|
|
|
№ 15-16 (3639-3640), 26 мая 2003 года
|
 |
|
лаборатория
|
|
|
Тепловизор,
градусник на расстоянии,
детектор нового поколения
И это всё о нем – в лаборатории НИИФ создан сверхчувствительный приемник излучения
Жаль, киношники со мной не приехали. Или хотя бы телевизионщики, что ли... На экране так здорово смотрятся всякие колбочки, приборы, пробирки, микроскопы – и эти, как их бишь, пытливые глаза и натруженные спины исследователей... Лет 25-30 назад на эту тему сняли бы сначала документальный, а после полнометражный художественный фильм. Что-то типа «Девять дней одного года»...
|
 |
Подпись |
|
А тут я смотрю во все глаза на массивные бронзовые (или латунные) трубы, причудливым образом соединенные в нечто невообразимое и неописуемое – и, понятное дело, ничегошеньки в них не понимаю. Первый образ, который приходит мне в голову – дети в песочнице такое могут соорудить, если найдут подходящие детали.
Профессор Нина Васильевна Милешкина ведущий научный сотрудник НИИ физики им. В.А.Фока, руководитель группы «Полевая эмиссия полупроводников», с гордостью демонстрирует мне автоматизированную измерительную установку:
– Мы ее изготовили и собрали при финансовой поддержке НАТО, сколько стоит – посчитать трудно, потому что грант был дан один на пять университетов в разных странах... Небольшая этикетка «Science for Peace», как видите, не очень заметна. На саму установку мы ее прикрепить не могли – сгорит или покоробится от температуры. Поэтому приклеили на компьютер. Грант мы получили в рамках программы НАТО «Наука для мира». За рубежом он считается самым престижным научным грантом.
Температура? Нормальная...
Продолжаю разглядывать трубы, зеркала, проводки...
– В металлическом контейнере вот этот криогенный насос создает сверхвысокий вакуум (10-11 тор). Внутри находится манипулятор с пятью степенями свободы, – научный сотрудник Владимир Дмитриевич Калганов прерывает объяснения, явно ожидая моего вопроса.
– Откуда пять-то?
– Очень просто: три все знают – вперед, вверх, в сторону. И еще две степени свободы – вращение иголки в двух плоскостях, XY и YZ. Внутри находится сферический анализатор, который позволяет выставить объект по оси, чрезвычайно точно...
Честно признаюсь, к тому моменту я перестал понимать хоть что-нибудь – и попросил тайм-аут. Палочкой-выручалочкой для меня прозвучала фраза «Без понимания физического механизма трудно прогнозировать конечные результаты...» Я попросил объяснить мне этот самый физический механизм – что происходит-то? И зачем все это надо? И почему НАТО финансирует наши исследования – не военные, не оборонные, а сугубо мирные?
Нина Васильевна хотела начать свои объяснения прямо с физического механизма. Но вначале я попросил сформулировать, что же такого необычного могли предложить НАТО сотрудники кафедры электроники твердого тела?
– Мы разработали и довели до ума приемник излучения нового типа, благодаря тому, что объединили преимущества двух типов приемников, – объясняет Нина Васильевна, – К примеру, этот приемник можно использовать на АЭС для бесконтактного (дистанционного – на 20–30 метров) определения температуры какого-то участка. Скажем, греются плохие контакты, которые находятся в радиоактивной зоне... Или геофизики летят на самолете и определяют состояние атмосферы или поверхности Земли.
Сами понимаете, для этого очень важно повышать чувствительность приборов. Говорят даже, что продвинуться на 0,1 микрона вглубь инфракрасной области спектра – то же самое, что построить новую промышленную установку! А мы смогли продвинуться на целые микроны. Наш грант называется «Исследование и разработка приемников излучения, основанных на новом принципе их фоточувствительности».
Свободу трудящимся электронам!
– Вот теперь я уже готов ринуться в глубь теории...
