ВАКУУМНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ И КОСМИЧЕСКИЕ ПРОЕКТЫ
Галина Шпак.
В третьем квартале этого года Экспериментальный
научно-технический и учебный центр СО РАН (в прошлом -- Опытный
завод) впервые за последние 10 лет вышел на уровень рентабельного
производства. Произошло это во многом благодаря восстановлению
участка чистой вакуумной сборки и изготовлению наукоемкой
сверхвысоковакуумной продукции по заказам Институтав физики
полупроводников. Это вакуумные системы для испытания
технологического оборудования перед эксплуатацией в условиях
открытого космоса и для лазерной очистки веществ.
Содружество института и Опытного завода по созданию вакуумного
производственного участка началось лет двадцать назад. Многие
специалисты знают и помнят как начиналась эта большая работа. В
отделе доктора физико-математических наук Олега Петровича
Пчелякова хранятся документы, в том числе в компьютерной версии,
отражающие этапы комплексных исследований, разработки целого ряда
технологических сверхвысоковакуумных установок и создания новой
технологии. Даже краткая выборка информации очень красноречива.
Историческая справка
С 1979 по 1990 годы ИФП совместно с СКТБ специальной электроники
и аналитического приборостроения СО АН СССР (с 1991 года -- КТИ
ПМ) и НИИ вакуумного электронного машиностроения (НИИ ВЭМ, г.
Ижевск) под руководством профессора С.Стенина (ныне покойного)
была проведена разработка целого ряда технологических
сверхвысоковакуумных установок. При этом был использован опыт
совместной с ИЯФ СО АН СССР разработки и изготовления
трехкамерной сверхвысоковакуумной установки "Селенга" для
исследования процессов синтеза полупроводниковых пленок из
молекулярных пучков и создания технологии молекулярно-лучевой
эпитаксии (МЛЭ).
В период с 1985 по 1990 годы ИФП совместно с СКТБ СЭ и АП и
НИИВЭМ разработана конструкторско-технологическая документация и
создано четыре поколения промышленно-ориентированного
технологического сверхвысоковакуумного (СВВ) оборудования для
МЛЭ. Это были установки "Ангара", "Катунь", "Катунь-В" и
"Катунь-С". Опытным заводом СО АН СССР за этот период была
освоена технология производства многокамерных СВВ установок для
МЛЭ и выпущено 35 комплектов такого оборудования. Первым
заказчиком этого оборудования был Минский
научно-исследовательский институт радиоматериалов Министерства
промышленности средств связи (Белоруссия). Затем установки были
приобретены многими предприятиями и организациями министерств
Электронной, Оборонной промышленности и Академии наук. Каждая
установка снабжалась автоматизированной системой управления
технологическим процессом и аналитическим оборудованием.
Трехкамерная установка МЛЭ типа "Катунь" при технологическом
пуске размещалась в помещении не менее 50 кв. м. Стоимость
полного комплекта при поставках внутри страны составляла в 1988
году около 1 млн рублей и в экспортном исполнении -- около 2 млн
переводных рублей. Установка "Катунь" на 1987 год не имела
отечественных аналогов, а по ряду параметров соответствовала
мировому уровню. В 1988 году с выставки "Наука-88" в Центре
Хаммера трехкамерный вариант установки был продан в Болгарию и
затем запущен в эксплуатацию в Институте прикладной физики БАН в
г. Пловдив.
Благодаря освоению новой перспективной техники и технологии
изготовления многослойных полупроводниковых структур для
микроэлектроники фактически была преодолена зависимость от
соответствующих импортных поставок. Ежегодно на Опытном заводе СО
РАН выпускалось до шести трехкамерных установок. В 1993 году
участники этой работы были удостоены первой Государственной
премии России в области науки и техники. Однако в 1992 году
производство СВВ оборудования на Опытном заводе было
приостановлено. Прекращение финансирования работ по госзаказам,
отсутствие средств у потенциальных заказчиков и разрушение связей
между республиками бывшего СССР и странами СЭВ сделали свое дело
-- остановились работы по проектированию и изготовлению новых
установок по уже заключенным договорам. В период с 1992 по 1997
годы происходило быстрое разрушение производственной базы.
