11/07/2016 Новости институтов
Ученые СО РАН приоткрывают тайны разработок
793 ИФП СО РАН ИЯФ СО РАН ИТ СО РАН ИХКГ СО РАН СО РАН Физика Инновации Новосибирск Как возникают идеи проектов? Кто готовит чертежи и детали, а затем проводит сборку и тестирование? И какие проблемы приходится решать до того, как нажать на кнопку «Пуск». Об этом рассказывают ученые новосибирского Академгородка.
Вакуумная установка в космосе Множество технологических установок создали в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН — этим там занимаются уже более 40 лет. Сейчас ученые планируют обкатать метод изготовления сверхлегких и гибких солнечных батарей прямо в космосе. О пути от идеи к ее воплощению говорит заместитель директора ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Олег Петрович Пчеляков: — Наша работа над установками началась с поездки тогдашнего директора института академика Анатолия Васильевича Ржанова в Америку. Он побывал там после присуждения Нобелевской премии по физике профессору корпорации «Интернейшнл бизнес машинс» (ИБМ) в США Лео Эсаки (1973), который первым изготовил тонкопленочные многопереходные элементы для нового поколения СВЧ-электроники и светоизлучающих структур. И Ржанов, будучи у него, понял, что нам надо осваивать эту технологию. Также в основу нашей деятельности легли идеи создателя отдела роста и структуры полупроводниковых материалов доктора-физико-математических наук Сергея Ивановича Стенина. Мы активно взаимодействовали с предприятиями СССР и так называемой «оборонной девяткой» — различных советских министерств, которые занимались снабжением ОПК оборудованием. В 1988 году в Москве проходила аналогичная форуму «Технопром» крупная выставка. Тогда мы полностью развернули трехкамерную установку для эпитаксии из молекулярных пучков и даже пытались прямо на своем стенде выращивать полупроводниковые пленки. Впоследствии это оборудование за миллион долларов купили наши коллеги из Болгарии — настолько их впечатлило увиденное. Начатый еще в советское время цикл мы успешно завершили в 1996 году. Потом был большой перерыв, и с 2006 года мы снова наладили производство на Опытном заводе СО РАН. В 2011 году мы поставили однокамерный вариант установки «Катунь» в Томский государственный университет, а через два года — двухкамерный в Новосибирский государственный технический университет. Наша крайняя разработка — установка для создания многослойных полупроводниковых структур в космосе, которые потом будут транспортироваться на Землю целиком в специальной полностью герметичной капсуле. Это первый опыт по выращиванию пленок на Международной космической станции — ранее подобные эксперименты были только на борту Шаттла. Оборудование работает в автоматическом режиме и будет размещено прямо в открытом космосе, как один из модулей МКС. Это позволяет нам использовать предельный вакуум, какой на Земле достигнуть невозможно, чтобы получить ультрачистые слои. От этого зависит качество конечной продукции — преобразователей солнечной энергии. Наша технология — уникальная и позволяет создавать совершенные квантоворазмерные структуры, что принесет новые возможности в развитии наноэлектроники. Мы можем выращивать их с разным химическим составом в зависимости от того, какими веществами мы «зарядим» аппаратуру. Сегодня наш главный заказчик — РККА «Энергия». Именно для нее мы выпускаем новую установку, поскольку корпорацию очень заинтересовала наша деятельность. Первые эксперименты покажут качество продукции — пластин диаметром в 100 мм, которые составляют основу солнечных батарей, чья площадь на МКС достигает размеров футбольного поля. Наши пленки увеличивают эффективность преобразования энергии почти в два раза — соответственно, уменьшается и необходимое число батарей. Комплексные тесты этой установки мы провели в АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», где есть специальные сертифицированные стенды для испытаний вакуумом, нагревом, охлаждением, вибрацией. Наше оборудование все выдержало. Над чертежами работают специалисты конструкторского отдела нашего института. Также мы традиционно действуем в тесном контакте с новосибирским Опытным заводом СО РАН и Красноярским ООО «Электрон». Конструкторская документация создается в электронном виде и может быть использована для изготовления деталей на 