Ян Дуглас Смит Генератор молний и золотая рыбка
Лауреат премии «Глобальная энергия» 2003 года
Импульсную энергетику называют энергетикой будущего, хотя исследования в этом направлении проводятся с середины прошлого века. Фантастическая мощность, сосредоточенная в электрическом «выстреле», создает множество возможностей, которые сейчас повсеместно изучаются и исследуются. И не случайно первыми лауреатами премии «Глобальная энергия» в 2003 году стали российский физик Геннадий Месяц и его коллега, американский ученый британского происхождения Ян Дуглас Смит, которые получили свои награды именно «за фундаментальные исследования и разработку мощной импульсной энергетики».
Ян Смит известен в мире как авторитетный специалист в области мощной импульсной и мегавольтной коммутационной энергетики, техники изоляции. К его заслугам относят анализ электрического пробоя больших пакетов вакуумных изоляторов, установление ряда закономерностей пробоя в масле, воде и твердых диэлектриках, разработке конструкции трансформаторов, позволяющих исключить потери в линиях электропередач. Под его руководством созданы многоканальные мегавольтные газовые и масляные переключатели и ряд систем сильноточной энергетики. Он также внес заметный вклад в технику генерирования наносекундных электрических импульсов многотераваттной мощности.
За этими скупыми строчками – яркая жизнь азартного исследователя, который проводил, по его признанию, дни и ночи не на конференциях или в библиотеках – а в лабораториях, где пробовал, изучал, не знал ответа, ошибался и добивался результата.
Ян Смит родился в Англии, в графстве Хэмпшир, и был самым младшим из троих детей. По его словам, у него не сохранилось никаких воспоминаний о предвоенных годах, до сентября 1939 года, и потому в детстве война казалась ему обычной жизнью. Он не помнил – как это жить без войны. Дом, где жила его семья, находился всего в нескольких сотнях метров от Королевского авиационного научного центра (Royal Aircraft Establishment), и впоследствии, уже в мирное время, это место прославилось одним из крупнейших в мире авиашоу. Но в войну жизнь поблизости от такой очевидной цели вражеских налетов означала много-много ночных бомбардировок, проведенных под столом в обеденном зале. «Настоящее бомбоубежище, – пишет Ян Смит, – на вкус нашей семьи, было слишком сырым и холодным».
Семье повезло, окрестности дома не пострадали, и больше всего в те годы семья волновалась по поводу старшего брата, который служил на флоте, пока он не вернулся домой в 1945 году.
Ян Смит признается, что трудности военного времени и нормирование продуктов были для семьи немного смягчены тем, что родители работали в продуктовом магазине. Однако жили голодно, и самые яркие послевоенные воспоминания – о бананах, мороженом и первых каникулах на море.
К морю семья и переехала, когда родители вышли на пенсию. Поселились в маленькой деревушке на восточном побережье. Яну было тогда тринадцать. После двух лет в гимназии Фарнборо для мальчиков, где курсанты занимались строевыми упражнениями и изучали винтовки и пистолеты, средняя школа округа Клактон, по его воспоминаниям, оказалась более приятным местом, потому что там учились и девушки.
Когда Ян подрос, основным увлечением вне школы стал спорт. Он рассказывал: «Я унаследовал любовь моего отца к спортивным играм, хотя и не его навыки – в свое время он завоевывал медали победителя Кубка любительской футбольной ассоциации, и, согласно нашей семейной легенде, завоевал сердце моей матери, выполняя хет-трик в матче по крикету». Ян же, по его самокритичному признанию, играл на гораздо более скромном уровне в футбольной команде зимой и в крикетной – летом. Тем не менее, обе команды занимали неплохие позиции в местных лигах. Его другие приятные воспоминания о школьных годах относятся к тому времени, которое он проводил в Лондоне в доме брата Брюса и его жены Сильвии. Вместе с ними он ходил на крикетные матчи, в музеи и на концерты. В подростковом возрасте полюбил классическую музыку, и эта любовь осталась на всю жизнь.