Утратились уникальные технологии и потеряны
высококвалифицированные специалисты. И только в 1997 году
наметились перспективы восстановления вакуумно-технологического
производства на площадях четвертого корпуса бывшего Опытного
завода.
Первый заказ по теме "Экран"
|
|
У стенда-имитатора космического пространства, где планируются
испытания технологической установки "Экран", рождаются
фантастические идеи. Руководители групп Л.Соколов и
В.Преображенский.
|
В настоящее время близка к завершению работа по восстановлению
участка чистой вакуумной сборки на площадях Экспериментального
научно-технического и учебного центра СО РАН (ЭНТ и УЦ).
Проводятся переговоры с потенциальными заказчиками в России и за
рубежом об организации мелкосерийного производства вакуумных
установок различного типа. Во многом этому процессу
способствовала поддержка Президиума СО РАН.
Проведенный анализ информации, имеющейся в открытой печати и в
сети Интернет, показывает, что работы с использованием
космического вакуума проводятся в настоящее время только в двух
странах (США и Россия). Работы по американскому проекту были
инициированы в 1989 году Центром эпитаксии в космическом вакууме
(Университет г. Хьюстона). У нас они начаты в 1996 году отделом
молекулярной эпитаксии Института физики полупроводников СО РАН
под руководством лауреата Государственной премии, профессора
О.Пчелякова в рамках программы секции фундаментальных космических
исследований РАН "Эпитаксия" и договора на выполнение особо
важных работ для государственных нужд "Экран".
Первыми заказчиками стали Международный центр полезных нагрузок
космических объектов и Ракетно-космическая корпорация "Энергия".
По теме "Экран" ИФП СО РАН в 1997--1998 годах выполнил разработку
технологического оборудования для получения полупроводниковых
пленок в условиях открытого космического пространства. Эти работы
направлены на преодоление принципиальных ограничений традиционных
вакуумных технологических процессов, проводящихся в наземных
условиях. Для этого предполагается использовать физические
факторы открытого космического пространства, приводящие к
предельно возможной скорости откачки всех компонентов газовой
среды, включая инертные газы. Особенно яркий эффект дает
использование "молекулярного экрана", с помощью которого, как
показывают расчеты и результаты первых экспериментов, возможно
получение такого разряжения газовой среды, которое не может быть
в принципе достигнуто в наземных условиях.
Объем финансирования работ на стадии разработки научных основ
новой технологии и проектирования оборудования составил в 1997
году 1 млн рублей, а в 1998 -- 2,2 млн рублей. В соответствии с
утвержденной Советом по космосу РАН и Российским космическим
агентством программой в ИФП СО РАН в 1998 году была проведена
разработка стенда-имитатора космического пространства и установки
для проведения процесса синтеза полупроводниковых пленок в
условиях орбитального комплекса "Мир". Однако, финансирование
работ по изготовлению этого оборудования со стороны генерального
заказчика было приостановлено в связи с решение очередного
правительства о затоплении станции "Мир" и прекращением
финансирования космических проектов.
Несмотря на прекращение бюджетного финансирования, как сказал
профессор О.Пчеляков, работы в институте не остановлены.
Очередной их этап будет связан с наземными экспериментами по
отработке технологии синтеза полупроводниковых структур для
приборного применения на стенде-имитаторе.
Спроектированный стенд-имитатор космического пространства,
документация на его изготовление и была передана на Опытный завод
-- Экспериментальный научно-технический и учебный центр СО РАН. В
кратчайшие сроки (с 30.05.98 по 15.10.99 гг.) в рамках
тройственного договора (ЭНТ и УЦ, ИФП и СО РАН) была проведена
технологическая проработка и изготовлен сверхвысоковакуумный
стенд-имитатор космического пространства. Затем 11.01.99 г. был
заключен второй тройственный договор и проведена работа по
созданию чистого помещения-модуля для технического запуска
стенда.
