От удобрений до лазерных монокристаллов. Тернистый путь чистоты
Максим Абаев, Илья Комендо
Что может связывать сельское хозяйство и управляемый термоядерный синтез?
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.
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.
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.
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 40х40 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!
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.
Читайте в любое время
