Растут кристаллы в Богородицке1

• Ольга Рубан

Можно только догадываться, о чем думали представители CERN, Европейской организации по ядерным исследованиям, когда в 1993 году ехали в Тульскую губернию — в маленький провинциальный городок Богородицк. В России в то время танки стреляли по парламенту, а экономика рушилась буквально на глазах. Но у посланников мировой научной элиты не было выбора: именно в этой непредсказуемой России и именно в этой провинциальной глуши находился завод, который, единственный в мире, был способен обеспечить знаменитый ускоритель LHC — крупнейший международный эксперимент в области физики высоких энергий — необходимым количеством кристаллов-сцинтилляторов.

Мы приехали в Богородицк через пятнадцать лет после церновцев. В городе за это время мало что изменилось. Те же разбитые дороги, та же неспешность и тишина — полное ощущение, что скоростной локомотив современной жизни несется где-то в стороне, и даже гудков его сюда не доносится.

В этой уютной глухомани в три смены работает не имеющее аналогов в мире предприятие, владеющее сложнейшими технологиями. Причем работает на экспорт, на один из самых высокотехнологичных и наукоемких рынков. Богородицкий завод технохимических изделий (БЗТХИ) — основной поставщик кристаллов-сцинтилляторов для ускорителя CERN. Он выращивает кристаллы, с помощью которых, возможно, удастся обнаружить так называемую темную материю, и готовится атаковать только зарождающийся рынок оборудования для солнечной энергетики.

По иронии судьбы и кадры, и технологии, и вся производственная база, которые позволили заводу выйти на рынок международных научных экспериментов и уже второе десятилетие удерживать позиции лидера в своей области, — это наследство отечественной телевизионной промышленности. Абсолютно неконкурентоспособной отрасли, которая умерла сразу после того, как рынок страны был открыт для импортной техники. С конца 70-х БЗТХИ являлся головным в Союзе предприятием по выращиванию кристаллов ниобата лития (LiNbO₃) для ПАВ-фильтров — преобразователей сигнала в телевизионной технике. Под эту задачу завод получил огромное по мировым меркам количество установок для роста кристаллов — 120 ростовых печей. Промышленное выращивание кристаллов по методу Чохральского требовало технологов-кристаллографов и специалистов по обработке готовых кристаллов — так сложился кадровый состав предприятия.

Когда отечественные телевизоры стали никому не нужны, завод встал. И стоял почти год. В той ситуации неожиданное предложение CERN, обещавшее загрузить мощности завода на многие годы вперед, было равносильно чуду.

Наследство «Темпов» и «Рубинов»

В самом большом цехе завода — ряды толстостенных цилиндрических камер, в которых при высоких (до 1900 градусов) температурах и давлениях формируется кристаллическая решетка нового материала — растут кристаллы. Так выглядит фабрика по производству кристаллов по методу Чохральского. Суть этого метода — в вытягивании кристалла из расплава с помощью затравки. Затравка представляет собой маленький кусочек того материала, который и нужно вырастить, она служит образцом для нового кристалла и центром кристаллизации. Затравка вращается и поднимается вверх, как бы вытягивая новый кристалл из тигля, в котором находится расплав. Все это хозяйство обслуживают несколько операторов — главным образом женщин, которые шустро перемещаются между камерами-печами в белых халатах и шлепанцах.

Сырье, которое загружается в ростовую печь и там превращается в расплав, готовят в соседнем цехе из первичной шихты — оксида вольфрама и оксида свинца. Там другие печи — для предварительной переплавки исходных порошков. Еще один цех занимается изготовлением оснастки — тиглей для расплава.

Первое, что бросается в глаза, — отсутствие западного оборудования. Ростовые печи, изготовленные в 70-х в украинском Луганске и рассчитанные на двадцать пять лет эксплуатации, прекрасно служат до сих пор. За годы сотрудничества с CERN их только дооснастили современной электроникой — модернизировали систему питания и систему управления.

