Титул ИСПР - ksu.kzСерия «Физика». № 2(82)/2016 5 МАЗМҰНЫ...

ISSN 0142-0843 Индексі 74616

Индекс 74616

ҚАРАҒАНДЫ УНИВЕРСИТЕТ IН IҢ

ÕÀÁÀÐØÛÑÛ ÂÅÑÒÍÈÊ

КАРАГАНДИНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

BULLETIN OF THE K ARAG AND A

UNIVERSITY

ФИЗИКА сериясы

Серия ФИЗИКА

PHYSICS Series

№ 2(82)/2016

Сəуір–мамыр–маусым 30 маусым 2016 ж.

Апрель–май–июнь 30 июня 2016 г.

April–May–June June, 30, 2016

1996 жылдан бастап шығады

Издается с 1996 года Founded in 1996

Жылына 4 рет шығады Выходит 4 раза в год

Published 4 times a year

Қарағанды, 2016 Караганда, 2016 Karaganda, 2016

Бас редакторы

ЖМ ХҒА академигі, заң ғыл. д-ры, профессор Е.Қ.Көбеев

Бас редактордың орынбасары Х.Б.Омаров, техн. ғыл. д-ры Жауапты хатшы Г.Ю.Аманбаева, филол. ғыл. д-ры

Редакция алқасы

Қ.Қ.Құсайынов, редактор техн. ғыл. д-ры; Т.Ə.Көкетайтегі, физ.-мат. ғыл. д-ры; Н.Х.Ибраев, физ.-мат. ғыл. д-ры; А.О.Сəулебеков, физ.-мат. ғыл. д-ры; Қ.М.Арынғазин, пед. ғыл. д-ры; И.В.Брейдо, техн. ғыл. д-ры; М.Стоев, PhD (Болгария); С.Д.Джуманов, физ.-мат. ғыл. д-ры (Өзбекстан); М.М.Кидибаев, физ.-мат. ғыл. д-ры (Қырғызстан); З.Ж.Жаңабаев, физ.-мат. ғыл. д-ры; Г.В.Климушева, физ.-мат. ғыл. д-ры (Украина); С.Е.Көмеков, физ.-мат. ғыл. д-ры; В.М.Лисицын, физ.-мат. ғыл. д-ры (Ресей); И.Н.Огородников, физ.-мат. ғыл. д-ры (Ресей); Г.И.Пилипенко, физ.-мат. ғыл. д-ры (Ресей); С.В.Плотников, физ.-мат. ғыл. д-ры; А.Ж.Тұрмұхамбетов, физ.-мат. ғыл. д-ры; К.Ш.Шүңкеев, физ.-мат. ғыл. д-ры; Л.В.Чиркова, жауапты хатшы техн. ғыл. канд.

Редакцияның мекенжайы: 100028, Қазақстан, Қарағанды қ., Университет к-сі, 28

Тел.: (7212) 77-03-69 (ішкі 1026); факс: (7212) 77-03-84. E-mail: [email protected]. Сайт: vestnik.ksu.kz

Редакторлары

И.Д.Рожнова, Ж.Т.Нурмуханова

Компьютерде беттеген

Д.Н.Муртазина

Қарағанды университетінің хабаршысы. «Физика» сериясы.

ISSN 0142-0843

Меншік иесі: «Академик Е.А.Бөкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті» РММ.

Қазақстан Республикасының Мəдениет жəне ақпарат министрлігімен тіркелген. 23.10.2012 ж. № 13111–Ж тіркеу куəлігі. Басуға 29.06.2016 ж. қол қойылды. Пiшiмi 6084 1/8. Қағазы офсеттік. Көлемi 11,25 б.т. Таралымы 300 дана. Бағасы келiсiм бойынша. Тапсырыс № 389.

Е.А.Бөкетов атындағы ҚарМУ баспасының баспаханасында басылып шықты 100012, Қазақстан, Қарағанды қ., Гоголь к-сі, 38. Тел. 51-38-20. E-mail: [email protected]

© Қарағанды мемлекеттік университеті, 2016

Главный редактор

академик МАН ВШ, д-р юрид. наук, профессор Е.К.Кубеев

Зам. главного редактора Х.Б.Омаров, д-р техн. наук Ответственный секретарь Г.Ю.Аманбаева, д-р филол. наук

Редакционная коллегия

К.К.Кусаинов, редактор д-р техн. наук; Т.А.Кокетайтеги, д-р физ.-мат. наук; Н.К.Ибраев, д-р физ.-мат. наук; А.О.Саулебеков, д-р физ.-мат. наук; К.М.Арынгазин, д-р пед. наук; И.В.Брейдо, д-р техн. наук; М.Стоев, PhD (Болгария); С.Д.Джуманов, д-р физ.-мат. наук (Узбекистан); М.М.Кидибаев, д-р физ.-мат. наук (Кыргызстан); З.Ж.Жанабаев, д-р физ.-мат. наук; Г.В.Климушева, д-р физ.-мат. наук (Украина); С.Е.Кумеков, д-р физ.-мат. наук; В.М.Лисицын, д-р физ.-мат. наук (Россия); И.Н.Огородников, д-р физ.-мат. наук (Россия); Г.И.Пилипенко, д-р физ.-мат. наук (Россия); С.В.Плотников, д-р физ.-мат. наук; А.Ж.Турмухамбетов, д-р физ.-мат. наук; К.Ш.Шункеев, д-р физ.-мат. наук; Л.В.Чиркова, ответственный секретарь канд. техн. наук

Адрес редакции: 100028, Казахстан, г. Караганда, ул. Университетская, 28

Тел.: (7212) 77-03-69 (внутр. 1026); факс: (7212) 77-03-84. E-mail: [email protected]. Сайт: vestnik.ksu.kz

Редакторы

И.Д.Рожнова, Ж.Т.Нурмуханова

Компьютерная верстка

Д.Н.Муртазина

Вестник Карагандинского университета. Серия «Физика».

ISSN 0142-0843

Собственник: РГП «Карагандинский государственный университет имени академика Е.А.Букетова».

Зарегистрирован Министерством культуры и информации Республики Казахстан. Регистрационное свидетельство № 13111–Ж от 23.10.2012 г. Подписано в печать 29.06.2016 г. Формат 6084 1/8. Бумага офсетная. Объем 11,25 п.л. Тираж 300 экз. Цена договорная. Заказ № 389.

Отпечатано в типографии издательства КарГУ им. Е.А.Букетова 100012, Казахстан, г. Караганда, ул. Гоголя, 38, тел.: (7212) 51-38-20. E-mail: [email protected]

© Карагандинский государственный университет, 2016

Main Editor

Academician of IHEAS, Doctor of Law Ye.K.Kubeyev

Deputy main Editor Kh.B.Omarov, Doctor of techn. sciences Responsible secretary G.Yu.Amanbayeva, Doctor of phylol. sciences

Editorial board

K.K.Kussaiynov, Editor Doctor of techn. sciences; T.A.Kuketaev, Doctor of phys.-math. sciences; N.Kh.Ibrayev, Doctor of phys.-math. sciences; F.O.Saulebekov, Doctor of phys.-math. sciences; K.M.Aryngasin, Doctor of ped. sciences; I.V.Breido, Doctor of techn. sciences; M.Stoev, PhD (Bulgaria); S.D.Dzhumanov, Doctor of phys.-math. sciences (Uzbekistan); M.M.Kidibaev, Doctor of phys.-math. sciences (Kyrgyzstan); Z.Zh.Zhanabaev, Doctor of phys.-math. sciences; G.V.Klimusheva, Doctor of phys.-math. sciences (Ukraine); S.E.Kumekov, Doctor of phys.-math. sciences; V.M.Lisitsyn, Doctor of phys.-math. sciences (Russia); I.N.Ogorodnikov, Doctor of phys.-math. sciences (Russia); G.I.Pilipenko, Doctor of phys.-math. sciences (Russia); S.V.Plotnikov, Doctor of phys.-math. sciences; A.Zh.Turmuhambetov, Doctor of phys.-math. sciences; K.Sh.Shunkeyev, Doctor of phys.-math. sciences; L.V.Chirkova, Secretary Cand. of techn. sciences

Postal address: 28, University Str., 100028, Karaganda, Kazakhstan

Теl.: (7212) 77-03-69 (add. 1026); fax: (7212) 77-03-84. E-mail: [email protected]. Web-site: vestnik.ksu.kz

Editors

I.D.Rozhnova, Zh.Т.Nurmukhanova

Computer layout

D.N.Murtazina

Bulletin of the Karaganda University. «Physics» series.

ISSN 0142-0843

Proprietary: RSE «Academician Ye.A.Buketov Karaganda State University».

Registered by the Ministry of Culture and Information of the Republic of Kazakhstan. Registration certificate No. 13111–Zh from 23.10.2012.

Signed in print 29.06.2016. Format 6084 1/8. Offset paper. Volume 11,25 p.sh. Circulation 300 copies. Price upon request. Order № 389. Printed in the Ye.A.Buketov Karaganda State University Publishing house. 100012, Kazakhstan, Karaganda, Gogol Str., 38, Tеl.: (7212) 51-38-20. E-mail: [email protected]

© Karaganda State University, 2016

Серия «Физика». № 2(82)/2016 5

МАЗМҰНЫ

КОНДЕНСАЦИЯЛАНҒАН КҮЙДІҢ ФИЗИКАСЫ

Акилбеков А.Т., Мурзалинов Д.О. Фотолюминесценция өнімділігін барынша арттыру мақсатында стехиометриялық емес нитрид кремний таспаларын өндіру үшін оңтайлы əдісті зерттеу ......................................................................................................................................................... 8

Ильясов Б.Р., Ибраев Н.Х. Перовскитті күн ұяшықтарындағы жаңа жетістіктер ........................ 16

Кокетай Т.А., Лущик А.Ч., Тусупбекова А.К., Балтабеков А.С., Мусенова Э.К., Ганюкова А.А., Ибрагимов А. Өтпелі металдар иондарымен белсендірілген калий сульфаты кристалдарында қоспа радиациялық ақауларын зерттеу .................................................................................................... 26

Сергеев Д.М. Туннельдік режимде джозефсон типті əлсіз байланысқан асқын өткізгіштердің dI/dV-сипаттамасын модельдеу................................................................................................................. 32

Сергеев Д.М., Оспанова Г.Т., Жұмахан А.О., Шүңкеев Қ.Ш. Екі зоналы асқын өткізгіштерде аралық жəне аралас күйлердің қатар болу мүмкіндігі туралы (магний дибориді негізінде) .............. 41

ЖЫЛУ ФИЗИКАСЫ ЖƏНЕ ТЕОРИЯЛЫҚ ЖЫЛУ ТЕХНИКАСЫ

Құсайынов Қ., Танашева Н.Қ., Шуюшбаева Н.Н., Рыжих Ю.Н., Степанова Ю.О., Бағдатова С.Б. Ауаның ағынымен екі айналмалы цилиндрлерді орап ағуын модельдеу ............................................. 50

Курмангалиев А.Ш., Құсайынов Қ., Ахмадиев Б.А., Нургалиева Ж.Г., Карабекова Д.Ж. Əр түрлі геологиялық қималы ұңғыларды бұрғылауда электрогидроимпульстік əдісті қолданудың тиімділігі ................................................................................................................................ 56

Нусупбеков Б.Р., Куритник И.П., Карабекова Д.Ж., Хасенов А.К., Шаймерденова Г.М., Ахметова А.К. Жылу желілерін сынақтан өткізудің құрылғысы .......................................................... 61

ТЕХНИКАЛЫҚ ФИЗИКА

Торегельдин М.М., Сельдюгаев О.Б., Танашева Н.Қ. Қатпарлы бөгеттерді қолдану арқылы көмір шахталарында шаң-жарылыстан қорғаныс ................................................................................... 66

Якубова М.З., Сериков Т.Г. IP PBX Asterisk NOW телекоммуникация желісі жəне шабуыл жасау үшін құралдарды таңдау. Wi-Fi негізінде құрастырылған клиент–сервер желісіне шабуыл жасау үшін схемаларды өңдеу жəне зерттеу .......................................................................................... 73

ФИЗИКАНЫ ОҚЫТУ ƏДІСТЕМЕСІ

Маханов К.М., Хуанбай Е., Редько С., Телман Е. TL494 CN микросхемасының негізінде вакуумдық жүйені коммутациялау үшін электрондық сұлбаны өңдеу ................................................. 81

Ғалым жайлы естелік .......................................................................................................................... 88

АВТОРЛАР ТУРАЛЫ МƏЛІМЕТТЕР ........................................................................................... 89

6 Вестник Карагандинского университета

СОДЕРЖАНИЕ

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Акилбеков А.Т., Мурзалинов Д.О. Исследование оптимального метода получения пленок не-стехиометрического нитрида кремния с целью максимального выхода фотолюминесценции ........ 8

Ильясов Б.Р., Ибраев Н.Х. Новые достижения в перовскитных солнечных ячейках ................... 16

Кокетай Т.А., Лущик А.Ч., Тусупбекова А.К., Балтабеков А.С., Мусенова Э.К., Ганюкова А.А., Ибрагимов А. Исследование примесных радиационных дефектов в кристаллах сульфата калия, активированных ионами переходных металлов ...................................................................................... 26

Сергеев Д.М. Моделирование dI/dV-характеристик слабосвязанных сверхпроводников джо-зефсоновского типа в туннельном режиме .............................................................................................. 32

Сергеев Д.М., Оспанова Г.Т., Жумахан А.О., Шункеев К.Ш. О возможном сосуществовании промежуточного и смешанного состояний в двузонных сверхпроводниках (на примере диборида магния) ......................................................................................................................................................... 41

ТЕПЛОФИЗИКА И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА

Кусаиынов К., Танашева Н.К., Шуюшбаева Н.Н., Рыжих Ю.Н., Степанова Ю.О., Багдатова С.Б. Моделирование картины обтекания двух вращающихся цилиндров потоком воздуха ...................... 50

Курмангалиев А.Ш., Кусаиынов К., Ахмадиев Б.А., Нургалиева Ж.Г., Карабекова Д.Ж. Эффективность применения электрогидроимпульсного способа бурения при различных геологических разрезах скважин .............................................................................................................. 56

Нусупбеков Б.Р., Куритник И.П., Карабекова Д.Ж., Хасенов А.К., Шаймерденова Г.М., Ахметова А.К. Прибор для испытания трубопроводов тепловых сетей .............................................. 61

ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

Торегельдин М.М., Сельдюгаев О.Б., Танашева Н.К. Пылевзрывозащита на угольных шахтах с использованием сланцевых заслонов .................................................................................................... 66

Якубова М.З., Сериков Т.Г. Телекоммуникационная сеть IP PBX Asterisk NOW и выбор ин-струментальных средств для проведения атак. Разработка и исследование схемы атаки на разработанную сеть клиент–сервер на базе Wi-Fi .............................................................................. 73

МЕТОДИКА ФИЗИКИ

Маханов К.М., Хуанбай Е., Редько С., Телман Е. Разработка электронной схемы коммутации вакуумной системы на базе микросхемы TL494 CN............................................................................... 81

Памяти ученого ................................................................................................................................... 88

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ ............................................................................................................. 89

Серия «Физика». № 2(82)/2016 7

CONTENTS

PHYSICS OF THE CONDENSED MATTER

Akylbekov A.T., Murzalinov D.O. Investigation of the optimal method for producing films non-stoichiometric silicon nitride in order to maximize yield of photoluminescence ......................................... 8

Ilyassov B.R., Ibrayev N.Kh. Recent achievements in perovskite solar cells ....................................... 16

Koketai Т.А., Lushchik А.Ch., Tussupbekova А.K., Baltabekov А.S., Mussenova E.K., Ganyukova А.А., Ibragimov А. Research of radiation impurity defects in the crystals of potassium sulphate activated by ions of the transitional metals ....................................................................................................................... 26

Sergeyev D.M. Modeling of dI/dV-characteristics of weakly coupled superconductors of Josephson type in tunnel regime .................................................................................................................................... 32

Sergeyev D.M., Ospanova G.T., Zhumakhan А.O., Shunkeyev K.Sh. About possible existence of in-termediate and mixed states in the two-band superconductors (on example of magnesium diboride) ........ 41

THERMOPHYSICS AND THEORETICAL THERMOENGINEERING

Kussayinov K., Tanasheva N.K., Shuyushbayeva N.N., Ryzhykh Yu.N., Stepanova Yu.O., Bagdatova S.B. Simulation of airflow pattern of two rotating cylinders ............................................................................... 50

Kurmangaliyev A.Sh., Kussayinov K., Akhmadiyev B.A., Nurgaliyeva Zh.G., Karabekova D.Zh. Efficiency of application of method electrohydropulse drilling for different geological a well section ...... 56

Nussupbekov B.R., Kuritnik I.P., Karabekova D.Zh., Khassenov A.K., Shaimerdenova G.M., Akhmetova A.K. Device for the testing of pipelines of thermal networks .................................................... 61

TECHNICAL PHYSICS

Toregеldin M.M., Seldyugaev O.B., Tanasheva N.K. Protection against dust explosions in coal mines using shale barriers ............................................................................................................................ 66

Yakubova M.Z., Serikov T.G. IP PBX Asterisk NOW telecommunication network and choice of tools for carrying out attacks. Development and research of the attack scheme to the developed client–server network on the basis of Wi-Fi ............................................................................................................ 73

METHODOLOGY OF PHYSICS

Makhanov K.M., Khuanbay E., Redko S., Telman E. Development of an electronic switching circuit of the vacuum system based on the chip TL494 CN .................................................................................... 81

Scientist memory .................................................................................................................................. 88

INFORMATION ABOUT AUTHORS ................................................................................................ 89


КОНДЕНСАЦИЯЛАНҒАН КҮЙДІҢ ФИЗИКАСЫ ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ PHYSICS OF THE CONDENSED MATTER

УДК 548.4:539.211:537

А.Т.Акилбеков, Д.О.Мурзалинов

Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева, Астана (E-mail: [email protected])

Исследование оптимального метода получения пленок нестехиометрического нитрида кремния с целью максимального выхода фотолюминесценции

В статье раскрыта актуальность создания источника света на основе нитрида кремния. Показаны отличие стехиометрического от нестехиометрического нитрида кремния и зависимость свойств фото-люминесценции от содержания кремния. Оптические свойства пленок исследовались с помощью фо-толюминесценции. Дальнейшая термообработка в различных средах показала, что при отжиге при 1100 ºС интенсивность фотолюминесценции отсутствует, а в процессе отжига при 800 ºС фотолюми-несценция возрастает. Отмечено, что наибольший выход фотолюминесценции был обнаружен в среде воздуха, наименьший — в среде азота.

Ключевые слова: нитрид кремния, оксид кремния, люминесценция, нанокластеры, стехиометрический порядок.

Излучательная способность полупроводников связана с электролюминесценцией. Кремний —

перспективный полупроводник, но его излучательная способность меньше 0,001 %. В этой связи мы обратились к соединениям с кремнием, которые обладали бы большей светимостью. В нашем случае это оксид или нитрид кремния. Путем сравнения пришли к выводу: величина запрещенной зоны нит-рида меньше, чем у оксида (Eg у Si3N4 — 4,5 эВ, Eg у SiO2 — 8 эВ). Таким образом, объектом нашего исследования становится нитрид кремния.

Передавать электрический сигнал можно с помощью металлического провода или светового сигнала. Управление электрическим сигналом с помощью света более эффективно. Поэтому в качестве способа передачи сигнала нами выбран световой сигнал.

Связь фото- и электролюминесценции поясним через понятие в математике «необходимое и достаточное условие». Так, фотолюминесценция — это необходимое условие. Если есть фотолю-минесценция, то, скорее всего, будет и электролюминесценция. Но если фотолюминесценции нет, то и электролюминесценции при любых обстоятельствах не будет. В этой связи нас интересует излу-чательная способность нитрида кремния.

1. Свойства нитрида кремния

Нитрид кремния, химически осажденный при температуре в интервале 700–900 ºС, представляет собой аморфный диэлектрик, содержащий до 8 % водорода [1]. Коэффициент преломления нитрида кремния составляет 2,01, а скорость травления в разбавленных растворах плавиковой кислоты — ме-нее 1 нм/мин. Удельное сопротивление пленок нитрида кремния при комнатной температуре состав-ляет примерно 1016 Ом·см.

В последнее время возрос интерес к нестехиометрическим пленкам нитрида кремния (SiNx, x ≤ 4/3) в связи с перспективами их применения в оптоэлектронных устройствах [2].

Исследование оптимального метода …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 9

Доля избыточного кремния в процентах рассчитывалась по формуле [1] Siex = Siat%/(Siat% + N at%) – 3/7 = (1+x)–1 – 3/7.

Значения Siat% и Nat% были рассчитаны из спектров Резерфордовского обратного рассеяния структур SiNx. Для Si3N4 стехиометрический параметр «x» составляет ≈ 1,33, что соответствует 42,86 ат.% Si и 57,14 ат.% N. Если известен параметр «x», можно рассчитать избыточную долю кремния в нитридном слое по сравнению со стехиометрическим составом.

2. Методы осаждения пленок нитрида кремния

Энергия активизации процесса осаждения нитрида кремния составляет примерно 1,8 эВ. Ско-рость осаждения нитрида кремния обычно нелинейно зависит от концентрации силана [2]. Установ-лено, что она возрастает с увеличением общего давления в системе или парциального давления ди-хлорсилана и уменьшается при увеличении концентрации аммиака в реакционной смеси.

Плазмохимическое осаждение позволяет формировать пленки при очень низкой температуре подложки. Это достигается за счет реакции между газами в тлеющем разряде, который обеспечивает основное количество энергии, необходимой для протекания реакции. Хотя температура электронов в разряде может достигать 105 ºC, температура образца сохраняется в пределах 100–400 ºС.

Нитрид кремния формируется в результате следующих реакций: реакция силана с аммиаком в аргоновой плазме: SiH4 + NH3 → SiNH + 3H2; введение силана в азотный разряд: 2SiH4 + N2 → 2SiNH + 3H2

Пленки, полученные плазмохимическим осаждением, содержат большое количество водорода, концентрация которого зависит от параметров процесса осаждения [2]. Плазмохимический нитрид кремния может содержать 10–35 ат. % водорода, но большинство пленок плазмохимического нитри-да, используемых в полупроводниковой технологии, включает 20–25 ат. % водорода. Водород в пленках образует связь с кремнием в виде Si–H и с азотом в виде N–H [2]. Плазмохимический нит-рид кремния содержит в виде примеси 0,5–2 ат. % кислорода.

3. Результаты экспериментов

В данной работе объектом исследования являются две серии образцов нестехиометрического нитрида кремния с более низкой концентрацией Si в SiNx — III-10 и с более высокой концентрацией Si в SiNx — III-13. Каждая из серий включает по 7 образцов.

На две кремниевые пластины методом PECVD при температуре подложки 350 ºС нанесен тон-кий слой нитрида кремния, характеристики которого представлены в таблице 1.

Т а б л и ц а 1

Характеристики слоев нитрида кремния, нанесенных методом PECVD на кремневые пластины при температуре подложки 350 ºС

Характеристики слоя нитрида кремния Номер пластины

III-10 III-13 Соотношение SiH4/N2 1/6 1/3 Толщина, мкм 0,34–0,36 0,3–0,32 Параметр х 1,5–1,41 1,13

Для термообработки использовался печной отжиг в течение 60 минут в трех средах — аргон (Ar), азот (N2) и на воздухе с использованием двух температур 800 ºС и 1100 ºС для обеих се-рий. Для определения нанесенного состава нитрида кремня использовался метод резерфордовского обратного рассеяния налетающих ионов He+. Энергия зондирующего пучка составляла 1,3 МэВ.

Оптические свойства образцов исследовались с помощью фотолюминесценции.

4. Анализ результатов обратного резерфордовского рассеяния

Результаты моделирования спектров резерфордовского обратного рассеяния в различных средах для исследуемых образцов представлены в таблицах 2, 3.




Соотношение Si/N для серий 10-III. Исходный образец 42/58

Температура, ºС Среда проведения термообработки

Ar N2 Воздух 800 42/58 46/54 42/58

1100 46/54 42/58 44/56

4.1. Резерфордовское обратное рассеяние для серий 10-III и 13-III

Полученные результаты связаны с неоднородной плотностью исходного материала по глубине и с наличием пор на поверхности. Наибольшей плотностью обладают термически выращенные сте-хиометрические материалы.


Соотношение Si/N для серии 13-III. Исходный образец 46/54

Температура, ºС Среда проведения термообработки

Ar Температура Ar 800 52/48 44/56 44/56

1100 46/54 44/56 44/56

Нами учтено: атомы аргона относятся к группе инертных газов, при термообработке они склон-ны к формированию нанопузырей. Плотность такого материала уменьшается, а наличие неоднород-ностей под зондирующим пучком ионов He+ вызывает расплывание границ спектров, характерных для SiNx или Si3N4.

5. Фотолюминесценция сформированных нитридных слоев при комнатной температуре в зависимости от условий нанесения и термообработки

Спектры фотолюминесценции для образцов регистрировались при комнатной температуре в спектральном интервале от 300 до 900 нм с использованием дифракционного монохроматора с фокусным расстоянием 0,6 м, охлаждающегося InGaAs детектора и He-Cd лазера, излучающего моно-хроматический синий свет на длине волны λ = 325 нм, размер щели 0,4, спектральное разрешение 5 Å.

На рисунке 1 приведена спектральная зависимость интенсивности фотолюминесценции от длины волны для двух исходных образцов.

Рисунок 1. Спектры фотолюминесценции двух исходных образцов

Рисунок 2. Спектры фотолюминесценции исходного образца и после отжига в аргоне

для серии III-10


Серия «Физика». № 2(82)/2016 11

Для серии — III-10 нестехиометрического SiNx наблюдается широкий пик, который находится на отметке 0,52 относит. ед., в диапазоне 580 нм, это примерно 2,14 эВ. Ширина на полувысоте со-ставляет 460–670 нм (2,7–1,85 эВ). Данный спектр обладает и вторым слабым пиком — на длине вол-ны 410 нм (3,02 эВ), с интенсивностью в 0,255 отн. ед. Пик второго спектра SiNx серии — III-13 обла-дает меньшей интенсивностью — 0,17 отн. ед. и находится при 640 нм (1,94 эВ), он смещен относи-тельно первого в длинноволновую область. Данный спектр обладает еще одним слабым пиком — 430 нм (2,88 эВ) со светимостью 0,06 отн. ед. Смещение спектральной линии в длинноволновую об-ласть говорит о большем содержании Si в SiNx серии III-13 по сравнению с серией III-10.

На рисунке 2 можно наглядно увидеть изменение положения спектральных полос серии III-10 в результате отжига в аргоне по сравнению с исходным. При термообработке при 800 ºС пик спектра становится более острым, смещается в коротковолновую область до значения в 510 нм (2,43 эВ) с интенсивностью в 0,76 отн. ед., ширина на полувысоте составляет 440–610 нм (2,82–2,03). При тем-пературе в 1100 ºС фотолюминесценция значительно гасится и уже составляет 0,18 отн. ед. на 640 нм (1,94 эВ), ширина на полувысоте — 470–700 (2,64–1,77).

При термообработке серии III-13 в аргоне для 1100 ºС фотолюминесценция не наблюдалась, а при 800 ºС она значительно возрастает и достигает значения 0,46 на 660 нм (1,88 эВ), также четче становится выражен второй пик на 440 нм (2,82 эВ) — 0,05 отн. ед. (рис. 3).

Для отжига в среде азота характерно смещение линии в коротковолновую область, как и в слу-чае аргона, но она более узкая и меньшей интенсивности — 0,58 отн. ед. на 490 нм (2,53 эВ), и виден второй пик на 390 нм (3,18 эВ) с интенсивностью 0,13 отн. ед., ширина на полувысоте составляет 430–620 нм (2,88 — 2 эВ). При 1100 ºС интенсивность этой полосы сильно уменьшается, и она со-ставляет 0,154 отн. ед. на 620 нм (2 эВ). Ширина на полувысоте — 500–700 нм (2,48–1,77 эВ) (рис. 4).

Рисунок 3. Спектры фотолюминесценции исходного образца и после отжига в аргоне


Рисунок 4. Спектры фотолюминесценции исходного образца и после отжига в азоте


При термообработке серии III-13 в азоте для 1100 ºС фотолюминесценция не наблюдалась, а для 800 ºС она становится значительно ниже, чем была у исходного образца — 1,58 отн. ед. на 670 нм (1,85 эВ), и виден второй пик на 440 нм (282 эВ), с интенсивностью 0,032 отн. ед. (рис. 5).

