РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ ТОПОГРАФИЯ В КОСМИЧЕСКОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ

© И.Л.Шульпина, И.А.Прохоров, И.Ж.Безбах, Е.Н.Коробейникова
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2016 г.

Рентгеновская топография (РТ) является в настоящее время эффективным общепризнанным методом исследования реальной структуры кристаллов. В современном представлении она ассоциируется с работами Ланга, появившимися в конце 50-годов в ответ на необходимость исследовать реальную структуру кристаллов полупроводников, которые в то время начали выращивать промышленными методами. С тех пор РТ получила интенсивное развитие и используется во многих областях науки и техники. Начиная с 70-х годов, она активно применяется в космическом материаловедении (КМ).

РТ была использована при исследовании кристаллов твердых растворов Ge-Si-Sb, выращенных при выполнении программы «Аполлон-Союз» (1975 г.). Эти кристаллы оказались чрезвычайно чувствительными к условиям кристаллизации. Было изучено влияние направления силы тяжести на распределение компонентов твердого раствора в процессе кристаллизации по методу Бриджмена в наземных условиях (Земсков В.С., Шульпина И.Л. и др. ФТТ, 1979, т. 21, с. 1411). Установлено что наиболее несовершенными по структуре являются кристаллы, полученные горизонтальной кристаллизацией, а наиболее совершенными — кристаллы, полученные вертикальной кристаллизацией с расположением горячей зоны вверху. Впоследствии последний вариант был выбран в качестве основы технологии выращивания наиболее однородных кристаллов в наземных условиях.

Применение комплекса методов РТ при изучении структурных особенностей кристалла Ge(Ga), выращенного методом бестигельной зонной плавки на борту АКА Фотон-9, позволило полностью восстановить историю его роста (Prokhorov I.A., Zakharov B,G., et al. J. Cryst. Growth, 2008, V. 310, p. 4701). Особенно эффективным стало применение плосковолнового метода РТ для исследования микронеоднородности легированных кристаллов в виде полос роста. Количественным методом плосковолновой РТ было установлено, что кристалл GaSb(Te), выращенный на борту АКА «China-14», рос в условиях диффузионного массопереноса (Voloshin A.E., Lomov A.A., et al. J. Cryst. Growth, 2002, V. 236, p. 501).

Применение РТ в сравнительных исследованиях множества полетных и наземных кристаллов способствовало выяснению главных причин формирования в них концентрационной микронеоднородности — термогравитационной конвекции на Земле и конвекции Марангони в условиях невесомости. В конечном итоге это привело к реализации идеи физического моделирования условий микрогравитации на Земле (Strelov V.I., Sidorov V.S., Zakharov B.G. Cryst. Reports, 2001, 46, 759).

За счет целенаправленного ослабления термогравитационной конвекции в специально созданной установке в наземных условиях удалось получить кристаллы Ge(Ga), GaSb(Si) и GaSb(Te) без полос роста. По своей однородности на микроуровне выращенные кристаллы приближаются к кристаллам, выращенным в космосе.

Использование синхротронного излучения в РТ открыло новые возможности изучения реальной структуры массивных или сильно поглощающих кристаллов. В частности, при рентгенотопографических исследованиях на синхротронном источнике Курчатовского института кристалла InSb(Te), выращенного методом Бриджмена на АКА Фотон – М №2 при периодическом воздействии вращающегося магнитного поля, выявлены характерные дефекты в виде полос роста, дислокаций и границ микродвойников (Senchenkov A.S., Barmin I.V., et al. Abstract and Paper IAC-06-A2.3.04. 2006 , P. 1). Предполагалось, что одной из возможных причин формирования полос роста является конвекция Марангони, которая неизбежно возникает при росте кристалла без контакта со стенками ампулы.

Проведенные исследования продемонстрировали высокую эффективность применения методов РТ в КМ. На основе изучения реальной структуры кристаллов методами РТ установлены особенности кристаллов, выращенных в условиях полета космических аппаратов и их отличия от наземных аналогов. Из анализа рентгенотопографических изображений полос роста, а также особенностей распределения дефектов в кристаллах получены важные данные о влиянии на них условий кристаллизации, в том числе возмущающих факторов, характерных для космических аппаратов. Полученные результаты стимулировали развитие численных методов моделирования процессов тепломассопереноса при кристаллизации расплавов, позволяющих прогнозировать результаты будущих экспериментов.

Применение РТ в КМ способствовало получению фундаментальных знаний о космосе как новой технологической среде. Оно позволило лучше понять процессы, происходящие при кристаллизации расплавов и совершенствовать наземные методы выращивания кристаллов для получения более однородных кристаллов.