Координаторы: д-р физ.-мат. наук Бердников В. С., д-р техн. наук Каплун А. Б.

Исполнители: ИТ, ИНХ, ИМП, КТИМК, ИЛФ СО РАН

В диапазонах чисел Прандтля от 0,05 до 2700, чисел Грасгофа, Марангони и Рейнольдса, перекрывающих технологические, проведены экспериментальные и численные исследования конвективного тепло- и массообмена в системе тигель—расплав—кристалл (рис. 1), численные исследования кондуктивного и радиационно-кондуктивного теплоотвода от фронта кристаллизации через кристалл в условиях сопряженной конвективной или радиационной теплоотдачи от кристалла в окружающую среду. Рассчитаны взаимосвязанные поля температуры в кристаллах и окружающей среде при соотношениях теплопроводности кристалл—газ от 1 до 500. Таким образом создана база для разработки глобальных численных моделей основных методов получения совершенных кристаллов из расплавов, использование которых позволит существенно экономить ресурсы, необходимые для разработки оптимальных технологических процессов. Получены новые экспериментальные данные по гидродинамике расплавов в широком диапазоне параметров и конвективному теплообмену. Сняты видеофильмы течений в физических моделях метода Чохральского в ламинарных, переходных и турбулентных режимах в условиях свободной, вынужденной и смешанной конвекции. Они используются в качестве учебного материала для технологов. Полученные результаты позволяют резко ограничить диапазоны поиска оптимальных технологических режимов.

Рис. 1. Теплопередача и эволюция полей изолиний функции тока (верхний ряд) и изотерм (нижний ряд)с ростом числа Рейнольдса. Fig. 1. Heat transfer and evolution of stream functions (upper series) and isotherms (lower series) with Reynolds number increasing.

С помощью оригинальных, не имеющих аналогов в мире вибрационных методов произведены комплексные систематические исследования физических характеристик и кристаллизации боратных систем с нелинейно-оптическими соединениями. Тройная система Na₂O—BaO—B₂O₃ исследована на бинарном разрезе оксид натрия—оксид бора и двух разрезах с метаборатом бария (рис. 2). Определены область кристаллизации бета-бората бария (низкотемпературной нелинейно-оптической фазы метабората бария — BBO) и температуры ликвидуса на 50 составах этой системы, уточнены температуры и тип плавления ее соединений. Обнаружено, что состав кристаллизующихся фаз и соединений в данной системе зависит от термической предыстории образцов. Полученные данные и рекомендации по выращиванию монокристаллов бета-бората бария переданы в ИМП СО РАН. Проведено подробное исследование полей первичной спонтанной кристаллизации и определена температура ликвидуса на 47 составах тройной системы Li₂O—Cs₂O—B₂O₃. Исследованы фазовые равновесия в области кристаллизации трибората. Установлено, что при изменении условий проведения опыта (максимальной температуры образца, времени выдержки при этой температуре, скорости нагрева и охлаждения образца) области первичной кристаллизации соединений смещаются.

Рис. 2. Фазовая диаграмма тройной системы BaO-B2O3-Na2O - указаны соединения, квазибинарные диаграммы которых были изучены. Fig. 2. Phase equilibria in the triple system BaO-B2O3-Na2O. The compounds whose quasi-binary equilibrium diagrams were studied are shown.

В ИМП СО РАН изучена связь типа дефектов и условий выращивания крупных кристаллов BBO из раствора-расплава с использованием техники Чохральского. Обнаруженное в системе ВаО—В₂О₃—Na₂О соединение Na₄Ba₃B₄O₁₁ позволило триангулировать две подсистемы — BaB₂O₄—NaBO₂—Na₄Ba₃B₄O₁₁ и BaB₂O₄—Ba₂B₂O₄—Na₄Ba₃B₄O₁₁. В области, прилегающей к общей их стороне — BaB₂O₄—Na₄Ba₃B₄O₁₁, находятся составы растворов-расплавов, наиболее подходящие для выращивания качественных кристаллов ВВО. Обнаружено, что разность электрических потенциалов между средой кристаллизации и кристаллом отражает кинетику его роста и дефектообразование формирующейся структуры. Наведенные и контактные внешние электропотенциалы — реальный инструмент корректировки условий роста кристаллов. Содержание включений, границ блоков разориентации и электрического двойникования в кристаллах ВВО коррелирует с составом и условиями синтеза растворов-расплавов, совокупностью тепловых и кинематических параметров роста кристаллов. Получаемый из них оптический материал (после отбраковки) не уступает лучшим зарубежным образцам.

