Аргоннская лаборатория известна тем, что первый в мире ядерный реактор - "Чикагская поленница", был построен в Чикагском университете в 1942 году, а в следующем году был перевезён в будущую Аргоннскую лабораторию, где и пребывает ныне в качестве музея атомной энергетики.
Новые горизонты
Работа моя в проекте Генри Фриша шла весьма успешно. В самом её начале выяснилось, что моя программа, написанная тридцать лет тому назад для нашего проекта не подходит сразу по многим параметрам. Во-первых, там вся аналитика была построена на том, что цилиндрический канал перпендикулярен микроканальной пластине, поэтому на поток вторичных частиц действует одномерное поле, направленное вдоль канала. Здесь же существенным было то, что оси каналов направлены под углом порядка восьми градусов к оси пластины. Кроме того, для увеличения коэффициента усиления используют, как правило, не одну, а две или даже три пластины, причём в каждой последующей угол наклона каналов меняет знак по отношению к предыдущей, поэтому получается слоёный пирог в виде шевронной пары или Z-стека. В этом случае картина поля и траекторий частиц становится трёхмерной, что уже исключает использование аналитики.
Во-вторых, входной сигнал является не статической картинкой, как в приборах ночного видения, а существенно импульсным. Это приводит к тому, что когда порождённая первичным фотоэлектроном постоянно растущая вдоль канала лавина вторичных частиц достигает конца канала, из-за экспоненциального роста тока из этого конца вырывается такое плотное облако электронов, что на поверхности канала в этой области образуется наведённый заряд, который подавляет дальнейшую эмиссию частиц до тех пор, пока от источника не подтечёт достаточно электронов, чтобы скомпенсировать наведённый заряд. То есть, на время релаксации заряда усилитель «слепнет. Это нелинейное явление называется эффектом насыщения.
Третий недостаток прежней программы состоял в том, что она не учитывала так называемые краевые поля, которые возникают в относительно малых областях входа в канал и выхода из него. Для их учёта необходимо иметь не просто программу расчёта трёхмерных полей, а такую программу, которая могла бы считать эти поля с приличной точностью для областей с очень разномасштабными деталями.
Наконец, данные о вторичной эмиссии раньше мы брали из работы Геста 1971 года, где приведена полуаналитическая модель, аппроксимирующая зависимость коэффициента вторичной эмиссии от энергии и угла падения налетающей частицы. Но в публикациях описывались также модели Ито, Ли-Деккера, Агарвала, Родни-Вогама и других. Первое, что мы сделали с Инсеповым, это сравнили все эти модели. Они давали разброс в коэффициенте усиления прибора в несколько раз, что, в принципе, является допустимым, но они плохо аппроксимировали характеристики современных материалов, особенно композитных. Здесь уже разброс в коэффициенте усиления между модельными и экспериментальными кривыми мог достигать одного-двух порядков, что недопустимо.
Кроме того, Генри Фриш загорелся новой идеей исследования свойств не только цилиндрических каналов, а с воронкообразным входом, на который напыляется фотокатод. Полагаю, что эти задачи вообще никто толком считать не мог, судя по литературе. Я начал с того, что стал смотреть, нельзя ли использовать уже готовые программы, способные считать наши задачи. Обратил внимание на то, что среди коллабораторов нашего проекта была некая фирма, работающая под крышей университета Беркли. У них огромное число публикаций по фотодетекторам, в том числе есть публикации по расчетам эффекта насыщения. В соавторах статей засвечиваются двое: Осси Зигмунд и Антон Тремзин. На первом же из наших совещаний познакомился с обоими. Предложил Антону работать вместе, раз уж мы оказались в одном проекте. Он отказался под предлогом того, что работают они на некую космическую фирму, и не могут показывать детали своей работы из соображений секретности.
Теперь мне оставалось одно – самому разработать такую могучую программу, которая смогла бы разом учесть все перечисленные выше особенности наших приборов. Через месяц напряженной работы я уже показывал на собраниях результаты счета по этой программе. Начал с того, что воспроизвёл результаты классика в этой области – Геста. Теперь у Фриша появилось желание сверить мои результаты с расчетами по другим программам. Я снова обратился к Тремзину с предложением сравнить не результаты расчётов конкретных приборов, а результаты тестовых задач. Посылая ему запрос, копию я отправил Фришу. Антон снова отказался, сказав, что программу они разрабатывали не сами, им давала эту программу фирма заказчика, который не хочет светиться из-за этой самой секретности. Может быть, он и говорил правду или какую-то её часть, но у меня создалось чёткое впечатление, что Антон и Осси не желают в моём лице выращивать своего конкурента.
Тогда Фриш предложил мне сравнить результаты с фирмой «Аррадианс», которая также была включена коллаборатором в наш проект. Эта фирма несколько лет тому назад разработала программу «Каскад» для расчёта микроканальных усилителей, но в этой программе, в отличие от Осси и Тремзина не учитывался эффект насыщения. В этом случае взаимодействие при сравнении результатов осуществлялось не напрямую между мной и «Аррадианс», а через Фриша. То есть Фриш давал мне задание, что просчитать, я высылал ему результаты, он запрашивал результаты у фирмы «Аррадианс». Мне он не дал никаких контактов для прямого общения с фирмой. Здесь дело пошло лучше, мои первые результаты дали очень хорошее совпадение с их результатами, за одним исключением. Дело в том, что в спектре вторичной эмиссии есть три механизма рождения вторичных частиц: первый называют истинно вторичными электронами, когда попавший на поверхность электрон отрывает по одному или более электронов с внешних оболочек атомов, теряя на этом всю свою энергию; второй механизм сводится к простому упругому отражению первичного электрона от поверхности, а третий – это неупругое взаимодействие первичного электрона с кристаллической решеткой материала поверхности. Главный вклад дает истинно вторичный процесс, который разыгрывает рождение частиц статистически по методу Монте-Карло. При использовании этого механизма мои результаты хорошо согласовывались с расчетами фирмы, но когда я включал ещё и механизм упругого отражения, коэффициент усиления возрастал в несколько раз, в то время как у фирмы «Аррадианс» это давало увеличение процентов на двадцать.