3d-принтере или на современных станках с цифровым программным управлением. Ее полный комплект для новой установки занимает пачку бумаги весом в несколько килограмм. В принципе, детали научной установки можно заказать любому предприятию с соответствующими станками и кадрами. Наш многолетний партнер — Опытный завод Сибирского отделения. Также мы взаимодействуем с Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, обладающим очень хорошим оборудованием. На их мощностях мы размещаем только изготовление деталей и осуществляем авторский надзор, а все специалисты, которые разрабатывают и собирают установку, находятся у нас в институте. Часто мы привлекаем к производству и заказчиков — во время изготовления они обучаются управлять нашими изделиями. Тепломассообмен по-крупному В лаборатории низкотемпературной физики работает самая большая тепломассообменная установка Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН — крупномасштабная модель дистилляционной колонны. Заведующий лабораторией член-корреспондент РАН Александр Николаевич Павленко рассказал о том, что нужно учитывать при создании таких махин, и почему 20 лет назад воплотить крупный проект было в чем-то легче, чем сейчас. — В начале 1990-х годов мы начали сотрудничать с крупнейшей компанией криогенного машиностроения Air Products and Chemicals, Inc. (США). Фирме была нужна универсальная установка, которая бы позволяла моделировать весь спектр процессов тепломассообмена, имеющих место в реальных дистилляционных колоннах с так называемыми структурированными насадками, и приспособленная для решения задач на десятилетия вперед. Работа началась в 1994 году, и сроки были поставлены предельно сжатые — фактически, на всю работу нам дали только год. Почему обратились именно к нам? ИТ СО РАН обладал серьезным криогенным оборудованием — мы создавали гелиевый контур еще в лаборатории теплообмена при фазовых превращениях, возглавляемой академиком Самсоном Семеновичем Кутателадзе. Это довольно сложный экспериментальный стенд, поэтому при его создании у нас накопился богатый инженерный опыт, были необходимые научные сотрудники и, что тоже очень важно, квалифицированный рабочий персонал. Также мы в полной мере использовали компетенции конструкторского отдела нашего института. В первую очередь, нужно было сделать технический проект — его мы готовили вместе с заказчиком, и на это ушло около трех месяцев. В подобной документации стараются на годы вперед заложить все параметры новой установки. Например, в 2000-х годах мы заменили в ней серьезные узлы и разработали размещаемые внутри основного корпуса колонны меньшего размера с поперечным сечением различных форм — возможность проведения работ такой сложности и объема была просчитана заранее. Это дало нам возможность проводить в последующем уникальные эксперименты по изучению влияния так называемого масштабного фактора на эффективность разделения смесей, исследовать процессы тепломассопереноса в колоннах некруговой геометрии. Установка располагается в нескольких помещениях и состоит из основной базовой колонны, системы испарителей и конденсаторов — соответственно, нужна горячая и холодная жидкости. Раньше в Академгородке была прекрасная система централизованного оборотного водоснабжения, которой пользовались все институты, но в 1990-е годы ее почти полностью разрушили, и нам пришлось создать свою собственную градирню для охлаждения воды. Кроме того, нужна система хранения, эвакуации и подачи смесей фреонов различной концентрации и целая сеть циркуляционных насосов, а также огромный комплекс узлов экспериментального назначения. В течение дня в колонне проводятся тысячи разнообразных измерений, а значит, необходимы специальные компьютерные программы, которые бы управляли перемещением измерительных датчиков по поперечному сечению насадки по заданным во времени законам, сбором и первичной обработкой исследовательской информации — их тоже пришлось разрабатывать самим. Многие измерительные методики применительно к специфическим задачам экспериментального исследования — например, безнапорные датчики измерения локального расхода жидкости — разрабатывали также в лабораториях нашего института. Периодически возникали проблемы компоновки оборудования. Крупногабаритные конденсаторы следует располагать наверху — значит, необходимо