СТРУКТУРНЫЙ ОТКЛИК КРИСТАЛЛОВ GE(GA) НА ИЗМЕНЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ ВЕКТОРА СИЛЫ ТЯЖЕСТИ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

© И.А.Прохоров, Б.Г.Захаров, В.С.Сидоров, В.И.Стрелов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2008 г.

Осцилляции скорости роста, обусловленные нестационарной конвекцией в расплаве, приводят к неравномерному захвату примеси растущим кристаллом и формированию концентрационных однородностей в виде микросегрегационных полос роста. Задача устранения такого рода неоднородностей в кристаллах инициировала в свое время проведение широкомасштабных исследований процессов кристаллизации в условиях микрогравитации на борту космических аппаратов (КА). Предполагалось, что в отсутствие интенсивной термогравитационной конвекции будет реализован диффузионно-контролируемый режим роста с существенным повышением однородности кристаллов. Однако более чем 35-летний опыт проведения таких экспериментов убедительно показал, что многочисленные специфические факторы орбитального полета (остаточные квазистационарные микроускорения, вибрации, сложный характер изменения малых массовых сил и т. п.) оказывают непосредственное влияние на ход процесса кристаллизации, значительно усложняя возможность получения однородных и совершенных кристаллов. В частности, сложный характер изменения вектора остаточных микроускорений относительно фронта кристаллизации при выращивании кристаллов на борту КА (обусловленный, например, прецессией и вращением беспилотного КА «Фотон» вокруг продольной оси) является одним из важнейших факторов, определяющих неоднородность и особенности реальной структуры кристаллов.

Для изучения концентрационных неоднородностей, возникающих в кристаллах при таких возмущениях, в настоящей работе проведены модельные эксперименты по росту кристаллов Ge(Ga) в наземных условиях с изменением ориентации оси роста кристалла относительно вектора силы тяжести в процессе кристаллизации. Для характеризации структурного отклика кристаллов на подводимые возмущения использовали метод плосковолновой рентгеновской топографии, обладающий чрезвычайно высокой чувствительностью к малым (около 0,0000001) деформациям кристаллической решетки и, соответственно, к незначительным изменениям состава кристаллов.

Установлено, что рассматриваемые возмущения могут приводить к локальным нарушениям в распределении примеси в виде микросегрегационных полос роста. Проведены количественные оценки амплитуды вариации состава, основанные на анализе контраста изображений полос роста на топограммах, полученных методом плосковолновой рентгеновской топографии. Плосковолновая рентгеновская топография позволяет регистрировать предельно малые деформации кристаллической решетки (и, соответственно, незначительные изменения концентрации примеси в кристаллах) и обеспечивает возможность получения количественной информации о микросегрегации в кристаллах, что особенно важно при анализе сложных процессов кристаллизации в условиях микрогравитации. Сочетание прецизионных методов изучения реальной структуры кристаллов с численным моделированием процессов тепломассопереноса в расплаве позволяет расширить наши возможности в понимании закономерностей формирования концентрационных и структурных неоднородностей в кристаллах.