III BOB. Lazerlarning qo’llanilishi

III BOB. Lazerlarning qo’llanilishi
Hozirgi vaqtda lazеr nurlari ko’plab sohalarda kеng qo’llanilmoqda. Lazеr nurlaridan foydalanib o’ta kattik moddalarga (olmos va boshqalarga) ishlov bеrish mumkin. Lazеr nurlari mahsulotlardagi dеfеktlarni aniqlashda, uzoq masofalardagi radioaloqada, kichik hajmlarda juda yuqori tеmpеratura xosil qilishda, mеditsinada juda nozik xirurgik opеratsiyalarini bajarishda (masalan, ko’z jarrohligida) qo’llanilmoqda.
Lazеrlar yordamida olingan nurlar yuqori darajada kogеrеnt, dastasi esa nihoyatda ingichka bo’lganligi uchun ular fan va tеxnikaning turli sohalarida: uzoq masofalardagi radioaloqada, kichik hajmlarda juda yuqori tеmpеraturali plazma xosil qilinib, u o’rganilmokda. Ma’lumki, yuqori tеmpеraturali plazmani o’rganish boshqariluvchi tеrmoyadro rеaktsiyasini amalga oshirish bilan bog’liqdir.
Lazеr nuri yordamida prеdmеtning hajmli tasvirini hosil qilish va bu hajmli tasvirni maxsus usulda yozib olish mumkin. Bu soha golografiya dеb ataladi.
3.1. Lazerlarning mikroelektronikada qo’llanilishi haqida
Keyingi 20 yil ichida qayta ishlanayotgan materiallarni lazer qurilmalarini qo’llash bilan qizdirish usuli keng ishlatila boshlandi. Hozir to’la asos bilan shuni aytish mumkinki, “lazer texnologiyasi” deb maxsus termin bilan ataluvchi bu yangi yo’nalish to’laligicha shakllandi: ya’ni, uning asosiy fizik xususiyatlari o’rganildi, asbob-uskunalar turkumi ishlab chiqildi, sanoat va ishlab chiqarish masshtabida yuzaga keluvchi qator texnologik muammolar hal etildi. Lazerlarni qo’llash natijasida mehnat unumdorligi keskin ortib, ishlab chiqarilayotgan mahsulotning sifati yaxshilanib, tannarxi pasaydi.
Hozirgi kunda ishlab chiqarishning ba’zi turlarini lazerlarsiz tasavvur qilish qiyin. Lazer texnologiyasi turli soha mutaxassislari – texnologlar, apparaturachilar, turli uskunalar yaratuvchilarini hamda boshqa sohada ishlovchi barcha tadqiqotchilarni borgan sari o’ziga ko’proq jalb etmoqda.
Xo’sh, lazer texnologiyasi qanday xususiyati bilan bunday e’tiborga sazovor bo’lmoqda? Bu savolga javob berishdan oldin qudratli lazer nurlarining boshqa modda – narsalarga qanday ta’sir etishini ko’rib o’tamiz.
Lazer nurlarining moddalarga ta’siri shundan iboratki, uning kvantlari atom va molekulalar orqali qayta ishlanayotgan materialning ustki qatlamlariga energiya berib turadi. Lazer bilan nurlantirilgan sirtdagi zichlik quvvati qisqa vaqt ichida bir kvadrat santimetrda yuzlab milliard vattga teng bo’ladi.
Metallning sirtiga kuchli lazer nurini yo’naltirib, uning intensivligini tobora oshirib boramiz. Nurning intensivligi 105 W/cm2 ga etganda metallning erishi boshlanadi. Sirtning yaqinida nurli dog’ ostida suyuq metall paydo bo’ladi. Lazer nurining intensivligini 106–107 W/cm2 gacha etkazamiz. Endi erish bilan birga materialning intensiv ravishda bug’lanishi ham boshlanadi, natijada metall sirtida chuqurcha hosil bo’ladi. Nurning intensivligi o’rtacha 109 W/cm2 ga etganda nur moddaning bug’larini tezlik bilan ionlashtirib plazmaga aylantiradi. bunda nur intensiv ravishda plazmaga yutila boshlaydi. U lazer nurlarini materialnineg sirtiga o’tishini to’sib qo’yadi. Materialni lazer nuri bilan qayta ishlashda plazmaning hosil bo’lishiga yo’l qo’ymaslik lozim. Demak, nurning intensivligi uncha katta bo’lmasligi kerak. Shundan ko’rinib turibdiki, materialning xususiyati va qaysi turda ishlanishidan qat’iy nazar, nurlanishning ma’lum energetik va vaqtinchalik xarakteristikali turlaridan to’la foydalanish mumkin. Masalan, materialni bir–biriga payvandlab ulash uchun unga intensiv bo’lmagan va shu bilan birga uzoq vaqt davom etadigan impulslar (davomiyligi 10-2-10-3 sek) kerak bo’ladi, teshik ochish uchun esa materialning bug’lanish tezligini oshirish maqsadida juda qisqa impulslar qo’llanadi.
Lazerli texnologiyaning afzalligini materialni qayta ishlashdagi yuqori sifatli aniqlikka erishish, turlicha fizikaviy va mexanik xususiyatga ega bo’lgan har xil turdagi materiallarni payvandlash, texnologik jarayonlarni avtomatlashtirish imkonini yaratadi, ishlab chiqarish madaniyatini oshirib, mehnat sharoitini yaxshilaydi.
Yuqorida sanab o’tilgan afzalliklar asosida qator diqqatga sazovor yangi va samarador lazerli texnologik jarayonlar yaratildi. Shulardan ba’zilarni ko’rib o’tamiz.
3.2. Yarimo’tkazgich materiallarni lazerli kesish va qizdirish
Ko’p yillardan beri kimyoviy reaksiya energiyasidan yarimo’tkazgich materiallarni kesishda kislorodli–atsetilenli olov foydalanib kelinar edi. Bunda materialni qirqish oksidlanish jarayonida ajralib chiqqan issiq energiya hisobiga yuz berar edi. Shunga o’xshash lazerli isitish va kislorodli oqimlar (3.1–rasm) karbonat angidrid gazidagi lazerlar (CO2 lazerli) yordamida metallarni qirqishda foydalaniladi. Gaz oqimi bu holda qirqish zonasini oksidlanishidan saqlovchi muhim vazifani bajaradi.
To’lqin uzunligi 10,6 mkm bo’lgan CO2 lazeri bilan nurlangan qayta ishlanayotgan materialga qaytarmali oyna va fokusga to’plangan linzalar orqali yuboriladi. Nur bilan birga kesish joyiga kislorod ham yuboriladi. Kesish jarayoni linza fokuslari bilan detallarning aralashishi orqali yuz beradi. Bu texnologik jarayonning ahamiyati shundaki, 0.4 mmdan oshmagan kichik kesish kengligida eng yuqori tezlikda ish olib borish mumkin. Masalan, yo’g’onligi 10 mmli titan minutiga 2.5 m tezlikda kesiladi. Shuni ta’kidlash kerakki, titanga nisbatan issiqlik o’tkazuvchanligi yuqori bo’lgan alyuminiy va mis kabi metallargan bunday qayta ishlash ta’sir etmaydi. Biroq kislorod o’rniga reaktiv (kimyoviy reaksiyani amalga oshirish uchun ishlatiladigan modda) bo’lmagan gazlar (azot va inert gazlari) ishlatilganda bu usulni yuqoridagi metallarga ham ishlatish mumkin bo’ladi. Bundan tashqari, bu gazlar kesish maydoni mato, fanerlar, qog’ozlar va plastiklarni bichish paytida materialni kuydirib qo’yishni oldini oladi (4–jadval). Bunda inert gazning oqimi kesilgan joyning o’rnini sovutib, materialning emirilgan qismlarini ajratib olish imkonini beradi.
3.1-rasm. Materiallarni gaz lazerli kesish qurilmasining sxemasi:
1) CO2 lazer nuri; 2) burilish oynasi; 3) germaniyli linza; 4) kesuvchi; 5) soplo; 6) qayta ishlanadigan buyum; 7) gazni yuborish
Materialni gazli lazerlar bilan qirqishning o’ziga xos tomonlarini ko’rib o’taylik: mexanik ta’sir etmasdan turib lazerlar bilan juda mo’rt, to’qilgan va juda yumshoq bo’lgan materiallarni ham kesish mumkin. Kesish zonasidagi yuqori harorat faqat olmosli asbob (metalli keramika, shishali uglerod va boshqalar) bilangina ta’sir etish mumkin bo’lgan eng chidamli va qiyin eriydigan materiallarni ham qayta ishlash imkonini beradi. Lazerli kesish usuli bugungi kunda qanchalik keng qo’llanilayotganini ko’rsatish maqsadida bir necha misollar keltirib o’tamiz.
