Сибирские ученые создали алмазные окна для СКИФа

Специалисты Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН выполнили заказ на изготовление алмазных окон для фронтэндов ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов». Для этого использовались уникальные установки, разработанные в ИГМ — беспрессовые аппараты «разрезная сфера» (БАРС), способные создавать и поддерживать высокие давления, необходимые для выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза.

ЦКП СКИФ, как и другие современные синхротронные комплексы, кроме всего прочего должен быть оснащен алмазными элементами рентгеновской оптики. Изначально предполагалось закупить такие изделия за рубежом, но санкции внесли свои коррективы. Поэтому за изготовление алмазных окон для фронтэндов взялись специалисты из ИГМ СО РАН.

Фронтэнды относятся к наиболее важным блокам СКИФа и предназначены для вывода синхротронного излучения из кольца накопителя на экспериментальные станции. Они должны быть оснащены специальными окнами, способными пропускать пучок СИ, обеспечивать глубокий вакуум и выдерживать экстремальную тепловую нагрузку. С такими задачами способен справиться только алмаз, но и к нему в данном случае предъявляются особые требования.

Алмазные окна для фронтэндов

«В результате совместных обсуждений профессионалы различных специальностей из ЦКП СКИФ, Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН и ИГМ СО РАН разработали и согласовали такие требования, — рассказывает заведующий лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН член-корреспондент РАН Юрий Николаевич Пальянов. — Алмазные окна должны быть квадратными, размером 7х7 мм при толщине 0,4 мм. С учетом ориентации элемента, монокристалл алмаза должен иметь массу порядка 3,5 карат. Для выращивания такого кристалла необходимо создать давление порядка 65 тысяч атмосфер и температуру 1 450 °С, а также градиент температур, который обеспечит заданную скорость роста и, соответственно, необходимое качество алмаза. В ростовом процессе эти параметры необходимо поддерживать в течение 130 часов. Любые отклонения от заданного режима недопустимы».

Для того, чтобы обеспечить мониторинг пучка синхронного излучения, алмазное окно должно люминесцировать в видимом диапазоне длин волн при возбуждении СИ. Такие свойства алмаза может обеспечить примесь азота в структуре на уровне 150—250 ppm. Испытания опытных образцов алмазных окон на действующем пучке синхротронного излучения в ИЯФ СО РАН показали соответствие данному требованию.

«В нашем институте разработаны беспрессовые аппараты “разрезная сфера” (БАРС), способные создавать и поддерживать высокие давления, необходимые для выращивания монокристаллов алмаза, — комментирует Юрий Пальянов. — В конце 1980-х годов специалисты лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН впервые в СССР получили крупные (1,5 карата) кристаллы синтетического алмаза. В настоящее время у нас развиваются два основных направления — экспериментальное моделирование процессов образования алмазов в природе и выращивание функциональных кристаллов с заданными свойствами для высокотехнологических применений. Одним из таких применений является рентгеновская оптика, где уникальные свойства алмаза обеспечивают ему неоспоримые преимущества перед любыми другими материалами. Для изготовления элементов рентгеновской оптики нужны достаточно крупные и высококачественные монокристаллы алмаза. Имея такой фундаментальный и практический задел, мы взялись за работу в интересах ЦКП СКИФ».

Сотрудники ИГМ СО РАН отработали режим выращивания кристаллов алмаза, соответствующих всем требованиям, а давние партнеры института — специалисты предприятия ООО «Кристалин» (Барнаул) изготовили пластинки с соответствующей чистотой поверхностей. В лаборатории также разработан многоступенчатый контроль качества и проведена характеризация кристаллов по различным параметрам: внутренние напряжения, люминесценция, плотность дислокаций и дефектов упаковки, тип и концентрация примесных центров.

Изготовителем фронтэндов первой очереди является КТИ НП СО РАН, и в настоящее время заказ на алмазные окна для них успешно выполнен. «Это первые функциональные алмазные элементы для СКИФа. При создании Сибирского кольцевого источника фотонов специальные изделия из алмаза потребуются еще не один раз. Наша работа — хороший пример импортозамещения, показывающий, что Сибирское отделение РАН имеет значительный потенциал в самых разных областях. Такую работу нельзя выполнить с нуля, к ней нужно быть готовым», — подчеркивает Юрий Пальянов.