От удобрений до лазерных монокристаллов. Тернистый путь чистоты

Максим Абаев, Илья Комендо
«Наука и жизнь» №2, 2016

Что может связывать сельское хозяйство и до сих пор не осуществлённую «голубую мечту» учёных всего мира — управляемый термоядерный синтез? Фермерам нужно повысить урожайность сельскохозяйственных культур, для чего они используют минеральные удобрения. Конечно, вы можете возразить, что аграрии уже давно пользуются последними достижениями науки, например генной инженерии, выращивая на плантациях генетически модифицированные культуры, которые и растут быстрее, и дают больше плодов, да и не страшен им ни колорадский жук, ни другие вредители. Однако даже самому совершенному томату-мутанту для роста нужны питательные элементы: в первую очередь это азот, фосфор и калий. Поэтому без минеральных удобрений, которыми нужно подкармливать растения, сельское хозяйство обойтись ну никак не может.

Если вы посмотрите на состав минеральных удобрений, то наверняка найдёте там фосфаты — соли фосфорной кислоты, которые как раз содержат необходимый для растений фосфор. Производители удобрений, как правило, стремятся в одном веществе совместить как можно больше нужных растениям элементов. Так, фосфат аммония — это удобрение, содержащее фосфор и азот; калийная селитра содержит калий и азот, а дигидрофосфат калия — фосфор и калий. Однако не будем превращать статью в методичку для начинающего агронома по выбору минеральных удобрений и перейдём к ответу на более интересный вопрос: так всё же при чём здесь «термояд»?

Раз уж мы рассказали в общих чертах про сельское хозяйство, то стоит сказать и пару слов о термоядерной энергетике. Нет ничего проще, чем увидеть реально работающий термоядерный реактор: для этого надо в ясный день надеть тёмные очки и посмотреть на Солнце. В нём на расстоянии приблизительно 150 млн км от Земли ядра атомов водорода превращаются в ядра атомов гелия, излучая при этом огромное количество энергии, которая в виде света доходит до нашей планеты. Физики быстро поняли, что сделать реактор по типу нашего Солнца, пусть и в намного меньших масштабах, не получится и надо искать другие пути осуществления термоядерной реакции.

Форма кристаллов высокочистого KDP («Наука и жизнь» №2, 2016)

Форма кристаллов высокочистого KDP

На сегодняшний момент наиболее перспективными видятся две схемы управляемого термоядерного синтеза: квазистационарная и импульсная. Первая схема заключается в создании и удержании высокотемпературной плазмы в сильном магнитном поле. Именно по такому принципу сейчас строится международный экспериментальный термоядерный реактор ITER во Франции, который планируют запустить к 2025 году. Второй способ — импульсный, где короткие вспышки сверхмощных лазеров направляются на небольшую мишень, размером порядка миллиметра, в которой находится термоядерное топливо. Например, в научном комплексе NIF Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса находится установка из 192 лазеров общей мощностью 500 ТВт. Чтобы передать такую колоссальную энергию светового пучка, нужны специальные системы, — и вот тут как раз и «всплывает» известный уже нам по грядкам с овощами дигидрофосфат калия.

Форма кристаллов KDP, загрязнённого ионами 3d-элементов («Наука и жизнь» №2, 2016)

Форма кристаллов KDP, загрязнённого ионами 3d-элементов

Как оказалось, монокристаллы этого вещества обладают уникальными физико-оптическими свойствами, которые позволяют использовать их в качестве элементов для нелинейной оптики. Монокристаллы дигидрофосфата калия (сокращённое название KDP) могут удваивать частоту света, сгенерированного лазером. Если вы возьмёте твёрдотельный неодимовый лазер, так называемый Nd:YAG-лазер, и направите его луч на монокристалл KDP, то излучаемый лазером не видимый глазом свет с длиной волны 1064 нм на выходе будет иметь зелёный цвет, соответствующий длине волны 532 нм. Это свойство KDP как раз и применяется в установках инерциального термоядерного синтеза, таких как NIF в Ливерморской лаборатории, или строящаяся установка УФЛ-2М в нашем Сарове: высокочастотное излучение обеспечивает более эффективный нагрев термоядерной мишени. Ожидается, что 192-канальная твёрдотельная лазерная установка на неодимовом стекле УФЛ-2М, которую планируется запустить к 2020 году, станет на тот момент самой мощной в мире.