Технологи-ростовики, пришедшие на завод еще на рубеже 70–80-х по распределению после МИСиСа, поддерживают сложнейшие технологии, которые потребовалось освоить для выполнения заказа CERN и других не менее требовательных заказчиков на рынке крупных научных экспериментов. Завод — не лаборатория, в цехах нет пробирок и микроскопов, уровень наукоемкости продукта «пощупать» трудно. Но технологии здесь действительно сложнейшие. Во-первых, сырье требуется сверхчистое — не более пяти-семи атомов примесей на миллион атомов материала. Вторая проблема — из чего изготавливать оснастку: очень немногие металлы способны выдерживать температуры, при которых растут кристаллы, а керамику использовать нельзя — она привносит в расплав загрязнения. Третья очень непростая задача — «поймать» и удерживать на поверхности расплава температуру фазового перехода из жидкого состояния в кристаллическое. (Диапазон температур фазового перехода — всего несколько градусов, а температура расплава — от 1300 до 1800 градусов.) Еще одна важная деталь — особые добавки, которые формируют необходимые свойства кристалла. В каждый технологический процесс нужно подсыпать этих добавок из расчета 25–30 атомов на миллион атомов материала. И здесь все зависит от квалификации технологов-ростовиков — и высокое и стабильное качество выращиваемых кристаллов, и судьба экспериментов, запланированных CERN.

Кто заполнит калориметр

Кристаллы PWO (вольфрамат свинца), которые растит Богородицкий завод, предназначены для мюонного спектрометра CMS — одного из четырех детекторов LHC. PWO относится к разряду сцинтилляторов — материалов, обладающих свойством преобразовывать энергию ионизирующего излучения во вспышки света. Этот материал обеспечивает очень высокое энергетическое разрешение, высокий световыход и, за счет небольшой длины поглощения, компактность детектора. Все эти достоинства PWO были критически важны для эксперимента на CMS, поэтому в 1992 году руководство CERN приняло решение создать электромагнитный калориметр — один из приборов в составе CMS, предназначенный для регистрации энергии и направления гамма-квантов и электронов, именно на основе PWO. Для этого весь внутренний объем калориметра, а он имеет диаметр 3 м и длину почти 6 м, предстояло заполнить кристаллами — бесцветными, прозрачными, как стекло, брусками в форме параллелепипеда или усеченной пирамиды с гладко отполированными гранями. Условия будущего эксперимента предъявляли к этим кристаллам особое требование: они должны были обладать высокой радиационной стойкостью — не разрушаться под воздействием мощного потока частиц высоких энергий.

Поначалу претендентов стать поставщиком кристаллов PWO для CERN было несколько: французская корпорация Crismatec, чешская компания Crytur, харьковский Институт монокристаллов и Шанхайский институт керамики. Однако французы запросили неподъемную для тогдашнего бюджета CERN цену — 5,5 доллара за кубический сантиметр кристалла, у харьковчан не оказалось производственной базы, а чехи сами сняли свою кандидатуру, поняв, что нужного качества материала им не достичь. Китайцев в проект все-таки пригласили (по уставу CERN обязан диверсифицировать поставщиков оборудования), но — на вторые роли: им доверили делать около 4% от общего количества кристаллов.

А основную ставку руководство CERN сделало на БЗТХИ. Только его мощности — 120 ростовых установок — позволяли к марту 2008 года изготовить необходимые для запуска CMS 82 тыс. кристаллов. Такого количества ростовых печей не было (и до сих пор нет) ни у кого в мире — другие предприятия имеют их не более 20 штук. Так, благодаря наследству телевизионной отрасли, БЗТХИ в середине 90-х оказался в числе участников одного из самых высокотехнологичных мировых проектов.

Кристаллы с колес

Заказ из CERN на опытную партию кристаллов PWO с целью проверить возможности завода было единственное, что упало богородчанам с неба. Сделать все остальное — реализовать потенциал завода и держать планку на мировом уровне — им предстояло самим.