Стали искать причины расхождений. В моей программе вклад упругих отражений учитывался по экспериментальным данным в публикациях, которые нашёл Инсепов. Здесь коэффициент вторичной эмиссии был функцией энергии и угла падения налетающей частицы, в то время как во входных данных «Аррадианс» он задавался константой, которая непонятно откуда была взята. Поскольку я сам не мог выходить на них напрямую, свои вопросы я задавал через Фриша, а ответы пока не получал.
Подоспела новая конференция, мы с Инсеповым подготовили статью, куда включили и Фриша. Когда я закончил статью, я послал её в адрес оргкомитета, а копию Фришу. После этого он заставляет нас убрать всякие сравнения с фирмой «Аррадианс», говоря, что они очень чувствительно относятся к критике своих моделей. Меня это страшно разозлило. Получалась не наука, а какой-то базар сплетников. Фриш заставляет меня провести сравнение, а когда я его заканчиваю, он заставляет меня убрать из статьи результаты этого сравнения. При этом я так и не получил чёткого описания модели упругих столкновений от фирмы. Собственного говоря, в статье не было никакой критики моделей конкурентов, а были просто приведены наши и их сравнительные результаты. Особенности своей модели я отметил только указанием на то, что она учитывает реальные экспериментальные данные, а у «Аррадианс» на этом месте стоит константа, неизвестно откуда взятая.
Спорить, однако, я не стал и молча удалил из статьи результаты «Аррадианс», оставив свои. Когда же на очередном собрании мне стали задавать вопросы о сравнении результатов, я ответил прямо, что провести его не могу, потому что фирма «Аррадианс» чувствительна к упоминанию их результатов. Фриш после этого отчитал меня, сказав, что я дискредитирую его важных заказчиков перед лицом общественности. Я ответил ему в том смысле, что я учёный, а не политик: когда мне задают вопрос, я отвечаю на него прямо, не тратя своего времени на придумывание правдоподобных ответов, которые маскируют суть дела. В этом был намёк: не надо было ему раззванивать всем, что я провожу сравнение, не появились бы и неудобные для кого-то вопросы.
Я начинаю задавать себе вопрос: Фришу было известно о двух имеющихся к началу нашего проекта программах для моделирования микроканальных усилителей. Почему же он не нанял для расчётных работ ни группу из Беркли, ни фирму «Аррадианс»? Я понимал, что задавать этот вопрос самому Фришу или коллегам из этих двух групп бессмысленно. Все мои попытки наладить сотрудничество в области расчётов этими группами игнорировались. В конечно итоге, я сделал вывод о том, что со стороны Фриша, вероятнее всего, такие предложения делались и группе Осси, и фирме «Аррадианс», но эти прожжённые капиталистические акулы заломили такие цены, что Фриш в итоге решил, что Иванов сделает свою программу с нуля и проведёт все расчёты за гораздо меньшие деньги, потому что Осси должен из этих денег кормить, скажем, трёх сотрудников, включая себя, а фирма «Аррадианс» - восемь сотрудников, в то время как Иванов работает за одну зарплату. После такого вывода я решил, что теперь более точно знаю себе цену. И потому мне нужно вести себя посмелее со своим работодателем.
Мой коллега из Москвы Куликов прислал мне три статьи Беркина и Васильева, опубликованные в «Известиях ВУЗов», где довольно толково был описан алгоритм учёта эффекта насыщения. Оказалось, что эти ребята работают в Новосибирском электротехническом институте. Я пытался установить с ними контакт через друзей, но они не пошли, также как и Тремзин, отговорившись секретностью тематики. Впрочем, мне хватило информации из этих статей, чтобы вставить алгоритмы в свою программы, которую я назвал «MCS» (Monte-Carlo Simulator). Просчитав наши приборы с учётом этого нелинейного эффекта, мы с Инсеповым также опубликовали результаты в Nuclear Instruments & Methods.
После этого я приступил к учёту краевых полей. Для начала я построил аналитическую модель поля в наклонном цилиндрическом канале с напылённым резистивным слоем. Эта модель позволяла учесть главную часть поля такой системы введением эквивалентного дипольного момента. Затем Инсепов нашел в Аргонне постдока Сергея Антипова, который неплохо владел пакетом COMSOL. Он посчитал краевые поля численно для уединенного канала, семи и шестнадцати каналов вместе, чтобы учесть влияние соседних каналов. Задача оказалась тяжелой по времени счёта из-за сильной неоднородности масштабов отдельных элементов усилителя, но Сергей блестяще с ней справился, и мы втроём представили наши результаты на международную конференцию во Франции. Если учесть, что к тому времени я успешно посчитал для Фриша его задачку с воронкообразными фотокатодами, то теперь моя программа умела делать то, чего не могли делать никакие другие программы, как в США, так и в мире.
Это вдохновляло.