От торове до лазерни монокристали
Максим Абаев, Иля Комендо
Ако погледнете състава на минералните торове, със сигурност ще намерите там фосфати - соли на фосфорната киселина, които просто съдържат необходимия за растенията фосфор. Производителите на торове като правило се стремят да комбинират възможно най-много елементи, необходими за растенията, в едно вещество. И така, амониевият фосфат е тор, съдържащ фосфор и азот; калиевият нитрат съдържа калий и азот, а калиевият дихидрогенфосфат съдържа фосфор и калий. Ние обаче няма да превърнем статията в наръчник за начинаещ агроном за избора на минерални торове и ще преминем към отговор на по-интересен въпрос: какво общо има „термоядреното“?
След като говорихме в общи линии за селското стопанство, струва си да кажем няколко думи за термоядрената енергия. Няма нищо по-лесно от това да видите истински работещ термоядрен реактор: за това трябва да си сложите тъмни очила в ясен ден и да погледнете към Слънцето. В него, на разстояние приблизително 150 милиона км от Земята, ядрата на водородните атоми се превръщат в ядра на хелиеви атоми, като същевременно излъчват огромно количество енергия, която достига нашата планета под формата на светлина. Физиците бързо осъзнаха, че няма да се получи реактор като нашето Слънце, макар и в много по-малък мащаб, и че трябва да се намерят други начини за провеждане на термоядрена реакция.
В момента две схеми на контролиран термоядрен синтез се разглеждат като най-обещаващи: квазистационарна и импулсна. Първата схема е да се създаде и задържи високотемпературна плазма в силно магнитно поле. Именно на този принцип във Франция се изгражда международният експериментален термоядрен реактор ITER, който се планира да бъде пуснат до 2025 г. Вторият начин е импулсенкъдето кратки изблици на свръхмощни лазери се насочват към малка цел с размер около милиметър, в която се намира термоядрено гориво. Например в научния комплекс NIF на Ливърморската национална лаборатория. Лорънс, има инсталация от 192 лазера с обща мощност 500 TW. За да се предаде такава колосална енергия на светлинен лъч, са необходими специални системи и тук "изскача" калиевият дихидрогенфосфат, вече познат ни от зеленчуковите лехи.
Както се оказа, монокристалите на това вещество имат уникални физични и оптични свойства, които им позволяват да се използват като елементи за нелинейна оптика. Единични кристали на калиев дихидроген фосфат (съкратено KDP) могат да удвоят честотата на светлината, генерирана от лазер. Ако вземете твърдотелен неодимов лазер, така нареченият Nd:YAG лазер, и насочите лъча му към монокристал KDP, тогава излъчената от лазера светлина, невидима за окото, с дължина на вълната 1064 nm, ще има зелен цвят на изхода, съответстващ на дължина на вълната 532 nm. Това свойство на KDP се използва само в съоръжения за инерционен термоядрен синтез, като NIF в лабораторията в Ливърмор или съоръжението UFL-2M, което се строи в нашия Саров: високочестотното излъчване осигурява по-ефективно нагряване на термоядрена цел. Очаква се 192-каналната твърдотелна лазерна система от неодимово стъкло UFL-2M, която е планирана да бъде пусната до 2020 г., да стане най-мощната в света по това време.
И така, какво става с KDP монокристалите? Както се оказа, отглеждането на единичен кристал с подходящ размер е много трудна задача. Първо, за голям мощен лазер е необходим подходящ оптичен елемент, получен от монокристална заготовка с размери 40х40 см. Второ, използваната днес технологияВисокоскоростният растеж на монокристалите предявява най-високи изисквания към чистотата на суровината. Това се дължи на факта, че различните примеси влияят негативно както върху самия процес на растеж на монокристала, така и върху крайните свойства на оптичния елемент. Например, дори малки концентрации на алуминиеви или железни йони могат да забавят скоростта на растеж на лицата на единичен кристал няколко пъти и да нарушат вътрешната му структура. Думата "незначителен" означава наистина оскъдни количества примеси: около един атом желязо на 4 милиона молекули калиев дихидроген фосфат. Със сигурност читателят ще има въпрос: защо се използва такава технология, която изисква суровини с толкова висока чистота? Работата е там, че скоростта на растеж на лицата на монокристал KDP при отглеждане по традиционна технология е не повече от 1 mm на ден. Лесно е да се изчисли, че отглеждането на единичен кристал с необходимия размер ще отнеме повече от една година. За толкова дълго време единичен кристал може да се срине под собственото си натоварване и всякакви ексцесии, като прекъсване на електрозахранването или захранване на кристализатора със суровини, слагат край на процеса на растеж на единичен кристал и изискват рестартирането му. Освен това, според традиционната технология, единичен кристал се отглежда в естествен, естествен разрез, поради лицата на бипирамида и призма, докато оптичният елемент изисква детайл със строго определена кристалографска посока. Това води до факта, че при производството на оптични елементи се използват само 10% от обема на отглеждания монокристал, а останалата част се изпраща във формата за повторно израстване. Технологията за високоскоростен растеж, разработена в Института по приложна физика на БАН, позволява да се получимонокристално получаване на калиев дихидрогенфосфат с определена кристалографска посока за период до два месеца. Ползата е очевидна!
Като епилог бих искал да добавя, че не винаги се забелязва каква роля играят веществата с висока чистота или материалите на тяхна основа в ежедневието. Използвайки примера на калиев дихидроген фосфат, току-що проследихме пътя на вещество от градинска леха до супермощна лазерна инсталация. В същото време оптичните и полупроводниковите материали, компоненти на микроелектрониката, са направени от вещества с изключително висока чистота, където е важна не само химичната, но и изотопната чистота. Развитието на индустрията за високочисти вещества ще позволи на страната да поддържа световното ниво в много области на науката и технологиите.