Специалистов, которые к тому времени разошлись зарабатывать кто куда, к счастью, удалось собрать обратно: в начале 90-х люди с квалификацией операторов по росту кристаллов и оптиков-кристаллографов не были нужны никому. Этим специалистам совместно с Институтом физики высоких энергий (Протвино) и НИИ ядерных проблем Белорусского госуниверситета (Минск) и предстояло создать дешевую и эффективную технологию выращивания кристаллов PWO. «Технологию изготовления кристаллов создавали форсированными темпами, — вспоминает Анатолий Зарубин, руководитель проекта CMS в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна). — Все делалось с колес: в Богородицке выращивали очередной кристалл, сразу везли его в Протвино, где ученые Института физики высоких энергий совместно с минскими коллегами оперативно исследовали его радиационные свойства и немедленно выдавали заводу рекомендации для выращивания следующего кристалла. Работа в таком режиме продолжалась три с лишним месяца».

Этих месяцев нашим умельцам хватило: качество пробных партий и цена материала (3 доллара за кубический сантиметр) полностью устроили международную коллаборацию, и в 1996 году CERN выделил заводу 10 млн долларов на продолжение НИОКР и отладку технологии выращивания кристаллов. «Помимо обеспечения радиационной стойкости материала нужно было решить еще две серьезные проблемы, — рассказывает Анатолий Зарубин. — Первая была связана с обработкой (огранкой) готовых кристаллов. Дело в том, что кристалл PWO — очень капризный: если неправильно прикоснуться режущим кругом к вершине кристаллической структуры, он рассыпается в пыль. Вторая — научиться осуществлять контроль качества готовых кристаллов — их оптические и сцинтилляционные свойства».

Производство по новой технологии было запущено в 2000 году. А с 2001-го в CERN пошли регулярные поставки кристаллов в промышленных объемах.

Поначалу богородчане всерьез опасались, что китайские конкуренты, пользовавшиеся мощной поддержкой своего правительства, выдавят их из проекта CMS. Шанхайский институт керамики сделал ставку на другой метод выращивания кристаллов — метод Бриджмена, согласно которому исходное сырье помещается в ампулу, ампула герметизируется, сырье расплавляется, затем охлаждается, и в ампуле формируется кристалл. Но метод Бриджмена проигрывал методу Чохральского по двум важным позициям. Во-первых, процесс роста кристалла здесь не управляем, а его форма и размеры определяются ампулой. А метод Чохральского позволяет варьировать режимы нагрева-охлаждения, вытягивания и вращения затравки и тем самым управлять как геометрическими параметрами, так и свойствами растущего кристалла. Во-вторых, сила этого метода состоит в том, что он позволяет не только выращивать кристаллы, но и очищать их от примесей путем многократной перекристаллизации.

За десять лет китайцам так и не удалось перейти от лабораторной технологии изготовления PWO к промышленной. Шанхайский институт керамики в итоге вчистую проиграл БЗТХИ: сейчас китайцы делают за год столько кристаллов, сколько Борогодицк успевает вырастить за месяц. Да и чистота их материала, которая определяет радиационную стойкость кристаллов, существенно уступает богородицкой. Видя все это, руководство CERN в этом году отдало Богородицку часть 4-процентной китайской квоты. К сегодняшнему дню завод изготовил уже почти 80 тыс. кристаллов (китайцы — 2,5 тыс.).

Покупатель с большим весом

За прошедшие с момента старта проекта пятнадцать лет в мире так и не появилось игроков, способных составить серьезную конкуренцию Богородицкому заводу в нише сцинтилляторов PWO. Американцы попробовали было поставить собственную технологию выращивания таких материалов, но продукт получился слишком дорогим, и от этой затеи отказались. Так что БЗТХИ по-прежнему является единственным в мире предприятием, способным серийно производить кристаллы PWO. «Если бы CERN искал поставщиков сегодня, альтернативы нашему заводу у них снова не было бы, — говорит Алексей Бабердин, генеральный директор БЗТХИ. — Мы способны делать 2,5 миллиона кубических сантиметров сцинтиллятора в год. Это громадное количество. Другие производители могут вести речь только о нескольких десятках тысяч кубических сантиметров».