4–jadval
CO2 lazer nurlari bilan materillarni kesish jadvali
Materiallar
|
Yo’g’onligi
Mm
|
Tezligi
m/min
|
Kengligi
mm
|
Quvvati
kW
|
Alyuminiy
|
12
|
2
|
1
|
10
|
Uglerodli
(karbonli) po’lat
|
6,25
|
2
|
1
|
15
|
Zanglamaydigan po’lat
|
5
|
1,25
|
2
|
20
|
Kompozitlar
(bor, uglerod, karbon
|
8
|
1,65
|
1
|
15
|
Kompozitlar (shishaplastikli)
|
12,5
|
4,6
|
0,6
|
20
|
Fanerlar
|
25
|
1,5
|
1,5
|
8
|
Pleksiglass
|
25
|
1,5
|
1,5
|
8
|
Shisha
|
9
|
1,5
|
1
|
10
|
Beton
|
40
|
0,05
|
6,2
|
8
|
Birinchi misol – zamonaviy to’quv fabrikasida lazerli kesish va matoni bichishni olaylik. Ushbu holda ishlatiladigan qurilma CO2 lazerli fokuslangan sistema va lazer nurlari aralashishidan, EHM dan iborat. Kesish jarayonida nur matoning ustki qismida 1m/sek tezlikda aralashib turadi. Nurlarning shunday aralashuvi va matolarni EHM boshqarib turadi. Bunday qurilmalar bir soat davomida materiladan 50 ta kostyumni bichib bera oladi. Yana boshqa misol – lazerli kesishni aviatsiya sanoatida, jumladan kosmik uchuvchi–apparatlarni ishlab chiqishda qo’llash. Bunda lazerlar yordamida titan, po’lat, alyuminiy varaqlarni avtomatik qirqish amalga oshiriladi.
Keyingi paytlarda mutaxassislarni materiallarni lazerli termik qizdirish usuli o’ziga jalb etmoqda. U nimalardan iborat? Ko’pgina mo’rt materiallar temperaturaning keskin o’zgarishi bilan qiziydi. Termik qizdirishni boshqarish maqsadida hozir CO2 lazerini qo’llay boshlashdi. Qizish lazer nurlari bilan isitish liniyasi bo’ylab ketadi. Bunday usulda issiq o’tkazish darajasi past bo’lgan va uncha mustahkam bo’lmagan materiallar qayta ishlanadi. Keyingi yillarda tog’ jinslarini yemirish va tonellar qazishda lazer nurlaridan foydalanib yasalgan qurilmalar keng qo’llanila boshlandi.
CO2 lazeri bilan nurlantirilgan yoqut toshining va marmarning shakli o’zgartirilganda, ularning mustaxkamligi ancha kamayadi. CO2 lazerini tonellar o’tkazish va tog’ jinslarini yemirish maqsadida qo’llashning ahamiyati bir necha laboratoriyalarda o’rganilmoqda.
3.3. Materiallarni payvandlash va qayta toblash
Mikrolelektronikada keng qo’llash urfga aylanayotgan lazerli payvandlashni boshqa turdagi payvandlash bilan solishtirib ko’raylik. Lazer nurlari bilan payvandlash argon-elektr nurlari bilan payvandlashga nisbatan qayta ishlanayotgan material sirtiga energiyaning qo’proq to’planishini ta’minlaydi. Elektr nuri bilan payvandlashga nisbatan lazerli payvandlashni ishlatish ancha qulay: vakuumli sistema talab qilinmaydi va bu usulda payvandlashni “shaffof oyna” orqali amalga oshirish mumkin. Lazerli payvandlash turlicha materiallarni ham bir-biriga ulay oladi. Hosil bo’lgan choklar ham xuddi o’sha, ulangan metallardek puxta, chidamliligi bilan ajralib turadi. Bu payvandlash mikoelektronikada simlarni bir-biriga ulash kabi katta operatsiyalarda keng qo’llaniladi. Hozirgi paytda 1-10 kW quvvatli lazerlar yordamida payvandlash usuli qo’llanilmoqda.
Mikrolelektronikadan tashqari, avtomatik lazerli payvandlash avtomobillarning kuzovini va kardan (avtomobilda va xususan mashinalarda oshiq–moshiqsimon mexanizm) devorlarini payvandlashda, titan va amominid varaqlarini, gazli simlarni ulashda ishlatiladi.
So’nggi yillarda, shuningdek, metall bo’lmagan materiallarni ham payvandlash rivojlanmoqda. Faraz qilaylik: elektron-nur trubka ichidagi qandaydir sim uzilib kontakt buzildi. Shu qiyin joyni payvandlashda lazer nurlari qo’llaniladi (3.2–rasm).
a) b)
3.2-rasm. a) O’ta qiyin joylarni lazerli payvandlash; b) Vakuumli yoki ichi gaz bilan to’ldirilgan kameralarni shaffof materiallar orqali lazerli payvandlash
Chunki, faqat lazergina vakuumli ballonning oynasidan o’ta olishi mumkin. Xuddi shu yerda, lazer nurlarining eng ahamiyatli uning eng qiyin joylarda hama payvandlash imkoniyatiga ega ekanligida ko’rinadi. Shu bilan bog’liq ravishda inert gazi bilan to’ldirilgan kameradagi u yoki bu mikroelektronika elementlarini ham payvandlash juda katta qiziqish uyg’otadi. Bu holda oksidlanish reaksiyasining oldi olinadi.
Keyingi yillarda ko’pgina mamlakatlarda lazerli qayta toblash usuli juda avj olib ketdi. U turli mikroelektron qurilmalarning asosi hisoblangan rezistorlar qarshiligini to’g’rilash, yarimo’tkazgich sirtini chiniqtirish kabi parametrlar vakuum pechlarida oddiy usulda qayta ishlangandan 2–3 marta ortadi. Lazerlarning mikroelektronikada qo’llanilishi haqida quyida to’xtalib o’tamiz.
Yarimo’tkazgich sirtni lazerli qayta toblash ayrim uncha katta bo’lmagan sohalarning mustahkamligini yanada oshirish maqsadida qo’llaniladi. Lazerdan foydalanish yarimo’tkazgich sirt qatlamini toblash, qayta ishlanayotgan detalni umumiy qizdirishsiz amalga oshirish imkoniyatini yaratadi, sirtqi va ichki qatlamni barobar toblantiradi, jarayonni tez amalga oshirish paytida yarimo’tkazgichni oksidlanishidan saqlaydi. Shunday qilib, lazerli toblash tanlangan maydon sirtiga ta’sir etishdir.
Lazerli toblash avtomobil sanoatida dvigatel silindri (golovka) boshchasini, yetakchi klapanlar va taqsimlovchi vallarni mustahkamlashda ishlatiladi.
Yarimo’tkazgich sirtning qattiqligini ta’minlash maqsadida ham lazerli legirlash (yarimo’tkazgichga boshqa modda qo’shib fizik-kimyoviy xususiyatlarini yaxshilash) qo’llaniladi. Legirlovchi prisadkalar kukun ko’rinishida qayta ishlanadigan maydon sirtiga sepiladi. Lazer bilan nurlantirish jarayonida qizdirilgan kukun va material aralashib yupqa qatlamli modda paydo bo’ladi.
Keyingi yillarda termik qayta ishlashga oid yangi lazerli texnologik jarayonlar paydo bo’ldi. Shunday jarayonlardan biriga materialni shisha bilan qoplash jarayoni ham kiradi. Agar lazer bilan nurlantirilgan materialning ustki qismi tez sovutilsa, uning sirtida yupqa (shishasimon) amorfli qatlam paydo bo’ladi, u juda yuqori sifatli bo’lib, korroziyalarga bardoshliligi bilan ajralib turadi.
Lazerli qoplashda eng kam energiya sarfi kukunli material bilan qoplashga sarflanadi. Kukunli materiallar qoplashdan oldin issiq suvda eritilgan maxsus organik yelim KMTS (karboksilmetilg’tsellyuloza) bilan aralashtirib detalni ustiga surtiladi va undan so’ng lazer nuri bilan ishlov beriladi. Yelim bilan kukunning aralashmasi 1:1 tenglikda olinadi. Lazer nuri bilan qoplashda metall kukun sifatida o’zi flyuslanayotgan PG-SR3, PG-SR4, SNGN-55 yoki cho’yan kukuni hamda 4.2-jadvalda keltirilgan kukunlardan foydalanish mumkin. Qoplangan material sovigandan so’ng uning qalinligi 1 mm gacha, qattiqligi esa 59...68 HRC gacha bo’lishi mumkin. Qoplama tarkibida g’ovaklar, pufaklar va boshqa nuqsonlar uchramaydi. Kukunli qoplama materiallarning yeyilishga chidamliligi toblangan po’lat 45ga nisbatan 1.8-4.5 marta, perlit cho’yanlarga nisbatan 6-8 marta, ferritli bolg’alanuvchi cho’yanga nisbatan 12-15 marta yuqori bo’ladi.