Чистое помещение находится в Термостатированном корпусе Института
физики полупроводников. Этот модуль на первом этаже резко
выделяется на фоне других отсеков своей сияющей космической
эмблемой "Экран". Олег Петрович Пчеляков открыл дверь, и мы вошли
в чистый коридор.
-- Это помещение, собственно говоря, создавалось с участием
сотрудников Опытного завода.
-- Не уступит евроремонту!
-- На заводе делали и подъемные механизмы, специальную оснастку
для запуска нашей установки. А перегородка -- чисто
дисциплинарная. Когда начнутся эксперименты, в этот модуль будут
входить только через специальный тамбур для переодевания. В
верхней одежде вход запрещен. Как видите, -- модуль почти готов.
Осталось дооборудовать вентиляционную систему и прочие дела по
технике безопасности, -- газовые источники требуют особо
осторожного обращения.
Газовый источник -- французскую натурную установку
молекулярно-лучевой эпитаксии -- я увидела в полной красе. В
комнате, где она стоит, будет организован участок по наземной
отработке технологии получения полупроводниковых пленок в
открытом космосе. Физикам понадобились именно газовые системы, в
отличие от обычных так называемых тигельных источников, на
которых основаны сибирские установки. В них загружается
кристаллический или аморфный материал. Но в космосе будут
выращиваться пленки из газовых пучков, точнее -- с использованием
газовых источников.
-- Начнутся эксперименты по наземной отработке процессов газовой
эпитаксии на серийной французской установке и газовой эпитаксии
внутри нашего имитатора с использованием всех технологических
систем летающей установки, -- вот тогда будет интересно. -- В
этот момент Олег Петрович пытался открыть заветную дверь, за
которой находился стенд-имитатор космического пространства.
Не повезло! Пришлось смотреть в "космическое пространство" через
дверную щель (дверь сдерживала увесистая скоба, а ключ забыли!).
-- Видите? На столе стоит цилиндр?
-- Это бочка?
-- Она частично возвышается над столом, а другая ее часть --
внутри столешницы, закрытая щитами. Это откачная система,
состоящая из четырех магниторазрядных насосов. В верхней части
цилиндра есть большое фланцевое соединение для закрепления
летающей установки. Сверху в эту "бочку" будет загружаться вся
технологическая оснастка установки космического базирования... А
слева от стенда виден вакуумный контейнер, в котором установка
будет транспортироваться на орбиту в грузовом отсеке космического
корабля "Прогресс" и далее -- на орбитальную станцию "Мир"...
-- Если станцию не затопят... Когда начнутся эксперименты на
Земле?
-- По плану -- первый квартал двухтысячного года, но возможны
неувязки из-за денег. Правда, мы надеемся, что и до нас долетит
"капелька" из бюджетных средств на исследования в космическом
пространстве.
-- Как оценили вашу работу на недавней конференции в Калуге?
-- Я прочитал, как вы знаете, приглашенный доклад, познакомил с
промежуточными результатами нашего проекта эпитаксии молекулярных
пучков за молекулярным экраном. Получил приглашение выступить на
заседании Отделения общей физики и астрономии Российской академии
наук. А реакция на доклад была неожиданной для меня. В решении
первой Российской конференции по космическому материаловедению
учтены работы Сибирского отделения. Ведь эта конференция подвела
итог за 25 лет работы российских материаловедов и предложила
план-концепцию развития космического материаловедения на первое
десятилетие двадцать первого века. Кстати, я рассказывал в Калуге
и об исследованиях свойств конструкционных материалов, побывавших
в космосе и подвергшихся воздействию метеорного потока Леонид. Мы
сейчас ищем иностранных и отечественных инвесторов.
Укладка под номером 64 на станции "Мир"
|
|
Л.Соколов и О.Пчеляков -- соавторы проекта "Экран".
|
Как только Олег Петрович назвал "Леониды", я сразу насторожилась:
-- И вы промолчали об эксперименте на станции "Мир"?! (Этот
разговор записан в кабинете О.Пчелякова.)