Пик полосы фотолюминесценции составляет 0,7 отн. ед. на 480 нм (2,58 эВ) для отжига на воз-духе при 800 ºС. Ширина на полувысоте 410–610 нм (3,02–2,03 эВ). Интенсивность пика люминес-ценции для отжига при 1100 ºС равняется примерно 0,16 отн. ед. и соответствует длине волны 600 нм (2,06 эВ). Ширина пика на полувысоте лежит в пределах от 470–700 нм (2,63–1,77 эВ) (рис. 6).

Для образца серии III-13 термообработка на воздухе существенно усиливает интенсивность по-лосы фотолюминесценции — 0,61 отн. ед и уширяет полосу — 580–760 нм (2,14–1,63 эВ), пик поло-сы заметно смещается в длинноволновую область — 660 нм (1,88 эВ) (рис. 7).



Рисунок 5. Спектры фотолюминесценции исходного образца и после отжига в азоте для серии III-13

Рисунок 6. Спектры фотолюминесценции исходного образца и после отжига на воздухе для серии III-10

Рисунок 7. Спектры фотолюминесценции исходного образца и после отжига на воздухе для серии III-13

6. Влияние температуры отжига

Для III-10 образцов характерно, что отжиг при 1100 ºС в трех средах сильно уменьшает интен-сивность фотолюминесценции. Для образцов III-13 она вовсе отсутствует.

Самый большой вклад в увеличение пика интенсивности светимости фотолюминесценции при 800 ºС дает обработка в аргоне (Ar) — 0,76 на 510 нм (2,43 эВ), затем в воздухе — 0,74 на 480 нм (2,58 эВ), азоте (N2) — 0,59 на 490 нм (2,53 эВ). Пик всех трех линий становится более острым и смещается в коротковолновую область по сравнению со спектром исходного образца (рис. 8).

Рисунок 8. Спектры фотолюминесценции для серии III-10 при 800 ºС


Серия «Физика». № 2(82)/2016 13

Для серии — III-13 при 800 ºС значительный вклад в интенсивность пика фотолюминесценции вносит отжиг на воздухе — 0,59 отн. ед. на 660 нм (1,88 эВ) и в аргоне — 0,46 отн. ед. на 660 нм (1,88 эВ). В аргоне хорошо проявляется второй пик — 0,05 отн. ед. на 440 нм (2,82 эВ). А в азоте интенсивность полосы люминесценции становится меньше исходной, что иллюстрирует рисунок 9.

На рисунке 10 приведены спектры для обеих серий образцов при отжигах при 800 ºС.

Рисунок 9. Спектры фотолюминесценции для серии III-13, отжиг при 800 ºС

Рисунок 10. Спектры обеих серий при отжигах при 800 ºС

7. Обсуждение результатов

Проведем сравнительный анализ спектров ФЛ образцов, отожженных в атмосферах аргона и азота. Известно, что в пленке нитрида кремния с избытком кремния содержится большое количест-во атомов кремния с оборванной связью (трехкоординированный атом кремния с неспаренным элек-троном), так называемых K-центров. В случае нитрида кремния с избытком азота существуют дефек-ты, обусловленные наличием атомов азота с оборванной связью — N-центры [3]. K- и N-центры иг-рают важную роль в процессах излучательной рекомбинации в аморфном нитриде кремния. Усиле-ние сигнала ФЛ после отжига можно объяснить увеличением количества таких дефектов за счет раз-рыва связей Si–H и N–H. Исследования показали, что в слоях нитрида кремния, выращенных мето-дом плазмохимического осаждения из смеси SiH4 и N2 при низких температурах, может содержаться большое количество водорода.

В пленке нитрида кремния с ростом температуры отжига, наряду с формированием дефектов за счет разрыва связей Si–H и N–H, начинается конкурирующий процесс образования связей Si–N [4]. Этот процесс может протекать по-разному, в зависимости от окружающей атмосферы. Так, в случае образца с избытком азота K- и N-центры (формируемые после ухода водорода и разрыва связей Si–H и N–H) при отжиге в аргоне могут взаимодействовать между собой с образованием связи Si–N. При отжиге в азоте связь Si–N может образоваться в результате взаимодействия K-центра с атомом азота, поступившим в пленку в результате диффузии из атмосферы отжига, без участия N-центра.

Для образца с избытком азота и, следовательно, с большим количеством N-центров предпочти-тельной атмосферой отжига для получения более интенсивной люминесценции является азотная среда.

По аналогии для образца с избытком кремния K-центры будут отжигаться наиболее интенсивно также в среде азота. Однако в этом случае K-центры играют ключевую роль в процессах рекомбина-ции и уменьшение их количества в нитридной пленке нежелательно. Следовательно, для образца с избытком кремния предпочтительная среда отжига — аргон. Таким образом, интенсивность ФЛ образца с избытком кремния выше после отжига в аргоне, а для образца с избытком азота — после отжига в азоте.

Перейдем к обсуждению пленок нитрида кремния, отожженных на воздухе. Максимальная интенсивность ФЛ регистрируется, если отжиг проводится на воздухе. Известно, что нитрид кремния характеризуется высоким сопротивлением к окислению на воздухе. Окисление нитрида кремния



на воздухе происходит при температуре 1000 ºС и выше. Исследования в данной области показали, что с помощью метода ИК-спектроскопии зарегистрировано образование Si–O-связей в аморфном нитриде кремния при отжиге в кислороде уже при температуре 100 ºС. Причем Si–O-связи являются центрами излучательной рекомбинации. В нашем случае отжиг на воздухе, возможно, также приво-дит к образованию Si–O-связей. С привлечением описанного в [4] механизма можно объяснить уве-личение ФЛ и в нашем эксперименте. Также при отжиге на воздухе существует вероятность образо-вания люминесцентно-активных центров Si–O–N за счет формирования связей Si–O с последующим присоединением к ним азота. Образование таких центров в пленках SiOx, отожженных на воздухе, может приводить к значительному росту интенсивности ФЛ.

Разное содержание Si для нестехиометрического SiNx влияет на спектральное положение полосы фотолюминесценции. Чем больше Si, тем сильнее происходит сдвиг пика фотолюминесценции в длинноволновую область. Это обусловлено уменьшением ширины запрещенной зоны.

Проанализировав литературу, связанную с процессами нанесения пленок нитрида кремния, мы отобрали два режима для описываемых образцов. На основании этих результатов можно спрогно-зировать будущую, более оптимальную процедуру процессов нанесения с целью увеличения выхода фотолюминесценции.

В ходе выполнения исследований разработаны процессы формирования светоизлучающих структур на кремнии методом PECVD, определено влияние среды и температуры термообработки на эффективность излучения фотолюминесценции сформированных слоев.

В процессе отжига при 1100 ºС интенсивность значительно снижается, а для исходных образцов с более высоким содержанием кремния — полностью отсутствует. Наблюдается смещение спектра в длинноволновую область. В процессе отжига при 800 ºС фотолюминесценция возрастает.

Разное содержание кремния в исходных нитридных слоях определяет спектральное положение основной полосы фотолюминесценции. Большему содержанию кремния соответствует сдвиг макси-мума полосы ФЛ от 580 нм до 640 нм. По нашему мнению, излучательная рекомбинация электронов и дырок в этом случае происходит между состояниями (энергетическими уровнями) в хвостах энер-гетических зон.

Зарегистрированные полосы в коротковолновой области можно связать с формированием на-нокластеров Si, поскольку увеличение температуры термообработки приводит к увеличению разме-ров нанокластеров, что, в свою очередь, приводит к красному сдвигу полос фотолюминесценции.

Список литературы

1 Шипатов Э.Т. Обратное рассеяние быстрых ионов. Теория, эксперимент, практика. — Ростов: Изд-во Рост. ун-та, 1988. — 160 с.

2 Гриценко В.А. Строение и электронная структура аморфных диэлектриков вкремниевых МДП-структурах. — Ново-сибирск: Наука, 1993. — 278 с.

3 Голишников А.А., Путря М.Г. Лабораторный практикум по дисциплине «Плазменные технологии в наноэлектронике». — М.: МИЭТ, 2011. — 172 с.

4 Власукова Л.А., Комаров Ф.Ф., Пархоменко И.Н., Мильчанин О.В., Леонтьев А.В., Мудрый А.В., Тогамбаева А.К. Оптические свойства пленок нитрида кремния, полученных плазмохимическим осаждением из газовой фазы // Прикладная спектроскопия. — 2013. — Т. 80, № 1. — С. 92–96.


Фотолюминесценция өнімділігін барынша арттыру мақсатында стехиометриялық емес нитрид кремний таспаларын өндіру

үшін оңтайлы əдісті зерттеу

Мақалада кремний нитриді негізіндегі жарық көздерін жасаудың өзектілігі баяндалған. Сонымен қатар стехиометриялық жəне стехиометриялық емес кремний нитридтерінің айырмашылығы мен фотолюминесценциялық қасиеттерінің кремний мөлшеріне тəуелділігі көрсетілген. Таспалардың оптикалық қасиеттері фотолюминесценция əдісімен зерттелді. Əр түрлі орталарда термиялық өңдеу нəтижесі бойынша 1100 ºС температурада күйдіру кезінде фотолюминесценция толығымен жойылатындығы, ал 800 ºС температурада фотолюминесценция артатыны анықталды. Фотолюми-несценцияның шығымы ауада ең көп мəнге, ал азотта ең аз мəнге ие болатыны байқалды.


Серия «Физика». № 2(82)/2016 15

A.T.Akylbekov, D.O.Murzalinov

Investigation of the optimal method for producing films non-stoichiometric silicon nitride in order to maximize yield of photoluminescence

The article deals the relevance of the light source based on silicon nitride. Results from the difference be-tween the stoichiometric non-stoichiometric silicon nitride are presented, and the dependence of the photolu-minescence properties from silicon content. The optical properties of the thin films were investigated using photoluminescence. Further heat treatment in various environments indicated that annealing at 1100 ºС pho-toluminescence intensity is absent, and during the annealing photoluminescence increases with 800 ºС. The highest yield of photoluminescence was observed in air, the least — in a nitrogen environment.

References

1 Shipatov E.Т. The inverse scattering of fast ions. Theory, experiment, practice, Rostov: Rostov University Publ., 1988, 160 р. 2 Gritsenko V.А. The structure and electronic structure of amorphous dielectrics in silicon MIS structures, Novosibirsk:

Nauka, 1993, 278 p. 3 Golishnikov A.А., Putrya М.G. Laboratory workshop on the subject «Рlasma technology in nanoelectronics», Moscow:

МIEТ, 2011, 172 p. 4 Vlasukova L.А., Коmarov F.F., Parhomenko I.N., Мilchanin О.V., Leontiev А.V., Mudriy А.V., Тogambaeva А.K. Applied

spectroscopy, 2013, 80, 1, p. 92–96.


UDC 620.9

B.R.Ilyassov1, 2, N.Kh.Ibrayev1 1Institute of Molecular Nanophotonics, Ye.A.Buketov Karaganda State University;

2Laboratory of Solar Energy, PI NLA, Nazarbayev University, Astana (E-mail: [email protected])

Recent achievements in perovskite solar cells

Hybrid (organo-inorganic) perovskite materials are potential candidate as a photoactive materals for photovoltaics. Currently, many research groups have been focused on designing the perovskite materials in such a way so that it can harness the broad spectrum of visible light wavelength. Hybrid perovskites such methylammonium lead halides reveal unique photovoltaic and charge transport properties. The main objec-tives of this article are to provide some recent research progress on perovskite nanomaterials for solar cell application. Therefore, this mini review paper summarizes some recent development of organic-inorganic perovskite materials of different research groups and provides some useful insights for its future improve-ment.

Key words: photoactive materials, photovoltaics, hybrid perovskites, nanomaterials, sunny batteries.

Introduction

The world’s growing population and industrialization result in a constantly rising demand for energy. Uses of fossil fuels as an energy source produce greenhouse gases which have detrimental effect on the envi-ronment, especially global warming [1–3]. Are we willing to accept the effect of greenhouse gases on cli-mate change in order to meet our energy demand? If we are not we need to urgently solve the challenging problem of developing alternative sources of energy that can make a difference. Harnessing energy directly from sunlight can be an alternative approach to fulfil the clean energy need with negligible environmental effect. Developing of photovoltaic (PV) and water splitting devices based on the remarkable perovskite ma-terials are one of the important step toward achieving that goal.

Organic-lead halide perovskites have the potential to be such an alternative technology for energy pro-duction. Power conversion efficiencies (PCE) of PV devices based on these materials have increased from around 4 % to a certified 20.1 % in the last three years [4–7]. Due to their high efficiency, perovskite solar cells are already competing established thin-film technologies, such as those based on inorganic semiconduc-tor CdTe and CIGS [8]. These organic-lead halide perovskites show high photon absorptivity in optical range, and a sharp optical band edge, which suggests low levels of disorder.[9, 10] They also exhibit long charge-carrier diffusion lengths (>1 mm) relative to the absorption depth of incident light (~100 nm) [11–14], meaning that almost all photoexcited charge carrier in the perovskite are able to reach the interfaces from where the charges are then transported through suitable hole and electron-transporting layers to the electrodes.

Despite progress in the efficiency of PCSs, there is still challenges to commercialization because of the toxicity of Pb atoms, longterm stability, and (3) cost-effectiveness. We have extremely large field for re-searching to improve and optimize perovskite solar cells in order to soon as possible see these remarkable solar cells on the market.

In this review paper, it is intended to provide the recent progress in perovskites for the application in photovoltaics. In the first section, we introduce the perovskite structure. In Section 2, recent progress in organolead halide perovskite, deposition processes of organolead perovskite for solar cells and the opera-tion principles of perovskite solar cells are discussed. Finally, in Section 3, some conclusions are drawn on future perspective of perovskite materials.