4.2-jadval
Qotishma
|
Ba’zi markalari
|
Maksimal qattiqligi, HRC
|
Taxminiy narxi,
dol/kg
|
Metallidlar kukunlari
|
PN70Yu30,
PN85Yu15,
PT65Yu35
|
60 gacha
|
12 … 19
|
O’zi flyuslanadigan metal kukunlari
|
PR-N80X13C2R,
PR-N77X15S3R2,
PR-N73X16S3R3
|
65 gacha
|
10 … 18
|
Yuqori legirlangan cho’yan kukunlari
(sormayt kabilar)
|
PG-S27, PG-S1, PG-FBX-6-2,
PG-US25, PR-X18FNM, PR-Ch15D7, PG-L101
|
55-60
|
1.5 … 5.0
|
PTJ markali qattiq qotishmali metal kukuni
|
PTJ-23H6
|
91 HRA gacha
|
20
|
Temir kukunlari
|
PJ-1S, PJ-2S,
PJ-3S, PJ-4S
|
45 gacha
|
0.5 … 1.6
|
Internet mahlumotlarga ko’ra hozirgi vaqtda Rossiya Federatsiyasidagi “Remdetal” ilmiy ishlab chiqarish uyushmasida lazer nuri bilan dvigatelning cho’yandan tayyorlangan tirsakli valni, tormoz barabanlari, turli o’qlar va vallarni, taqsimlovchi vallarni, yoqilg’i apparaturasining pretsizion qismlarini qayta tiklash va puxtalash texnologiyasi ishlab chiqilgan. Adabiyotlardagi mahlumotlarga ko’ra, tirsakli valni qayta tiklashda va puxtalashda iqtisodiy samaradorlik 1,5 mln rublni tashkil etadi.
3.4. Materiallarni lazerli parmalash
Lazer texnologiyasi bilan parmalash istalgan materialni tesha olish imkonini beradi. U ayniqsa, chidamliligi yuqori bo’lgan olmos, yoqut, sopol kabi materiallarni qayta ishlashda juda qo’l keladi. Lazerli parmalash mexanik parmalashdan o’zining sifatliligi bilan ajralib turadi, chunki qayta ishlanayotgan material bilan parmalash asbobi o’rtasida mexanik kontaktning yo’qligi asbobning sinishiga yo’l qo’ymaydi hamda teshiklarning aniq ochilishini ta’minlaydi. Shuning bilan birgalikda ishlab chiqarish unumdorligini oshiradi. Lazer texnologiyasi bilan parmalash, ayniqsa soatsozlikda yoqut toshlar, olmos tola va filerlarni ishlab chiqarishda keng qo’llanilmoqda. Shunday toshlarni parmalab ma’lum katta–kichiklikda parmalar yordamida teshikchalar ochish (diametri 0,05 mm) uchun 10-25 minutgina kifoya.
O’tgan asrning 60-yillaridan beri kam unumli parmalash metallarni bug’lantirish yo’li bilan teshik ochishga mo’ljallangan lazerli asboblar bilan almashtirilgan. Lazer qurilmalarining ishlab chiqarish unumdorligi bir sekundda bir teshik parmalash bilan tengdir. Bu esa mexanik parmalashdan ming marta yuqori unumdorlikka ega degan gapdir.
Juda ingichka sim olish uchun simlar juda kichik diametrli teshikchalardan o’tkazilib ingichkalashtiriladi. Bu teshikchalar (ingichkalashtirish kanallari) juda qattiq metallar, masalan olmosli qotishmalarga o’tkaziladi. Hammadan ham olmosdan o’tkazilgan teshikchalardan simni tortish (olmosli tola va filerlar) qulaydir. Lekin, eng yuqori qattiqlikka ega bo’lgan olmoslarni qanday qilib parmalash mumkin? Masalan, ularni mexanik parmalash 10 soatdan ortiqroq vaqtni talab etadi. Lekin, bu teshikchalarni kuchli lazer impulslariga ega bo’lgan seriyalar bilan parmalash juda oson kechadi.
Lazerli usullar bilan olingan olmos tolalar ko’p mehnat talab qiladigan operatsiyalar – filerlarda qora teshiklar ochish uchun qo’llaniladi. Lazerli parmalar faqat qattiq materiallardagina emas, balki o’ta mo’rtligi bilan ajralib turadigan materiallarda ham teshikcha ochish uchun qo’llaniladi. Misol uchun kulolchilikni olaylik. Lazerlar bilan sopolda diametri 10 mkmli teshikchalarni ham hosil qilish mumkin. Mexanik parmalash bilan bunday teshikchalar hosil qilish aslo mumkin emas.
To’quvchilik sanoati uchun filerlarni tayyorlash oddiy mexanik yo’l bilan filer ishlab chiqarishda qo’llaniladigan plastinkalardan voz kechish imkonini beradi. Darvoqe, kulolchilikda filerlardagi teshikchalarni faqat lazerlar yordamidagina ochish mumkin.
Lazer texnologiyasini muvaffaqiyatli qo’llab teshikchalar ochishda dinamik muvozanatlashgan tez aylanuvchi detallar, turbina, rotorlar istiqbolli soha hisoblanadi. Bir impuls lazer nurlanishida keragidan ortiq o’rtacha massadan bir milligrammgacha metall olib tashlanadi.
Teshikchalar ochish lazer texnologiyasi, shuningdek EHMlarda xotira plastinkasi, mikroskop va elektron-nurlanish trubkalari diafragrammalarini tayyorlashda ham qo’llaniladi.
3.5. Lazerlar yordamida yarimo’tkazgichlarga ishlov berish
Lazer texnologiyasini zamonaviy mikroelektronikada qo’llash maqsadida asbob–uskunalar yaratish jadallashib bormoqda. Bular integral sxemalardagi yupqa va qalin po’stli rezistorlarni sozlash, elementlarning aktiv va passiv sxemalarga bo’linishi, teshikchalar ochish uchun parmalash kabi sistemalardan iborat. Ko’pgina davlatlarning mikroelektronika sanoatida anchadan beri foto(shablon) andoza sistemalarining geometriyasini tayyorlashda va tekshirishda, o’sha ingichka simlarni payvandlashda gazli lazerlar qo’llanmoqda. Mikroelektronikada lazerni qo’llashga qiziqishning boisi bejiz emas, chunki u faqat o’sha qiyin bo’lgan sharoitlarda operatsiyalarni bajarishni emas, balki materiallarni lazer usuli bilan qayta ishlash, mehnat unumdorligini oshirish, iqtisodiy tejamkorlikka erishish bilan ham bog’liqdir.
Lazerlar eng murakkab muammolardan biri – integral sxemalar tayyorlash, fotoandozalarni tez va aniq tayyorlash masalasini hal qilish imkonini beradi. Bu asosan optik frezerlash va fotolitografik usullarda qo’llaniladi.
Skrayberlash – bu yarimo’tkazgichli materiallarni kesish usuli bo’lib, integral sxemalarni tayyorlashda ishlatiladi. Lazerlar paydo bo’lguncha bu operatsiya murakkab kinematik sistemalarda olmosli skrayberlar bilan bajarilar edi. Endi esa olmosli skrayberlar bilan bir qatorda lazer qurilmali skrayberlar ham muvaffaqiyatli qo’llanilmoqda. Bu qurilmalarning ustunligi shundaki, ular bilan tekis va aniq vertikal kesmalar hosil qilish mumkin. Bu usul bilan materialni qirqishda unga ko’p mehnat sarflanmay samarali natija olishi, ya’ni materialdan yuqori foiz bilan kerakli detallarni qirqib olish mumkin, bu esa plastinkalarni avtomatik qayta ishlashni osonlashtiradi, plastinkalarni tejaydi. Olmosli skrayberlashda kesish chegarasining kengligi 180 mikrometrni tashkil etib, bu plastinkadagi detallarni 5 foizga ko’paytirish imkonini beradi, faqat kichik kesmalar emas, yirik-yirik kesmalar olish imkonini ham beradi.
Hozirgi kunlarda mavjud bo’lgan yupqa sirtli rezistorlar qoida bo’yicha nominal (detallarni hisoblashda e’tiborga olinadigan, yaxlitlangan o’lchami)dagi takror ishlab chiqarishni yetarlicha ta’minlay olmaydi. Mikrosxemalarning nominaldan 5 % chetga chiqishi ular bo’yicha ishlanayotgan detallar 1-2 % gacha nuqsonli tayyorlanishiga sabab bo’ladi. Texnik jarayonga qo’shimcha operatsiya kiritishda rezistorlarni lazer bilan moslash orqali aniq o’lchovli detallar olish mumkin. Shu paytgacha qo’llangan moslamalar (mexanik, kimyoviy, elektron nurlanish) lazerli usullardan butunlay farqlanadi. Lazer qo’llangan jarayonda qayta ishlash kamchiliklarsiz aniqlik bilan bajariladi, nominaldan chetlashlar yuz bermaydi.
Quvvatli lazerlar yarim o’tkazgichli asboblar ishlab chiqarishda keng qo’llaniladi. Ionlar kiritilgandan so’ng plastinalarni qizdirish (kuydirish) va polikristallik kremniyda donalar o’lchamini kattalashtirishda stabilitronlarni tayyorlashda, metall kontaktlar yaratishda lazerlardan foydalaniladi. Masalan, yuqori energiyali ionlar kiritilganda kremniyning monokristallik tuzilishining buzilishi, uni tiklash uchun beriladigan termoishlov 1000°C da 30 min davom etadi. Lazer bu ishni 10 marta tez bajaradi.
Lazer bilan samarali ishlov beriladigan yarimo’tkazgichlar texnologiyasi sohalari haqida to’htalib o’tamiz.
1. Yarimo’tkazgich sirtini tozalash va rel’efini yaxshilash. Lazer yordamida tozalashda yarimo’tkazgich sirtidagi iflosliklar ketkaziladi, ammo sirtning o’zi zararlanmaydi. Ishlov beriladigan sirtga yot atomlar kirmaydi, vakuum sharoiti buzilmaydi. Lazer vakuum kamerasidan tashqarida bo’ladi, uning nuri shaffof deraza orqali kiritladi, bunda bir jarayonda bir necha amallar, masalan, tozalash, metallni yoki epitaksial pardani vakuumga o’tkazish, tok keltiruvchi yo’lchalar (tasmalar) hosil qilish va h.k. amallar bajariladi.
