы, когда финансирование российской науки было сведено к минимуму, авторитет Б. М. Ковальчука позволил Институту Сильноточной Электроники получать крупные заказы по международным контрактам, что позволило коллективу выжить».
Справка
Научная деятельность академика Б. М. Ковальчука отмечена многочисленными премиями и наградами.
В 1968 году в возрасте 28 лет он получил премию Ленинского Комсомола совместно с С. П. Бугаевым, Г. А. Месяцем (впоследствии молодые ученые стали академиками) и В. В. Кремневым (впоследствии доктором технических наук) за работы, заложившие основы методов получения мощных импульсов электроэнергии.
В 1981 году Борису Михайловичу была присуждена Государственная премия СССР за участие в создании импульсной установки «Ангара» в подмосковном Троицке.
Б. М. Ковальчук входил в состав коллектива ученых, проведших цикл фундаментальных исследований быстрых электроразрядных процессов и создавших на их основе новый класс мощных и сверхмощных нано- и пикосекундных электрофизических приборов. В 1997 году на научной конференции в США Борису Михайловичу была присуждена международная премия имени Эрвина Маркса за большие достижения в исследованиях по генерации мощных высоковольтных импульсов, а также Государственная премия Российской Федерации (1998).
В 2007 году за выдающийся вклад в создание нового класса импульсных сильноточных приборов Б. М. Ковальчук был удостоен Всероссийской негосударственной Демидовской премии и награжден орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени (2007).
Борис Ковальчук – автор и соавтор более 250 научных работ и изобретений. Член Объединенного Совета Ученых физико-технических наук Сибирского Отделения РАН. Сопредседатель II Международного конгресса по радиационной физике, сильноточной электронике и модификации материалов пучками заряженных частиц и потоками плазмы (2006), председатель оргкомитетов XII–XV Международных Симпозиумов по сильноточной электронике (2000, 2004, 2006, 2008).
Академик Геннадий Месяц, давний друг и соратник Б. М. Ковальчука (оба стояли у истоков нового направления в физике, создали в Томске Институт Сильноточной Электроники, вместе они первыми получили премию Ленинского Комсомола, а затем оба были удостоены Демидовской Премии), говорит о нем: «Боря Ковальчук в нашей профессии делает то, что невозможно объяснить обычными понятиями. Из простых и понятных вещей он делает совершенно фантастические с точки зрения техники и научных целей, для которых все это предназначено. Едва окончив институт, он сделал генератор наносекундных импульсов, в котором корпусом коллектора была обычная кастрюля. Затем первый в мире пикосекундный сильноточный ускоритель, сверхмощный газовый лазер и многое другое. Однажды под Москвой мы запускали самый мощный на то время генератор – четыре мегаджоуля и четыре миллиона вольт напряжения – гигантскую конструкцию. И что-то пошло не так: прибор не включился. Дальше Боря, никого не смущаясь, разделся до нижнего белья, залез головой в бак с трансформаторным маслом, нырнул, что-то поправил, и все заработало! Хоть он был уже не мальчик и со всеми регалиями, но за эту машину он отвечал».
Борис Ковальчук являлся одним из ведущих специалистов в области мощной импульсной энергетики, который существенно расширил горизонты этой науки. Его работы не только позволили глубже понять физику процессов с высокими плотностями энергии, но и привели к созданию решений, которые кардинально изменили подходы к проектированию и эксплуатации энергетических установок. На основе его исследований были разработаны методы, которые эффективно решают задачи в самых разных областях: от промышленности до энергетических технологий.
Применение его идей позволило разработать новые технические решения, которые сейчас активно внедряются в различные отрасли. Борис Ковальчук сумел соединить исследования с практическим внедрением, что сделало его работы не просто научными достижениями, а важнейшими элементами современной мощной импульсной инженерии. Методики, предложенные им, используются по сей день, становясь основой для множества новых технологий, продолжая оказывать влияние на развитие высоковольтных и импульсных систем.