Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии синтеза крупногабаритных алмазных пластин из поликристаллического алмаза газофазного синтеза для создания оптических окон и диэлектрических опор в мощных лампах бегущей волны

Докладчик: Ральченко Виктор Григорьевич

Должность: Заведующий лабораторией

Цель проекта:
Проект направлен на решение задачи повышения мощности генераторов электромагнитного излучения миллиметрового и терагерцового диапазонов длин волн - гиротронов, ламп бегущей волны (ЛБВ), за счет использования в их конструкции алмазной оптики и алмазных компонент, прозрачных для излучения. Целью проекта является разработка методов выращивания в СВЧ плазме, обработки и анализа оптических и теплофизических свойств поликристаллических алмазных пластин большого размера (50-100 мм) с высокой прозрачностью и теплопроводностью для для изготовления из них СВЧ окон о диэлектрических опор в мощных источниках миллиметрового излучения.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Будут разработаны методы и режимы осаждения поликристаллических алмазных пластин диаметром до 75 мм в СВЧ плазме на частоте 2.45 Гц в смесях метан-водород, и диаметром до 100 мм и толщиной не менее 1,0 мм в СВЧ-плазмохимическом реакторе DT1800, работающем на частоте 915 МГц. Будет разработан метод химико-механической полировки алмазных пластин. Для характеризации образцов будут разработаны методы измерения теплопроводности пластин лазерным флэш-методом и измерения тангенса угла потерь. Работа заканчивается испытаниями экспериментальных образцов алмазных окон и диэлектрических опор для ЛБВ.
2. Разработанные методы выращивания и обработки алмазных пластин обеспечат следующие характеристики полученного материала:
- диаметр пластин не менее 75 мм, толщина не менее 1,0 мм;
- теплопроводность пластин не менее 1800 Вт/мК при комнатной температуре;
- тангенс угла потерь не более 8х10^-4 на частоте 30 ГГц;
- допустимая температура вакуумного отжига алмазных пластин и изготовленных из них опор не менее 1100°С;
- шероховатость полированных поверхностей не более 150 нм;
- размеры опорных стержней из алмаза: длина не менее 75 мм, сечение не менее 1,0×0,3 мм для ЛБВ.
3. Процессы синтеза алмазных пластин будут реализованы в СВЧ плазме на двух различных частотах, причем более низкая частота 915 МГц позволит значительно расширить размеры плазмы и выращиваемых алмазных пластин. Применение химико-механической полировки вместо чисто механической позволит существенно ускорить послеростовую обработку пластин. На базе полученных результатов будут изготовлены экспериментальные образцы алмазных дисков для окон гиротронов и диэлектрических опор для ЛБВ нового поколения с повышенной мощностью и надежностью, в которых токсичные компоненты из окиси бериллия будут заменены на экологически чистые алмазные материалы.
4. По реализуемым принципам плазмохимического синтеза алмаза, подходам к обработке, и техническим параметрам получаемых пластин, результаты проекта сопоставимы с мировыми лидерами, крайне немногочисленными, работающими в этом направлении в Великобритании (Element Six), Германии (Diamond Materials GMBH) и США (General Atomic).
5. Для получения компонентов алмазной оптики будет отработана совокупность технологий: (а) выращивание крупногабаритных, 50-100 мм в диаметре, поликристаллических алмазных пластин в СВЧ плазме из газов высокой чистоты (метана и водорода); (б) шлифовка и полировка алмазных дисков; (в) лазерная резки заготовок на элементы нужной формы и размеров; (г) термическая и химическая обработки; (д) методы измерения теплопроводности и диэлектрических потерь. В России элементы этих технологий и методов имеются лишь частично. В рамках проекта планируется комплексно исследовать указанные технологии, углубленно изучить структуру и свойства материала, развить необходимые для этого аналитические методики, и, наконец, изготовить экспериментальные образцы алмазных дисков для окон гиротронов и диэлектрических опор для ЛБВ. Важный вклад в выполнение проекта вносит Индийский партнер - Центральный научно-иследовательский институт стекла и керамики Совета по научным и промышленным исследованиям (CSIR-CGCRI), (г.