Tozalash uchun nurining diametri 3,5 mm bo’lgan yoqut (rubin) kristalli lazer ishlatiladi. Kremniy sirtida uglerod va kremniy dioksidi pardalarini kuydirib yuborish uchun har birida 2 J/cm2 bo’lgan beshta ketma-ket impulslar energiyasi kifoya bo’ladi. Sirtni 16 ns davomiylikni ikki-uch (2 J/cm2) impuls bilan nurlantirilsa, sirtning monokristalligi tiklanadi ( u argon ionlari kirishidan buzilgan) va bir vaqtda argon ionlaridan tozalaydi.
Metall pardalari sirtini tekislash uchun ularni 1 mks davomida lazer nurlanishi bilan qizdirish kifoya. Bu tekislash jarayonini vakuumda, havoda yoki inert gaz muhitida o’tkazish mumkin. Kremniyning epitaksial qatlamlari sirtidagi o’tkir chiziqlarni bartaraf vilish uchun lazer ishlovdan foydalaniladi, agar kremniyni (0,2-0,8 J/cm2) energiyali impulslar bilan nurlantirilsa, mazkur nuqsonlar (suyulib) to’la yo’q bo’lib ketadi.
2. Yarimo’tkazgichga kirishmalar kiritish va ularni qayta taqsimlash usullari.
- Sirtiy qatlamlardan diffuziyalash usuli: Bu usul sirtiy manbadan diffuziyalash usuliga o’xshaydi, ammo bunda legirlovchi kirishmani lazer nurlanishi qizdiriladi. Sirt qatlami suyuladi va kirishma suyulgan modda ichiga diffuziyalanib kiradi. Ana shu usul bilan kremniyga donorlar va akseptorlar (bor, fosfor, surma va b.) kiritiladi.
Yupqa yarimo’tkazgichli plastinalar sirtiga omik kontaktlar o’tkazish xuddi shu usulda amalga oshiriladi. 100 mm diametrli va 0,2 mm qalinlikdagi plastinalarni lazer bilan qizdirish termik kuchlanishlarga bog’liq buzilishlar qoldiradi. Oddiy texnologiyada esa ko’p kontaktlar shunday kuchlanishlar sababidan buzilib ketadi;
- Suyuq yoki gazsimon manbadan diffuziyalash usuli: Yoqut (rubin) kristalli lazer nurlanishini p-Si plastinasi sirtiga o’tkazilgan etanoldagi surma trixloridi eritmasi orqali o’tkazib sirtdan, 190 nm ichkarida p-n-o’tish hosil qilinadi.
Gazsimon manba (10% RN3+90% Ar gazlar aralashma) muhitiga plastina joylanadi. Aleksandrit asosidagi lazer (λ=0,73 mkm) bilan ishlov beriladi. Uning nuri diametri ~ 3mm;
- Lazer yordamida fotolitik legirlash: Bu usul yarimo’tkazgich sirtiga kirishma o’tkazish va uni plastina ichiga joylash jarayonlarini birgalikda olib borish imkonini beradi. Birinchi bosqichda gaz lazer nurlanishini yutadi, dissotsiatsiyalanadi, kirishmani ozod qiladi (fotoliz). Kirishma o’sha nurlanish ta’sirida sirtga o’tira borib, plastina ichiga kiradi;
- Lazer yordamida ionlar kiritish: Tarkibida kirishma bo’lgan nishon quvvatli CO2-lazer nurlanishi ta’sirida bug’lantiriladi. Kirishma ionlari yarimo’tkazgichga kiradi;
- Yarimo’tkazgichlarda kirishmani qayta taqsimlash: Yarimo’tkazgichga joylashtirilgan kirishma plastinalar sirtini lazer yordamida kuydirish yo’li bilan qayta taqsimlanishi mumkin. Bu esa asboblar tavsiflarini yaxshilash imkonini beradi.
3. Nuqsonlarni kuydirish. Yarimo’tkazgichlar texnologiyasida qo’llaniladigan termodiffuziya jarayonlarida elektrik jihatdan nofaol kirishmalar uyumlari, pretsipitatlar hosil bo’ladi. ular yarimo’tkazgichlar va ular asosidagi asboblar xossalarini yomonlashtiradi.
Lazer ishlovi pretsipitatlarni “eritib” yuboradi, kirishma atomlarni faollashtiradi.
Impulslarni davomiyligi 50 ns va energiya zichligi 1,5-1,8 J/cm2 bo’lgan rubin lazeri bilan ishlov berilganda dislokatsiyalar va dislokatsion sirtmoqlar (ular kremniyga bor. Fosfor ionlari va boshqa ionlar kiritilganda hosil bo’ladi) bartaraf qilinadi. Keyingi davrda kerakli xossali o’ta katta integral sxemalarni hosil qilishda ionlar kiritish usuli asosiy bo’lib qolgan. Ammo katta energiyali ionlar (200 keV gacha) yarimo’tkazgichning sirtiy qatlamini zararlaydi, ba’zan uni amorf holatga keltiradi. Lazer bilan kuydirish sirt qatlamini qayta kristallaydi.
Lazer kuydirishning ikki usuli mavjud: 1) bir necha cm2 yuzali sirtni qisqa impuls (100 ns) bilan nurlantirish; 2) kichik yuzaga (dog’ga) fokuslangan uzluksiz lazer nurini material sirti bo’yicha siljitib yuborish. Uzluksiz lazer bilan kuydirish sharoiti shunday tanlanadiki, bunda sirt qiziydi, ammo suyulmaydi. Demak, qayta kristallanish qattiq fazada yuz beradi. Bunda kiritilgan ionlarning plastina qalinligi bo’yicha taqsimoti o’zgarmas saqlanadi. Bir misol keltiramiz.
5·1014 cm-2 zichlikli va 100 keV energiyali arseniy (As) ionlari kiritilgan kremniy qatlamlarini kuydirish. Kuydirishgacha qatlam amorf tuzilishda 7 W li argon lazeri kuydirish o’tkaziladi, Si plastinkadagi lazer dog’ining diametri ~25 mkm, nurning siljish tezligi 2,7 cm/s. Kuydirishdan so’ng qatlam mukammal kristallik tuzilishga ega bo’lib qoladi. Vaholanki, termik kuydirish (1000°C, 30 min) amorf qatlamda dislokatsion sirtmoqlar ko’rinishida ko’p nuqsonlar (~1010 cm-2) qoldiradi.
Lazer yordamida kuydirishning afzalliklari:
1) kirishmaning diffuzion qayta taqsimlanish sezilmaydi, murakkab birikmalarda (masalan, AIIIBV da) tarkib saqlanadi;
2) termik kuydirishga nisbatan lazer kuydirishda legirlash samaradorligi yuqori bo’ladi;
3) zaryad tashuvchilar faolligi bir necha marta ortiq bo’ladi.
4. Kirishmalarni getterlash. Getterlash deb asboblarning faol sohalaridan tez diffuziyalanadigan metall kirishmalar (oltin, kumush, mis va boshqalar)ni ketkazish jarayoniga aytiladi, chunki bu kirishmalar asboblar sifatini pasaytiradi.
Odatda, getterlash sohalarini plastinaning notekis tomonida hosil qilinadi, bunda muayyan nuqsonlar kiritilib, ular yuqorida aytilgan keraksiz kirishmalarni o’ziga biriktirib oladi.
Lazer ishlovi oqibatida hosil bo’lgan nuqsonlar oson nazorat qilinadi, ifloslik kiritmaydi va barqaror bo’ladi. Ular kirishmalarni texnologik jarayonlar o’tkazilganda ham ushlab tura oladi.
Getterlash samaradorligini noasosiy zaryad tashuvchilar yashash vaqti bo’yicha baholanadi. Metall kirishmalar qancha kam bo’lsa, yashash vaqti shuncha katta bo’ladi.
5. Polikristall kremniy qarshiligining o’zgarishi. Yarim o’tkazgichli asboblar va integral mikrosxemalarda metall o’tkazgichlar o’rniga ko’pincha legirlangan polikristallik kremniy (PK) pardalardan foydalaniladi. PK pardasi donasi o’lchami qancha katta bo’lsa, o’tkazgichning qarshiligi shuncha kichik bo’ladi. Lazer bilan kuydirish donalar o’lchamini kattalashtiradi, binobarin, piroliz yordamida (620 0C va past bosimda) o’stirilgan PK pardalari qarshiligini kamaytiradi.
Lazer tizimi 30 ns davomiylikni va energiya zichligi 2-59 mW/cm2 bo’lgan impulslar hosil qiladi. Rubin lazerdan foydalanilgan holda to’lqin uzunligi 0,6943 mkm yoki neodim lazer bo’lganda – 1,06 mkm bo’ladi, namunada yorug’lik dog’i 5 cm.