-- В этой истории есть элемент везения. Помните -- последний
экипаж полетел на "Мир"? Это Сергей Авдеев, Виктор Афанасьев и
борт-инженер Жан Пьер Энерье, французский космонавт. С Авдеевым
мы встречались, разговаривали по поводу нашей программы. Он --
рекордсмен по монтажу различных изделий в открытом космосе и по
продолжительности полета на орбитальной станции. Это выдающийся
космонавт. Ему было поручено вынести образцы материалов --
металлические фольги, из которых будет изготовлен наш
молекулярный экран. Из этих исходных материалов мы приготовили
несколько образцов -- так называемую укладку. Укладка под номером
64 и была транспортирована на борт "Мира". И возвратилась к нам.
-- Пакет напоминает дискету, -- я держала в руках этот "вещдок"
осторожно, копируя завзятых криминалистов, и рассматривала
поблескивающие полоски.
-- По размеру укладка действительно напоминает трехдюймовую
дискету. Вот три полоски фольги, в зависимости от освещения
меняющие цвет, хотя исходные материалы почти одинаковы -- типа
нержавеющей стали и титановые сплавы. Из такой тоненькой фольги
будет изготовлен экран диаметром три метра. Он будет раскрываться
в космическом пространстве, как зонтик-автомат, а работать -- как
молекулярный экран, обеспечивая защиту чистой части --
экспериментальной камеры -- от набегающего потока космических
частиц.
-- В чем же будут выращиваться полупроводниковые структуры?
Должна же быть какая-то камера, "печка"...
-- Весь смысл в том, что получается вакуумная камера без станок,
-- естественный вакуум в космосе. Единственное ограждение --
молекулярный экран. Этот зонтик будет раскрываться. Причем, на
ветру он выворачивается и получается так, что поверхность
подложки нашего полупроводникового образца, если так можно
выразиться, -- не будет видеть даже крыльев экрана. Образец
находится в его центре. Тем не менее материал зонтика должен быть
безупречен, ведь экран должен выдерживать удары микрометеоритов,
микрочастиц, аэрозолей, которые могут встречаться в полете. Он
должен выдерживать воздействие жестких излучений, набегающего
потока атомарного кислорода, азота -- газов, определяющих фоновое
давление -- десять в минус седьмой ртутного столба.
-- Это стандартные фольги?
-- Но цель нашего эксперимента -- вынести стандартные материалы в
открытый космос, поместить их на внешнюю оболочку станции "Мир"
так, чтобы эта кассета с материалами с одной стороны подверглась
воздействию набегающего потока, а с другой -- этому воздействию
не подвергалась. Нам повезло, -- во время последней экспедиции
наблюдался метеорный поток, его называют "Леонидами", метеоры
которого кажутся вылетающими из созвездия Льва.
-- Кстати, древнейший по наблюдениям метеорный поток отмечен
китайцами в 1768 году до новой эры (специально справилась по
энциклопедии). Леониды дают большие звездные дожди.
|
|
И.Кожемяко -- инженер группы растровой туннельной микроскопии
вместе с кандидатом физико-математических наук С.Тийсом участвуют
в исследованиях материалов, прошедших испытания в открытом
космосе.
|
-- По интенсивности потока они не имеют себе равных, но это очень
редкое явление. Может быть, Леониды такой интенсивности снова
увидят лет через сто. Такие экстремальные условия помогли
проверить на прочность экран, и теперь мы можем сказать, что
стандартные материалы испытали экстремальную нагрузку метеорного
потока. У меня есть акт передачи укладки -- кодовое название
эксперимента "Экран-Д" -- на станцию "Мир". 11 ноября 1998 года
кассета была установлена на поручни станции и пробыла в космосе
почти год. Образец сняли в августе девяносто девятого. Теперь мы
можем сказать, что исходные материалы испытали экстремальную
нагрузку метеорных потоков. Посмотрите, -- на поверхности фольг
сквозных отверстий нет. Можно увидеть вмятины, то есть места, где
пластины подвергались разогреву.
-- И разводы видны...
-- Следующая наша задача -- сравнительные исследования, и тогда
мы сможем говорить не только об устойчивости самого материала,
его структуре, но и о взаимодействии с набегающими потоками.