– Из школьного курса физики известно, что оторвать свободные электроны у атомов металла легко, у диэлектрика – очень трудно, у полупроводника – среднее положение. Электроны сидят в «яме», как шарики, – Нина Васильевна рисует эту самую яму, чтобы наглядно показать, как ведут себя электрончики. – Чтобы им отсюда выйти, нужна энергия, нужно увеличить степень их свободы. Как? Можно подогреть полупроводник (и вызвать термоэмиссию), можно облучить его светом (будет фотоэмиссия).
Вы примите на веру, что свободные электроны в вакууме – это хорошо... Потому что когда пучок электронов летит в вакууме, им можно управлять (как, например, в телевизионной трубке), можно его сжать, расширить, изменить направление.
Главное: в полупроводниковом кристалле нужно электроны вытащить из «ямы», и здесь, в вакууме, можете с ними делать, что хотите. Но для этого нужна большая энергия – порог-то большой. Есть другой путь: вытаскивать электроны можно не до конца, просто переместить их из валентной зоны в зону проводимости – если сообщить им энергию поменьше. Тогда электроны будут свободны в глубине твердого тела, хотя для того, чтобы выйти в вакуум, энергии у них недостаточно. Они могут здесь, внутри, «гулять» и участвовать в создании тока.
– Извините, у меня физика уже из ушей начинает вылезать, как паста из тюбика. Вполне могу небольшую лекцию для школьников прочитать – о пользе полупроводников... Давайте еще шажок сделаем: как устроены приемники излучения?
– Способов высвобождения электронов в полупроводниках два. По этому прежде, до нас, фотоприемники делали двумя способами: первый – на фотокатодах (когда эмиссия электронов в вакууме), второй – на фоторезисторах (когда электроны в твердом теле). У фоторезисторов сравнительно большой уровень шума (как в телефоне или наушниках, бывает, шумит) из-за внутренних процессов. Изготавливать их намного сложнее, но они работают в ИК-области (с длиной волны от 1 до 10 мк). И все приборы ночного видения делают на фоторезисторах... А у фотокатодов – свои минусы: они хороши в ультрафиолетовой области спектра (когда маленькая длина волны), а для инфракрасных волн – плохи. Есть предел их применимости: где-то до 0,8-0,9 микрон. Напомню: видимая область спектра – длина волны 0,4–0,7 мк, меньше – ультрафиолет, а больше, 1–2–3 мк и дальше, – уже ИК-область.
В 70-е годы был большой бум с ОЭС-эмиттерами, когда голландские ученые понизили барьер и фотокатоды смогли работать до 1,5 мк! Они брали арсенид галлия, наносили на него цезиево-кислородный «пирожок», и благодаря этому немного продвинулись в длинную область спектра – даже получили за это Нобелевскую премию. Но они брали лишь один полупроводник из сотни, применяли сложную технологию, и их эмиттеры работали только в условиях криогенных температур (при 77oК, то есть около минус 200оС, чтобы приморозить цезий, который иначе, при комнатной температуре, бегает, как ртуть).
А мы сделали принципиальный шаг: разработали приемник нового типа, объединив преимущества фотокатодов и фоторезисторов, а минусы их скомпенсировали. Наши приемники значительно проще в изготовлении и экономичны. Они не требуют глубокого охлаждения, эффективно работают даже при комнатной температуре.
Приемник нового типа. Надежный
– Как это вам удалось?
– Проблема-то была в чем? Как электронам в полупроводнике сообщить большую энергию, чтобы они «перевалили» через барьер. Оказывается, можно это сделать за счет поля, используя туннельный эффект, известный в квантовой механике. При больших полях, порядка 107 В/см (то есть 10 млн вольт, или 10 тыс. киловольт), электрон не перепрыгивает через барьер, а туннелирует сквозь него! Высота барьера не снижается, но за счет поля уменьшается его толщина – и появляется вероятность появления электронов по ту сторону барьера, в вакууме. Без подогрева, без облучения, мы получаем новый вид свободных электронов – полевую эмиссию.