Помимо чисто технологических сложностей отсутствие толпы конкурентов объясняется еще и тем, что рынок сцинтилляционных материалов очень узок. Поэтому основной козырь завода — гигантская по мировым меркам мощность по выращиванию кристаллов — одновременно является и большой головной болью для предприятия. И если бы не церновский коллайдер, Богородицкий завод вряд ли нашел бы, чем эту фабрику загрузить.

Однако рынок одного покупателя — далеко не лучшая диспозиция для успешного ведения бизнеса. И Богородицкий завод — не исключение: участие в проекте CERN дало предприятию возможность заработать имя и репутацию, но не средства на развитие. Жизнь показала, что зафиксированная в 1997 году цена материала — 3 доллара за кубический сантиметр — была демпинговой. Она не учитывала ни роста цен на сырье и материалы (цена окислов вольфрама и свинца выросла с тех пор в три раза), ни подорожания энергоносителей (в два раза в долларовом эквиваленте), ни инфляции, ни расходов на модернизацию ростовых установок. В итоге завод долгое время работал себе в убыток и к 2005 году, когда объем реализации достиг 188,5 млн рублей, был должен всем: своим работникам, государству, энергетикам, поставщику сырья. Предприятие оказалось на грани банкротства. Встал вопрос об остановке завода.

«Решать вопрос» в Женеву, в штаб-квартиру CERN отправилась представительная делегация, которую возглавлял Михаил Ковальчук, ныне директор РНЦ «Курчатовский институт». Тогда, в 2005 году, впервые с момента старта проекта удалось повысить цену на богородицкий PWO — до 4,45 доллара за кубический сантиметр. Но этого было мало даже для того, чтобы просто свести концы с концами.

В конце 2005 года на предприятие пришел новый генеральный директор — Алексей Бабердин (по образованию специалист по обработке металлов давлением), до того работавший финансовым директором на Косогорском металлургическом заводе в Туле. Приход Бабердина стал второй большой удачей для БЗТХИ: опыт финансиста оказался очень кстати для запутавшегося в долгах предприятия. Главной задачей нового генерального директора стали регулярные переговоры с CERN о повышении закупочных цен на сцинтилляторы. «Поднимать им цены невыносимо тяжело: директор CERN обладает огромным административным ресурсом — у него достаточно веса, чтобы обратиться к любому министру любой страны и быть услышанным», — рисует портрет своего покупателя Алексей Бабердин. И все же ему удалось «подтянуть» цену еще несколько раз. В прошлом году завод впервые получил прибыль — 42 млн рублей, а продажи превысили 12 млн долларов.

Лучше нас не может никто

У рынка сцинтилляционных материалов есть и плюсы. Самые значимые из них — предсказуемость и стабильность. В этом бизнесе не бывает неожиданных телефонных звонков с просьбой «срочно отгрузить пару тонн кристаллов». Все крупные научные эксперименты планируются задолго, бюджеты проектов известны заранее, поставщики подбираются тоже заранее. «Потенциальных потребителей на нашем рынке можно пересчитать по пальцам. И я на десять лет вперед знаю, кто, что и когда хочет построить, сколько нужно будет кристаллов и каких именно», — говорит Алексей Бабердин.