В школьные годы он много читал, и, благодаря чтению и отличным учителям, заинтересовался естественными предметами. А разговоры с лучшим другом Колином о звездах, которые мальчики рассматривали в телескоп, добавили к увлечениям еще и астрономию. Однако учителя его в этом не поощряли, потому что карьера астронома тогда не казалась многообещающей и захватывающей.
Семья Яна Смита жила скромно, и карманные деньги на свои нужды он зарабатывал, развозя продукты в корзинке «торгового велосипеда», но мать каким-то образом убедила отца поддержать сына, чтобы он продолжал учиться в старших классах, а затем попробовал поступить в университет.
Ян окончил школу в 1956 году и получил стипендию, которая позволила ему поступить в Колледж Св. Иоанна в Кембриджском университете. У «Св. Иоанна» тогда была хорошая научная репутация в науке, в то время там работали знаменитые ученые Пол Дирак и Фред Хойл.
В 1959 году он получил степень бакалавра по физике. Гораздо позже он посчитал свой выбор после Кембриджа удачным, тогда же он казался просто случайным. Астрономия отпала, хотя один их преподавателей, Мартин Райл, позднее Королевский астроном, был одним из тех, благодаря кому астрономия снова становилась захватывающим полем для исследований. Другой наставник попытался заинтересовать его прообразами компьютеров, но эта идея оставила равнодушной.
Большинство его друзей в колледже, как он вспоминает, тогда мечтали остаться в Кембридже и получить докторскую степень. В Кембридже в те дни на это требовалось всего два года. Но Ян почувствовал желание заняться практической деятельностью. Он прошел собеседование на должность сотрудника в лаборатории Калхэма (Culham Laboratory), и своими глазами видел, как строители роют котлован будущего здания для термоядерного реактора. Тем не менее, на работу его не взяли, хотя это было как раз удачей, потому что тот проект так и не был реализован.
Таким образом, его первой работой стала Научно-исследовательский центр по атомному оружию (AWRE) в Олдермастоне. Выбор был определен двумя вещами: там работал небольшой ускоритель, а в то время его уже заинтересовали ускорители, и он мог жить в Рединге, всего в 35 минутах езды на поезде из Лондона. В Рединг Ян переехал уже с семьей: незадолго до этого он женился на своей первой жене Маргарет Кемп.
«Мое первое задание на AWRE, – рассказывает он, – состояло в том, чтобы сфокусировать электронный луч с радиочастотным ускорителем на 35 MeV, чтобы получать высококачественные рентгенограммы внутри взрывоопасной камеры. Я решил адаптировать ядерное магнитно-резонансное устройство в качестве фокусирующей линзы первой ступени, и реализовал идею импульсной магнитной катушки для окончательной фокусировки. Я сам построил катушки и с помощью встроенного конденсаторного банка активировал импульс».
А вскоре состоялась встреча, которая станет одной из главных в его жизни. Выглядело, по его словам, это так: «Однажды человек в грязной футболке, которая не закрывала его большой живот, объяснил мне, что он собирается разрабатывать системы с использованием радикальных новых технологий, которые ускоряют электроны дешевле, чем радиочастотный ускоритель, и в 3000 раза интенсивнее рентгеновских лучей. Таким образом, я сначала придумал то, что мы теперь будем называть маленькой импульсной силовой системой, а затем встретил Чарли Мартина».
Кроме того, успешные опыты с ускорителями привели к первым контактам с американскими учеными. Одним из них был еще один Мартин – Дон Мартин, который работал в лаборатории Лоуренса в Ливерморе.