Таким образом, мы имеем два этапа: вначале внутренняя фотоэмиссия (когда мы посветили той самой лямбдой, которая всех интересует – то есть инфракрасной), а потом полевая эмиссия. Но такие сильные поляей, в 10 млн вольт, на плоскости создать невозможно, поэтому мы используем иголки, радиус которых очень маленький, порядка одного микрона (их даже не видно в оптический микроскоп). Шумы при этом намного меньше, чем у обычных фоторезисторов, потому что пучок электронов мы «выгнали» в вакуум.
– Один из важных критериев оценки любого прибора – его надежность. Чем вы можете похвастаться?
– Согласна, надежность важна. Академик Девятков, который в советское время был председателем Координационного совета по эмиссионной электронике АН СССР, обычно спрашивал: «А будет ли ваш приемник работать 1000 часов?» На что я ему отвечала: «Нам по технике безопасности запрещено оставлять высокое напряжение на ночь...» Но шутки шутками, а мы сделали надежный приемник. Тут я должна подчеркнуть: нельзя сказать, что идеи целиком наши. Их высказывали и раньше, даже пробовали сделать, но получали нестабильный результат.
Достоинства наших приемников – быстродействие, монохроматичность электронного пучка, высокая чувствительность в длинноволновой области спектра. Мы научились очень хорошо чистить полупроводниковые кристаллы, разработали свою технологию чистки поверхности «иголок» – игольчатых приемников излучения. Если чистить кислотой, то поверхность покрывается окислами – чужеродные атомы легко перемещаются туда-сюда. И значит, ток будет нестабильным, будет изменяться... А мы доводим до предельной чистоты, до атомарно чистой поверхности – только отдельные примесные атомы болтаются, и то немного...
Технология очистки включает в себя и смену потенциалов на иголке: вначале даем плюс 1-2 кВ, а потом минус 10 кВ. То есть создаем напряженность поля по уровню, как в кристаллической решетке (108 В/см). Возникают мощные силы – и все загрязнения, как скорлупа с лука, улетают с иголки. А можно и саму кристаллическую решетку «шелушить» по атомарным слоям – чтобы стабилизировать поверхность. В результате такой очистки ток мы сделали прилично стабильным... Еще раз повторю: не мы это придумали. Но мы сделали технологию, которую можно повторить. Она дает унифицированный стабильный результат.
Арифмометр для электрончиков
– Теперь я гораздо лучше понимаю, что там происходит внутри полупроводника и как работает ваш приемник. Давайте вновь посмотрим вашу установку – уже другими глазами...
Мы вернулись к установке, и Владимир Дмитриевич Калганов продолжил объяснения:
– На острие иголки можно подавать напряжение до 4 кВ. А поскольку радиус иголки очень мал, всего около 1 микрона, то напряженность поля можно сделать очень высокой. Объект можно нагревать и охлаждать в вакууме. Кроме того, можно исследовать этот процесс нагрева и охлаждения. Можно наносить на поверхность атомы, удалять их и визуально контролировать – ведь установка одновременно может служить как электронный микроскоп.
Еще в установке помещено большое количество электростатических линз. С их помощью можно управлять движением пучка электронов. А компьютерная программа исследований позволяет очень многое увидеть и посчитать.
После этого мы перешли к компьютеру. На экране – график, который изменяется постоянно, растет, вытягивается, пока мы на него смотрим.
– Как видите, можно считать вылетевшие электроны, буквально поштучно! До одного электрона в секунду. Причем, график самомасштабируемый, по максимуму, – Владимир Дмитриевич показывает на экране разные варианты графиков. – Можно накапливать данные, чтобы дождаться нужного количества электронов, вылетевших в вакуум. Можно фиксировать картинку в любое время. Можно выявлять более тонкие эффекты.