1. The structure of perovskites materials

Perovskite materials have similar crystal structures to calcium titanate (CaTiO3). The compounds with perovskite structure exist widely in earth, and some researchers believe that magnesium silicate perovskite (MgSiO3) is the most prevalent mineral in the mantle of the earth [15]. Perovskite materials have various interesting properties and practical applications such as large magnetoresistance, superconductivity, ferroelectricity, transport properties, optical properties, etc. which can be utilized in designing effective de-vices for photovoltaic and photocatalysts for water splitting. The perovskite structure can be expressed

Recent achievements in perovskite …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 17

by generalized formula of ABX3, where the B atom is usually a metal cation and X is an anion (O2-, I-, Br-, Cl-, etc.) [16]. They form the BX6 octahedral where X lies in the corner around B located at the center of the octahedral (Figure 1a). The BX6 octahedral form an extended three dimensional space network with all-corner connected each other (Fig. 1b). The symbol A is assigned to a metal cation that fills the vacancy among the octahedral and balances the charge of the whole network. The larger A cations (Ca2+, K+, Na+, Sr2+, Pb2+, Ce3+) occupy the 12 coordinated sites between the octahedral. In the idealized cubic unit cell, the position of cation A sites, cation B sites and anion X sites are at cube corner positions (0,0,0), body cen-ter position (1/2,1/2,1/2) and face centered positions (1/2,1/2,0), respectively. The examples of ideal cubic perovskite structure (undistorted cubic structure) are SrTiO3 [17], CsSnBr3 [18].

a b

Figure 1. ABX3 perovskite structure showing BX6 octahedral geometry (a) and their extended network structure connected by the corner-shared octahedral (b). Reprinted from [15] and [19]

In most cases, the perovskites have distorted type of cubic structure. These distortions are enormous in number and have complex details. Even the CaTiO3 mineral has pseudo-cubic structure due to the tilting of the octahedron. According to Ziyong Cheng and Jun Lin [16] the various distortion mechanisms can be classified into five types: (1) distortion of the BX6 octahedron by the Jahn-Teller effect, (2) off-center dis-placement of the B cations in the BX6 octahedron, this effect is responsible for possible ferroelectricity, (3) so-called tilting of the octahedra framework, typically occurring as result of a too small A cation at the cuboctahedral site, (4) ordering of more than one kind of cations A or B, or of vacancies, (5) ordering of more than one kind of anions X, or vacancies. Physical properties of perovskite materials depend crucially on these distortions, particularly the electronic, optical, transport, magnetic and dielectric properties which are significant for many applications of perovskite materials. Therefore, the distortions as a result of cation substitution can be used for tuning physical properties exhibited by perovskites.

2.1 Recent progress in organolead halide perovskite for solar energy conversation The prevalent perovskite materals used in solar cells to date are three-dimensional hybrid perovskites.

These perovskites have short-chain organic cations, such as methylammonium (CH3NH3+, MA), metal cati-ons such as lead (Pb2+), and halides (X = I-, Br-, Cl- or mixtures). For efficient devices, cation B has been Pb2+. Although, Sn2+ forms similar structure with lower and naturally more ideal bandgaps [20], but with lower stability. In this Section, we will focus on the MAPbI3 and the mixed-halide analogue, MAPbI3-xClx perovskite films. We will present a recent progress in organolead halide perovskite, the different methods for the formation of films and consider the operation principles of perovskite solar cells which are not ful-ly understood yet.

In 2013, one of Science's Top 10 Breakthroughs of 2013 has become highly efficient organolead halide perovskite solar cells [21]. In perovskite solar cell (PSCs), the organolead halide perovskite, CH3NH3PbX3 (where X = I-, Br-, Cl-), is used as a photoactive layer to harvest sunlight. In 2009, Miyasaka et al. first pub-lished a report on using perovksite nanoparticles as visible light sensitizers in liquid DSSC based on mesoporous TiO2 scaffold yielding efficiencies of 3.81 % [22]. However, these first DSSCs sensitized by perovksite nanoparticles had poor stability because of liquid electrolyte which corrupts perovksite sensi-tizer. In 2009, Grätzel’s group also used the perovksite nanoparticles to sensitize mesoporous TiO2 films in a solid‐state mesoscopic solar cell and delivered power conversion efficiency (PCE) of up to 9.7 % [23]. They used hole-conductor spiro-MeOTAD instead of liquid electrolyte. Soon, Snaith’s group employed mesoporous Al2O3 as a scaffold and a mixed halide perovskite, CH3NH3PbI3‐xClx, as sunlight absorber.

B.R.Ilyassov, N.Kh.Ibrayev


The insulting Al2O3 scaffold supports the formation of continuous thin films of CH3NH3PbI3‐xClx and extremely decreases the energy costs associated with separating tightly bound excitons (photoinduced elec-tron-hole pairs) and extracting free charges from highly disordered low-mobility networks such as mesoporous TiO2. That so‐called «meso‐superstructure» PCS had a PCE as high as 10.9 % and generated open-circuit photovoltage of more than 1.1 volts [24]. This study for the first time demonstrated that the mixed halide perovskite could be as both a sunlight absorber and a charge carrier transporter. The PCE of the perovskite solar cell was further increased up to 12 % by the infiltrating the pores of the mesoporous TiO2 film with CH3NH3PbI3 perovskite, and overlayers of CH3NH3PbI3 сo-exist on top of the mp-TiO2 film [25]. This study implied that the perovskite performs a double role as light harvester and hole conductor. A significant improvement in the PCSs fabrication and reproducibility of their performance was achieved introducing a two‐step sequential deposition technique. PbI2 was first introduced from solution into an mp-TiO2 film and subsequently transformed into the perovskite by exposing it to a solution of CH3NH3I, result-ing in a cell with a PCE of 15 % [26]. Further, Snaith’s group showed that nanostructuring is not necessary to achieve high efficiencies with this material [27]. They obtained PCE of 15 % in simple planar heterojunction solar cell incorporating vapour-deposited perovskite as the absorbing layer, a compact layer of n‐type TiO2 as an electron‐collecting layer, and spiro‐MeOTAD as a p‐type hole conductor. This study demonstrated that perovskite absorbers can function with the highest efficiencies in simplified device ar-chitectures, without the need for complex nanostructures. Y.Yang et al. reported a planar PSC with a PCE of 19.3 % using the efficient interface engineering technology. By controlling the formation of the perovskite layer and careful choices of other materials, they suppressed carrier recombination in the absorb-er, facilitated carrier injection into the carrier transport layers, and maintained good carrier extraction at the electrodes [28]. Recently, the certified PCE of PSC has been boosted up to 20 % [29], which is the most promising competitor to silicon-based solar cells.

2.2. Deposition processes of organolead perovskite for solar cells In the first reports on CH3NH3PbI3 and CH3NH3PbI3−xClx solar cells, spin-coating technique was used

to prepare the photoactive absorbers from a single precursor solution. A solution of CH3NH3I and PbI2 (stoichiometric ratio) in polar solvents such as GBL or DMF was used to form CH3NH3PbI3 films [7, 25]. For forming CH3NH3PbI3−xClx, a solution of PbCl2 and CH3NH3I (a molar ratio of 1:3) in DMF was usually used [30, 31]. The perovskite absorber can be deposited either within the pores of the mesoporous layers or be formed as uniform films on TiO2 compact layers in a case of planar solar cells by proper optimization of the precursor concentration and spin-coating conditions. For planar cells, the deposition of a uniform perovskite layer by spin-coating demand the optimization of various parameters including post-deposition treatment [32, 33]. Since wettability of underlying layer is different, the deposition of perovskite must need to be separately optimized for each of ones. The degree of infiltration within the mesoporous layer depends crucially upon the solution concentration, spin-coating rate and the properties of solvent used. The roughness of surface which could cause shunts in the solar cells depends on the tendency perovskite films to crystallize [25].

An important achievement in solution based deposition has been the development of the sequential deposition method for the preparation of perovskite solar cells by Grätzel and coworkers [26]. These deposi-tion method is composed of spin-coating PbI2 layer on the TiO2 mesoporous layer from a solution under proper conditions (solution concentration, spin-coating rate) that allow to qualitatively infiltrate PbI2 within the mesoporous layer (first step) (Fig. 2a). Subsequently, the substrates with formed PbI2 which has yellow color are dipped in a CH3NH3I solution in 2-propanol solvent. Over the dipping, the yellow PbI2 layer con-verts forming the dark brown CH3NH3PbI3 that occurs in a few seconds (Fig. 2b). It is worth to mentioning that the conversion time can depends on different PbI2 deposition conditions. It has been reported on a 20 minute conversion time [34], though the original work by Mitzi and co. informed that the conversion took 1–3 h [35]. It is probable that the PbI2 layer deposited on top of mesoporous layers has increased roughness that promotes the conversion reaction [26]. The conversion of PbI2 into CH3NH3PbI3 occurs with volume expansion [36] (∼75 %) therefore it is believed that the mesoporous layer would be better infiltrated by the sequential deposition process. The SEM top view of samples deposited by this process show a highly crystalline film with complete coverage (Fig. 2c).


Серия «Физика». № 2(82)/2016 19

Cross-sectional SEM image of a mesoporous TiO2 film

infiltrated with PbI2

Changing in absorbance at 550 nm of such a film monitored

during the conversion from PbI2 to CH3NH3PbI3

SEM top view of the CH3NH3PbI3 film prepared utilizing the sequential

deposition method

Figure 2. Reprinted from [26]

Vapour deposition techniques have also been used to form perovskite solar cells along with the exten-sively applied solution based deposition processes. Efficient planar solar cells (15.4 %) of CH3NH3PbI3−xClx fabricated by dual source evaporation of PbCl2 and CH3NH3I (Figure 3a) were showed by Snaith and coworkers [27]. The evaporated perovskite film was sandwiched between a compact TiO2 layer and a spin-coated spiro-OMeTAD layer performing as electron and hole transporters, respectively. The vapour-deposited perovskite films are extremely uniform and compact, with crystal grains of hundreds of nanome-ters. By these vapour deposition technique, Bolink and coworkers [37] managed to fabricate device with efficiency 12.04 % utilizing different electron and hole transporters, organic electron and hole transport layers such as PCBM and PEDOT: PSS. In both cases, in order to yield the desired perovskite layers and efficient solar cells, careful optimization of dual source evaporation process was required. Chen et al. has demonstrated a combined approach in which both solutions based deposition and vapour phase transfor-mation has been utilized [36]. In these so called vapour-assisted solution process (VASP), PbI2 solution was first spin-coated on a compact TiO2 substrate. Subsequently, the yellow colored films underwent a vapour of CH3NH3I at 150 ºC in N2 for 2 h (Fig. 3b). Due to the slow rate of conversion, VASP produced CH3NH3PbI3 films with micron sized grains and with very low surface roughness of ∼20 nm. Perovskite so-lar cells fabricated from such films had an efficiency of 12.1 %.

A schematic illustration of dual-source thermal

evaporation equipment for depositing the perovskite films; the organic source was methylammonium iodide and

the inorganic source PbCl2. Reproduced from [27]

A schematic illustration of the vapour assisted conversion of PbI2 to CH3NH3PbI3 by exposure

to CH3NH3I vapour. Reproduced from [36]

Figure 3



2.3. The operation principles of perovskite solar cells As mentioned above the perovskite nanoparticles were first used as 'sensitizers' on mesoporous TiO2

and their role in the solar cell was supposed to be similar to the dye in a DSSC. Sunlight is absorbed by the perovskite nanoparticles, producing electrons in the conduction band of the TiO2, across which electrons are transported to the anode. The holes remaining on the perovskite bulk are then transferred to a redox elec-trolyte, or solid-state hole-transport materials, and further transported to a cathode [38] (Fig. 4a). Further studies revealed that the perovskites can function as both hole and electron transport material [5, 39], and that a thin perovskite film with a thickness of few hundred nanometer can even perform charge generation and transport [5, 31, 40–42]. The cell architectures are similar to a planar heterojunction architecture, where a perovskite layer is sandwiched between p- and n-type selective contacts [27] (Fig. 4b). This simple planar architecture can be assembled by different preparation methods and strongly attracted attention of photovol-taic [30–60].]

Figure 4. (a) Mesoscopic perovskite solar cell with mesoporous TiO2 layer and (b) planar structure without a mesoporous TiO2 layer. Thin film on fluorine doped tin oxide (FTO) is an n-type semiconductor. HTM stands

for hole transporting material. In the mesoscopic structure, electrons can be collected directly and/or via TiO2 layer

In planar perovskite solar cells, the charge generation mechanism and dynamics are not completely clear yet. It is not understood what is photoexcited species, free electrons and holes or bound excitons? In the room-temperature, the upper bound of exciton binding energy in the perovskite materials with tetragonal phase is ~50 meV [43]. However, in these computation dielectric constant is supposed to be 6.5, but accord-ing to Even J. et al., the effective dielectric constant is probable much greater. In that case, exciton binding energies in the tetragonal phase is probable ~1–10 meV [44]. Though, even for the exciton binding energy of ~50 meV, free charge carriers are generated spontaneously after light harvesting, that controversial to a large concentration of bound excitons [43–46]. According to ultrafast spectroscopy studies (Fig. 5a), disso-ciation of exciton occur during 2 ps after photoexcitation [48, 49]. For confirmation of these features it is required thorough interpretation of these transient spectra. The mobilities of free electrons and holes are approximately equal and lay in the range ~10–30 cm2 V−1 s−1 [49–51] (Fig. 5a inset). Stranks S.D. et al. stud-ied recombination kinetics in organic-inorganic perovskites under high light intensities, according to them; recombination is bimolecular [46]. This indicates that the prevalent relaxation pathway is recombination of free electrons and holes [48, 52]. The recombination in these perovskite is mainly radiative as well. At room temperature, photoluminescence quantum efficiencies reach value of 70 % (Fig. 5b) [46, 48] and at low temperature even 100 % [58]. This high luminescence efficiency ascribes perovskite solar cells to the efficiency limit Shockley–Queisser. In that case all recombination is supposed to be radiative [53–55]. It is worth mentioning that there are monomolecular trap-assisted recombination pathways that can predomi-nate under normal solar cell operating conditions [45, 46].


Серия «Физика». № 2(82)/2016 21

Figure 5. (a) Normalized early time terahertz dynamics of neat MAPbI3 (2), MAPbI3/mesoporous Al2O3 (3) and MAPbI3/mesoporous TiO2 (1) films following pulsed photoexcitation at 400 nm. Inset shows the THz

photoconductivity kinetics for the first 50 ps normalized to give mobility values [49] (b) The photoluminescence quantum efficiency (PLQE) of a perovskite thin-film sample

as a function of excitation power [48]

In case of planar heterojunction cells, it is known that the crucial prerequisite for proper operation of cell is that diffusion lengths of the electron and hole must be greater-than the film thickness required to get entire solar light harvesting. The diffusion length has been estimated to be over 1 µm for both electrons and holes in films of MAPbI3–xClx (Fig. 5b) [36, 46]. This value is appropriately long for efficient operation of cell with planar heterojunction architecture as an absorption depth is approximately 400 nm at a wave-length of 700 nm [27, 33–36, 38, 56, 57]. The long diffusion length is explained by a long electron–hole life-time of the order of 300 ns to microseconds [36].

