ГРИГОРИЙ ВЕНИАМИНОВИЧ СПИВАК

(К  100-ЛЕТИЮ  СО  ДНЯ  РОЖДЕНИЯ)

 

 

Один из известных физиков-«электронщиков» нашей страны Г.В.Спивак родился 2 ноября 1900 г. Его научная деятельность началась в 1926 г., когда он был еще студентом физического факультета МГУ и работал в лаборатории профессора Н.А.Капцова. Несколько первых его работ посвящены исследованию взаимодействия пространственного заряда электронов и положительных ионов. Он разработал новый метод измерений весьма низких давлений, основанный на действии положительных ионов на отрицательный пространственный заряд. Другая серия ранних исследований Г.В.Спивака относится к экспериментальному и теоретическому изучению радиометрического эффекта. Многочисленные (более 300) работы Г.В.Спивака посвящены: исследованиям электрического разряда в газах и элементарных процессов в них, решению газокинетических проблем, физической электронике, электронной микроскопии и разнообразным практическим применениям.

Классические работы Г.В.Спивака по изучению обмена энергией между молекулами газа и твердой стенкой использовали: Я.И. Френкель - для проверки теории сил взаимодействия между газом и поверхностью металла, Л.Д.Ландау - при учете вибрации решетки металла в процессе ее атомной бомбардировки. В течение 1932-1936 гг. Г.В.Спивак изучал влияние метастабильных атомов на различные параметры газового разряда. Впервые была доказана существенная роль метастабильных атомов в балансе плазмы и катодных частей газового разряда. Эти эксперименты использованы В.Роговским в его работах по тонкой структуре разряда, подтверждены американским физиком О.Дуффендаком, цитируются в работах М.Штеенбека, вошли в монографию Л.Леба «Фундаментальные процессы при прохождении электричества через газы» (на англ. яз.) и в энциклопедию «Handbuch der Physik».

В 1935-1944гг. Г.В.Спивак перешел к экспериментальному и теоретическому исследованию влияния магнитного поля на характеристики газового разряда. Был разработан новый метод интерпретации показаний зондов при наличии магнитного поля и создана фундаментальная теория влияния магнитного поля на зондовые токи. Классическая теория Ленгмюра вытекает из этой общей теории как частный случай. К этому направлению примыкает ряд экспериментальных работ, проведенных под руководством и при непосредственном участии Г.В.Спивака: изучалась плазма по методу возмущения ее магнитным полем, рассмотрено ее контрагирование и указано на наличие пяти особенностей в показаниях зондов, отражающих изменения, происходящие в разряде под влиянием магнитного поля. Параллельно изучалось влияние магнитного поля на движение электронов в вакууме, была уточнена теория процессов в магнетроне. Сравнение экспериментальной и теоретической характеристик показало, что средняя энергия электронов в цилиндрическом магнетроне много больше, чем энергия, соответствующая температуре катода. Учет функции распределения электронов по скоростям, проводившийся Г.В.Спиваком в исследованиях магнетрона и эффектов магнитного поля в плазме и в вакууме, привел в 1948 г. к разработке общего метода нахождения функций распределения для неравновесных, но стационарных систем при наличии явлений переноса. Функцию распределения можно найти в весьма сложных системах, в которых имеются градиенты температуры, концентрации и действуют одновременно электрические и магнитные поля. Эта работа - серьезный вклад в статистическую физику.

В дальнейшем Г.В.Спивак основное внимание уделяет электронно-оптическим проблемам и исследованиям электронной эмиссии. В 1949-1952 гг. были разработаны электронно-оптические системы, позволяющие получать изображения объектов при атмосферном давлении, а также в условиях газового разряда высокого и низкого давлений. Одновременно Г.В.Спивак предложил метод подавления сферической аберрации электростатических линз, использующихся в просвечивающих и эмиссионных электронных микроскопах.

Цикл работ Г.В.Спивака по катодной электронике объединен общей методикой проведения экспериментов, опирающейся на эмиссионный микроскоп. Это позволило эффективно сочетать изучение интегральных и локальных характеристик электронных эмиттеров различной природы. В исследованиях 1950-1957гг. большое внимание было обращено на интерпретацию наблюдаемой в микроскопе картины, завуалированной локальными объемными зарядами и микрогеометрией поверхности. Комплексные исследования одного и того же эмиттера с использованием термоэлектронной и вторичной электронной эмиссии позволили установить корреляцию между геометрией термоэмиттера и его эмиссионными свойствами.

В 1958г. появилась фундаментальная работа Г.В.Спивака о разрешении эмиссионного микроскопа при наличии магнитного поля в области иммерсионного объектива. Полученные результаты подробно излагаются во многих зарубежных и отечественных обзорах по электронной микроскопии; они дали возможность в дальнейшем разработать и построить новые оригинальные электронные эмиссионные микроскопы с двухэлектродными иммерсионными объективами. На базе этих исследований была создана целая серия приборов для физических исследований в области эмиссионной электроники.

С 1959г. разрабатываются проблемы контраста изображений разного рода объектов в эмиссионных, зеркальных и растровых системах. На основе количественного решения ряда проблем контраста в дальнейшем были разработаны экспериментальные методы определения локальных работ выхода неоднородных катодных материалов, что позволило впервые непосредственно применить эмиссионный микроскоп для решения практических производственных задач. Г.В.Cпивак интересовался также явлениями электронной эмиссии у ферромагнетиков в точке фазового перехода (точка Кюри) и обнаружил, что в этой точке работа выхода претерпевает значительные изменения. По инициативе Г.В.Спивака группа сотрудников проводила исследования распыления твердых тел под действием ионных потоков. Эти эксперименты важны как для практического применения явления катодного распыления, так и для изучения механизма этого процесса. В результате был разработан ряд технических установок для выявления структуры вещества при использовании ионной бомбардировки (УИТ №1,2,3,4). Установки УИТ, отмеченные дипломами и золотыми медалями ВДНХ, демонстрировались в 1958 - 1962 гг. на международных выставках в Лондоне, Париже и Рио-де-Жанейро. Разработка этих установок была отмечена премией им. С. И. Вавилова НТО приборостроения.