Следующие пять-шесть лет молодой ученый провел в группе Чарли Мартина, которая делала первые шаги в том, что позже было названо «импульсной энергетикой». «Мы шли за интуицией Чарли: он считал, что если бы мы могли найти способы генерации больших напряжений и чрезвычайно высокой мощности при очень коротких импульсах (по его подсчетам, около 30 наносекунд), мы могли бы применять импульсы для создания новых, очень мощных электронных пучков и рентгеновских установок. Под руководством Чарли мы разработали короткоимпульсные электрические генераторы с использованием новых технологий».
Первые годы в группе Чарли Мартина Ян Дуглас Смит называет «воспитательными»: он многому научился у Чарли и других своих коллег. Кроме того, тот факт, что группа изготовляла большую часть оборудования вручную, дарило просто физическое ощущение. «Если вы создаете импульсные генераторы с помощью ручных инструментов, вы можете чувствовать, как течет энергия, и когда вы делаете руками проводники и диэлектрики, вы интуитивно понимаете, будут ли они успешно изолировать или нет, – рассказывал он. – Даже некоторые из наших осциллографов были изготовлены нами вручную. Дисплейные трубки были куплены у Ferranti, а их двухвекторные двухлучевые дефлекторы с чувствительностью 2 кВ/см сделали нас относительно невосприимчивыми к электромагнитным шумам. Это было хорошо, потому что наши импульсные генераторы запускали мощные рассеянные электромагнитные сигналы. Я помню, как босс Чарли спускался из своего кабинета над моей лабораторией, чтобы сказать мне, что я заставил что-то на его столе искриться на некотором расстоянии от радиатора с горячей водой. Правда, он казался более впечатленным, чем обеспокоенным».
Люди работали азартно, заинтересованно и очень увлеченно. Сотрудничество сочеталось с соревнованием, как в работе, так и во многих играх, которые они изобретали. В обеденных перерывах, как вспоминает Ян Смит, они с коллегами плавали в новом резервуаре для пластиковых генераторов на пруду возле нашей лаборатории. На регулярных чаепитиях играли в дартс. Иногда игра и работа смешивались: «Однажды мы с Чарли решили повеселиться и построить рентгеновскую трубку с высоковольтным изолятором, сделанным изо льда, – пруд замерз в эту зиму. Чарли решил, что электродами должны служить ложка и вилка из столовой. Я обнаружил, что не получается достаточно вакуума внутри льда, но пластиковые нож и вилка работали достаточно хорошо, чтобы продемонстрировать директору AWRE, новые короткие импульсы – мы сделали мгновенный рентгеновский снимок его часов».
Эти годы были забавными и беспокойными. В 1962 и 1965 годах родились дети – Адриан и Аманда. После этого семейная жизнь стала основным увлечением ученого за пределами работы. Как он вспоминает, «он прошел единственный в жизни период занятий садоводством, но только съедобным. И виноделие (но никогда из винограда) стало хобби на некоторое время». Как и у родителей Яна, у них с женой тогда не было машины, и с работы, и на работу он ездил на автобусе, на велосипеде или на поезде.
Следующей отправной точкой стало создание импульсных генераторов, изготовленных из полиэтиленовых листов (диэлектрики), чередующихся с медными листами (проводниками). Эти листы составляли множество цепей формирования импульсов, которым они дали название «Блумлейны», по имени Алана Блумлейна, британского пионера радиолокационной и стереофонической записи. Группа впервые продемонстрировала эту «сложную технологию Блумлейн» на научной выставке в Лондоне. В воду, в которую был погружен генератор на миллион вольт, Чарли выпустил золотую рыбку – и она не пострадала.
Это была романтическая эпоха первых шагов, эмоций, личного участия: «Когда Отто Фриш, известный ученый, пионер исследований деления ядра, читал наш материал, я увидел, как на его лице появилась улыбка. «Могу я объяснить что-нибудь, профессор?» – спросил я. «Нет, спасибо, – ответил он, – я просто подумал, что это потрясающе, какие интересные вещи все еще можно делать с помощью грубой техники».