Electron-beam induced current (EBIC) mapping technique has been used to determine operating princi-pal of perovskite planar heterojunction solar cells (and mesosuperstructured solar cells). Result of EBIC re-vealed that their operating principal is similar to a thin-film p–i–n heterojunction solar cell [35, 37, 56, 58]. In EBIC scans (Fig. 6a, b), two peaks are observed that is consistent with p–i–n operation [37]. These results imply that most probable operating principle is that photon is absorbed and free charge carriers are generated at room temperature [45, 50, 52]. Further, generated charge carriers diffuse throughout the perovskite film and selectively move across their respective electrodes and where they promote the current in the external circuit [37].

Figure 6. SE and EBIC images of cross sections of CH3NH3PbI3–xClx (A), scale bar is 2 μm, and CH3NH3PbI3 (B), scale bar is 1 μm, planar solar cells. Line scans were taken at the lines' positions.

The arrows show the peaks for the I–Cl and where the peaks are in the case of the pure iodide. The right panel is a 3D surface plot of the EBIC images. The ripples observed in the EBIC image of (A)

outside the (semi-) conductive regions are due to background noise. Reprinted from [37]

The charge carrier diffusion lengths calculated by EBIC are approximately 2 μm for the I/Cl mixed halide perovskite and 1 μm for the hole diffusion in the triiodide perovskite. This result is in accordance with charge carrier diffusion lengths estimated for the two materials by terahertz time-domain spectroscopy [50], but longer than those estimated by time-resolved photoluminescence quenching measurements [36, 56].



Photoluminescence quenching measurements which will tend to give an underestimate due to the assump-tions of perfect quenching and homogenous recombination throughout the bulk of the film.

The perovskite film morphology and the defect density within the films strongly influence on the charge carrier lifetime in the perovskite. According to recent research on single crystals of MAPbI3 and MAPbBr3, defect densities in such crystals are lower ~1010 cm−3 [59, 60], in comparison to the polycrystalline perovskite films where ones are ~1016 cm−3 [45, 46, 57]. In these single crystals, an estimated charge carrier lifetime and a corresponding charge carrier diffusion length reach value of a few hundred microseconds and of 175 μm, respectively. It is worth to mentioning that here to estimate the charge carrier lifetime electro-chemical impedance spectroscopy and photovoltage decay techniques of electronically contacted crystals were used. If charge carrier trapping takes place at the crystal surface, it may overestimate the charge carrier lifetime, and in that case, the results require verification by other techniques.

In polycrystalline thin films, the intergrain potential barriers present obstacles to carrier transport through layer and may reduce the carrier mobility by many orders of magnitude from that found in single-crystal material. In this respect, CIGS has long been regarded a «better material» due to the extremely low intergrain potential barrier of 100 meV [58]. In comparison with CIGS, at the CdTe grain boundaries, de-pending on processing conditions, intergrain potential barrier is ~100–800 meV [58]. However, intergrain potential barrier in polycrystalline MAPbI3 perovskite films in the dark is ~ only 45 meV, and further de-creased under illumination [37]. This implies that charge trapping at grain boundaries in perovksite films must be much less of an obstacle than in CIGS or CdTe. However, cells with large grain size had enhanced device performance and charge carrier diffusion length which imply that the grain boundaries may not be benign [59, 60].

The steepness of the optical absorption edge indicates on the quality of the material. It allows to charac-terize the energetic disorder by analyzing the exponential decay of the absorption spectra below the bandgap with a characteristic energy, the Urbach energy [61, 62]. The perovskite films have a high absorption coeffi-cient with a sharp absorption edge and a low Urbach energy of 15 meV, that means a low level of energetic disorder. For comparison, values of Urbach energy of GaAs, CdTe, crystalline silicon, MAPbI3 or MAPbI3–xClx, CIGS are 7, 10, 11, 15, 25 meV, respectively. The Urbach energy of perovskite is lower than CIGS (~25 meV) and somewhat higher than GaAs (~7 meV) [54, 61], that is unbelievable for a solution prepared semiconductor. Despite that perovskite samples fabricated employing most standard solution-processing methods [45, 48, 51, 57] have low densities electronic trap states (~1016 cm−3) in band gap, even the low trap states strongly influence on recombination dynamic [46], cell photovoltage [51], and photoluminescence quantum efficiencies [46, 48, 51] (Figure 6b).

In the most efficient perovskite solar cells using nanoporous TiO2, the cell is composed of a thin (~200 nm) layer of nanoporous TiO2 infiltrated and capped with a solid perovskite layer (~200–300 nm) (Fig. 5a) [63–66]. In these nanoporous TiO2-based perovskite cells, a bottom layer of TiO2/perovskite per-form a role of a bulk distributed heterojunction and a top layer of the perovskite and the hole-transport mate-rial operates as a planar heterojunction [63, 66]. Snaith et. al assume that as soon as proper control of the interfacial contact between the perovskite and the compact n-type layers is achieved, the privileged solar cell architecture will be the planar heterojunction one (Fig. 5b) [33, 37, 67].

3. Summary and perspectives

In summary, some major progresses on the development of perovskite based photocatalysts for water splitting have been achieved by following different modification strategies considering the fundamental prin-ciple and process of photocatalysis, crystal structure and chemical component characteristics of perovskite materials.

Intense research into perovskite solar cells and other optoelectronic applications has only recently be-gun, however a great breakthrough in solar cells has been made utilizing organolead halide perovskites as sunlight absorbers with low‐cost preparation techniques. Organolead halide perovskites are capable of a high light harvesting, possess excellent electrotransport properties and have a low defect density and low intergrain potential barriers. PCEs of over 15 % have been reached for both mesoscopic architecture and pla-nar heterojunction one. We believe that the increase in the domain size of crystals and the uniformity of perovskite film will be the major factors that will enhance the performance of perovskite solar cells over the next few years.


Серия «Физика». № 2(82)/2016 23

Acknowledgment

B.I gratefully acknowledges the Ministry of Education and Science of the Republic of Kazakhstan for the support of this work (program MSE Kazakhstan «NU-LBNL» 0115РК03029 and Grant no.535-F-15).

References

1 Nozik A.J. Photoelectrochemistry: Applications to Solar Energy Conversion // Annu. Rev. Phys. Chem. — 1978. — Vol. 29(1). — P. 189–222.

2 Lewis N.S. Powering the Planet // MRS Bull. — 2007. — Vol. 32. — P. 808–820. 3 Nocera D.G. Personalized Energy: The Home as a Solar Power Station and Solar Gas Station // ChemSusChem. — 2009. —

Vol. 2(5). — P. 387–390. 4 Kojima A., Teshima K., Shirai Y., Miyasaka T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic

Cells. // J. Am. Chem. Soc. — 2009. — Vol. 131(17). — P. 6050–6051. 5 Lee M.M., Teuscher J., Miyasaka T., Murakami T.N., Snaith H.J. Efficient hybrid solar cells based on meso-superstructured

organometal halide perovskites // Science. — 2012. — Vol. 338. — P. 643–647. 6 Zhou H., Chen Q., Li G., Luo S., Song T.-B., Duan H.-S., Hong Z., You J., Liu Y., Yang Y. Interface engineering of highly

efficient perovskite solar cells // Science. — 2014. — Vol. 345. — P. 542–546. 7 Kim H.S., Lee C.R., Im J.H., Lee K.B., Moehl T., Marchioro A., Moon S.J., Humphry-Baker R., Yum J.H., Moser J.E., Gratzel

M., Park N.G. // Sci. Rep. — 2012. — Vol. 2. — P. 591. 8 Green M.A., Emery K., Hishikawa Y., Warta W., Dunlop E.D. // Prog. Photovoltaics. — 2014. — Vol. 22. — P. 701–710. 9 DeWolf S., Holovsky J., Moon S.-J., Lçper P., Niesen B., Ledinsky M., Haug F.-J., Yum J.-H., Ballif C. // J. Phys. Chem. Lett.

— 2014. — Vol. 5. — P. 1035–1039. 10 Sadhanala A., Deschler F., Thomas T.H., Dutton S.E., Goedel K.C., Hanusch F.C., Lai M.L., Steiner U., Bein T., Docampo P.,

Cahen D., Friend R.H. // J. Phys. Chem. Lett. — 2014. — Vol. 5. — P. 2501–2505. 11 Stranks S.D., Eperon G.E., Grancini G., Menelaou C., Alcocer M.J., Leijtens T., Herz L. M., Petrozza A., Snaith H.J. //

Science. — 2013. — Vol. 342. — P. 341–344. 12 Xing G., Mathews N., Sun S., Lim S.S., Lam Y.M., Gratzel M., Mhaisalkar S., Sum T.C. // Science. — 2013. — Vol. 342. —

P. 344–347. 13 Wehrenfennig C., Eperon G.E., Johnston M.B., Snaith H.J., Herz L.M. // Adv. Mater. — 2014. — Vol. 26. — P. 1584–1589. 14 Edri E., Kirmayer S., Mukhopadhyay S., Gartsman K., Hodes G., Cahen D. // Nat. Commun. — 2014. — Vol. 5. — P. 3461. 15 Knittle E., Jeanloz R. Synthesis and Equation of State of (Mg, Fe)SiO3 Perovskite to Over 100 Gigapascals // Science. —

1987. — Vol. 235(4789). — P. 668–670. 16 Cheng Z., Lin J. Layered organic-inorganic hybrid perovskites: structure, optical properties, film preparation, patterning and

templating engineering // Cryst. Eng. Comm. — 2010. — Vol. 12(10). — P. 2646–2662. 17 Glazer A. The classification of tilted octahedra in perovskites // Acta Crystallographica Section B. — 1972. — Vol. 28(11).

— P. 3384–3392. 18 Scaife D.E., Weller P.F., Fisher W.G. Crystal preparation and properties of cesium tin (II) trihalides // J. Solid State Chem.

— 1974. — Vol. 9(3). — P. 308–314. 19 Li C. et al. Formability of ABX3 (X= F, Cl, Br, I) Halide Perovskites // Acta Crystallogr. Sect. B. — 2008. — Vol. 64(6). —

P. 702–707. 20 Umari P., Mosconi E., De Angelis F. Relativistic GW calculations on CH3NH3PbI3 and CH3NH3SnI3 perovskites for solar

cell applications // Sci. Rep. — 2014. — Vol. 4. — P. 4467. 21 http://news.sciencemag.org/2013/12/sciences-top-10-breakthroughs-2013 22 Kojima A. et al. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells // J. Am. Chem. Soc. —

2009. — Vol. 131(17). — P. 6050–6051. 23 Kim H.-S. et al. High efficiency solid-state sensitized solar cell-based on submicrometer rutile TiO2 nanorod and

CH3NH3PbI3 perovskite sensitizer // Nano Lett. — 2013. — Vol. 13. — P. 2412–2417. 24 Lee M.M., Teuscher J., Miyasaka T., Murakami T.N., Snaith Henry J. Efficient hybrid solar cells based on meso-

superstructured organometal halide perovskites // Science. — 2012. — Vol. 338. — P. 643–647. 25 Heo J.H., Im S.H., Noh J.H., Mandal T.N., Lim C.S., Chang J.A., Lee Y.H., Kim H.J., Sarkar A., Nazeeruddin M.K.,

Grätzel M., Seok S.I. Efficient inorganic–organic hybrid heterojunction solar cells containing perovskite compound and polymeric hole conductors // Nat. Photonics. — 2013. — Vol. 7. — P. 487–492.

26 Burschka J., Pellet N., Moon S.J., Humphry-Baker R., Gao P., Nazeeruddin M.K., Grätzel M. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells // Nature. — 2013. — Vol. 499(7458). — P. 316–9.

27 Liu M., Johnston M.B., Snaith H.J. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition // Nature. — 2013. — Vol. 501. — P. 395–398.

28 Zhou H., Chen Q., Li G., Luo S., Song T.B., Duan H.S., Hong Z., You J., Liu Y., Yang Y. Photovoltaics. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells // Science. — 2014. — Vol. 345. — P. 542–546.

29 http://www.nrel.gov 30 Lee M.M., Teuscher J., Miyasaka T., Murakami T.N., Snaith H.J. Efficient Hybrid Solar Cells Based on Meso-

Superstructured Organometal Halide Perovskites // Science. — 2012. — Vol. 338. — P. 643–647.



31 Ball J.M., Lee M.M., Hey A., Snaith H.J. Low-temperature processed meso-superstructured to thin-film perovskite solar cells // Energy Environ. Sci. — 2013. — Vol. 6. — P. 1739–1743.

32 Sun S., Salim T., Mathews N., Duchamp M., Boothroyd C., Xing G., Sum T.C., Lam Y.M. The origin of high efficiency in low-temperature solution-processable bilayer organometal halide hybrid solar cells // Energy Environ. Sci. — 2014. — Vol. 7. — P. 399–407.

33 Eperon G.E., Burlakov V.M., Docampo P., Goriely A., Snaith H.J. Morphological Control for High Performance Solu-tion‐Processed Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells // Advanced Functional Materials. — 2014. — Vol. 24. — P. 151–157.

34 Dharani S., Mulmudi H.K., Yantara N., Thu Trang P.T., Park N.G., Graetzel M., Mhaisalkar S., Mathews N., Boix P.P. High efficiency electrospun TiO2 nanofiber based hybrid organic–inorganic perovskite solar cell // Nanoscale. — 2014. — Vol. 6. — P. 1675–1679.

35 Liang K., Mitzi D.B., Prikas M.T. Synthesis and Characterization of Organic−Inorganic Perovskite Thin Films Prepared Using a Versatile Two-Step Dipping Technique // Chem. Mater. — 1998. — Vol. 10. — P. 403–411.

36 Chen Q. et al. Planar heterojunction perovskite solar cells via vapor-assisted solution process // J. Am. Chem. Soc. — 2014. — Vol. 136. — P. 622–625.

37 Malinkiewicz O. et al. Perovskite solar cells employing organic charge-transport layers // Nature Photonics. — 2014. — Vol. 8. — P. 128–132.

38 Snaith H.J., Schmidt-Mende L. Advances in liquid-electrolyte and solid-state dye-sensitized solar cells // Adv. Mater. — 2007. — Vol. 19. — P. 3187–3200.

39 Etgar L. et al. Mesoscopic CH3NH3PbI3/TiO2 Heterojunction Solar Cells // J. Am. Chem. Soc. — 2012. — Vol. 134. — P. 17396–17399.