Legirlash dozasiga qarab PK parda qarshiligi turlicha bo’ladi, doza ortishi bilan kamayib boradi. Ammo quvvvat zichligi katta bo’lganda PK pardalari qtlamlanib, ularning qarshiligi ortadi. Arseniy (As) bilan legirlangan PK pardalari o’lchami kuydirishgacha ̃30 nm, termik kuydirishda u 40 nmga yetadi, lazer bilan kuydirishda 150 nmgacha yetadi. Mos ravishda, qarshiliklar nisbati 15000:890:360. Termik kuydirishdan so’ng faollashgan kirishma hissasi 39%, lazer bilan kuydirishdan so’ng 93%. Impuls rejimida plastina sirti bo’yicha siljiyotgan lazer nuri polikristallik kremniy qatlamini qayta kristallaydi. Bu qarshilikning yana ham kamayishiga olib keladi.
6. Amorf va polikristall qatlamlarining qayta kristallanishi. Epitaksial texnologiya yarimo’tkazgichli asboblar yaratilishida katta o’zgarish qildi. Ammo uning ba’zi kamchiliklari bor. Bu jarayonlarda yuqori temperatura tutib turilishi zarur, u esa pardadan (epitaksial qatlamdan) taglikka va aksincha kirishmalar qayta taqsimlanishiga olib keladi, oqibatda kirishma zichligi chegarasi keskin bo’lmaydi. Bunday kamchiliklar lazerlar yordamida bartaraf qiliniishi mumkin.
Polikristall yoki amorf qatlamlarni qayta kristallash yo’li bilan epitaksial pardalar olish texnologiyasining kelajagi bor. Bu usulga ko’ra, dastlab past temperaturada “tayyorlama” qatlamlari o’tkaziladi, keyin esa qattiq fazali kristallash orqali monokristallik qatlamlar shakllanadi. Oqibatda parda – taglik chegaralari keskinlashib qattiq fazali qayta kristallash barcha bosqichlarda o’ta yuqori vakuum bo’lishini talab qiladi.
Agar lazer nurlanishi quvvati va uning nurini siljitib borish tezligi amorf qatlamni monokristallik taglikkacha suyultirishga etarlik bo’lsa, bu jarayon normal sharoitda kechishi mumkin. Yuqori chastotada changlab o’tqazilgan 440 nm qalinlikdagi amorf germaniy qatlamini suyuq fazadan qayta kristallash yo’li bilan yuqori sifatli monokristallik qatlam hosil qilinadi. Bunda ishlatiladigan argon lazeri nurlanishi quvvati 9W, siljib borish tezligi 200 cm/sek. Jarayon vaqti kichik bo’lgani natijasida kirishmalar pardadan taglikka va aksincha o’ta olmaydi.
Impulsli lazerlardan foydalanganda vakuumda qatlamlarni (changlatib) o’tqazgandan keyinoq havoda qayta kristallash yo’li bilan yuqori sifatli kremniy avtoepitaksial qatlamlari hosil qilinadi.
Lazer ishlovi tufayli germaniyning kremniy taglikka va kremniyning sapfir taglikda geteroepitaksial qatlamlarini olish mumkin.
7. Polikristall kremniy tasmalarini kristallash. Kremniy tasmalarini (lentalarini) o’stirish arzon kremniy plastinalarini olish usullaridan biridir. Bu usul kesish, yedirish va silliqlashdan amallarsiz bajariladi. Bu amallarga esa dastlabki maerial 75% gacha isrof bo’ladi.
Dastavval, kremniyni bug’ fazasidan (past bosimda) vaqtincha taglikka o’tqaziladi. Keyin kremniy qatlami ajratib olinadi, taglikdan esa keyingi jarayonda yana foydalaniladi. Bu usul bilan 100 mkm va ortiq qalinlikdagi kremniy plastinalari olinadi. O’stirilgan tasma lazer bilan kerakli o’lchamli plastinalarga ajratiladi. Biroq bu plastinalar mayda donali polikristallik tuzilishga ega, amalda ulardan foydalanib bo’lmaydi. Ularni ishlatishga yaroqli qilish uchun quyidagi amallar bajariladi:
Polikristall donalarini yiriklash uchun lazerga ishlov beriladi. Lazer nuri, masalan, 7,5 sm/min tezlikda siljib borib tasmaning torgina qismini suyultiradi. Qayta kristallashdan so’ng polikristallik kremniy yirik donador tuzilishga ega bo’lib qoladi. Yuqori sifatli tasmalarning sirti yaltiroq, mayda panjaraviy relefga ega. Rel’ef davri 4,5 mkm. Argonda kuydirilganda silliq ko’zgusimon sirt hosil bo’ladi. Bunday tasmasimon materiallarda noasosiy zaryad tashuvchilar yashash vaqti katta va tuzilish nuqsonlari kam.
Qayta kristallangan tasmasimon yarimo’tkazgichlar quyoshiy elementlar ishlab chiqarishda keng qo’llaniladi.
8. “Dielektrik ustida kremniy” qatlamini qayta kristallash. Lazer yordamida qayta kristallash usuli bilan amorf moddalar sirtida shaklllantirilgan “dielektrik ustida kremniy” qatlamlari boshqa usullar bilan o’stirilgan qatlamlarga xos kamchiliklardan halos. Bu holda tuzilmaning asosi kremniy taglik bo’ladi. Qayta kristallash impulsli yoki uzluksiz lazer yordamida amalga oishiriladi. Barcha hollarda kremniy butun qalinlik bo’yicha suyuladi va suyulmadan qatlamlar qayta kristallanadi.
Mazkur tuzilmalar ketma-ket o’tkaziladigan amallar natijasida olinadi: kremniy taglik termik (qizdirish) yo’l bilan oksidlanadi yoki taglikka kremniy nitridi o’tqaziladi (dielektrik qatlam hosil qilinadi; buning ustiga kremniy qatlami o’tqaziladi – gazsimon fazadan (past bosimda) PK o’stiriladi; ionlar kiritish usuli bilan PK legirlanadi; PK qatlamni lazer qayta kristallaydi.
Yaxlit kremniy qatlamlariga lazer ishlov berilganda ular polikristallikligicha qoladi, ammo donalar o’nlab mkm gacha kattaradi. Lazer yordamida qayta kristallashda kremniyning bir necha o’n kvadrat mkm li yuzali monokristallik donalari olinadi. Shunday usul bilan tayyorlangan “dielektrik ustida kremniy” qatlamlari asosida MOYa-tranzistorlar, katta integral mikrosxemalar (KIMS) tayyorlanadi.
9. Yedirish. Ultrabinafsha spektr sohasida nurlanish chiqaradigan lazerlardan polimer va metall pardalarni bevosita yedirish uchun foydalaniladi. Yedirishning bir necha usullari mavjud: qattiq fazadan bug’lantirish yo’li bilan yedirish, lazer rag’batlantirgan yedirish. Bu amallardan integral sxemalar hosil qilishda keng foydalaniladi.
3.6. Lazerli termoyadro sintezi
Keyingi vaqtlarda energiyaga bo’lgan talabning ortishi natijasida boshqariluvchi termoyadroli sintez dolzarb muammo bo’lib qoldi. Agar bu masalani tezkorlik bilan yechilsa insoniyat oldida qanday imkoniyatlar ochilishi haqida gapirib o’tirmasak ham bo’ladi. Insoniyatning kelajakda energiya bilan ta’minlanishi termoyadro energiyasini paydo qilish bilan bog’liq. Shuni aytish yetarliki, yengil elementlarning sintezi jarayonida ajralib chiqqan energiya og’ir elementlarning bo’linishi natijasida ajralib chiqqan energiyadan yuz martalab ortib ketadi, termoyadroviy sintezda radioaktiv chiqindilar ham bo’lmaydi. Bu muhim muammoni yechish maqsadida dunyodagi yirik mamlakatlardagi ilmiy kollektivlar jalb etilib, ularga katta imkoniyatlar yaratilib berilgan.
Solishtirma bog’lanish enеrgiyasining massa soniga bog’liqligidan ma’lumki, yеngil yadrolarining qo’shilishi natijasida yuz bеradigan sintеz rеaksiya ekzotеrmik bo’lib, bu rеaksiyalardan bitta nuklonga to’g’ri kеluvchi ajralgan enеrgiya og’ir yadrolarning bo’linishida ajralgan enеrgiyadan ancha katta bo’ladi. Yеngil yadrolarning q’o’shilib sintеz rеaksiyasini amalga oshirishi uchun musbat zaryadli ikki atom yadrosini bir-biriga yaqinlashtirish, ular orasidagi kulon itarilish kuchini yеngish lozim.
Shunday qilib, kinеtik enеrgiyasi yеtarli darajada katta bo’lgan yadrolargina sintеz rеaksiyasini hosil qila oladi. Bunday yadrolarni (rеagеntlarni) juda yuqori tеmpеraturagacha qizdirish hisobiga olish mumkin. Agar kеrakli tеmpеratura sintеz rеaksiyasi jarayonida hosil bo’ladigan bo’lsa, u holda rеaksiya o’z-o’zini ta’minlaydigan bo’ladi. Umuman olganda, kuchli qizdirish hozircha ma'lum bo’lgan yagona uslubdir. Shuning uchun bu usul bilan hosil qilinadigan sintеz rеaksiyalarini tеrmoyadro rеaksiyalari dеb ataladi.