Что-то сможем сказать и о Леонидах, -- например, -- о химическом
составе следов микрочастиц комического вещества.
-- Помогать вам будут физики Института гидродинамики? По-моему,
они занимаются подобными работами...
-- Они занимаются кластерными потоками. Для нас важно провести
всесторонние исследования. В нашем институте есть специальные
методики -- поверхностно-чувствительные -- для структурного
анализа материалов. Мы хотим не только просмотреть -- исследовать
микроструктуры на атомарном уровне тех мест, куда попали метеоры,
но и обязательно снять информацию о химическом составе этих
следов. И узнаем, какие они были по размерам, эти метеоры. Но
самая главная цель, как я уже говорил, -- выяснить как
отреагировала фольга, что с ней произошло за долгое пребывание в
открытом космосе под воздействием жесткого излучения, под
воздействием набегающих потоков атомарного кислорода и метеоров.
-- Все-таки уточните -- можно сказать, что вы провели некий
эксперимент на станции "Мир"?
-- Это и был первый эксперимент по нашей программе. Следующий --
по плану -- связан с выносом действующей установки в открытый
космос, закрепление ее на борту станции "Мир", испытание и
проведение ростовых, как мы говорим, экспериментов. Эти
эксперименты пришлось пока отложить в связи с консервацией
станции. Они будут продолжены только в том случае, если до конца
этого года мы найдем спонсоров. К сожалению, правительство пока
не поддерживает проект и продолжение жизни орбитальной станции
"Мир".
Игра лазерных излучений
|
|
В лаборатории мощных лазеров сотрудниками отдела
молекулярной эпитаксии закончен монтаж вакуумной системы
установки для лазерного разделения изотопов. Решающий вклад в ее
изготовление внесли Ю.Ваулин, Н.Митюк, А.Никифоров, М.Ревенко, а
также В.Блинов и В.Лопатин.
|
Сильные впечатления иногда отупляют, и я спросила, -- каким
образом связаны вакуумные установки, находящиеся в двух корпусах
института?
-- Все это звенья одной цепи с точки зрения нашей работы с
Опытным заводом. В Лабораторном корпусе стоят установки, которые
сделаны десять лет назад, и мы до сих пор их эксплуатируем и
получаем конкурентоспособные результаты на мировом уровне. А
отдельные установки мы сейчас начинаем соединять в кластерные
комплексные системы, на которых будем отрабатывать элементы
технологии для использования в космосе и в технологии лазерной
очистки веществ. Все это, кроме французской установки, сделано на
Опытном заводе и частично на экспериментальном участке нашего
института. И два последних тройственных договора выполнены
благодаря кооперации.
Цитата из документов
Третий тройственный договор был заключен в мае 1999 года.
Предметом договора было создание стенда для отработки лазерных
технологий вакуумной очистки веществ. Генеральным заказчиком
выступает Ижевский механический завод. По этому договору
изготовлена разработанная в ИФП СО АР установка "Улов". Успешное
завершение работ по этому договору во многом заслуга директора
ЭНТ и УЦ (Опытный завод) Г.Орлова. Выполнение этой работы,
уникальной не только для России, обещает большую выгоду, учитывая
и научный интерес. Появилась перспектива получения серийного
заказа на вакуумные системы подобного типа, которые будут
изготавливаться по откорректированной
конструкторско-технологической документации. Предполагаемый объем
заказа -- пять установок стоимостью 1 млн рублей в год.
Чтобы попасть к лазерщикам, нужно спуститься с третьего на второй
этаж новой пристройки Лабораторного корпуса.
-- На ракету похожа! -- это я смотрела на сверкающую установку,
прикрывая глаза рукой -- разноцветные лазерные лучи и точки так и
бьют, прямо ослепляют!
Непонятно, куда идти -- налево или направо -- лазеры сверкают в
двух комнатах и работают на одну установку по лазерному
разделению изотопов. Здесь идут эксперименты по очистке веществ.