40 Liu D., Kelly T.L. Perovskite Solar Cells with a Planar Heterojunction Structure Prepared using Room-Temperature Solution Processing Techniques // Nature Photonics. — 2014. — Vol. 8. — P. 133–138.

41 Stranks S.D. et al. Electron-hole diffusion lengths exceeding 1 micrometer in an organometal trihalide perovskite absorber // Science. — 2013. — Vol. 342. — P. 341–344.

42 Edri E. et al. Why lead methylammonium tri-iodide perovskite-based solar cells require a mesoporous electron transporting scaffold (but not necessarily a hole conductor) // Nano Lett. — 2014. — Vol. 14. — P. 1000–1004.

43 D'Innocenzo V. et al. Excitons versus free charges in organo-lead tri-halide perovskites // Nature Commun. — 2014. — Vol. 5. — P. 3586.

44 Even J., Pedesseau L., Katan C. Analysis of multivalley and multibandgap absorption and enhancement of free carriers relat-ed to exciton screening in hybrid perovskites// J. Phys. Chem. C. — 2014. — Vol. 118. — P. 11566–11572.

45 Saba M. et al. Correlated electron–hole plasma in organometal perovskites // Nature Commun. — 2014. — Vol. 5. — P. 5049.

46 Stranks S. D. et al. Recombination Kinetics in Organic-Inorganic Perovskites: Excitons, Free Charge, and Subgap States // Phys. Rev. Appl. — 2014. — Vol. 2. — P. 034007.

47 Stranks D. S., Snaith H.J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices // Nature Nanotechnology. — 2015. — Vol. 10. — P. 391–402.

48 Deschler F. et al. High Photoluminescence Efficiency and Optically Pumped Lasing in Solution-Processed Mixed Halide Perovskite Semiconductors // J. Phys. Chem. Lett. — 2014. — Vol. 5. — P. 1421–1426.

49 Ponseca C.S. Jr. et al. Organometal halide perovskite solar cell materials rationalized: Ultrafast charge generation, high and microsecond-long balanced mobilities, and slow recombination // J. Am. Chem. Soc. — 2014. — Vol. 136. — P. 5189–5192.

50 Wehrenfennig C., Eperon G.E., Johnston M.B., Snaith H.J., Herz L.M. High Charge Carrier Mobilities and Lifetimes in Organolead Trihalide Perovskites // Adv. Mater. — 2014. — Vol. 26. — P. 1584–1589.

51 Leijtens T. et al. Electronic Properties of Meso-Superstructured and Planar Organometal Halide Perovskite Films: Charge Trapping, Photodoping, and Carrier Mobility // ACS Nano. — 2014. — Vol. 8. — P. 7147–7155.

52 Manser J.S., Kamat P.V. Band filling with free charge carriers in organometal halide perovskites // Nature Photon. — 2014. — Vol. 8. — P. 737–743.

53 Tvingstedt K. et al. Radiative efficiency of lead iodide based perovskite solar cells // Sci. Rep. — 2014. — Vol. 4. — P. 6071. 54 Miller O.D., Yablonovitch E., Kurtz S.R. Strong Internal and External Luminescence as Solar Cells Approach the Shockley–

Queisser Limit // J. Photovoltaics. — 2012. — Vol. 2. — P. 303–311. 55 Tress W. et al. Predicting the open-circuit voltage of CH3NH3PbI3 perovskite solar cells using electroluminescence and pho-

tovoltaic quantum efficiency spectra: the role of radiative and non-radiative recombination// Adv. Energy Mater. — 2015. — Vol. 5. — P. 1400812.

56 Xing G. et al. Long-Range Balanced Electron and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3 // Science. — 2013. — Vol. 342. — P. 344–347.

57 Shao Y., Xiao Z., Bi C., Yuan Y., Huang J. Origin and elimination of photocurrent hysteresis by fullerene passivation in CH3NH3PbI3 planar heterojunction solar cells // Nature Commun. — 2014. — Vol. 5. — P. 5784.

58 Edri E. et al. Elucidating the charge carrier separation and working mechanism of CH3NH3PbI3−xClx perovskite solar cells // Nature Commun. — 2014. — Vol. 5. — P. 3461.

59 Dong Q. et al. Electron-hole diffusion lengths >175 μm in solution-grown CH3NH3PbI3 single crystals // Science. — 2015. — Vol. 347. — P. 967–970.

60 Shi D. et al. Low trap-state density and long carrier diffusion in organolead trihalide perovskite single crystals // Science. — 2015. — Vol. 347. — P. 519–522.

61 De Wolf S. et al. Organometallic Halide Perovskites: Sharp Optical Absorption Edge and Its Relation to Photovoltaic Perfor-mance // J. Phys. Chem. Lett. — 2014. — Vol. 5. — P. 1035–1039.

62 Sadhanala A. et al. Preparation of single-phase films of CH3NH3Pb(I1–xBrx)3 with sharp optical band edges // J. Phys. Chem. Lett. — 2014. — Vol. 5. — P. 2501–2505.


Серия «Физика». № 2(82)/2016 25

63 Jeon N.J. et al. Compositional engineering of perovskite materials for high-performance solar cells // Nature. — 2015. — Vol. 517. — P. 476–480.

64 Heo J.H. et al. Efficient inorganic-organic hybrid heterojunction solar cells containing perovskite compound and polymeric hole conductors // Nature Photon. — 2013. — Vol. 7. — P. 486–491.

65 Leijtens T., Lauber B., Eperon G.E., Stranks S.D. and Snaith H.J. The importance of perovskite pore filling in organometal mixed halide sensitized TiO2-based solar cells // J. Phys. Chem. Lett. — 2014. — Vol. 5. — P. 1096–1102.

66 Jeon N.J. et al. Solvent engineering for high-performance inorganic–organic hybrid perovskite solar cells // Nature Mater. — 2014. — Vol. 13. — P. 897–903.

67 Snaith H.J. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells // J. Phys. Chem. Lett. — 2013. — Vol. 4. — P. 3623–3630.

Б.Р.Ильясов, Н.Х.Ибраев

Перовскитті күн ұяшықтарындағы жаңа жетістіктер

Мақалада гибридті (органикалық жəне бейорганикалық) перовскитті материалдар фотовольтаикада фотоактивті материалдар ретінде қолданылуы мүмкін. Қазіргі уақытта ғылыми-зерттеу топтарының жұмыстарының мақсаты кең оптикалық диапазонда жарық сəулесінің жұту қабілеттілігі жоғары перовскитті материалдардың дизайнын жобалауға бағытталған. CH3NH3PbX3 (X — ионды галогендер қатарындағы) сияқты гибридті перовскиттер бірегей фотовольтаикалық жəне электрофизикалық қасиеттерді көрсете алады. Берілген жұмыстың басты мақсаты — күн батареяларында қолданылатын перовскитті наноматериалдар жайында соңғы жетістіктері жайлы ақпарат беріп, оларды əрі қарай дамыту жолдарын көрсету.

Б.Р.Ильясов, Н.Х.Ибраев

Новые достижения в перовскитных солнечных ячейках

В статье показано, что гибридные (органо-неорганические) перовскитные материалы являются потен-циальными фотоактивными материалами в фотовольтаике. Авторами отмечено, что в настоящее вре-мя много исследовательских групп сфокусированы на дизайне перовскитных материалов, способных поглощать солнечный свет в широком оптическом диапазоне. Гибридные перовскиты, такие как CH3NH3PbX3 (X — ион из числа галогенов), демонстрируют уникальные фотовольтаические и элек-трические свойства. Выделена основная цель данной работы — показать последние достижения в области перовскитных наноматериалов, применяемых в солнечных батареях, и дать предпосылки для их дальнейшего улучшения.


UDC 535.37:535.34:539.19

Т.А.Koketai1, А.Ch.Lushchik2, А.K.Tussupbekova1, А.S.Baltabekov1, E.K.Mussenova1, А.А.Ganyukova1, А.Ibragimov1

1Ye.A.Buketov Karaganda State University; 2Institute of Physics, University of Tartu, Estonia

(E-mail: [email protected])

Research of radiation impurity defects in the crystals of potassium sulphate activated by ions of the transitional metals

The radiation impurity defects in the crystals of potassium sulphate activated by ions of the transitional met-als was research in this work. According to spectra of optical absorption of K2SO4–Cо2+, K2SO4–Mn2+, K2SO4–Ni2+ crystals of research it is possible to draw qualitative conclusions on impurity and dot defects of objects. It is clear that after radiation by X-ray quantum the optical density in the impurity absorption bands of the crystals are decreases. This phenomenon is explained that there is a change of charging state at initial ions of divalent metal ions and the impurity ions either are ionized or are traps for electrons. It was found that the impuritу ions of the transition metals Ме2+ are the centers of electron capture in potassium sul-phate.

Key words: ionic crystals, potassium sulphate, absorption spectrum, impurity ions, defect.

Potassium sulphate, as well as potassium dihydrophosphate is a crystal with the composite anionic

complex. Due to the practical application of these crystals in the last decades specific features of characteris-tic and impurity electronic exaltations [1] are widely investigated. The role of anions is played by the com-plex formations — molecular ions of SO4

2-, PO43-, etc. In the row the oxianionic crystals the conduction area

is formed from excited states of cations and anions. The valence zone of nonactivated crystal of K2SO4 con-sists of three subareas divided by the forbidden areas. While introduction of impurities into the crystal lattice in the forbidden area of diamagnetic crystals there are power subtotals which are caused by impurities. Owing to formation of power subtotals in the forbidden area in the range of optical absorption, shifted in the long-wave party from edge of fundamental absorption of the crystal [2]. According to spectra of optical absorption of objects of research it is possible to draw qualitative conclusions on impurity and dot defects of products of radiolysis in a crystal. Absorption spectra of the transitional metals of crystals of potassium sulphate activated by ions were for this purpose measured.

The crystal absorption spectrum K2SO4–Cо2+ (Fig. 1) received at ambient temperature which is well co-ordinated with the result given in work [3].

Figure 1. Crystal absorption spectrum K2SO4-Cо2+, measured at ambient temperature

From the Figure 1 it is clear that in the field of matrix transparence the impurity ions are resulted in emergence at ambient temperature of three new absorption bands with maxima at ambient temperature absorption bands at 271.33 nm, 250 nm and 212 nm are observed (see Fig. 1). In a clear crystal of potassium sulphate in this area absorption bands are not present and observed optical strips contact the impurity absorption. The optical density of absorption bands grows with body height of concentration of the impurity

Research of radiation impurity …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 27

centers that confirms their nature. At increase in concentration of Co2+ in potassium sulphate the new strip at 775 nm that is associated by authors [3; 2039] with the modular impurity centers. At temperature decrease there is a «blue» shift and there are new absorption bands. The increase in number of absorption bands at temperature decrease is bound to decrease of width of the optical strip that leads to manifestation of the splittings which are not observed at higher temperature.

At temperature decrease (from ambient up to the temperature of fluid nitrogen) the absorption spectrum of unirradiated crystal of K2SO4–Cо2+ does not change qualitatively. While in the case of radiation of the crystal of K2SO4–Cо2+ by X-ray quantums the new activated strip with a maximum at 234 nm appears. The absorption spectrum measured at 80 K for K2SO4–Сo2+ crystal before radiation (curve 1) and after radia-tion (curve 2) by X-ray quantums with dose 500 кGy is given on Figure 2.

Figure 2. K2SO4–Сo2+ crystal absorption spectra, measured at the temperature 80 K

From the Figure 2 it is clear that after radiation by X-ray quantums the optical density in the impurity absorption bands of the crystal of K2SO4–Cо2+ decreases. It can be explained that there is a change of charging state at initial ions of divalent cobalt, i.e. there is formation of ions Сo+ or Сo3+. Besides, there is a new absorp-tion band with a maximum at 5.30 eV. This radiation induced absorption band was observed in work [4]. In this work by means of the EPR method it was established that emergence of this absorption band is connected to the hole centers SO3

-. As potassium sulphate crystals under the influence of radiation are not painted authors of work [4; 2040] connected it with the hole center of matrix, revolted with the impurity ion Cо2+. The similar phenomenon was observed in the crystals of potassium sulphate activated by Cu2+ ions.

The radiation induced absorption band in this exemplar is observed in the field of 5.61 eV [5]. In the crys-tals of potassium sulphate activated by Сu2+ ions new peaks of TSL are not present. Therefore, it is necessary to solve the issue of the nature of new peak of recombinational luminescence in K2SO4–Сo2+ crystal with a maximum in area 240 K. This peak of luminescence can be connected with disintegration of indignant of the impurity ions of the hole centers of matrix, or to disintegration of the radiation induced impurity centers which education are proved by measurements in the impurity absorption bands after radiation of exemplars.

The absorption spectrum for K2SO4–Mn2+ crystal, received at ambient temperature is given on Figure 3. In this case at ambient temperature absorption bands at 4.0 eV and 5.04 eV are observed. The absorption band with a maximum at 5.04 eV is dominating. The absorption band with a maximum at 4.0 eV is non-elementary. On its long-wave wing there is «shoulder». Fall of temperature (from ambient up to the tempera-ture of fluid nitrogen) the absorption spectrum for K2SO4–Mn2+ crystal also does not change qualitatively (Fig. 4). At low temperatures (80 K) non-simplicity of a long-wave optical strip is shown more obviously.

For definition of the nature of new TSL peaks of the crystal K2SO4-Mn2+ curve absorption before radiation were measured by X-ray quantums (Fig. 4). Here the decrease of optical density in the impurity absorption bands is observed. It testifies about decrease of a number of the centers of absorption in a crystal. This phenomenon is explained by change of charging condition of the impurity ions of the transitional metals. The impurity ions either are ioned, or are traps for electrons. Besides, after radiation in K2SO4–Mn2+ crystal

Т.А.Koketai, А.Ch.Lushchik et al.


there is a new absorption band with a maximum at 5.5 eV. According to literary data [4; 2040] absorption with a maximum at 5.5 eV contacts defect of SО3

- which is located about the impurity ion of Mn2+.

Figure 3. K2SO4–Mn2+ crystal absorption spectrum +, measured at ambient temperature

Figure 4. K2SO4–Mn2+ crystal absorption spectrum, measured at a temperature 80 K

The absorption spectrum for the activated crystal K2SO4–Ni2+, measured at ambient temperature is giv-en in Figure 5. Crystal plates of different thickness were received by a serial co-grinding of one crystal. From Figure 5 it is clear that in the field of matrix transparence of the impurity ions lead to emergence at ambient temperature of two new absorption bands with maxima at 4,13 eV and 5,17 eV. More intensive absorption band begins from 5.17 eV and stretches into ultraviolet area. Less intensive absorption band has an absorp-tion maximum approximately 4.13 eV. In accordance with [6] where there is this third peak for K2SO4–Ni2+, with maximum at 2,95 eV in K2SO4-Ni2+ crystal absorption spectrum, measured at ambient temperature is available also the third absorption band which is weaker in its intensity in comparison with absorption bands with maxima at 4,13 eV and 5,17 eV. This circumstance contacts that the absorption band at 2,95 eV is ob-served only in crystals more than 2,5 mm thick.