несколько эстакад. Насосы подвержены вибрации, которая не должна передаваться по узлам, поэтому их нужно соответствующим образом углубить, в том числе, с учетом кавитационного запаса. По нормативам электродные котлы для обогрева воды должны обязательно стоять в отдельных помещениях. Ну и сама крупномасштабная секционная колонна имеет высоту около девяти метров, и ее тоже нужно расположить надежно. Все эти тяжелые элементы требуют соответствующей системы фундаментов. Поэтому на первом этапе продумывают общую конструкцию установки с учетом всех строительных требований — шумоизоляции, компактности размещения, возможности оперативной сборки и разборки всех элементов оборудования, требований по вентиляции и так далее. В этом нам помогла специализированная компания, которая много лет занималась созданием холодильного оборудования и прекрасно знала специфику работы с фреонами. Это дорогие и озоноопасные жидкости, поэтому все должно быть абсолютно герметичным. Стандартные узлы — например, испарители и конденсаторы — можно свободно купить. Необходимы тысячи единиц разного рода — одних только сильфонных вентилей из нержавеющей стали нам потребовалось около 400 штук. В том числе и поэтому, в составе такой лаборатории, как наша, обязательно нужны слесари, токари, которые могли бы оперативно выточить небольшую деталь, вышедшую из строя, изготовить новые измерительные датчики и так далее. Нужны высококвалифицированные инженеры-операторы, лаборанты для управления работой столь сложного экспериментального комплекса. Разумеется, есть и несерийное оборудование — прежде всего, это сама колонна, являющаяся очень сложным узлом. Она должна быть разборной, все ее секции — перемещаться вверх-вниз в любой последовательности и так далее. При ее разработке очень хорошо проявил себя конструкторский отдел нашего института. Здесь сроки изготовления тоже не превышали трех месяцев. Колонну, работающую при повышенном давлении, необходимо сделать по очень жестким нормативным требованиям — это касается сварных швов, толщины стенок, абсолютной герметичности и прочего. В Новосибирске завода, который бы мог ее изготовить, не нашлось, и мы обратились в Кемерово на предприятие «Химмаш», а вот вся начинка внутри установки была выполнена на нашем заводе «Сибэлектротерм». Оборудование для работы с фреонами — испарители и конденсаторы — для нас изготовили в Барнауле, а модернизированные под наши требования электродные котлы с плавной регулировкой и высокой стабилизацией по мощности — в Чите. Специалисты нашего института координировали процесс, и это позволило сделать уникальную установку, не имеющую на сегодня аналогов в мире, практически в течение года. В 1990-х при наличии достаточного финансирования создавать установки было в чем-то проще, чем сейчас. При сегодняшней системе закупок, когда на тендеры тратятся месяцы, мы бы просто не смогли построить все за год, ведь покупать нужно десятки тысяч элементов с особыми спецификациями. Три очереди — не предел В Институте ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера работает одна из крупнейших установок Сибирского отделения, включающая три лазера на свободных электронах (ЛСЭ), базирующихся на четырехдорожечном ускорителе-рекуператоре. О том, как в течение почти двадцати лет создавался комплекс сложнейшего оборудования, которое нельзя купить ни за какие деньги, рассказал советник РАН директор Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения академик Геннадий Николаевич Кулипанов. — В конце восьмидесятых годов прошлого столетия в ИЯФ на базе накопителя электронов ВЭПП-3 мы создали лазер на свободных электронах малой мощности, но работающий в спектральном диапазоне от инфракрасного до вакуумного ультрафиолетового излучения. В то время это был единственный в мире ЛСЭ такого типа. После этого ИЯФ был привлечён к выполнению Государственной программы по развитию мощных лазеров на свободных электронах. В рамках этой программы мы разрабатывали проект, базирующийся на использовании высокочастотного ускорителя-рекуператора. Впервые использовать метод рекуперации (то есть возврата большей части неиспользованной энергии электронного пучка для повторного её использования) при создании больших ЛСЭ предложили в 1977 году академик Александр Николаевич Скринский и Николай Александрович Винокуров, в то