-- Она не просто очищает вещества, допустим свинец, от примесей
но очищает, выделяя нужный изотоп или удаляя ненужный, -- говорит
незнакомый мне человек. -- В данном случае мы удаляем ненужный
радиоактивный изотоп. Низкорадиоактивный свинец используется в
микроэлектронике.
-- Можно сказать, что вы добываете этот материал...
-- Очищаем. Но в принципе -- согласен -- добываем свинец. У нас
широкий фронт задействован -- от добычи руды нужной нам, выпуска
свинца, его переработки и до финальной очистки.
-- Вот не знала, что вы такие "горняки-добытчики"?
-- У нас коллектив большой и не только в Новосибирске -- в
Ижевске, в Москве, на свинцовых рудниках. Но и заказчиков
достаточно. Мы поставляем заказы по многим адресам, включая фирму
IBM.
-- Сколько же вы "добываете"?
-- Ну что вы, у нас очень дорогой материал, добываем немного, но
это секрет. Не могу же я раскрывать секреты, -- заказчик не
разрешит. Заказчик у нас суровый.
-- А свое имя можете назвать?
-- Бохан Петр Артемович, заведующий отделом квантовой
электроники.
Сотрудничество двух отделов Института физики полупроводников
-- нашего и молекулярно-лучевой эпитаксии, который возглавляет
Пчеляков, привело к созданию комплекса лазерной очистки. Другие
производства, связанные со свинцом, базируются в других городах,
-- уточнил новый заведующий отделом квантовой электроники.
-- Но оборудование делалось в Экспериментальном техническом
центре?
-- Нет, на Опытном заводе делалась установка "Улов" --
существенная часть комплекса. В этой камере производится
финальная очистка вещества. А лазерные системы -- и в
Новосибирском университете -- фирмой "Техноскан", и в институте.
Мы используем лазеры с различными длинами волн, различными
оптическими частотами. Используется принцип задающего генератора.
Это лазеры на красителях, изготовленные фирмой "Техноскан".
Накачка производится непрерывно аргоновым лазером. Видите,
голубой луч идет? Потом он преобразуется в два красных луча. Это
уже наш лазер. А затем излучение, которое вырабатывают эти
стабильные лазеры, по стеклянным трубам транспортируется в
комнату напротив и там слабое, но стабильное излучение
усиливается...
Стеклянные трубы видны в коридоре, они как бы протыкают стены
двух комнат.
-- Как в ракете, да?
-- Не совсем, не совсем. Там в первой комнате вы видели
слабенькое красное излучение, а здесь уже мощное.
-- Как в печке?
-- Побольше. Температуре этого луча такая, -- тут Петр Артемович
умело вроде ударил по лучу, -- что если на секунду сунуть руку --
сразу сильнейший ожог! И здесь накачка производится. Импульсный
лазер на парах меди обладает очень большой эффективностью, а это
и нужно для лазерного разделения изотопов -- короткие, очень
мощные импульсы.
-- Вся система управляется компьютером?
-- Разумеется. Система автоматизированная. За компьютерное
моделирование у нас отвечает Владимир Бучанов, он представляет
одну из московских групп в сотрудничестве. А еще есть специалисты
по автоматизации.
Наша головная установка в принципе сделана на деньги Удмуртской
промышленно-экономической ассоциации. Мы и с ними кооперируемся.
Если и дальше все будет хорошо, -- то в Удмуртии развернется
очень крупное производство по разделению изотопов. В этой цепочке
и мы находимся вместе с Опытным заводом. И еще один момент. Когда
мы в марте согласовывали этот проект, здесь, где мы находимся,
еще ничего не было. Это все сделано за шесть месяцев девятьсот
девяносто девятого года.
-- Даже на бумаге?
-- Совершенно верно. Представители Ижевского завода, в том числе
конструкторы, говорили, что такую работу за короткий срок
невозможно сделать. Но в кооперации -- оказалось возможно. Нам и
москвичи помогали.
-- Мы рискнули, -- добавил О.Пчеляков, -- ижевцы нам поверили, а
мы, похоже, не подвели.
стр.
| 
