В 1980-х химики вуза создали фотоприемное устройство для космического аппарата

14:15, 10 декабря 2021

Прибор обеспечил высокотехнологичный мониторинг поверхности Земли

Космический аппарат «Океан-О» предназначен для исследования поверхности Земли в ИК-диапазоне. Фото: Конструкторское бюро «Южное» им. М. К. Янгеля.

10 декабря — день памяти, пожалуй, самого знаменитого шведа — химика, изобретателя, предпринимателя и филантропа Альфреда Нобеля. В этом году исполняется 125 лет с его смерти. И вот уже 120 лет, как в этот день проводится церемония вручения Нобелевских премий. В соответствии с датой и научным профилем Альфреда Нобеля рассказываем о достижениях химиков Уральского федерального университета.

«Океан-О» — космическая радиолокационная система дистанционного зондирования Земли, непрерывно функционировавшая с запуска первого спутника этой системы в 1988 году до второй половины 2000-х годов. Аппаратура космического аппарата «Океан-О», находившегося на земной орбите, позволяла мониторить в нескольких инфракрасных диапазонах состояние почв, водоемов, растительности, лесов, геологических структур, шельфов, ледников, Мирового океана, зон облаков и осадков, социальную и производственную инфраструктуру, обнаруживать области распространения пожаров и загрязнений, вести поиск полезных ископаемых, контролировать посевы, обеспечивать наибольшую эффективность и безопасность судоходства, продуктивность рыбного промысла.

Непосредственное и деятельное участие в создании фотоприемного устройства инфракрасного диапазона для аппаратуры космического аппарата (КА) «Океан-О» принимала кафедра физической и коллоидной химии, одна из старейших в УрФУ (основана в 1920 году). Кафедра, в те годы крупнейшая в вузе, вела научные исследования по разработке новых тонкопленочных материалов, способных регистрировать излучение ближнего и среднего инфракрасных диапазонов.

Земная атмосфера пропускает ИК-излучение избирательно, так как содержит его мощные поглотители — пары воды, углекислый газ, метан. Поэтому изучать поверхность Земли в инфракрасном диапазоне можно только в окнах прозрачности атмосферы — участках спектрального диапазона, которые пропускают ИК-излучение.

«В ходе создания многоспектральной аппаратуры для КА „Океан-О“ перед нами была поставлена задача разработать высокочувствительные ИК-приемники для окна прозрачности 2,1-2,35 микрометра. Задача осложнялась требованием ТЗ обеспечить высокое быстродействие данных детекторов. В оптоэлектронике оно определяется такой характеристикой, как постоянная времени. У большинства используемых в этом диапазоне материалов она большая — 200-400 микросекунд. Нам же поставили условие: постоянная времени не должна превышать 16 микросекунд. При этом специалистам известно, что чем фоточувствительнее материал, тем больше у него величина постоянной времени. Таким образом, нам нужно было решить противоречивую задачу: суметь синтезировать фоточувствительные пленки и изготовить на их основе ИК-детекторы, обладающие близкой к пороговым значениям обнаружительной способностью и вместе с тем имеющие относительно невысокую постоянную времени», — рассказывает заведующий кафедрой физической и коллоидной химии УрФУ Вячеслав Марков.

Сотрудники кафедры, вспоминает Вячеслав Филиппович, трудились в две смены: составляли химические рецептуры, проводили синтез экспериментальных образцов пленок с различными легирующими добавками, исследовали свойства полученных пленок, отрабатывали технологию фотолитографии. В результате активных поисков задача была решена: полученные поликристаллические слои на основе легированного сульфида свинца отличались высоким фотоответом при аномально малой постоянной времени. Выяснилось также, что слои сформированы из кристаллитов размером 30-50 нанометров, то есть, по сути, являлись наноструктурными, что стало еще одним фактором их необычных характеристик.

«Материал, который мы синтезировали и из которого создали фотоприемники, оказался стойким к воздействию больших доз радиации. На испытаниях наши пленки выдерживали дозы облучения 108-109 рентген. Случалось, что кварцевая подложка под пленками чернела, а их фотоответ уменьшался всего на 15-20%», — добавляет Вячеслав Марков.

В фотолитографической лаборатории кафедры из пленок изготовили чипы, которые после тестирования и отбора были установлены в корпуса с термоэлектрическими микрохолодильниками, что еще больше повысило их обнаружительную способность.

«Наши электронщики разработали системы питания, термостабилизации, систему коррекции и усиления сигнала, совместно с Уральским оптико-механическим заводом — оптические элементы. Таким образом, мы передали заказчику, Государственному институту прикладной оптики, полностью готовое, не имеющее аналогов высокочувствительное фотоприемное устройство для 7-й спектральной зоны многоканального сканирующего комплекса МСУ-В, установленного на КА „Океан-О“ № 1», — вспоминает ученый.

Устройству дали название «Сигма». Впоследствии разработчики получили от конструкторов системы «Океан-О» благодарственное письмо, в котором сообщалось, что ФПУ «Сигма» обеспечило выполнение целевых задач аппаратуры МСУ-В в условиях космического полета КА «Океан-О», а благодаря высокой надежности «Сигмы» фактический срок службы превысил гарантийные обязательства на восемь лет.

Изучение материалов, полученных для «Сигмы» и «Океана-О» и обладающих рядом уникальных и еще пока необъяснимых качеств, продолжается поныне. И тогда, и сегодня кафедра физической и коллоидной химии УрФУ — один из признанных в нашей стране научных центров, способных создавать ИК-материалы широкого спектрального диапазона. В этом — большой вклад профессора Сергея Мокрушина, который возглавлял кафедру с начала 1930-х годов и на протяжении следующих 40 лет. Большая серия его новаторских научных статей по исследованию ламинарных (пленочных) систем заложила основы отечественной микроэлектроники. Важная лепта в достижениях кафедры принадлежит ученику Мокрушина — профессору Георгию Китаеву, который заведовал кафедрой в период работы над «Сигмой».

«В настоящее время одним из руководителей тонкопленочного направления на кафедре является профессор Лариса Маскаева, которая в свое время синтезировала пленки для „Сигмы“. Несколько очень востребованных учебных пособий по тонкопленочному синтезу — еще один значительный продукт этого направления в деятельности кафедры. Процесс создания новых пленочных материалов продолжается. Большой интерес к ним проявляют как в нашей стране, так и за рубежом», — комментирует Вячеслав Марков.

Добавим, что сам Вячеслав Филиппович в конце ноября указом Президента России удостоен почетного звания «Заслуженный химик РФ».