время аспирант ИЯФ. Идея получила популярность и стала применяться при создании всех мощных установок такого типа по всему миру. Рекуперация важна не только для экономии потребляемой энергии и повышения коэффициента полезного действия ЛСЭ, но и для облегчения решения проблем с радиационной безопасностью. В эти же годы сотрудники Института химической кинетики и горения (академик Юрий Николаевич Молин и Александр Константинович Петров) посетили ИЯФ для обсуждения с командой нашего института, в которую вошли академик Александр Николаевич Скринский, я и Николай Александрович Винокуров, возможности создания в Академгородке ЛСЭ для исследований в области инфракрасной фотохимии и отработки ряда фотохимических технологий. Эти задачи во многом определяли требуемые параметры ЛСЭ: плавно перестраиваемая длина волны в области 20 – 5 микрон, монохроматичность 0,1 %, импульсная мощность несколько мегаватт, средняя мощность порядка киловатта. В ИХКиГ СО РАН было готовое пустое здание с радиационно защищённым залом, которое изначально возводили под задачи радиационной химии, но в котором можно было разместить четырёхоборотный ускоритель – рекуператор нужной энергии и ЛСЭ. После обсуждений в Президиуме СО РАН было принято решение разместить в этом здании ЛСЭ и создать на его базе Центр фотохимических исследований. Основным руководителе работ стал член-корреспондент РАН Н. А. Винокуров. Весь проект создан научными сотрудниками, инженерами и конструкторами ИЯФ СО РАН, а большая часть оборудования изготовлена на экспериментальном производстве Института. Часть оборудования мы делали по кооперации с другими предприятиям. Например, мы не владеем технологией вакуумного соединения больших листов меди и нержавеющей стали, необходимых для изготовления высокочастотных ускоряющих резонаторов. Поэтому по нашим чертежам необходимые полуфабрикаты резонаторов были изготовлены на предприятии «Комсомолец» в Тамбове. Частично мощные высокочастотные генераторы, выполненные по нашим чертежам, были поставлены Барнаульским радиозаводом. Иногда приходилось перестраивать что-то на ходу. Так, мы планировали использовать высокочастотные лампы санкт-петербургского завода «Светлана», но, когда их перестали выпускать, пришлось переходить на зарубежные аналоги, что также потребовало переделок. Облик и основные принципы создания установки всегда определяются по совокупности планируемых задач, научного и технологического потенциала института, а также имеющегося финансирования. К концу девяностых годов Государственная программа создания мощных лазеров на свободных электронах была закрыта и финансирование прекращено. Поэтому мы разделили весь проект на три очереди. Итоговая стоимость установки — 30 миллионов долларов, и большую часть этой суммы нам приходилось зарабатывать самим. Мы выпускали высокочастотные резонаторы и ондуляторы по заказу американских и южнокорейских коллег и на вырученные деньги создавали свои установки. Первая очередь включала запуск в 2003 году однооборотного ускорителя–рекуператора и ЛСЭ терагерцового диапазона, в котором наш лазер оказался самым мощным в мире. Вторая начала работу в 2009 году и использовала двухоборотный ускоритель-рекуператор и ЛСЭ в области 100÷30 микрон. В третьей, запущенной в 2015 году, используется четырёхоборотный ускоритель-рекуператор и ЛСЭ в области 30÷5 микрон. Сборку, запуск, наладку и ввод в эксплуатацию осуществляли наши лаборанты, механики и инженеры. Эта работа занимает несколько месяцев — нужно проверить все системы не только в отдельности, но и в комплексе, дабы они соответствовали самым высоким параметрам точности и надёжности. Немаловажно, чтобы все оборудование работало стабильно, ведь излучение используют сотрудники других институтов и организаций. Для этого нужно поддерживать устойчивое энергопитание, а также постоянную температуру. Лазер на свободных электронах — не законсервированная система. Есть варианты его развития: повышение мощности, расширение спектрального диапазона, новые типы ондуляторов, улучшение качества электронного пучка, установка фотоинжектора или СВЧ-пушки. Однако все эти работы мы должны координировать с пользователями ЛСЭ — сейчас у нас работает более тридцати групп из институтов СО РАН, Москвы, Нижнего Новгорода, Самары, Германии и Южной Кореи. Подготовил Павел Красин