Калькутта), который: (а) разрабатывает технологию получения алмазных пластин диаметром до 100 мм и толщиной не менее 1,0 мм на имеющимся у него СВЧ-плазмохимическом реакторе DT1800 мощностью 15 кВт (частота 915 МГц), не имеющем налогов в России; (б) отрабатывает способы химико-механической полировки алмазных пластин на уникальном оборудовании; (в) исследует образцы алмазного материала с помощью электронной микроскопии, рентгенофазового анализа и другими аналитическими методами; (г) проводит финишные испытания экспериментальных образцов алмазных опор для ЛБВ и окон. Существенная часть работ проводится совместно с российским Исполнителем, партнеры используют и взаимно дополняют компетенции друг друга.
Риски по достижению заявленных результатов невелики ввиду очень хорошей экспериментальной базы исполнителей, высокой квалификации привлекаемых специалистов, значительно задела в области задач по проекту.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработанные алмазные компоненты могут быть использованы для создания мощных генераторов и усилителей волн миллиметрового диапазона – гиротронов, а также компактных ламп бегущей волны с повышенной мощностью и надежностью для космических и наземных систем связи, радаров высокого разрешения.
Кроме того, благодаря сочетанию высоких оптических и теплофизических свойств обработанные крупногабаритные алмазные пластины найдут свое применение в качестве материала для окон мощных лазеров ИК диапазона, в том числе СО2- и твердотельных волоконных лазеров, теплоотводов для приборов СВЧ электроники (транзисторов, усилителей).
2. Основными потребителями результатов - полученных алмазных материалов, методов выращивания, обработки и измерения параметров алмазных пластин и изделий являются предприятия, выпускающие: (а) мощные СВЧ генераторы, усилители и другие приборы миллиметрового диапазона для дальней, тропосферной и космической связи, многоцелевой радиолокации. Так, профильным производителями мощных ЛБВ мм диапазона является ГНПП «Исток» (г. Фрязино). Имеется ряд других производителей - ГНПП «Алмаз» (г. Саратов»), ОАО НПП «Контакт» (г. Саратов», ОАО "Плутон" (г. Москва).
3. Появление крупноразмерных алмазных пластин в качестве доступного "инженерного" материала для СВЧ техники приведет к новым техническим решениям проблемы отвода тепла в СВЧ генераторах, что позволит повысить их мощность. Результаты работы будут опубликованы в виде статей в профильных российских и международных журналах, доложены на научных конференциях. Исполнитель и индийский партнер планируют разместить информацию о результатах выполнения проекта на своих сайтах в Интернете, установить контакты с потенциальными потребителями совместно разработанных алмазных компонентов для СВЧ техники. Экспериментальные образцы окон и диэлектрических опор будут представлены на выставке в Индии.

Текущие результаты проекта:
Разработан технологический процесс получения поликристаллических алмазных пластин в СВЧ плазме (частота 2,45 ГГц). Изготовлены образцы алмазных пластин диаметром 57 мм оптического качества. Исследован процесс и качество лазерной резки пластин. Проведены измерения теплопроводности лазерным флэш-методом при комнатной температуре алмазных пластин, в том числе синтезированных индийским партнером, получены значения теплопроводности в диапазоне от низких - 660 Вт/мК (сильно дефектный алмаз) до высоких - 1740 Вт/мК (прозрачный материал).
С участием Индийского партнера:
В плазме на частоте 915 МГц выращены первые образцы поликристаллических пластин диаметром 100 мм, однородность толщины на диаметре 90 мм составила 13%. Анализ материала с помощью Рамановской спектроскопии не выявил примесей аморфного углерода в лучших образцах, т.е. подтверждена фазовая чистота центральной области дисков.Получены первые результаты по отработке химико-механической шлифовки алмазных окон диаметром 25 мм, шероховатость поверхности заготовок снижена с 2 мкм до 200 нм (до 2 нм на отдельных кристаллитах).