Ядерщики Томского политеха, часть 2: кремний и топазы

• 
• Ядерщики Томского политеха, часть 2: кремний и топазы

Ученые лаборатории № 33 Томского политехнического университета (ТПУ) с помощью единственного за Уралом ядерного исследовательского реактора облучают 2% от мирового объема нейтронного легированного кремния, без которого невозможно сделать ни один электроприбор. Кроме того, ученые разрабатывают технологию окраски в небесно-голубые цвета топазов, которые так популярны у женщин.

Всему голова

«Полупроводниковый кремний — это основа всех приборов, существующих в мире. Фотоаппараты, компьютеры — все делается на основе этого материала. Без него невозможно современное развитие техники», - рассказывает заведующий лабораторией № 33 Физико-технического института ТПУ, кандидат технических наук Валерий Варлачев.

По его словам, специалисты лаборатории занимаются исследованием воздействия нейтронного и гамма-излучения на вещество, что позволяет расширить возможности исследовательского реактора для решения прикладных и фундаментальных задач. В частности, в вузе разрабатывают технологии получения полупроводникового кремния с заданными параметрами.

Завлабораторией № 33 Физико-технического института ТПУ, кандидат технических наук Валерий Варлачев

Сам по себе сверхчистый кремний является диэлектриком с сопротивлением в 5−6 тысяч Ом и более. Чтобы он стал полупроводником, в него необходимо ввести примеси, которые создают проводимость — то есть легировать. Сделать это можно двумя способами. Первый — химический: в расплав кремния вводят фосфор, который имеет на орбите один лишний электрон. Этот электрон и служит проводником электричества в кремнии.

«Второй способ — наш: мы не вводим ничего, а, как волшебники, получаем из кремния фосфор. При облучении атом кремния-30 захватывает нейтрон и превращается в атом фосфора. То есть внутри слитка кремния образуется фосфор», — отмечает ученый.

По его словам, этот метод хорош тем, что позволяет получать кремний с высокими электрофизическими параметрами. «В химическом способе неравномерность легирования — 20%, у нас не более 3%", — указывает он.

Сотрудники лаборатории № 33 внедрили технологию нейтронного легирования слитков кремния длиной до 70 сантиметров и диаметром до 5 дюймов. «Эту технологию создавали еще по постановлению ЦК КПСС, Совета министров СССР, потом мы ее модифицировали, переделывали. Обеспечивали нейтронным легированным кремнием всю электротехническую промышленность России», — вспоминает Варлачев.

Ядерно-легированный полупроводниковый кремний

Легированный таким методом кремний используется в мировой практике для создания приборов с высокими электрофизическими параметрами, в которых разброс удельного электрического сопротивления должен быть минимальным. В основном это приборы силовой электроники.

Сейчас, сетует Варлачев, электротехническая промышленность России резко сократила объемы производства, все закупается за рубежом. Поэтому Томский политех вышел на мировой рынок. Этому способствует высокое качество нейтронного легирования слитков кремния на реакторе ТПУ. В настоящее время на этом реакторе проводится нейтронное легирование до 2% мирового объема этой продукции.

Лучшие друзья девушек…

Если у вас есть кольцо или серьги с красивым голубым топазом, то вероятность того, что это его натуральный цвет, близка к нулю. В природе, рассказывает Валерий Варлачев, этот полудрагоценный камень может быть разных оттенков желтого, коричневого, зеленого цвета. Бывают они фиолетового и сиреневого цветов — хромсодержащие. Голубых же топазов почти не осталось — их месторождения истощились.

Откуда же берутся голубые топазы? Ответ прост: это продукция радиационных технологий. За рубежом эта практика довольно распространена, в России этим занимаются только в Димитровграде. Томский политех через два года станет вторым центром в России по окраске топазов. «Подкрашивать» камни будут на исследовательском реакторе вуза.

Облученный неограненный топаз

«Главная проблема в том, что любое вещество, помещаемое в реактор, становится радиоактивным. И у каждого вещества, элемента есть свой период полураспада, когда радиоактивность спадает в два раза. Мы провели анализ элементного содержания топазов, там много тантала, у которого период полураспада — больше 100 дней. И если неправильно облучить, то топаз будет лежать до потребителя несколько лет», — рассказывает ученый.

По его словам, самое главное в разрабатываемой политехниками технологии — создать такие условия облучения топаза и модификации его физических свойств, которые не позволят накапливать радиоактивность тантала.

«Мы экспериментально подбираем время, которое позволяет получить определенную окраску камней. Облучаем максимум 24 часа — получается бледно-голубой красивый цвет. Если облучать дольше — цвет будет темнее, то есть голубизна более насыщенная», — поясняет Варлачев.

Голубые топазы бывают трех разновидностей: скай-блю (sky-blue) — бледно-голубой, свисс-блю (swiss-blue) — средней голубизны, и Лондон-блю (London-blue) — насыщенный голубой цвет. «Последний — самый ценный. Но его мы практически не можем получить, у нас интенсивность потока слишком маленькая. Поэтому делаем скай-блю», - отмечает он.

Варлачев подчеркивает — облученные топазы абсолютно безопасны. Даже природные голубые топазы имеют радиационную природу.

«В течение миллиона лет на них действовало внешнее облучение — либо рядом находятся залежи радиоактивных элементов, еще что-то… Мы же ускоряем этот процесс. И если, допустим, полежали они год, радиоактивность спала до нуля, вы их не отличите. У них свойства почти одинаковые», — рассказывает ученый.

Политехники уже изучили, топазы каких месторождений наиболее подходят для окраски на их реакторе. Разрабатываемая в Томске технология позволить заказчику получать готовые камни через полгода-год после сдачи для облучения.

«Почти на всех реакторах за рубежом эта методика отработана, у нас просто не было спроса, мы ей не занимались, спрос сейчас появился. Рынок не насыщен, поэтому обращаются к нам. У российских ювелиров есть спрос, но в основном заказчики ориентируются за рубеж», — рассказывает он.

Политехники уже облучали опытные партии в 200 килограммов, а когда в 2016 году внедрят технологию, предполагают выйти на объемы в 2−3 тонны в год. Сотрудники лаборатории № 33 первыми в мире попробовали окрашивать даже аметисты — из серого в красный. Но пока эти наработки не востребованы.

«В других камнях много примесей долгоживущих. Например, у кобальта пять лет полураспада — с ними работать невозможно. Во всем мире только топаз облучают», — замечает Варлачев.

При этом, подчеркивает собеседник, окраска необратима. То есть беспокоиться, что когда-нибудь камень в украшении потеряет свой цвет, не стоит. Правда, если не засунуть его в печку под 500 градусов — тогда камень потеряет «голубой» заряд.

Около 20 лет работают политехники и с алмазами. Правда, с помощью реактора они не красят этот драгоценный камень, а «метят» его для якутских промышленников — таким образом они могут контролировать выход алмазов при обогащении руды.

«Их помещают в начало процесса обогащения руды. В связи с тем, что они радиоактивные, за ними можно следить — посмотреть, куда пойдут: в готовую продукцию или в отвалы. Они четко идут за природными алмазами. Если ушло в отвалы 20% радиоактивных алмазов - значит, что-то случилось», — поясняет он.

Фото © РИА Томск. Яков Андреев

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