Figure 5. Crystal absorption spectrum K2SO4–Ni2+, measured at ambient temperature


Серия «Физика». № 2(82)/2016 29

For consideration of absorption spectra K2SO4:Ni2+, in approximation of the average crystal field it is necessary to know the electronic configuration of the ion Ni2+ — 3d8 The main term of the ion is the term 3F. The nearest exited terms: 3F(d8), 1D(d8), 3P (d8), 1G(d8) и 3F 3d7 4s1. In K2SO4 lattice, in the assumption that Ni2+ ions replace any cations of the basis in cluster positions, the site is a symmetry of ions of Ni2+ — Cs(h, E). All electronic terms will be transformed on representations of A’ and A’’. Thus, each of orbital terms comprises both A’, and A’’ representation.

In the work [7] provided data on research of spectral characteristics of Ni2+ in the crystal of calcium iodide. In absorption spectra of CaI2:NiI2 wide activated strips with maxima in area 260–340 nanometers, bound to charge transfer, and the narrow activated strips observed on long-wave recession of strips of charge transfer, caused by d-d-transitions in Co2+ ions and Ni2+, the haloid ions which are in an octahedral environ-ment were found. Authors of work [7; 73] is established that Co2+ ions and Ni2+ do not form in iodide calci-um of the luminescence centers radiating in the visible range of a range at x-ray exaltation, and are quenchers of a X-ray luminescence of the basis of crystals.

Consideration of absorption spectra K2SO4: Ni2+, in approximation of the average crystal field, allows to assume that the front page of absorption corresponds to transitions from the A'(3F) level to one of levels splitted off configuration 3d74s1 as its energy is closest to energy of transition 3F(3d8) 3F(3d74s1). Much larger crystal fields are necessary to perform of d–d transitions. The second, intensive absorption band with a maximum at 4.13 eV probably corresponds to transition A’(3F) A’’(3P). In average crystal fields for per-formance of these transitions the necessary wavelength gets to the interval from 3.35 to 4.59 eV. Absorption bands in area 1.0–2.07 eV in crystals K2SO4–Ni2+ was not observed by us.

In Figure 6 K2SO4–Ni2+ crystal absorption spectra before radiation (curve 1) and after radiation (curve 2) at the temperature 80 K are given. From the figure it is clear that K2SO4–Ni2+ absorption spectrum has three peaks with maxima at 3.0 eV, 4.75 eV and 6.3 eV. While, the absorption spectrum with the maximum of 6.3 eV which contacts radiation of the crystal, is shown in the form of a shoulder in long-wave area 5.7–6 eV. From this drawing it is seen that at influence of X-ray quantums the charging condition of the impurity ions of Ni2+ changes.

Figure 6. K2SO4–Ni2+ crystal absorption spectrum, measured at the temperature 80 K

In general, the influence of ions Co2+, Ni2+ and Mn2+ on radiation and stimulated processes in crystal К2SО4 is similar. It can be proved by means of dependence curves of speeds of accumulation lightsum on the radiation dose in TSL peak at the temperature 190 K (Fig. 7). From Figure 7 it is clear that the impurity ions Co2+, Ni2+ and Mn2+ increase the speed of lightsum accumulation in the TSL peak. Therefore, the impurity ions Co2+, Ni2+ and Mn2+ in crystals of potassium sulphate are the efficient centers of capture for electrons.

Т.А.Koketai, А.Ch.Lushchik et al.


1 — K2SO4; 2 — K2SO4-Со2+; 3 — K2SO4-Ni2+; 4 — K2SO4-Mn2+

Figure 7. The dependence curves of speeds of accumulation lightsum on the radiation dose in TSL peak at the temperature 190 K

The emergence of absorption bands in the crystals of potassium sulphate activated by Co2+, Ni2+ and Mn2+ in the field of the matrix transparence according to [8] can be connected to the individual impurity centers. Exaltation of exemplars in these strips does not lead to emergence of photoluminescence. Measurement of photoconduction in a short-wave absorption band for K2SO4-Cu2+ crystal showed that it is not a charge transfer strip. Similar results were received for K2SO4-Ni2+ и K2SO4-Mn2+ crystals at exaltation in short-wave absorption bands. The activated -Co2+, K2SO4-Ni2+ and K2SO4-Mn2+ the absorption spectra (Figures 1, 3, 5) measured at ambient temperature are qualitatively similar.

Thus, the impurity ions of the transitional metals Ме2+ (Со, Ni, Mn) are the centers of electron capture in K2SO4. These impurity ions influence emergence of padding cationic vacancies in a crystal. The impurity anions (SO4

2-and NO3-) in potassium sulphate are also traps for electrons.

References

1 Ким Л.М., Кукетaев Т.A., Мусеновa Э.К., Тaгaевa Б.С. Влияние полиморфных фaзовых переходов нa свойствa при-месных ионов тaллия // Хaос и структуры в нелинейных системaх. Теория и эксперимент: Мaтериaлы 6-й междунaр. конф. — Астaнa, 2008. — С. 106–109.

2 Шaршеев К. Новые оптические мaтериaлы нa основе монокристaллов сложных соединений щелочных метaллов: моногрaфия. — Карaкол: Полигрaф. ЫГУ им. К.Тыныстановa. — 2010. — 256 с.

3 Radhakrishna S., Pande K.P. Optiсal and electrical properties of some sulfates doped with cobalt // Phys. Chem. Sol. — 1972. — Vol. 34. — No. 8. — P. 2037–2044.

4 Koketai T.A., Тagayeva B.S., Tussupbekova A.K., Mussenova E.K. The effect of pre-irradiation defects on the recombination luminescence in activated crystals K2SO4 // Book of abstracts. International conference of luminescence and optical spectroscopy of condensed matter. — Wroclaw, Poland — 2014. — P. 39.

5 Кукетaев Т.A., Ким Л.М., Мaхметов Т.С. Рекомбинaционнaя люминесценция в K2SO4-Cu2+ // Твердотельные детекторы ионизирующих излучений: Тезисы доклaдов междунaр. конф. — Екaтеринбург, 1997. — C. 113.

6 Көкетaй Т.Ə., Тусупбековa A.К., Мусеновa Э.К., Ибрaевa A.Д., Сaйдрaхимов Н.Б. Исследовaние зaкономерностей влияния ионов переходных метaллов нa рaдиaционно-стимулировaнные процессы в сульфaтaх и фосфaтaх кaлия // Бейсызықты жүйелердегі хaос жəне құрылымдaр. Теория жəне тəжірибе: 9 Хaлықaрaл. ғыл. конф. мaтериaлдaры. — Қaрaғaнды, 2015. — С. 499–502.

7 Новосад С.С. Спектральные и сцинтилляционные характеристики составных детекторов рентгеновского излучения, полученных на основе кристаллов иодистого кальция // Журнал техн. физики. — 1998. — Т. 68 (9). — С. 71–73.

8 Baltabekov A.S., Koketaitegi T.A., Kim L.M. The influence of impurity ions of transition metals on radiation induced prosseces // Eurasian Physical Technical Journal. — 2010. — Vol. 7. — No. 1 (13). — P. 12–17.


Серия «Физика». № 2(82)/2016 31

Т.А.Кокетай, А.Ч.Лущик, А.К.Тусупбекова, А.С.Балтабеков, Э.К.Мусенова, А.А.Ганюкова, А.Ибрагимов

Өтпелі металдар иондарымен белсендірілген калий сульфаты кристалдарында қоспа радиациялық ақауларын зерттеу

Мақалада өтпелі металл иондарымен белсендірілген калий сульфат кристалдарындағы қоспалы радиациялық ақаулар зерттелді. K2SO4-Cо

2+, K2SO4-Mn2+, K2SO4-Ni2+ кристалдарының зерттелінетін оптикалық жұту спектрлері бойынша объектілердегі нүктелік ақаулар мен қоспалар бойынша сапалық қорытындыларды жасауға болады. Рентген кванттарымен сəулелендіргеннен кейін кристалдардың қоспалық жұту жолақтарындағы оптикалық тығыздық төмендейді. Бұл құбылыс еківалентті металл иондарының бастапқы иондарының зарядтық күйінің өзгерісімен түсіндіріледі жəне қоспа иондары не иондалады немесе электрондар үшін қармағыштар болады. Өтпелі Ме2+ металл қоспа иондары калий сульфатында электрондарды қармау орталықтары болатыны анықталды.

Т.А.Кокетай, А.Ч.Лущик, А.К.Тусупбекова, А.С.Балтабеков, Э.К.Мусенова, А.А.Ганюкова, А.Ибрагимов

Исследование примесных радиационных дефектов в кристаллах сульфата калия, активированных ионами переходных металлов

В работе проведено исследование радиационных примесных дефектов в кристаллах сульфата калия, активированных ионами переходных металлов. По исследуемым спектрам оптического поглощения кристаллов K2SO4-Cо

2+, K2SO4-Mn2+, K2SO4: Ni2+ удается сделать качественные выводы о примесях и точечных дефектах в объектах. Отмечено, что после облучения рентгеновскими квантами оптическая плотность в примесных полосах поглощения кристаллов уменьшается. Это явление объясняется тем, что происходит изменение зарядового состояния у исходных ионов двухвалентных ионов металла, и примесные ионы либо ионизуются, либо являются ловушками для электронов. Выявлено, что примес-ные ионы переходных металлов Ме2+ являются центрами захвата электронов в сульфате калия.

References

1 Kim L.M., Kuketaev T.A., Musenova E.K, Tagaeva B.S. Chaos and structure in nonlinear sistems. Theory and experiment: Material of second international Conf., Astana, 2008, p. 106–109.

2 Sharsheev K. New optical materials based on single crystals of the complex compounds of alkali metals, Monografiya, Karakol: Poligraf. YGU them. K.Tynystanova, 2010, 256 p.

3 Radhakrishna S., Pande K.P. Phys. Chem. Sol., 1972, 34, 8, p. 2037–2044. 4 Koketai T.A., Тagayeva B.S., Tussupbekova A.K., Mussenova E.K. Book of abstracts. International conference of lumines-

cence and optical spectroscopy of condensed matter, Wroclaw, Poland, 2014, p. 39. 5 Kuketayev T.A., Kim L.M., Makhmetov Т.C. Solid-state detectors of the ionizing radiation: International conference, Yeka-

terinburg, 1997, p. 113. 6 Koketai T.A., Tussupbekova A.K., Mussenova E.K., Ibraeva A.D., Saydrakhimov N.B. Chaos and structure in nonlinear

sistems. Theory and experiment: Material of 9th international Conf.: International Scientific Conference, Karaganda, 2015, p. 499–502. 7 Novossad S.S. Technical Physics, 1998, 68, 9, p. 71–73. 8 Baltabekov A.S., Koketaitegi T.A., Kim L.M. Eurasian Physical Technical Journal, 2010, 7, 1 (13), p. 12–17.


УДК 538.945

Д.М.Сергеев1,2

1Военный институт Сил воздушной обороны, Актобе; 2Актюбинский региональный государственный университет им. К.Жубанова


Моделирование dI/dV-характеристик слабосвязанных сверхпроводников джозефсоновского типа в туннельном режиме

В работе с применением метода матрицы рассеяния моделированы вольтамперные, dI dV -, 2 2d I dV -

характеристики слабосвязанных сверхпроводников джозефсоновского типа в туннельном режиме. При расчете транспортных характеристик относительная прозрачность барьера перехода варьировался от 0,059 до 10-4. Показано, что с уменьшением прозрачности барьера (с увеличением высоты барьера) перехода основной вклад в ток вносят туннеллирующие куперовские пары электронов (туннельный

режим). Отмечено, что на вольтамперных и dI V dV -характеристиках сверхпроводящего перехода

в туннельном режиме наблюдается резкий рост квазичастичного тока при щелевых напряжениях 1gV

и 2 ,gV и этим значениям напряжения смещения соответствуют максимумы дифференциальной прово-

димости. Эти же изменения наблюдаются на 2 2d I dV -характеристиках; результаты моделирования

удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Полученные результаты могут быть полезными для расчетов элементов сверхпроводниковой электроники.

Ключевые слова: джозефсоновский переход, эффект Джозефсона, вольтамперная характеристика, дифференциальная проводимость, туннельные спектры, туннельный режим.

Одной из актуальных задач современной физики конденсированного состояния является

изучение квантовых эффектов в сверхпроводящих туннельных переходах и создание на их основе новых приборов и устройств. В последнее время на основе явления сверхпроводимости реализованы активные элементы сверхчувствительных приемных и передающих устройств — детекторов, смесителей, генераторов, параметрических усилителей, преобразователей частоты и т.д. [1–3], созданы переключатели и токоограничители [4–6], различные датчики и сенсоры магнитного поля, в том числе и для магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии [7–9], эталон напряжения (стандарт вольта с точностью порядка 10-10) [10], а также ядро квантового компьютера – кубиты (квантовые биты) [11–13]. Наиболее важной характеристикой джозефсоновских систем является их вольт-амперная характеристика (ВАХ), представляющая зависимость среднего напряжения на переходе от задаваемого через него тока. Исследование ВАХ слабосвязанных сверхпроводников джозефсоновского типа является мощным инструментом изучения физических процессов, опреде-ляющих токоперенос через такие контакты, так как ВАХ отражает внутреннюю динамику сверхпро-водящих переходов. Также известно, что структуры с нелинейной ВАХ можно использовать для соз-дания новых устройств, таких как мемристоры, переключатели и т.п. (рис. 1) [14]. Поэтому модели-рование ВАХ слабосвязанных сверхпроводников джозефсоновского типа и ее производных, содер-жащих информацию об электрон-фононном взаимодействии, расширяет возможность применения таких контактов в перспективной сверхпроводниковой электронике.

