ВЛИЯНИЕ ГРАВИТАЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РАСПЛАВОВ НА СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ, ВЫРАЩИВАЕМЫХ В НЕВЕСОМОСТИ

© В.И.Стрелов, Б.Г.Захаров, Ю.А.Серебряков, В.К.Артемьев
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2010 г.

Как показали многочисленные эксперименты, выполненные на борту космических аппаратов (КА), условия микрогравитации обеспечивают в основном при выращивании кристаллов только отсутствие термогравитационной конвекции. Но при этом добавляется целый ряд проблем, обусловленных высокой чувствительностью расплавов в условиях практической невесомости к различным внешним воздействиям квазистатического или вибрационного типа (всегда присутствующих на КА) и наличием свободной поверхности расплавов (растворов), без учёта или, вернее, без исключения которых бессмысленно пытаться использовать условия микрогравитации для получения более совершенных по сравнению с земными кристаллов.

Анализ результатов космических экспериментов и выполненные теоретические расчеты показывают, что в космических условиях при наличии свободной поверхности расплава реализуются более интенсивные, чем в земных, конвективные течения и, соответственно, значительно усиливается конвективный характер процессов переноса тепла и примеси по сравнению с земными условиями, что ведет к увеличению микро- и макронеоднородностей распределения легирующей примеси в выращиваемых кристаллах. Таким образом, наличие свободной поверхности у расплава при росте на борту КА кристаллов и, соответственно, усиление влияния конвекции Марангони приводит к возрастанию неоднородностей структуры и свойств в выращиваемых кристаллах. Это всего лишь одна из ряда возможных причин изменения и усиления конвективных течений в расплавах в условиях микрогравитации. В таких условиях возрастает чувствительность расплава к любым внешним воздействиям, в том числе и к вибрационным или квазистатическим микроускорениям. При этом, основываясь на полученных результатах, можно утверждать, что чем ниже будет уровень остаточной гравитации, тем более чувствительной будет реакция расплавов на любое внешнее воздействие. Основной вклад в виде квазистатических воздействий на движение расплава в космических условиях оказывают поля микроускорений, обусловленные вращением КА, градиентом гравитационного поля Земли и сопротивлением атмосферы, частоты которых находятся в диапазоне (10–4÷10–2) Гц, поэтому их практически невозможно устранить с помощью виброзащитных платформ и они всегда присутствуют при выращивании кристаллов из расплава (раствора). Хотя амплитуда этих микроускорений находится на уровне 10–6g0, их влияние на движение в условиях микрогравитации может быть существенным, т.к. эти микроускорения в процессе роста кристаллов изменяются и по величине, и по направлению и при этом может присутствовать свободная поверхность расплава.

В этой связи на сегодняшнем этапе исследований целью микрогравитационных космических экспериментов является не организация серийного производства кристаллов в космосе, а прежде всего получение новых знаний о процессах кристаллизации для их дальнейшей реализации в земных технологиях, а также в получении некоторых эталонных образцов кристаллов, когда в космосе, в условиях невесомости, удастся реализовать почти идеальные условия без внешних воздействий, без свободной поверхности расплава и с требуемой точностью и стабильностью ориентации КА, при которых реализуются диффузионные процессы тепломассопереноса.

Исследования проведены при финансовой поддержке РФФИ и правительства Калужской области (грант № 09-02-97516, грант № 09-01-97529).