– Компьютерная программа исследований оказалась настолько хорошей, что у нас приняли научный доклад в Орландо, во Флориде, на научную конференцию по компьютерным технологиям (а мы не компьютерщики вообще-то, а электронщики), – пояснила Нина Васильевна. – Эту программу разрабатывал в основном Сергей Сапронов, мой бывший аспирант. К сожалению, он так и не стал защищаться, сбежал на фирму, где его считают одним из лучших программистов города. Но фирма – это для денег (надо же семью содержать), а душа исследователя по-прежнему зовет Сергея сюда. Он то и дело приезжает, интересуется, куда мы продвинулись, помогает по мере сил...
А вот эту изящную стеклянную установку изготовил Борис Алексеевич Козлов, наш стеклодув высшей категории. Некоторые из исследовательских вопросов не разрешишь в большой металлической установке (сутки только надо вакуум создавать, воздух откачивать) – а в маленьком стеклянном приборе можно увидеть и промерить все, что нужно.
Нина Васильевна готова рассказывать про каждого из своих сотрудников – и про В.Д.Калганова, который занимается разработкой технологии изготовления иголок, и про С.П.Белова, который снимал фотосвойства и улучшал чувствительность приемника, про С.И.Баранчука, большого философа, и про талантливого С.А.Сапронова. Видно, что научная группа у них небольшая, но слаженная.
НАТО для мира
– Как давно вы начали заниматься приемниками излучения?
– Еще в 80-е годы. Статьи писали и доказали эффективность методики и технологии. Главное, думали мы, что результаты научных исследований пойдут в практику. Успешно выполнили больше десятка хоздоговорных работ с предприятиями Министерства электронной промышленности, получили 11 авторских свидетельств на изобретения. В начале 90-х были инновационные программы на внедрение результатов – в условиях жесткой конкуренции мы выиграли, и наша тематика исследований по конкурсу была включена в Государственную инновационную программу развития и внедрения наукоемких технологий. Должны были уже открыть финансирование – и тут все рухнуло после развала СССР! Мы работали со «Светланой», с ЦНИИ «Электрон» (это был почтовый ящик, они занимались фотоприемниками для нужд ВПК). Но потом был долгий период простоя – года два мы почти совсем не работали, весь институт, картошку сажали... У меня нет участка, так я не сажала.
А в конце 90-х подали в Научный отдел НАТО – через научных партнеров в Великобритании узнали о возможности получения гранта. Грант-то они дают, но на зарплату ноль, только на оборудование – и вот, в результате мы создали установку, лучшую по мировым стандартам! Мы заказывали детали, а они оплачивали. Это все равно как если бы вы были больным, в состоянии клинической смерти, и вам укол сделали!..
– Для многих до сих пор НАТО – это исключительно военный блок. Зачем им поддерживать мирные научные программы?
– Они должны себе сделать «новое», миролюбивое лицо – поэтому поддерживают программу «Наука для мира», ничего для вооружения не принимают. НАТО дает также linkage-гранты (для развития связей, контактов научных групп) – можно бесплатно скататься в одну страну, на научную конференцию, в другую. Наши студенты, работающие по проекту, съездили в Англию, на кратковременную (две–три недели) стажировку по освоению новых компьютерных технологий. Нам оплачивали командировочные и суточные – правда, только на 10 дней, но прилично, поэтому можно было задержаться чуть дольше, за свой счет.
Наш проект рассчитан на 2000–2003 гг. А в 1999 году я ездила в Брюссель, в Штаб-квартире НАТО делала доклад, презентацию проекта. Они отобрали только несколько работ – возможных претендентов на получение гранта – и всех пригласили сделать доклады. Дескать, ваш проект прошел, но решение будет вынесено по итогам устного обсуждения экспертами. И вот я внизу стою, а вокруг, амфитеатром – 27 экспертов. Довольно сложно было выступать и отвечать на вопросы, потому что некоторые не очень доброжелательно были настроены.
Трудно ли спать на гвоздях?
– Где, в каких областях можно применять ваш приемник излучения?
– Некоторые сферы я уже называла: геофизика, АЭС, химическая промышленность. Можно сделать тепловизоры – это в медицине. Я на таком обследовалась, и себя видела: на экране как будто темные «носочки» и «перчатки» из-за того, что кровь холодная в руках и ногах. С нашим приемником можно сделать и промышленный тепловизор – чтобы просвечивать любые болванки, детали, стыки для контроля.