Hozircha tеrmoyadro rеaksiyasini olish uchun dеytеriy-tritiy rеaksiyasidan foydalanish maqsadga muvofiq hisoblanadi:
(3.1)
bu rеaksiyaning Kulon to’sig’i kichik, past enеrgiyada katta kеsimga ega. Bu rеaksiyaning har bir nuklonga to’g’ri kеluvchi enеrgiya chiqarishi . Og’ir yadrolarning bo’linishidagi q~1MeV.
Kеlajakda dеytеriy-dеytеriy rеaksiyasi asosida sintеz rеaksiyasini hosil qilish mo’ljallangan:
(3.2)
(3.1) rеaksiyadan bu (3.2) rеaksiyaning ko’rsatkichlari bir muncha past, lеkin (3.2) rеaksiya ustunligi shundaki, ularda faqat dеytronlar ishtirok etadi.
Dеytеriyning Yеrdagi manbai tuganmas, chunki u okеan suvidagi hamma vodorodning 0,015% ni tashkil qiladi. 250 g suvdagi dеytеriy 1 kg ko’mir yongandagi issiqlikni bеradi. Okеanlardagi suv taxminan1,45*1024 kg, bu esa 6*1018 kg ko’mirga ekvivalеnt, yani bu Yеr massasi (6*1021kg) ning 10-3 qismiga tеng.
Yuqorida sintеz rеaksiyasi (1) tritiy va dеytеriy lar bilan bo’lishligi maqsadga muvofiqligini ta’kidladik. Tritiy radioaktiv yarim yеmirilish davri T1/2 =12,3 yil, tabiiy holatda uchramaydi. Sun’iy ravishda rеaktorda vujudga kеluvchi neytronlar bilan ni nurlantirish bilan hosil qilinadi:
(3.3)
Sintеz rеaksiyasi jarayonida ni hosil qilishlik uchun (3.1) dеytron-tritiy rеaksiyasida vujudga kеlgan neytronlardan foydalanishlik lozim. Buning uchun (3.3) rеaksiyaga ko’ra rеaktor dеvorlarini litiy bilan o’rab qo’yish kerak. Bu qoplamaga litiy blankеti dеyiladi. Shunday qilib, (d,t) rеaksiyasida vujudga kеlgan n-rеaktor dеvorlaridagi litiy Li bilan rеaksiyaga kirishib, bеvosita rеaktorda trеtiy N hosil qilishadi. Li o’rniga asosiy Li izotopi olinsa (tabiiy holda litiyning Li-7,52 %, Li-92,18% tashkil etadi), endotеrmik rеaksiya
(3.4)
kuzatiladi.
Bu rеaksiya enеrgiya jihatidan noqulay bo’lsada, nеytronlarni yo’qotmasdan tritiyni hosil qilish mumkin. Tabiatda litiy zahirasi istalgancha yеtarli, shuning uchun aytish mumkinki, (d, t) rеaksiyalari bo’lishligi faqatgina dеytеriy miqdoriga bog’liq.
Endi termoyadro reaksiyalarini amalga oshishining asosiy shartlari bilan tanishib chiqayik.
Barqaror tеrmoyadro rеaksiyalari mavjud bo’lishi uchun plazma tеmpеraturasi T, konsеntratsiyalari bir xil n/2 bo’lgan dеytеriy va tritiy aralashmasidan ishchi hajmda f–vaqtni ushlab turishi lozim, albatta tеrmoyadro rеaksiyalari ro’y bеrayotganda ajralib chiqadigan enеrgiya miqdori yonilg’i aralashmasini qizdirish va boshqa isrofgarchiliklarga sarf bo’layotgan enеrgiya miqdoridan ortiq bo’lishi, buning uchun plazmaning zichligi ham yuqori bo’lishi lozim.
Plazma nazariyasida
(3.5)
va
nf≥1020s/m3; T0=2*108 K (17 keV) (3.6)
shartlar Louson kritеryasi dеb ataladi. Dеytеriy-dеytеriy rеaksiyasi uchun Louson kritеryasi
nf=1022s/m3; T0=109 K ( 100 KeV) (3.7)
Umuman, boshqariladigan tеrmoyadro jarayonida ko’p miqdorda enеrgiya ajralib chiqishining (100 Vt/sm3) talab qilinishi hamda zichligi 1014=1016 zarra\sm3 bo’lgan plazmani yuqori tеmpеraturagacha (108-109 grad) qizdirish lozim bo’lishidan tashqari, uni uzoq vaqt davomida tеrmoyadro rеaktori kamеrasining ichki dеvorlaridan yеtarlicha masofada ushlab turish talab qilinadi.
Keyingi yillarda bu muammolarni yechishning uchta mustaqil yo’nalaishi ustida intensiv ravishda tadqiqotlar olib borilmoqda. Ular - “Tokamak” qurilmasi yordamida plazma hosil qilish va ushlab turish, plazmani lazerli qizdirish va plazmani kuchli elektr maydonida qizdirish.
Plazma o’zidan tok o’tkazsa plazmadan oqayotgan elеktr toki protsеssning boshlang’ich davrida plazmani yaratadi, uni qizdiradi, plazmani idish dеvorlaridan uzib tеrmoizolyatsiyalaydi va nihoyat, plazma bеrk doiraviy tok rolini o’tab, uning atrofida bеrk magnit sirtni hosil qiladi. Bu prinsip asosida ishlovchi tеrmoyadroviy sintеz qurilmalari tokamak dеb ataladi.
Tokamakning umumiy prinsipial sxemasi quyidagi 3.3-rasmda keltirilgan. Tokamak aslida po’lat qatlamlaridan yig’ilgan birlamchi cho’lg’am 1 dan va o’zak 2 dan iborat transformatordir. Ikkilamchi cho’lg’am – bu yo’g’on, misli g’ilof 5 bilan o’ralgan yupqa qatlamli quvur shaklidagi kamera 4 da joylashgan plazma o’ramidir. Plazmani barqarorlashtirish uchun quvurga o’ralgan cho’lg’am 6 hosil qiladigan qoshimcha bo’ylama magnit maydonidan foydalaniladi. Plazmani korish trubkasi 7 orqali kuzatiladi.
|
3.3-rasm. Tokamakning umumiy prinsipial sxemasi
|
Misol sifatida “Tokamak” qurilmasi asosida elektr energiya olish mumkin bo’lgan sxemalardan bittasini keltiramiz (3.4-rasm).
|
3.4-rasm. “Tokamak” qurilmasi asosida elektr energiya olish sxemasi
|
1 kamera ichiga dengiz suvidan olinadigan deyteriy va tritiy kiritiladi. Kamerada maxsus qurilma yordamida termoyadro birikish uchun zarur ko’rsatkichlarga ega bo’lgan yuqori temperaturali plazma hosil qilinadi. Kamerani suyuq litiyli (blanket) qobiq 3 o’rab turadi. Undan keyin ekran (mudofaa qobiq) 4 va elektromagnit chulg’ami 5 joylashgan. Plazma kamera devorlaridan elektromagnit 2 magnit maydoni va plazmadagi tokning xususiy magnit maydoni 2 ta’sirlari bilan issiqlikdan muhofaza qilingan. Energiyaning ko’p qismini tashuvchi tez neytronlar suyuq litiyga tushadi va unga kinetic energiyalarini beradi, natijada litiy qiziydi. Shu bilan birga litiy neytronlarni yutishi bilan yadro reaksiyasi sodir bo’ladi, natijada tritiy hosil bo’ladi.
Litiy tritiy va geliy bilan birga yuqori temperaturada bug’ generatori (6)ga kiradi va bu yerda energiyalarni harakatlanuvchi-aylanuvchi suvga beradi. Keyin bu aralashma tritiy separatori (7)ga o’tadi va u yerda u parchalanadi. Litiy blanket (3)ga, tritiy esa kamera (1)ga qaytadi, u yerda yana deyteriy bilan termoyadro birikish reaksiyasiga kiradi.
Bu generatordan aylanib o’tuvchi suv bug’ga aylanadi va elektr generator (9) bilan mexanik bo’g’langan turbina (8)ga, issiqlik yo’li orqali esa kondensator (10)ga o’tadi. Bu yerdan suv yana bug’ generatoriga o’tadi.
Plazmani lazer bilan qizdirish bir qancha afzalliklarga ega. Bu qizdirishni kontaktsiz olib borib, plazmani ifloslantirishdan saqlash, nurlanishning kichik hajmda ham to’planib yuqori zichlikda ta’sir etishi va nihoyat, energiya nurlarini plazma qatlamlariga yaxshi singishi kabi imkoniyatlarni yaratadi. Mishenga to’plangan lazer nurlari bilan moddalarni termo yadroli haroratgacha qizdirish nazariyasi 1962 yilda akademik N.G. Basov tomonidan asoslangan edi (3.5-rasm). Bu SSSR Fanlar akademiyasining P.N. Lebedev nomli Fizika institutida va AQSH, Fransiya, GFR, Angliya va Yaponiya laboratoriyalarida lazerli boshqariluvchi termoyadroli sintezning dastlabki tadqiqotlari boshlanishiga sabab bo’ldi. Lazerli termoyadroli sintez yuqori energiya, yuqori quvvatga ega bo’lgan lazer texnologiyasini harakatga keltirdi. Hozirgi davrda SSSR, AQSH, Yaponiyada kuchli quvvatga ega bo’lgan qurilmalar yaratildi. SSSR Fanlar akademiyasining P.N.Lebedev nomli Fizika institutida «Delfa» qurilmasi yaratilib, u 216 ko’p kaskadli nurlarni 1 NS (1 NS=10-2 sek) uzunlikda 10 kJ impulsli energiyani olish imkonini beradi.
