Российские монокристаллы на мировом рынке наукоемкой продукции

О российских монокристаллах на мировом рынке рассказал ПерсТ’у заведующий лабораторией ИФТТ РАН Николай Владимирович Классен.

Доля России в мировом рынке наукоемкой продукции – 0.3% (конечно, эта цифра не учитывает отправленный на Запад и Восток крупный российский интеллектуальный багаж). ИФТТ – один из ведущих российских разработчиков монокристаллов. Поставляете ли Вы их на мировой рынок?

Н.В.К. Да, это так. Как пример, сейчас в ЦЕРН’е (Женева) строится самый большой в мире ускоритель элементарных частиц на энергию в ТэВ’ы (это – миллиард миллиардов эВ) На этих энергиях должны сталкиваться пучки протонов, рождая частицу, т н. бозон Хиггса. Именно с этой частицы в момент Большого взрыва и началось сотворение мира. Обнаружение этой частицы станет крупным этапом в исследованиях физики элементарных частиц. Так вот, в этом процессе важную роль могут сыграть монокристаллы - именно они призваны зарегистрировать акт рождения бозона Хиггса. Кристаллы должны быть из тяжелых элементов, чтобы эффективно захватывать рождающиеся элементарные частицы высоких энергий, и, с другой стороны, достаточно «быстрыми», т.е. кристалл должен среагировать на акт вспышкой и успеть забыть его к моменту нового акта (которые будут следовать через каждые 25нс).

Вам удалось найти такой кристалл?

Это было непросто. В течение 12 лет (с 1991 года) поиски проводили во всем мире. Перебор шел среди 10 кандидатов. Наконец, остановились на вольфрамате свинца (PbWO4), и в этом выборе наш институт (ИФТТ РАН) сыграл заметную роль. Действительно, первоначально светоотклик (яркость вспышки в момент попадания искомой частицы) этого кристалла был недостаточным. В нашем институте удалось улучшить этот параметр вольфрамата свинца в 5 раз. После испытания в ЦЕРН’е, черноголовский кристалл был утвержден в качестве финалиста. В результате наш институт получил международный грант на доведение технологии кристаллов вольфрамата свинца до промышленного производства.

Сколько кристаллов требуется для церновских детекторов частиц?

Удивительно много, более 100 тонн таких кристаллов. Вес каждого кристалла около 1 кг, так что для экспериментов в ЦЕРНе необходимо вырастить не меньше 100 тысяч кристаллов. Для создания детектора кристаллами заполняют сплошь объем специальной бочки (barrels) диаметром 6м.

Насколько важна однородность параметров таких кристаллов?

Да, это важно. Скажем так. В ЦЕРН’е строится для разных целей два детектора на основе вольфрамата свинца. На один из детекторов CMS (Compact Muon Solenoid) требуется 80 тыс. кристаллов, на другой (ALISA) – 20 тыс.. Во всех случаях разброс параметров не должен превышать 5%. CMS будет работать на протон-протонных пучках, ALISA будет изучать реакции, происходящие при столкновении тяжелых ионов (как раз ионов свинца), которые, разгоняясь до невиданных энергий, формируют очень высокую плотность массы, близкую к плотности черных дыр. Для земных условий это совершенно новое состояние вещества. Сегодня физики говорят о черных дырах в гипотетическом плане, никаких экспериментов не проводили. Таким образом, наши монокристаллы будут активно участвовать в первых экспериментах со сверхплотной массой.

Неужели все эти 100 тысяч кристаллов будут выращены в ИФТТ?

Конечно, нет. В свое время в нашем институте научились выращивать кристаллы вольфрамата свинца и специальным образом их обрабатывать, а затем передали свой опыт на завод «Технохим» (Богородицк, Тульская область). Надо отметить, что сотрудники завода приняли активное участие в доработке технологии до промышленного масштаба. В основе технологии - метод Чохральского, в котором кристалл вытягивается из расплава на затравку. Первые кристаллы, прошедшие по техническим параметрам, в частности, по светоотклику (световыходу) изготовлены непосредственно в нашем институте, а в дальнейшем огромную работу выполнили сотрудники богородицкого завода. Помимо высокого световыхода, кристалл должен быть радиационностойким (должен сохранять свои параметры, получив гигантскую дозу в 107 рад). Кроме того, как я уже говорил, он должен быть очень быстрым (весь процесс излучения света должен укладываться в 15нс). Так вот, кристаллы долго сопротивлялись, но усилиями сотрудников завода при активной помощи ученых их сопротивление удалось преодолеть, заставив сочетать все необходимые качества.

Нельзя ли открыть какие-либо ноу-хау?

Конечно, нет. Это – коммерческая тайна, в частности богородицкого завода, сродни тайне кока-колы. Такие кристаллы делают только на богородицком заводе. Пытались многие – две организации в Китае – Шанхайский институт керамики и Пекинский институт стекла (не получилось!), пыталась чешская фирма Precision Cryoturе, пытались и японские фирмы. Но это рекордное достижение оказалось под силу только россиянам.