Монокристалл KDP в естественной огранке («Наука и жизнь» №2, 2016)

Монокристалл KDP в естественной огранке, выращенный традиционным методом

Так что же там с монокристаллами KDP? Как оказалось, выращивание монокристалла подходящего размера — задача весьма сложная. Во-первых, для большого мощного лазера нужен соответствующий оптический элемент, полученный из монокристаллической заготовки размерами 40×40 см. Во-вторых, применяемая сегодня технология скоростного выращивания монокристаллов предъявляет к чистоте исходного сырья самые высокие требования. Это связано с тем, что различные примеси негативно влияют как на сам процесс роста монокристалла, так и на конечные свойства оптического элемента. Например, даже незначительные концентрации ионов алюминия или железа способны в несколько раз замедлить скорость роста граней монокристалла и нарушить его внутреннюю структуру. Под словом «незначительные» подразумеваются действительно мизерные количества примесей: порядка одного атома железа на 4 миллиона молекул дигидрофосфата калия. Наверняка у читателя возникнет вопрос: почему же используют такую технологию, для которой необходимо сырьё столь высокой чистоты? Всё дело в том, что скорость роста граней монокристалла KDP при выращивании по традиционной технологии составляет не более 1 мм в сутки. Нетрудно посчитать, что для того, чтобы вырастить монокристалл требуемого размера, потребуется больше одного года. За такое длительное время монокристалл может разрушиться под собственной же нагрузкой, а какие-либо эксцессы, вроде перебоев с электропитанием или подпиткой кристаллизатора сырьём, ставят крест на процессе роста монокристалла и требуют его перезапуска. К тому же по традиционной технологии монокристалл выращивается в естественной, природной огранке, обусловленной гранями бипирамиды и призмы, в то время как для оптического элемента нужна заготовка строго определённого кристаллографического направления. Это приводит к тому, что при изготовлении оптических элементов реально используется только 10% от объёма выращенного монокристалла, остальное отправляется в кристаллизатор на повторный рост. Разработанная в Институте прикладной физики Российской академии наук технология скоростного роста позволяет получать монокристаллическую заготовку калия дигидрофосфата определённого кристаллографического направления в сроки до двух месяцев. Выгода налицо, согласитесь!

Монокристалл KDP, выращенный по методу ИПФ РАН («Наука и жизнь» №2, 2016)

Монокристалл KDP, выращенный по методу ИПФ РАН в необходимом для оптического элемента кристаллографическом направлении

Поэтому физикам, чтобы вырастить крупногабаритные монокристаллы для нелинейной оптики, нужен KDP, в котором суммарное содержание примесей меньше тысячной доли процента, — магазин садовых удобрений в качестве источника сырья тут явно не поможет. Поскольку монокристаллы для преобразователей частоты сверхмощных лазеров — товар уж совсем никак не массового потребления, то и во всём мире производителей особо чистого KDP для этих целей можно пересчитать по пальцам. Произвести несколько тонн вещества — а именно такие объёмы требуются для проектов, подобных УФЛ-2М, способна и вовсе одна-единственная компания. Эта компания находится в США, и время поставки сырья может оказаться намного больше времени роста даже самого крупного монокристалла; валютные курсы и политическая ситуация также не очень благоприятствуют импорту — всё это потенциально ставит под угрозу реализацию проекта УФЛ-2М. К счастью, решение есть. В Институте реактивов и особо чистых веществ в Москве на базе лаборатории неорганических технологий ведётся разработка технологии глубокой очистки KDP, пригодного для использования в нелинейной оптике. Химиками из ФГУП «ИРЕА» уже получены образцы дигидрофосфата калия, по чистоте даже превосходящего импортный аналог и в количестве достаточном, чтобы вырастить крупногабаритный монокристалл.

В качестве эпилога хочется добавить, что не всегда заметно, какую роль играют особо чистые вещества или материалы на их основе в повседневной жизни. На примере дигидрофосфата калия мы только что проследили путь вещества от грядки до сверхмощной лазерной установки. Вместе с тем оптоволоконные и полупроводниковые материалы, компоненты микроэлектроники, изготавливаются из исключительно высокочистых веществ, где бывает даже важна не только химическая, но и изотопная чистота. Развитие отрасли высокочистых веществ позволит стране держать мировой уровень во многих областях науки и техники.


0
Написать комментарий

    Элементы

    © 2005-2017 «Элементы»