Важно также и то, что этот рынок развивается и дает заводу стимулы для технологического роста. Большая наука сегодня предъявляет спрос и на новые поколения уже использующихся материалов, и на новые материалы. Следующий этап развития своей технологии БЗТХИ связывает с участием в европейском проекте FAIR (Facility For Antiproton And Ion Research), который предполагает строительство на территории Германии ускорителя-накопителя элементарных частиц. Богородицкий завод в этот проект уже пригласили: для создания электромагнитного калориметра эксперимента PANDA потребуется новое поколение сцинтилляторов PWO, обладающих в три раза большей радиационной стойкостью и вдвое большим световыходом. По словам Александра Ткачева, главного инженера БЗТХИ, у заводской технологии производства PWO есть резервы, позволяющие достичь новых показателей без существенных капиталовложений. Специалисты предприятия намерены использовать, например, метод перекристаллизации — свойство растущего кристалла вытеснять 90% инородных примесей в расплав, из которого он растет. Если повторить этот процесс несколько раз, можно добиться высокой степени чистоты, а следовательно, и необходимой для PANDA радиационной стойкости материала.

«Рынок научных экспериментов в области физики высоких энергий просматривается до 2016–2017 годов. После PANDA в 2010–2012 годах планируется обновление экспериментальных установок на ускорителе CERN, затем — новый международный проект по строительству линейного ускорителя, — рассказывает Алексей Бабердин. — Мы рассматриваем этот рынок как приоритетный. На нем пока никто не может составить нам конкуренцию в производстве PWO».

Технологию производства еще одного сцинтилляционного материала — молибдата кальция (Ca2MoO4) (ВЕРСТКЕ — В ФОРМУЛЕ 2 и 4 — ИНДЕКСЫ) — завод разработал по заказу Института Макса Планка (Германия) для экспериментов по изучению так называемой темной материи. Они будут проводиться коллаборацией CREST на установке, которую сейчас строят на территории Италии, в Гран-Сасо, на глубине более 300 м под землей. Пробную партию сцинтиллятора завод уже отправил в Германию. В отличие от PWO для CERN, молибдат кальция для CREST обещает стать продуктом с высокой добавочной стоимостью: цена материала составит 300 евро за кубический сантиметр. Всего для поиска темной материи понадобится около тонны (200 тыс. кубических сантиметров) сцинтиллятора.

Новые узкие ниши

Руководство завода ведет активные поиски спроса и за пределами «научного» рынка. По словам Алексея Бабердина, одно из перспективных направлений применения сцинтиллятора PWO — мониторы для контроля за несанкционированным перемещением делящихся материалов. На Западе такой контроль — уже дело обычное, а в России рынок подобных систем только начинает формироваться. Однако занять его будет непросто. Прежде всего предстоит вытеснить пластиковые сцинтилляционные материалы, на которых работают существующие отечественные системы радиационного контроля. «Плотность пластиковых сцинтилляторов в разы ниже. Если пластика нужно 20–30 литров, то PWO — всего литр-полтора. Отсюда выигрыш и в размерах, и в энергопотреблении детектора в целом, — объясняет преимущества PWO Алексей Бабердин. — Но это еще надо доказать рынку». Чтобы преодолеть еще один барьер — высокую зависимость рынка от решений чиновников (которые, как известно, часто отдают предпочтение закупкам импортных приборов), руководство завода рассчитывает на административный ресурс госкомпании «Российская электроника», основного акционера БЗТХИ.

Еще несколько ниш можно было бы охватить, если освоить технологии выращивания новых материалов с новыми свойствами. В настоящее время на опытном участке завода идет создание технологий для изготовления сразу двух новых материалов. Один из них, лютеций иттриевый перовоскит (LuYAP), является рабочим элементом детекторов для разведки нефтяных полей методом нейтронного гамма-каротажа. Второй, представляющий собой еще одно соединение лютеция, создается в кооперации с минским НИИ ядерных проблем в качестве альтернативы силикату лютеция (LSO). На кристаллах LSO работает большинство современных позитрон-эмиссионных томографов, а сам материал запатентован фирмой Siemens, и никто не может его производить. В Богородицке считают, что их новое соединение будет иметь лучшие характеристики, чем LSO. Однако все эти ниши, даже если в них удастся втиснуться, очень узкие. Понимая это, руководство завода решило диверсифицировать бизнес — попробовать заработать на совершенно новом продукте.