В начале 1960-х годов в работе группы Чарли Мартина произошли большие изменения. «Наша технология электрических импульсов стала востребована как самый передовой метод, позволяющий моделировать некоторые эффекты ядерного оружия, – рассказывал Ян Смит. – Так что эта «симуляция» неожиданно стала иметь большое значение как в Великобритании, так и в США. Даже Чарли этого не ожидал. Следствием этого в 1964 году стал мой первый визит в США. Я выступил с докладом о работе группы – в основном, о нашей новой конструкции вакуумных изоляторов, а также о наших генераторах – на первой конференции по вакуумному разрушению в Бостоне, штат Массачусетс. Но основной целью моей поездки была Сандия (Sandia), Национальная лаборатория в Альбукерке, где я помогал моему коллеге Томми Сторру установить один из новых импульсных генераторов, сделанный по нашей технологии. Этот генератор на тот момент был самым мощным в мире, и превосходил наш крупнейший генератор в Великобритании. Это дало примерно стократное увеличение уровня рентгеновского излучения по сравнению с тем, что было нам доступно, когда наша группа приступала к работе. Но наши машины были предназначены только для «случайной стрельбы»: чтобы получать рентгеновские снимки. Сделать надежными повторные операции еще было трудно». Так что в Сандии тогда назвали их машину «судорожной».
В этой поездке состоялась еще одна судьбоносная встреча: Ян Смит снова встретился с Доном Мартином, только теперь тот уже был сотрудником новой коммерческой компании «Физикс Интернэшнл» (Physics International). Эта компания также пыталась создавать и управлять генераторами конструкции AWRE, но Мартин тогда рассказал Яну Смиту, что они также работают над созданием генераторов новой конфигурации, более подходящих для бесперебойной работы. Он отказался раскрывать технологию, но сказал, что машина будет в пять раз мощнее той, которую англичане построили в Сандии. «Затем, по мере того, как мой скептицизм и беседа обострились, Дон сказал, что новая технология может быть увеличена до 500 рентген, затем до 5000 и, наконец, до 50 000. Все это было настолько невероятно, что я даже не стал сообщать об этом в AWRE. Кто бы мог подумать, что позже я буду работать над двумя последними генераторами в этой серии», – рассказывал Ян Смит.
«Физикс Интернэшнл» располагалась в Сан-Леандро. Дон Мартин в итоге показал Яну Смиту второй генератор в серии, и это так увлекло молодого ученого, что он захотел остаться. Поэтому он принял предложение работать на Дона, и в январе 1967 года прибыл в район залива Сан-Франциско с семьей.
«С тех пор я это место стало моим домом. Сейчас мне трудно представить, что я мог бы жить где-нибудь еще, – рассказывал он. – Благодаря друзьям в «Физикс Интернэшнл» эти перемены в жизни прошли для меня относительно легко, хотя я и помню, что мне пришлось изучать новый язык. Например, пытаясь помочь хозяйке «вымыться», я обнаружил, что для нее это означает не мытье посуды, а мытье лица».
Переход к крупномасштабной инженерии «Физикс Интернэшнл» стал для него еще одной большой переменой. В AWRE самой большой рентгеновской трубкой была та, которую могли поднять два человека. Но в свой первый день в «Физикс Интернэшнл» он сам оказался внутри рентгеновской трубки. И для того, чтобы поднять ее, был необходим специальный подъемник.
Последующие годы Ян Смит считает наиболее продуктивным в его карьере. Он проводил на работе долгие часы. Он участвовал в конструировании имитатора гамма-излучения «Аврора», огромного устройства около 100 футов в длину и 50 футов в ширину и высоту. «Устройство содержало 1,5 миллиона галлонов масла, я находился в грязных масляных баках в резиновых сапогах, руководя масштабными испытаниями новых технологических возможностей, и я был счастлив», – признавался он.