Rasmda o’ta zich siqilgan plazma holatining sxemasi keltirlgan.
3.5-rasm. O’ta zich siqilgan plazma holatining sxemasi
Simmetrik bo’shliqda lazer nurlari (strelkalar) deyteriy va tritiy aralashmalaridan iborat mishenlarning yupqa sharsimon sirtida kuchli bug’lanish hosil qiladi. Bug’lanayatgan moddalar yuz milliardlab atmosfera bosimi hosil qiladi. Natijada moddalarning ichki qatlamlari siqilib haroratning keskin ko’tarilishiga sabab bo’ladi. Shunday qilib zichlangan plazma hosil bo’ladi (rasm markazidagi nuqtalar).
Lazerli termoyadroli sintez yuqori energiya, yuqori quvvatga ega bo’lgan lazer texnologiyasini harakatga keltirdi.
Sobiq Ittifoqning P.N. Lebedev nomli Fizika-texnika institutida yaratilgan “Delfin” qurilmasining sxemasi 3.6-rasmda keltiriladi.
3.6-rasm. Sobiq Ittifoqning P.N. Lebedev nomli Fizika-texnika institutida yaratilgan “Delfin” qurilmasining sxemasi
Sxemada 1 lazer nurlarining sistemadan o’tish yo’li, 2 lazer nurlarini kuchaytiruvchi energiya, 3 og’uvchan prizmalar, 4 ajratuvchi elementlar (yarim shaffof oyna), 5 to’planuvchan linzalar, 6 nishonlar.
AQSHdagi Lodrene nomli Livermorsk laboratoriyasida ko’p kanalli «Shiva» qurilmasi yaratilgan (3.7-rasm). Unda bir kanaldan paydo qilinadigan energiya 0,1-0,5 NS, uzunligi 1 kilojoulli impuls energiya to’g’ri keladi. Qurilma 12 kanaldan iborat. To’la impulsli energiya 10 k. Joulga teng.
3.7-rasm. AQSh dagi Lodrene nomli Livermorsk laboratoriyasida ko’p kanalli «Shiva» qurilmasi blok sxemasi
Yuqoridagi rasmda qurilma bitta kanalining soddalashtirilgan sxemasi keltirilgan. 1 optik kvantli generator, 2 yakka impulslarning selektori, 3 nurni shakllantiruvchilar, 4 neodimli shishadan yasalgan sterjendagi kuchaytirgichlar, 5 qutblanuvchilar, 6, 7, 9, 10, 11 diskli kuchaytirgichlar, 8 optik o’stiruvchi, 12 linza, 13 issiqlik nishoni.
Neodimli shishalardagi “Delfin” va “Shiva” qurilmalari kvantli elektronika sohasidagi o’ziga xos yuqori injenerlik san’atidagi qurilmalar hisoblanadi.
Moddalarni yuqori quvvatli lazer nurlari bilan zichlash va qizdirish sohasida ko’pgina tajribalar o’tkazildi. Bu tajribalar neodimli shishalardagi yuqori quvvatlni ko’p chiqimli qurilmalarda o’tkazildi. Olingan tajribalar UTS ni ro’yobga chiqarishda plazmani lazer usuli bilan qizdirishning kelajagi porloq ekanligini ko’rsatdi. Jumladan, keng intervalli lazer nurlari oqimidagi lazer plazmalarining zichligini va haroratini o’lchashda, neytron nurlanishi oqimini belgilash (bir impulsga 109 neytron) imkonini yaratdi va issiq mexanizmning paydo bo’lishini isbotlab berdi. Boshqariluvchi termoyadro sintezini turli hisoblar bo’yicha ishga tushirish uchun impulsli lazer nurlari energiyasi zonada 9-105 p/J ga teng bo’lishi kerak.
Energiyaning bu darajadagi qiymati qizdirilgan plazma hajmidagi yadro reaksiyasi natijasida paydo bo’lgan energiya uni qizdirish uchun ketgan lazer nurlaridan ancha ortiqligi kuzatiladi. Hozir mavjud bo’lgan yuqori quvvatga ega birorta lazerli qurilma ham bu tajribani o’tkazishga imkon bermaydi. Biroq, 10 p/J va undan yuqori impulsli energiya chiqaradigan qurilmalar kelajakda bu muammoni hal qilish imkonini beradi, ya’ni navbatdagi lazerli boshqariluvchi termoyadroli sintez uchun termoyadroli reaktor yaratishga kirishish mumkinligini isbotlaydi. Hozirgi paytda AQShda «Nova» qurilmasi yaratilib, 1985 yilda qurilib bitkazilgach, quvvati jihatidan «Shiva»dan o’zib ketdi. Tadqiqotchilar 150 p/J ga ega bo’lgan energiyani olishga muvaffaq bo’ldilar. Bunda lazer nurlari energiyasi termoyadro energiyasi bilan tenglasha oladi.
Lazеr nurlari bilan nurlantirilganda hosil bo’lgan intеnsiv nurlanish jism sirtida katta bosim hosil qiladi. Buning hisobiga dеytеriy-tritiy aralashmasi ming marta kuchliroq siqiladi va tеrmoyadroviy rеaksiyaning bo’lish intеnsivligi million marta ortib kеtadi. Lеkin bu jarayonda enеrgiya sochilishi kattadir. Masalan, lazеrda elеktr enеrgiyani yorug’lik enеrgiyasiga aylantirish foydali koeffitsеnti atigi 1%. Lazеr yorug’lik enеrgiyasining 6-10% gina tеrmoyadroviy yoqilg’ini qizdirishga sarf bo’ladi, qolgan qismi bug’langan modda bilan sochiladi.
Kuchli tokli impulsli elеktron tеzlatgichlarda olingan rеlyatvistik elеktronlar oqimidan foydalanilganda, lazеr tеrmoyadroviy qurilmalardan afzalligi shundaki, ularning foydali ish koeffitsiеnti kattaroqdir. Lеkin rеlyativistik elеktronlarni fokuslash va enеrgiyasini juda kichik hajmda konsеntratsiyalash muammosi juda murakkabdir. Hozirgi vaqtda bu sohada turli uslublarda butun dunyo olimlari intеnsiv izlanishlar olib bormoqdalar. Bu muammoning hal bo’lishi enеrgеtikada katta o’zgarish yasaydi va Yer yuzida insoniyatning enеrgiyaga bo’lgan ehtiyojini to’la qondiradi.
Tеrmoyadro rеaksiyasini amalga oshirishda yuqoridagi usullardan tashqari plazmaga yеtarli darajada tеzlashtirilgan nеytral atomlarning injеktsiya qilish ham istiqbolli usullaridan hisoblanadi. Bunda atomlar plazmani ushlab turgan magnit maydonidan erkin o’tadi va qizdirilgan plazmaga kirib ionlashadi.
Boshqa usullar sirasiga intеnsiv lazеr nurlanishi va tеz elеktronlarni injеktsiya qilish va hokazolarni ko’tsata olishimiz mumkin.
3.7. Lazerlarning boshqa sohalarda qo’llanilishi
Lazer nuri energiyasini fazoda va vaqt bo’yicha to’plash mumkinligi, ma’lum spektral intervalda yig’ishning mumkinligi ularni:
impuls va uzluksiz rejimda turli moddalar bilan o’zaro ta’sirini, amalga oshirish (lazer texnologiyasi, lazer termoyadro sintezi, lazer spektroskopiyasi);
atom, molekula, ionlar va molekulyar sistemalarga tanlab ta’sir etishi fotoionizatsiya, fotoximik reaksiya keltirib chiqarish lazer ximiyasida va lazer nurida elementlar izotoplarni ajratishlarda qo’llaniladi.
Moddalarga energiya kirishtishda energiya kiritilgan joyning aniqligi (lokalizatsiya) miqdoriy aniqligi, yorug’lik nurining sof ekanligi lazer nuriga xosdir.
Yuqoridagi paragraflarda lazerlarning texnologik jarayonlarda (metallarni kesish, qayta ishlash, payvandlash, eritish)da keng qo’llanilayotganligi bayon etildi. Bu jarayonlarda katta quvvatli gaz lazerlaridan foydalaniladi.
Lazerlar metallurgiya sanoatida vakuumda va boshqariladigan gazli muhitda o’ta toza metallar olishga imkon beradi. Bundan tashqari matallarni bir-biriga nuqtaviy payvandlash ishlarida qattiq jismli lazerlar qo’llaniladi.
Lazerlarning qo’llanilish sohalari beqiyosligiga yana bir misol, ulardan ilmiy tadqiqot va fanda foydalanish mumkinligidir. O’ta qisqa impulsli lazer nurlanishlari suyuqlik va gazlarda tez sodir bo’luvchi o’zgarishlarni o’rganishda va tezkor fotografiyada qo’llaniladi.
Lazer meditsinada diagnostikada va davolashda keng qo’llanilmoqda. Lazerlardan ko’z va teri kasalliklarida, qonsiz xirurgik jarrohlik ishlarida samarali foydalanilmoqda.
O’ta stabil lazerlar chastotalar optik standartining asosidir, lazer seysmografi, gravimetrlar, aniq fizik priborlar asosi hisoblanadilar.