Громадная сфера применения – экология, например, чтобы по спектрам поглощения определять вредные токсичные газы. Для экспресс-мониторинга чистоты атмосферы. Есть большие ИК-спектрометры (150 тыс. долларов) – они определяют, какие газы в атмосфере. У них только система охлаждения стоит порядка 20 тысяч! (Копейки – при общей стоимости.) А у нас 10 тыс. долларов – приемник на основе «иголочки» для экспресс-анализа! Это, конечно, не спектрометр, а скорее такой моментальный датчик – какой милиционер выставляет в сторону автомобиля, чтобы узнать, какая скорость. Если же взять много разных иголок, то можно просмотреть весь спектр.
На экране компьютера Владимир Дмитриевич продемонстрировал, как вырастает «щетка» из острий, – если взять много иголок, точность определения сигнала повысится.
– Иглы установлены в матрице, от 102 до 105 на кв. см. Видите: если иголок очень много, то поверхность ровнее. И наоборот. Это и понятно – когда гвоздей много натыкано, то на них любой человек спать может. А попробуйте лечь на три гвоздя!..
Завершая рассказ об исследованиях группы, Нина Васильевна заключила:
– Студенты порой считают: надо ехать за рубеж – в Израиль, в Германию, в США, в «Силиконовую долину» – дескать, там все по последнему слову техники и науки. А у нас, после распада СССР, и установки не те... Теперь я могу любому сказать: у нас установка лучше, чем за границей! Так что работать и здесь можно.
Правда, чуть позже, немного подумав, вздыхает:
– Если бы еще деньги платили, хотя бы по внутренним грантам... Ведь, действительно, государство финансирует НИИФ на 10%, зарплата у нас – 200–300 рублей в месяц. Деньги – только от грантов.
А ведь кроме «писательской работы» надо еще наукой заниматься. Получить сверхвысокий вакуум (10–10 тор) – это первая проблема, изготовить острия – вторая, очистить их – третья, а дальше – проводить исследования. Десять потов сойдет, прежде чем результат получишь. Ну, не повезло, что поделаешь, – у каждого своя методика, у нас очень трудоемкая. Зато результат есть!
– Вы сделали прибор мирового уровня. Это громадное достижение российской науки. И тем не менее, ваше благосостояние от этого практически не изменилось. Почему? Неужели наука не сможет прокормить ученого?
– Наверное, сможет, не знаю. Но в одном я уверена: ученый не может быть коммерсантом. Или мы занимаемся исследованиями, получаем результаты, публикуем научные статьи – или все бросаем и занимаемся внедрением. И выхода из этого тупика пока не видим никакого...
К нам много раз приезжали представители разных российских ведомств. Внимательно слушали, записывали. Потом говорят: «Покажите!» – все хотят, чтобы стрелочка на приборчике отклонялась... Она отклонялась, они уезжали, а мы оставались ни с чем. Может быть, говорят, Министерство электронной промышленности выделит деньги на производство таких перспективных приемников. Ждем-с...
Другой вариант – найти заказчика за рубежом. Мы же не одни работали по этому гранту, было пять университетов из России, Украины, Великобритании и Германии. Так вот, англичане предлагали: прибор наш хороший, они могут поискать потребителя. Но к тому времени мы должны иметь патент, чтобы нам шли отчисления от внедрения. А за мировой патент нужно заплатить 40 тысяч долларов! Где их взять?.. Так и ходим по кругу.
...Они рассказали мне со смехом о том, как недавно приезжал к ним один товарищ. Убеждал заняться какой-то разработкой, суля золотые горы. Говорил с жаром: «Это ж готовая Нобелевская премия!..» А они ему: «Да у нас своих Нобелевских девать некуда, они на подходе, – вон, в тумбочке три штуки валяются. А тут еще с одной возиться...» 
Евгений Голубев
|