Затем была четырехмодульная «Аврора», построенная в сорока милях от Калифорнии, где Ян Смит провел много дней и ночей. Но он не задержался на Восточном побережье надолго, потому что окончанием строительства «Авроры» руководил его коллега Берни Бернштейн. Ученый рассказывал: «В памяти до сих пор сообщение по телефаксу о том, как он «выстрелил» полным напряжением и получил заданный рентгеновский выход – 50 000 рентген. «Где я слышал это число раньше?» – подумал я».
Ян Смит стал руководителем отдела импульсной энергетики компании «Физик Интернэшнл» Дона Мартина, но по-прежнему большую часть своего времени проводил в лаборатории. И в те годы, как он признавался, самое большое удовлетворение он получал, исследуя оборудование, которое обеспечивало новые возможности. «Аврора» и «Питон», один из первых многотераватных генераторов, были лучшими примерами.
Все это время он поддерживал тесный контакт и со своим учителем Чарли Мартином, и с другими бывшими коллегами в AWRE. Они с Чарли писали друг другу рукописные письма, исписывая по двадцати страниц, причем письма были не полностью техническими. Часто встречались семьями. «Все американское сообщество импульсной энергетики тоже очень любило Чарли, – рассказывал Ян Смит. – Он с энтузиазмом погрузился в технологию, разрабатываемую в США, и предложил много новых идей. Он посвятил много времени тому, чтобы склонить правительственные агентства США поверить в перспективы импульсной энергетики. А его потрясающая личность и изобретательные идеи делали его очень убедительным. Некоторые из проектов, над которыми я работал, возможно, никогда не состоялись без его усилий по их продвижению».
Поскольку масштабы импульсных энергетических проектов «Физикс Интернэшнл» росли, Ян Смит больше не проводил так много времени в лаборатории, и лет через десять почувствовал себя готовым попробовать себя в роли консультанта. В течение трех лет он был Ian Smith Inc., корпорацией с одним сотрудником. Он сотрудничал с несколькими национальными лабораториями и компаниями, помогал разрабатывать линейный индукционный ускоритель «FXR» в Лаборатории Лоуренса в Ливерморе и принимал участие в различных проектах в Сандиа, в Альбукерке. Как он рассказывал, он завел новых друзей и проводил много времени в Альбукерке, стал ценить Нью-Мексико, в том числе его острую пищу, конкурировавшую с индийской едой, которую он научился любить в Кембридже. Впрочем, это не вытеснило индийскую кухню с позиции самой им любимой.
Но в 1980 году приятная жизнь консультанта закончилась, когда Смит узнал, что его бывшие коллеги Сид Путнам и Фил Спенс покинули «Физикс Интернэшнл». Возможность создать новую компанию с ними была для него слишком хороша, чтобы упустить её. Новую компанию назвали PSI. Аббревиатура, впрочем, означала не обычные «фунты на квадратный дюйм», единицу измерения давления, а – Фила, Сида и Яна.
С большим юмором он рассказывает, как начиналась эта компания: «Тем не менее, сидя под моим лимонным деревом, вместе с офицером безопасности компании (а это была моя собака Полли), мы пытались найти более скромное имя для официальных коммуникаций. Остановились на «Pulse Sciences, Inc.». К нам вскоре присоединился еще один бывший коллега, Фил Чампни, который также прежде работал в группе Чарли. Мы запустили Pulse Sciences и поселились в здании собора, элегантном офисном здании в центре Окленда. Работать мы начали «на бумаге», но с прицелом на поиск возможностей для сборки оборудования».
Один из самых важных результатов деятельности PSI был далек от науки. К началу восьмидесятых семья Яна Смита распалась, и в 1981 году он разошелся со своей первой женой. В 1982 году, предприняв попытку найти того секретаря, который был бы способен разобрать его почерк, он случайно зашел в находящейся по соседству офис авиакомпании и познакомился с офис-менеджером Шери Дженнингс. В то время она училась на оперную певицу и подрабатывала в офисе.