В конце 50-х годов Г.В.Спивак совместно со своими учениками начинает большой цикл теоретических и экспериментальных работ в области непросвечивающей электронной микроскопии: эмиссионной, зеркальной и растровой, причем цельнометаллический зеркальный электронный микроскоп с прямым ходом пучков был сконструирован и построен впервые в мире. С помощью фотоэмиссионного и зеркального электронных микроскопов были визуализированы магнитные микрополя и поле р-п-перехода полупроводникового диода.

При разработке теории контраста изображений в эмиссионных и зеркальных электронных микроскопах вначале была дана качественная трактовка контраста изображений в таких системах, а затем в конце 60-х годов была разработана и экспериментально подтверждена количественная теория контраста. Теоретические и экспериментальные работы, посвященные контрасту изображений в непросвечивающих микроскопах, доложенные на нескольких Всесоюзных и Международных конференциях по электронной микроскопии, по сути дела, открыли новую главу в истории непросвечивающей электронной микроскопии.

В начале 60-х годов Г.В.Спивак с учениками продолжил разработку нового направления - стробоскопической электронной микроскопии, предназначенной для исследования локальных, периодических во времени, быстропротекающих процессов на поверхностях и в микрообъемах твердых тел. Был сконструирован сначала стробоскопический вторично-эмиссионный микроскоп, затем зеркальный, растровый, просвечивающий. С помощью стробоскопического вторично-эмиссионного микроскопа впервые удалось увидеть (а затем и измерить) импульсное прямое падение напряжения в базе полупроводникового диода и наблюдать на экране микроскопа процесс, время установления которого порядка нескольких наносекунд, что близко к теоретическому пределу. С помощью такого микроскопа-хронографа удалось исследовать быстропротекающие процессы включения и выключения тиристоров, диодов Ганна. Эксперименты по исследованию доменной структуры ферромагнетиков в стробоскопическом электронном микроскопе показали существование нового физического явления - разрыва доменных границ в процессе импульсного перемагничивания тонких магнитных пленок. Это кардинально меняло ранее существовавшее предположение о механизме импульсного перемагничивания.

Эти работы привели к открытию, зарегистрированному Госкомитетом по делам изобретений и открытий СССР за № 159 от 15 мая 1975г. Практическое значение открытия заключается в том, что, зная истинный механизм перемагничивания, можно рассчитать поведение ферромагнетика в техническом устройстве. В 1972г. Московский университет отметил эти работы в области исследования импульсного перемагничивания Ломоносовской премией 1 степени.

С 1958г. под руководством Г.В.Спивака были начаты работы по растровой электронной микроскопии. Через три года уже работал РЭМ, выполненный в металле, а в 1961 г. было сделано первое сообщение о методе, позволяющем качественно характеризовать распределение электрического поля в р-п переходе по получаемому контрасту изображения в РЭМ. Дальнейшие работы развивались в направлении повышения чувствительности метода исследования влияния температуры на электрический пробой р-п перехода, наблюдения процесса поверхностной зарядки диэлектриков. В 1968 г. удалось осуществить в РЭМ идею стробоскопического метода исследования периодических процессов в полупроводниках. В дальнейшем эта методика получила широкое применение у нас и за рубежом для исследования разнообразных быстропротекающих процессов. По инициативе Г.В.Спивака были проведены также работы по получению рентгеновского изображения в РЭМ в режиме «на просвет». Эта методика дала возможность повысить разрешение рентгеновских изображений и уменьшить среднюю дозу облучения объекта во время эксперимента. Можно отметить исследования в режиме катодолюминесценции, наблюдение и измерение электрических и магнитных микрополей, исследование полупроводниковых структур и микроприборов. Большое внимание уделяется разработке новых методов и приспособлений к РЭМ с последующим внедрением разработок в НИИ и на заводах-изготовителях.

Последние годы дали весьма интересные результаты по катодолюминесценции (КЛ): впервые удалось в растровом микроскопе получить цветное изображение и использовать его для развития метода количественного анализа примесей в малых концентрациях в люминесцирующих структурах, обнаружения дислокационных зон, процесса замещения в минералах и других методик. Совместно с ГЕОХИ АН СССР проводились работы по исследованию лунных грунтов, по визуализации микротопографии и оценке микрорельефа. Получены снимки, по которым удалось составить картину микроструктуры лунного реголита. Интересный результат был получен при разработке способа повышения разрешения в КЛ с использованием стробоскопии. Эта методика позволила получить световое изображение с разрешением, превышающим оптическое. Применение методов стробоскопии к сигналам с большими временами релаксации позволило обобщить этот метод и повысить разрешение изображения не только в катодолюминесцентном режиме, но и в наведенном токе, что чрезвычайно важно для исследования полупроводниковых структур и микросхем.

Г.В.Спивак умело сочетал фундаментальные исследования с работами, имеющими практическое значение. Он получил более 30 авторских свидетельств на изобретения. Профессор Г.В.Спивак, являясь опытным педагогом, создал ряд курсов лекций на физическом факультете Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова, подготовил более 50 кандидатов и докторов наук, которые успешна работают в различных научно-исследовательских учреждениях и в промышленности как в нашей стране, так и за ее пределами.