Вот небольшой пример. Поначалу более 70% кристаллов уходило в отходы - кристаллы просто растрескивались в процессе либо резки, либо шлифовки. Самое обидное, когда кристалл уже вырезан, отшлифован, отполирован и осталось довести последнюю грань - вот тут он и трещит. Мы стали разбираться. И нашли причину. Кристалл вольфрамата свинца обладает одним удивительным свойством, которое я бы назвал механической полярностью, т.е. появление трещин в этом кристалле зависит не только от того, по какой плоскости вы его шлифуете или режете, но и от того, в каком направлении в этой плоскости вы ведете обрабатывающий инструмент. Если вы ведете инструмент слева направо, то все хорошо, если же справа налево, то он трещит. У него в механическом смысле слоистая структура, сравнимая со структурой дерева. Когда вы строгаете рубанком деревянную доску, то в одном направлении строгается хорошо, а в противоположном получаются сплошные «задиры». Все зависит от того, как направлены в этой доске слои. Приблизительно то же самое происходило и в кристаллах вольфрамата свинца. Мы с этим разобрались, показали в Богородицке, и… проблема исчезла.

В какой срок это нужно изготовить и поставить это количество кристаллов?

На сегодняшний день уже поставлено 20 тысяч кристаллов. Сейчас на заводе в Богородицке работают 150 установок, которые должны в течение 3 лет закончить весь заказ.

Имеется ли спрос на кристалл вольфрамата свинца на нашем внутреннем рынке?

Именно на эти кристаллы – нет. Дело в том, что эти кристаллы оптимизированы на детектирование частиц очень высоких энергий, по крайней мере, гигаэлектронвольты. У нас в России таких действующих ускорителей сейчас нет. Но есть другие задачи, например, нужны детекторы на частицы с энергией в мегаэлектронвольты. Для того, чтобы вольфрамат свинца подошел для регистрации таких частиц, нужно увеличить его чувствительность раз в 10. Так вот сейчас мы совместно с богородицким заводом готовим проект на разработку технологии кристаллов вольфрамата свинца повышенной чувствительности. И вот они-то как раз могут пойти на внутренний рынок. И не только для физических исследований, но и для более прагматичных целей, например, для контроля состояния грузов. Их можно будет использовать при просвечивании морских контейнеров, легковых автомобилей в системах антитеррористического контроля. Одну такую макетную установку мы уже сделали. Она просвечивает 15-ти метровый контейнер на большом грузовике в течение 2 минут. Используется гамма-излучение, позволяющее пробить слой металла толщиной 30см. Контейнер в 3м шириной для гамма-излучения – не проблема. Генерируемые фотоны регистрируются матрицей из небольших (порядка мм в поперечнике) кристаллов вольфрамата свинца. Сигнал обрабатывается компьютером. В результате формируется картина содержимого контейнера с разрешением порядка размеров отдельного кристалла, т.е. около мм. Легко выявляется оружие. В нашем макете формируется теневой рисунок от предметов с высокой плотностью (металлические предметы).

Но мы продолжаем работать над возможностью различить наркотики, взрывчатку. Для этого разрабатываются матрицы нескольких типов кристаллов, оптимизированных на различную длину волны излучения. В результате можно будет проводить химический анализ содержимого, т.е. можно будет различать взрывчатку, наркотики, сахар. Процедура, приводящая к увеличению чувствительности вольфрамата свинца, весьма сложная, является строгой коммерческой тайной богородчан. Это и специальное легирование, и термообработка, и скорость выращивания. Чувствительность зависит не только от того, какую примесь вы добавите в кристалл, но и в значительной степени, как выстроена сама решетка. ИФТТ предлагает варианты специальной обработки поверхности монокристаллов, что также заметно увеличивает чувствительность.

Источником в данном случае служат рентгеновские лучи с широким спектром длин волн. Если в автомобиле или контейнере взрывчатка, в ней много азота, в наркотиках – много групп СН. Излучение с разными длинами волн поглощается в разной степени углеродом, азотом или металлом. Сравнивая контраст, можно определить запрятанное вещество. Гексаген от сахара эта система отличит. Такие установки можно устанавливать в аэропортах, государственных учреждениях, постах ГАИ.

3_19_6.jpg (65425 bytes)

Автомобиль, просвеченный гамма - излучением, распределение которого зарегистрировано сцинтилляционной матрицей из вольфрамата кадмия, изготовленного в ИФТТ РАН.

Какова стоимость ваших установок?

Если говорить о вольфрамате свинца для ЦЕРН’а, то один кристалл весом 1кг стоит от 400 до 600 долл., т.е. весь заказ – 100 тонн – будет стоить 40-60 млн. долл. Вот это - вклад наукоемкой продукции Академии наук в общемировой рынок.

Что касается установок контроля грузов, то первая наша макетная установка для просвечивания контейнеров из металла с толщиной стальной стенки до 300мм будет стоить около 1 млн. долл. В случае серии стоимость может быть уменьшена. В частности, мы сейчас работаем над уменьшением стоимости источников излучения. Есть прикидки для установки с компактными рентгеновскими источниками, различающей состав багажа по химическому составу, это - 20-30 тыс. долл.

Кто производит излучатели?

В С.-Петербурге – Институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) делает ускорители электронов на энергию в несколько МэВ. Электроны бомбардируют алюминиевые мишени, формируя гамма-излучение. Актюбинский завод (который сейчас в Казахстане) выпускает рентгеновские установки на энергии в 300кэВ. Они – более дешевые, и тоже подходят для задачи анализа химического состава грузов.

Сейчас в связи с угрозой терроризма на такие установки может быть высокий спрос, как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

Монокристаллы принимают участие в решении таких актуальных и нелегких задач.