Она разобрала его почерк, они стали вместе работать, а затем влюбились друг в друга. В 1983 году Шери сбила машина. И хотя удар по голове был смягчен рукописью важной статьи Смита, которая у нее была с собой, как он с юмором вспоминает, она пострадала в аварии. Ей стало тяжело подниматься по лестнице в свою квартиру, поэтому она переехала в квартиру Яна, где был лифт. Как оказалось – навсегда. Такова была эта история любви.
«Наши три десятка лет с Шерри – замечательные, – рассказывает он. – Наши интересы схожи. Самый большой из них – музыка. Но мы также играем в теннис, катаемся на лыжах. Мы путешествуем в разные уголки мира, но также любим близкие к нам холмы и парки, где мы гуляем вместе с нашими золотистыми ретриверами. Мы оба полюбили общество этих собак еще до того, как мы встретились. Шери больше не дает концертов, но поет дома. Сейчас она стала лайф-коучем, помощь людям – это то, что ей больше всего нравится. И, безусловно, она очень помогла мне».
Первые годы роста новой компании PSI стали еще одним периодом напряженной работы. Компания начала с разработки оборудования, затем стала его строить, переехала в лабораторию в Сан-Леандро и выросла до семидесяти человек.
В начале 1980-х годов рост того, что стало известно, как сообщество импульсной энергетики, благодаря конференции, впервые организованной Крисом Кристиансеном в Texas Tech, было признано Институтом инженеров по электротехнике и электронике IEEE. Была учреждена премия Эрвина Маркса в честь изобретателя «Генератора Маркса», разработанного в 1920-х годах. «Первая награда в 1981 году, конечно же, досталась Чарли Мартину, что было большим событием, а я стал первым американским лауреатом этой премии в 1983 году (в 1976 году я стал гражданином США), – рассказывает Ян Смит. – PSI внесла важный вклад в технологии импульсной энергетики. Мы создали значительное (и, я думаю, высококачественное) импульсное силовое оборудование, а также участвовали в создании новых импульсных энергосистем, в частности, в сотрудничестве с Сандия. Но их применение, в основном, приходилось на оборонную отрасль, а этот рынок сильно сократился в 1990-х годах. Поэтому Pulse Sciences искала и нашла дополнительные проекты в Европе. В результате я стал главным путешественником PSI по Европе. Теперь у нас с Шери много хороших друзей во Франции и Германии. Но даже без этой случайной выгоды я очень рад, что работы на оборону стало меньше. Появляется все больше и больше возможностей мирного применения импульсной энергетики».
Управленческая работа дала ему возможность находить и оценивать новые таланты и работать со многими людьми, которые могут делать то, чего он никогда не мог. Ведь технологии импульсной энергетики теперь разрабатываются с помощью очень сложных компьютерных вычислений.
В 2002 году с большим опозданием, по его мнению, он начал сокращать свою работу в импульсной энергетике и постепенно выходить на пенсию. Они с Шери увлеклись гольфом. «Я сознаю, что в моей жизни было недостаточно «досуга», и есть множество привлекательных способов провести время. Я больше не катаюсь на лыжах и играю только в маленький теннис, но мне очень нравится играть в сквош и гольф. Мы с Шери начали больше путешествовать. Я использую все возможности, чтобы посетить мою сестру Бренду и мою невестку Сильвию в Англии. Нами не изучены до сих пор многие увлекательные районы США. Дети, Адриан и Аманда, которая вместе с мужем украсила нашу жизнь двумя восхитительными внучками, живут близко от нас, как и мать Шери Барбара и ее младшая сестра Бекки с мужем и нашими двумя очаровательными племянниками. И в наши «ленивые» дни мы обнаруживаем, что холмы вокруг нашего дома и наши золотистые ретриверы так же красивы, как и всегда».