1. Бердников В. С., Винокуров В. В., Панченко В. И., Соловьев С. В. Теплообмен в классическом методе Чохральского // ИФЖ. 2001. Т. 74, № 4. С. 122—127.
2. Бердников В. С., Захаров В. П., Марков В. А. Тепловая гравитационно-центробежная конвекция в подогреваемом снизу слое жидкости// Там же. С. 111—115.
3. Бердников В. С., Гапонов В. А., Коврижных Л. С. Тепловая гравитационно-капиллярная конвекция в полости с продольным градиентом температуры// Там же. С. 116—121.
4. Kaplun A. B., Meshalkin A. B. Investigation of phase equilibria in the triple system Li₂O—Cs₂O—B₂O₃ in the region of triborates crystallization// J. Crystal Growth. 2001. V. 229, Issue 1—4. p. 248—251.
5. Горчаков А. В., Белостоцкий А. Л., Сапожников В. К., Русов В. А., Мешалкин А. Б., Каплун А. Б. Технология высококонтрастных электрооптических модуляторов на основе кристаллов KTiOPO₄// Автометрия. 2001. № 3. с. 81—88.
6. Каплун А. Б., Мешалкин А. Б. Исследование фазовых равновесий в системе Rb₂O—B₂O₃// Журн. неорган. химии. 2001. Т. 46, № 6. с. 1006—1012.
7. Каплун А. Б., Мешалкин А. Б. Исследование фазовых равновесий в системе оксид висмута — оксид германия// Расплавы. 2001. № 5. с. 68—77.
8. Pestryakov E. V., Petrov V. V., Trunov V. I., Kirpichnikov A. V., Volkov A. G., Alimpiev A. I., Radionov A. Ja. Be₃Al₂Si₆O₁₈ single crystal doped with Jahn-Teller ions: a promising active media for superbroadtand lasers// Laser Physics. 2001.v. l1, N 10. p. l138—1141.
9. Пестряков Е. В., Алимпиев А. И., Матросов В. Н. Перспективы развития фемтосекундных лазерных систем на кристаллах бериллиевых алюминатов, активированных ионами хрома и титана// Квантовая электроника. 2001. т. 31, № 8. с. 689—696.
10. Богданов С. В., Зубринов И. И., Пестряков Е. В., Петров В. В., Семенов В. И., Алимпиев А. И. Упругие свойства кристалла гексаалюмината бериллия—лантана—BeLaAl_nOi₉// Кристаллография. 2001. т. 46, № 3. с. 500—507.
11. Pestryakov E. V., Alimpiev A. I., Matrosov V. N. Prospects for the development of femtosecond laser systems based on beryllium aluminate crystal doped with chromium and titanium ions// Quantum Electronics. 2001. v. 31, N 28. p. 609—616.
12. Bogdanov S. V., Zubrinov I. I., Pestryakov E. V., Petrov V. V., Semenov V. I., Alimpiev A. I. Elastic properties of beryllium-lantanum hexaaluminate crystal BeLaAl_nOi₉// Crystallography Reports. 2001. v. 46, N 3. p. 450—455.
13. Alimpiev A. I., Merkulov A. A., Solntsev V. P., Tsvetkov E. G., Pestryakov E. V., Matrosov V. N. Growth and crystal structure of the BeAl₆O₁₀ single crystals// J. of Crystal Growth. 2002. V. 237—239. p. 884—889.
14. Tyurikov V. I., Tsvetkov E. G. Study of voltage changes at interface during growth of β-BaB₂O₄ crystals and possibilities for improving their quality by outer potentials// Ibid. p. 403—407.
15. Tsvetkov E. G., Tyurikov V. I., Khranenko G. G. The major problems of seeding and growth of barium borate crystals in terms of new data on phase relations in BaO—B₂O₃—Na₂O system// Ibid. p. 658—662.
16. Solntsev V. P., Tsvetkov E. G., Gets V. A. Growth of α-BaB₂O₄ single crystals from melts at various compositions: comparison of optical properties// Ibid. v. 236. p. 290—296.
17. Солнцев В. П., Цветков Е. Г., Юркин А. М. Выращивание объемных монокристаллов α-ВаВ₂О₄ для изготовления поляризационных устройств лазерных систем// Поверхность. 2002. № 5. с. 40—44.
18. Тюриков В. И., Цветков Е. Г., Храненко Г. Г. К вопросу о фазовых соотношениях в систе-
    ме BaO—B₂O₃—Na₂O при выращивании кристаллов метабората бария// Там же. № 6. с. 25—30.

В оглавление

Далее