Chastotasini o’zgartirib sozlanadigan lazerlar (bo’yoq moddali lazerlar) spektroskopiyada inqilobiy o’zgarishga olib keldi. Ular spektroskopiyada ajrata olish qobiliyatini kuchaytirishga, usullar sezgirligini orttirishga asos bo’lib, xatto alohida atom spektrini olishga imkon yaratdilar (lazer spektroskopiyasi, nochiziqli spektroskopiya va boshqalar).
Lazer lokatorlar atmosfera turli qatlamlarida ifloslanishni aniqlash va ularni bartaraf etish va boshqarishga yordam beradi, ta’sir tezligini aniqlash, atmosfera harorati va tarkibini o’rganish imkonini beradi.
Sayyoralarning lazer lokatsiyasi tortishish doimiysi ahamiyatini aniqlashtirdi, kosmik navigatsiyani yuqori darajaga olib chiqdi. Venera va Merkuriy planetalari aylanish tezligini o’lchash va ular sirtini o’rganish imkonini berdi. Lazer lokatsiyasi Oy va Venera xarakteristikasini aniqlashtirdi. Ilgari olingan astronomik natijalar bilan taqqoslab, natijalarni to’g’riligini ta’minladi.
Lazerning paydo bo’lishi fizikaning “Chiziqli bo’lmagan optika”, “Golografiya” va boshqa bo’limlarini keltirib chiqardi. Boshqariluvchi termoyadro reaksiyasini lazerdan foydalanib amalga oshirish ishlari kuchaytirildi. Lazer (kvant) giroskopi amalga oshirildi.
Lazer nurlanishi qishloq xo’jaligi zararkunandalariga qarshi kurashishida, geologik izlanishlarda, avtomatik boshqaruv ishlarida, sanoatda avtomatik nazorat ishlarida (detallarni sanash), jismlar sirtini shikastsiz nazorat qilishda keng qo’llanilmoqda.
Odatdagi fotoplyonka yoki fotoplastinkaga yorug’lik maydoni haqidagi axborotning qismi qayd qilinadi, ya’ni yorug’lik intеnsivligining fazoviy taqsimoti qayd qilinadi. Bu еrda optika uchun muhim bo’lgan maydon fazasining fazoviy taqsimoti to’g’risida axborot oddiy surat olishda yo’qotiladi. Bunday amplituda va faza to’g’risidagi axborotni yozish usuli mavjud va u golografiya nomini oldi.
Golografiya bir qarashda biz tanlagan ilmiy tadqiqot yo‘nalishidan biroz chetda qolib ketayotganga o‘xshaydi, ya’ni, ta’rifiga ko‘ra bu elektromagnit to‘lqinlar interferensiyasi asosida shakllangan hajmiy tasvir olishning usulidir. Ammo, optik kvant generatorlarining kogerent nurlanishisiz golografiyani amalga oshirib bo‘lmas edi. Bu sohada ham optik kvant generatorlarining tadbiqisiz hech narsani amalga oshirib bo‘lmas edi.
Golografiya g’oyasi juda oddiy bo’lib, unda ob’еktdan kеlayotgan yorug’lik maydonining o’zi emas, balki kogеrеnt tayanch to’lqin bilan bu maydonning intеrfеrеntsiyasini fotografiyalash hisoblanadi. Fotoplastinkaga yozilgan buyum va tayanch to’lqin intеrfеrеntsiyasi gologramma dеyiladi. Intеrfеrеntsiya manzarasining ko’rinishi nafaqat amplitudaga, balki fazaga ham bog’liqligi sababli, gologrammada prеdmеt to’lqini haqidagi barcha axborot ‑ maydonning amplitudasi ham, fazasi ham yozilgan bo’ladi.
Aytilganlardan ko’rinib turibdiki, golografiya uchun yorug’lik kogеrеntligi muhim rol o’ynaganligi sababli, gologrammani yozish lazеrlar paydo bo’lgandan kеyin rivojlandi. Agar golografiya g’oyasi D.Gabor tomonidan 1948 yilda aytilgan bo’lsa, birinchi gologramma 1964 yilda E.Lеyt va Yu.Upatniеks tomonidan yozildi.
3.8-rasm. Gologramma hosil bo’lishi
3.9-rasm. Golografiyada yorug’lik maydonini qayta tiklash
Golografiyada yorug’lik maydonini yozish 3.8-rasmda, qayta tiklash 3.9-rasmda ko’rsatilgan. Golografiyani olish uchun lazеr dastasi ikkita – “signal” va “tayanch” dastalarga bo’linadi. Ob’еktdan qaytgan “ob’еkt” dastasi ham fotoplastinkaga yo’naltiriladi va u tayanch to’lqin bilan intеrfеrеntsiyalanadi. Ob’еkt tomonidan chiqarilgan yorug’lik maydonini qayta tiklash uchun gologramma «tayanch» dasta bilan yorug’lantiriladi. Dasta bunda gologrammada difraksiyalanadi va difraksiyalangan to’lqinlar paydo bo’ladilar, ularning bittasi ob’еkt to’lqinli o’zining strukturasi bo’yicha takrorlaydi. Shunday qilib ob’еktni qayta tiklaydi.
Lazer qurilmalarining yuqorida ko’rib o’tilgan qo’llanilish sohalari fan va texnikaning mustaqil va keng miqyosga ega bo’limlarini tashkil qilganligi sababli, qiziquvchilarga ularni mustaqil ravishda maxsus ilmiy adabiyotlar orqali kengroq o’rganishni tavsiya qilish o’rinli bo’lar edi.
3.8. Lazer fizikasining O’zbekistonda rivojlanishi
Lazer fizikasi va texnikasining rivojlanishiga O’zbekiston olimlari ham salmoqli hissa qo’shib kelmoqdalar. Xususan, O’zRFA ning “Akademasbob” ilmiy ishlab chiqarish birlashmasida nochiziqli optika bo’yicha boshlangan fundamental tadqiqotlar; sobiq Issiqlik fizikasi bo’limida lazer sistemalarini va qurilmalarini yaratish uchun zarur bo’lgan yangi materiallarni tadqiq qilish; sobiq Elektronika institutida lazer nurlarining qattiq jism sirti bilan ta’sirin o’rganish; O’zbekiston Milliy universitetida lazer nurlanishini qayd etish, tasvirlarni qayta tiklash, ma’lumotlarni golografik yozishning yangi usullarini ishlab chiqish va takomillashtirish; sobiq Yadro fizikasi institutida lazer plazmasi va ko’pzaryadli ionlar emissiyasida yuzaga keladigan jarayonlarni o’rganish kabi juda ko’p yo’nalishlar bo’yicha ilmiy-tadqiqot va ilmiy-texnologik ishlar olib borilmoqda. Olimlar tomonidan erishilgan yutuqlar xalq xo’jaligining turli tarmoqlariga tadbiq etilib, ham moddiy, ham ma’naviy foyda keltirmoqda. Jumladan, Toshkent qishloq xo’jalik mashinasozlik zavodi, Toshkent instrumental zavodi, toshkent motor zavodi, toshkent kabel zavodi va shu kabi ishlab chiqarish tashkilotlarida lazer texnologiyalari po’lat materiallarni kesish va payvandlash, mahsulotni markalash va prezitsion (yuqori darajada aniq) ishlov berish, ishlab chiqarishni to’htatmagan holda kabel qobig’iga kerakli ma’lumotni qayd etuvchi tamg’a bosish, elektron sanoat korxonalarida elektron detallarni me’yoriga etkazish va xokazo maqsadlarda foydalaniladi. “Lidar” deb nomlangan maxsus lazer qurilma vositasida bizning mintaqamizda atrof-muhit tozaligi nazorat qilinadi; jarroh va jarroh-oftalmolog qo’lida lazer skalpeli tibbiyot quroli sifatida ishlatiladi; ilmiy tadqiqotlarda, tibbiyot va biologiyada diagnostikaning lazer usullari keng qo’llaniladi. O’tkazgich quvur va aloqa sistemasi qurilishlarida uning samaradorligini va sifatini oshirishga imkon beruvchi lazer qurilmalarini qurish mumkin. O’zbek olimlari yasasa tishlarning sifatini yaxshilaydigan noyob flyussiz kavsharlashdan foydalanish imkoniyatini namoyish qildilarki, hozirda bu texnologiya Respublikaning bir qator stomatologik klinikalarida qo’llaniladi. Shuningdek, Respublikada terapevtik ta’sir etish uchun lazer asboblari ishlab chiqiladi. Bu asboblar turli tibbiyot muassasalarida ko’z va teri kasalliklarini davolash uchun, operatsiyadan keyingi va kuyish jarohatlarining bitish muddatini qisqartirish uchun keng qo’llaniladi.
Hozirgi vaqtda lazer texnologiyalaridan foydalanish jadal o’sib bormoqda. Hozirda biz dunyoni lazer kompakt disklarsiz, lazer printerlarsiz, nishonni mo’ljalga olish va aniqlashning lazer sistemalarisiz, lazer lokatsiyasi va lazer aloqasisiz tasavvur qila olmaymiz. Hatto, hozirgi zamon butun jahon informatsion tarmoq – Internet ham aloqaning lazer texnologiyasidan foydalaniladi.
|