Вырастить подрывную инновацию

Второй раз за свою историю завод из провинциального Богородицка намерен стать заметным игроком мирового хайтека. Для этого осенью этого года предприятие планирует запустить новое производство — линию по сборке панелей солнечных батарей из фотоэлектрических преобразователей (ФЭП — пластина кремния, на поверхности которой сформирован p-n-переход). То есть встроиться в технологическую цепочку производства солнечных электростанций.

Пока «солнечные» киловатты заметно дороже тех, что получены обычными способами, однако, если следовать теории подрывных инноваций Клейтона Кристенсена, Богородицкий завод все делает правильно и, главное, вовремя. Кристенсен утверждает, что на поле подрывных инноваций выигрывают первопроходцы — те, кто первыми выводят новую, как правило, еще «сырую» технологию на рынок. Прорвавшись на рынок, первопроходцы получают доступ к ресурсам, быстро совершенствуют свой продукт и тем самым намного опережают конкурентов, предпочитающих выжидать, пока под новый продукт сформируется рынок, а новая технология будет в достаточной степени отработана.

«По нашим исследованиям, дефицит солнечных батарей в мире составляет 500 мегаватт в год, — говорит Алексей Бабердин. — Мощность линии, которую мы приобретаем у американской фирмы SPIRE, позволит нам производить 12 мегаватт в год и иметь оборот около 50 миллионов долларов». Вместе с Рязанским заводом металлокерамических приборов, который тоже входит в холдинг «Российская электроника», наши производители рассчитывают заявить о себе как на внутреннем, так и на внешнем рынке. «Создание производств по сборке панелей для солнечных батарей на Богородицком и Рязанском заводах суммарной мощностью 24 мегаватта станет крупнейшим производством в России, — прокомментировал “Эксперту” Василий Марютин, генеральный директор “Российской электроники”. — Это позволит не только занять лидирующие позиции в производстве солнечных модулей на внутреннем рынке, но и выйти на американский, азиатский и европейский рынки».

В последние несколько лет рынок фотоэлектричества растет на 30–40% в год. По прогнозам экспертов, через три года себестоимость электроэнергии, полученной на солнечных батареях, сравняется с себестоимостью традиционной. За этим последует еще более активный рост рынка, который обещает стать прямой противоположностью рынку сцинтилляционных материалов — высококонкурентным и динамичным. При этом основной выигрыш достанется тем компаниям, которые к этому времени уже будут на этом рынке присутствовать, уже будут иметь своих потребителей и свою отработанную технологию, а значит, смогут удешевлять продукт и удовлетворять индивидуальные запросы потребителей. БЗТХИ намерен стать одним из таких игроков: ради этого сейчас в сборочный проект инвестируется 4 млн долларов.

Однако сборка — это только первый этап задуманного в Богородицке прорыва. На втором этапе предприятие планирует создать собственное производство ФЭПов на базе покупного кремния. Для этого потребуются уже гораздо более масштабные вложения — технологическая линия по производству ФЭПов стоит около 12 млн долларов.

Но и это еще не все. Красота затеи с солнечными панелями состоит в том, что монокристаллы кремния — основа ФЭПов — выращиваются тем же методом Чохральского, что и кристаллы-сцинтилляторы, только ростовые печи нужны большего размера. Поэтому на финальном этапе проекта — через пять-шесть лет после его старта — завод планирует освоить выращивание собственного кремния. И тогда БЗТХИ рассчитывает вновь оторваться от конкурентов.

• Как с помощью монтажных ножниц можно опровергнуть весь здравый смысл
• Томские ученые не только сумели разработать уникальное химическое вещество, но и довели свое ноу-хау до стадии промышленного производства
• Член Римского клуба и автор книги «Фактор 5» Эрнст фон Вайцзеккер уверен, что новые технологии помогут отдалить дефицит ресурсов и экологические катастрофы. Чтобы стимулировать применение этих технологий, он предлагает повышать цены на ресурсы и вводить эконалоги