ВАХ джозефсоновских контактов малой емкости, которой можно пренебречь, описывается вы-

ражением (1) и состоит из одной сверхпроводящей ( 0V ) и двух резистивных ( 0V ) ветвей [2]:

1 22

sign 1 ,с с

V II

V I

при ,сI I (1)

где V — среднее напряжение на переходе; ,сV сI — критические значения напряжения и тока. Одна-ко подобные упрощенные модели не полностью описывают транспортные характеристики сверхпро-водящих контактов из-за того, что не учтены квантовые эффекты (эффекты близости и андреевкого отражения). Например, с уменьшением коэффициента прозрачности (с увеличением высоты барьера) вклад андреевского отражения уменьшается. В работе [15] нами произведен расчет ВАХ сверхпроводящего туннельного перехода на основе матрицы рассеяния при относительной высоте

Моделирование dI/dV-характеристик слабосвязанных …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 33

барьера hb = 3. В данной работе показаны результаты численного моделирования dI/dV-характеристик слабосвязанных сверхпроводников в туннельном режиме (с низкой прозрачностью барьера) с применением матрицы рассеяния.

Рисунок 1. ВАХ по постоянному току двух-терминального переключающего устройства [14]

Рисунок 2. Зависимость прозрачности барьера от его высоты

Для определения относительной прозрачности барьера использовали следующее классическое выражение:

2

2 1,

1bb

D h Tj h

(2)

где j — мнимая единица; bh — высота барьера (рис. 2). Из рисунка 2 (и из выражения (2)) видно, что с увеличением высоты барьера hb прозрачность уменьшается, а с уменьшением прозрачности единст-венным доминирующим механизмом перехода квазичастиц из одного сверхпроводящего берега в другой является туннельный механизм. Поэтому для анализа туннельных характеристик слабосвя-занных сверхпроводников джозефсоновского типа (и при расчете ВАХ) значение относительной про-зрачности барьера (2) варьировалось от 0,059 до 10-4 (высота барьера hb = 4÷100, соответственно).

В работе [16] в рамках теории многократных андреевских отражений (MAR — multiple Andreev reflections) [17] была моделирована динамическая проводимость баллистических SNS-контактов (S — сверхпроводник, N — нормальный металл) на основе сверхпроводников со слабоос-циллирующим параметром порядка в диапазоне энергии 60–100 meV в режиме высокой прозрачно-сти. При этом для расчета ВАХ коэффициент прозрачности (2) варьировался от 90% до 98% (или высоты барьера — 0,33÷0,144). Отмечаем, что в режиме низкой прозрачности проиходит максимальная изоляция сверхпроводящих берегов и вероятность проявления эффекта MAR мала. При таком случае основной транспорт квазичастиц осуществляется туннелированием через барьер. При заданном режиме низкой прозрачности 0,059÷10-4 с помощью теории MAR в таком случае мож-но качественно моделировать транспортные характеристики сверхпроводящих туннельных SIS-контактов (I — диэлектрик). В теории MAR транспорт электроноподобных и дырочноподобных ква-зичастиц определяется матрицей рассеяния [17]:

,' '

r tS

t r

(3)

где ' ,Tt t 1* †' ,r t r t

† † 1.tt rr Матрица рассеяния дырочноподобных квазичастиц есть ком-

плексно-сопряженная величина матрицы рассеяния электроноподобных квазичастиц. Далее опреде-ляются волновые функции электроноподобных и дырочноподобных квазичастиц для правого и лево-го сверхпроводящего берега. Зависимость тока от напряжения определяется по следующей формуле: exp 2 ,k

k

I t I i keVt (4)

Д.М.Сергеев


где * * * *0 2 2 2 2tanh 1 ;

2k k k k k k k n n k n n kn kn

eI eV d J a A a A a a A A B B

T

—

приведенная постоянная Планка; е — заряд электрона; V — напряжение; — энергия квазичасти-

цы; 2

1 ;J a a — коэффициент андреевского отражения; A — амплитуда вероятности андреев-

ски отраженных квазичастиц; B — амплитуда вероятности нормально отраженных квазичастиц. Программа для вычисления транспортных харакетристик разработана в среде Wolfram

Mathematica 9 на основе рассмотренных выше формул (2–4). Для определения туннельных характе-ристик в виде дифференциальной проводимости использовался математический пакет Mathcad 14. Дифференцирование осуществлялось путем импортирования данных численного расчета транспорт-ных характеристик, произведенные в программе Mathematica, в программу Mathcad с использованием оператора READPRN. Результаты моделирования туннельных характеристик слабосвязанных сверх-проводников с низкой прозрачностью барьера (ВАХ, дифференциальная проводимость, вторая про-изводная тока) приведены на рисунках 3, 4, 7, 10, 11.

Рисунок 3. Эволюция ВАХ джозефсоновского перехода с прозрачностью барьера D = 6.897·10-3 при различных значениях параметра порядка (Δ = 0,1÷1 усл. ед.)

Рисунок 4. Эволюция ВАХ джозефсоновского перехода с прозрачностью барьера D = 10-4 при различных значениях параметра порядка (Δ = 0,1÷1 усл. ед.)

На ВАХ идеальных сверхпроводящих туннельных переходов SIS-типа при достижении значения

приложенного напряжения щелевому значению 2

gV Ve

наблюдается «обнуление тока», т.е.


Серия «Физика». № 2(82)/2016 35

0.gI V В нашем случае при прозрачности барьера 36,9 10D (hb = 12) значение щелевого на-

пряжения составляет 2geV усл. ед., 30,4 10gI eV усл. ед. (рис. 3), а при 410D (hb = 100) на-

блюдаем ВАХ идеальных сверхпроводящих туннельных переходов, т.е. нулевую зависимость тока

от щелевого напряжения 0gI V (рис. 4). При уменьшении величины сверхпроводящего параметра

порядка от 0,9 до 0,1 обнуления тока в диапазоне 0 2eV не наблюдается, и форма ВАХ пере-хода с уменьшением параметра порядка приближается к линейной омической зависимости ,I V V R а при 0 величина тока определяется по закону Ома. Это связано с понижением кон-

центрации сверхпроводящих электронов (куперовских пар) в рассматриваемой системе. Согласно двухжидкостной модели Гортера-Казимира электронная жидкость в сверхпроводящем состоянии представляется в виде суммы нормального и сверхпроводящего компонентов: ,s nn n n (5)

где ,sn nn — концентрация сверхпроводящих и нормальных электронов. Плотность нормальных ква-

зичастиц nn в сверхпроводнике повышается из-за избыточных квазичастиц, которые рождаются при разрушении куперовских пар, например, с повышением температуры или интенсивности магнит-ного поля и т.д., приводящие к уменьшению энергетической щели .

Результаты численного моделирования ВАХ хорошо согласуются с результатами эксперимен-тальной работы [3], где измерена ВАХ слоистой сверхпроводящей структуры Nb/AlOx/Nb с щелевым напряжением 2,6 мВ,gV где ниобиевые сверхпроводящие берега разделены диэлектрическим сло-

ем AlOx (рис. 5). В [18] экспериментально определены ВАХ туннельного перехода (SIS) на основе Sn при температуре 1,5 К, а также показано влияние сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала на форму ВАХ (рис. 6). Как видно, с увеличением мощности СВЧ излучения наблюдается выпрямление ВАХ из-за уменьшения величины сверхпроводящей щели , также на ВАХ появляются резонансные сту-пеньки, связанные с нестационарным эффектом Джозефсона. Результаты сопоставления показывают, что ВАХ сверхпроводящих туннельных структур удовлетворительно описываются в рамках рассмат-риваемой модели.

Рисунок 5. ВАХ перехода на основе слоистой структуры Nb/AlOx/Nb [3]

Рисунок 6. ВАХ SIS перехода на основе Sn при температуре 1,5 К [18]

На рисунке 7 приведены результаты расчета туннельных спектров (dI/dV-спектров) слабосвязан-

ных сверхпроводников при 1 усл. ед. и различных значениях прозрачности барьера. Как видно, с увеличением D (уменьшением hb) увеличивается амплитуда пиков дифференциальной проводимо-

сти при щелевом смещении 2

.gVe

Спектры наблюдаются при значениях щелевого напряжения -1

и 1, что соответствует значению энергетической щели, а интервал между значениями напряжения



с высокой точностью определяет величину параметра порядка. С уменьшением прозрачности на тун-нельных спектрах близи 1V и 1V появляются осцилляции дифференциальной проводимости (рис. 7 a, б). При прозрачности барьера D = 0,027 и D = 0,059 при нулевом напряжении наблюдается дополнительный пик (рис. 7 в, г). В экспериментальной работе [19] на туннельных спектрах перехо-дов низкотемпературных сверхпроводников Nb3Sn, полученных методом break junction, отчетливо наблюдаются такие дополнительные пики при нулевом напряжении (рис. 8).

Рисунок 7. dI/dV-спектры слабосвязанных сверхпроводников джозефсоновского типа при различных значениях прозрачности барьера (Δ = 1): a) D = 6,9·10-3; b) D = 0,015; c) D = 0,027; d) D = 0,059

Следует отметить, что особенности dI/dV-спектров при нулевом напряжении не проявляются в туннельных спектрах передопированных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) типа Bi2Sr2CaCu2O8+δ (рис. 9) [20].


Серия «Физика». № 2(82)/2016 37

Рисунок 8. Туннельные спектры Nb3Sn [19] Рисунок 9. Туннельные спектры передопированного ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8+δ [20]

Результаты расчета dI/dV-характеристик сверхпроводящего перехода в туннельном режиме (с прозрачностью барьера D = 10-4) при 0,6 и 0,8 приведены на рисунке 10 a, b. Как видно, в случае 0,6 наблюдается резкий рост квазичастичного тока при 1 0,4geV и 2 1,6,geV и этим

значениям щелевого напряжения соответствуют максимумы дифференциальной проводимости (рис. 10 а). В случае 0,8 также наблюдается характерный рост квазичастичного тока при напря-жениях смещения 1 0,2geV и 2 1,8geV (рис. 10 б). Однако по сравнению с dI/dV-характеристиками

для случая 1 (рис. 7) при 1 в интервале напряжении 1 2geV eV появляются осцилляции

дифференциальной проводимости, а при 2 2geV eV усиливаются (рис. 10 a, б).

а) б)

Рисунок 10. Дифференциальная проводимость джозефсоновского перехода с прозрачностью барьера D = 10-4 при Δ = 0,6 (а) и Δ = 0,8 (б): сплошная кривая — результаты моделирования, пунктирная — dI/dV идеального перехода (для удобства сравнения идеальные спектры сдвинуты по оси дифференциальной проводимости)

Отметим, что осцилляции, возникающие при 1, в интервале напряжении 1 2g geV eV eV

при усреднении сглаживаются. Усиление осцилляции дифференциальной проводимости хорошо вы-



ражается на dI2/dV2-характеристиках (рис. 11 a, б). Как видно, с помощью dI2/dV2-характеристик так-же можно оценить значение сверхпроводящей щели.

а) б)

Рисунок 11. Вторая производная тока d2I/dV2 джозефсоновского перехода с прозрачностью барьера D = 10-4 при Δ = 0,6 (а) и Δ = 0,8 (б)

Таким образом, в данной работе модельно исследованы вольтамперные, dI dV - и 2 2d I dV -характеристики слабосвязанных сверхпроводников джозефсоновского типа в туннельном режиме (с низкой прозрачностью барьера от 0,059 до 10-4). Показано, что с уменьшением прозрачности барьера перехода основной вклад в ток вносит туннеллирующие куперовские пары электронов, т.е. переход «работает» в туннельном режиме. Рассчитаны ВАХ джозефсоновского перехода с низкой прозрачностью барьера при различных значениях параметра порядка Δ = 0,1÷1 усл. ед. Приведены dI dV - и 2 2d I dV -характеристики слабосвязанных сверхпроводников джозефсоновского типа в туннельном режиме при различных значениях сверхпроводящей щели. Результаты моделирования сопоставлены с экспериментальными данными и удовлетворительно согласуются. Полученные результаты могут быть полезными для расчетов элементов и устройств сверхпроводниковой электроники.


1 Tucker J.R., Feldman M.J. Quantum detection at millimeter wavelengths // Rev. Mod. Phys. — 1985. — Vol. 57. — No. 4. — P. 1055–1113 (на англ.).

2 Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. — М.: Наука, 1985. — 320 с. 3 Karpov A., Blondel J., Dmitriev P., Koshelets V. A Broad Band Low Noise SIS Radiometer // IEEE Trans. on Appl.

Supercond. — 1999. — Vol. 9. — No 2. — P. 4225–4228. 4 Овчинников С.Г., Кирко В.И., Mamalis A.G., Петров М.И., Иванов В.В., Балаев Д.А., Гохфельд Д.М., Харламова С.А.,

Милицын С.В., Шайхутдинов К.А. Новая концепция переключателя тока на основе высокотемпературного сверхпроводника // Журнал техн. физики. — 2001. — Т. 71. — Вып. 10. — С. 95–98.

5 Martini L., Arcos I., Bocchi M., Brambilla R., Dalessandro R., Frigerio A., Rossi V. Resistive Fault Current Limiter Proto-types: Mechanical and Electrical Analyses // J. of Phys.: Conf. Ser. — 2006. — Vol. 43. — P. 925.

6 Dalessandro R.B., Bocchi, M., Rossi, V., Martini L.F. Test Results on 500 kVA-ClassMgB2-Based Fault Current Limiter Prototypes // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. — 2007. — Vol. 17. — P. 1776.

7 Faley M.I., Poppe U., Dunin Borkowski R.E., Schiek M., Boers F., Chocholacs H., Dammers J., Eich E., Shah N.J., Ermakov A.B., Slobodchikov V.Yu., Maslennikov Yu.V., Koshelets V.P. Magnetoencephalography using a Multilayer hightc DC SQUID Magnetome-ter // Physics Procedia. — 2012. — Vol. 36. — P. 66–71 (на англ.).

8 Volkov I., Chukharkin M., Snigirev O., Volkov A., Moskvina M., Gudoshnikov S., Kerimov A. HTS SQUID Microscopy for Measuring the Magnetization Relaxation of Magnetic Nanoparticles // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. — 2005. — Vol. 15. — No. 3. — P. 3874–3878.

9 Volkov I., Gudoshnikov S., Usov N., Volkov A., Moskvina M., Maresov A., Snigirev O., Tanaka S. SQUID-Measurements of Relaxation Time of Fe3O4 Superparamagnetic Nanoparticle Ensembles // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2006. — Vol. 300. — P. e294–e297.


Серия «Физика». № 2(82)/2016 39

10 Barone A., Paterno G. Physics and Applications of the Josephson Effect. — New York: Wiley & Sons, 1982. — 639 p. 11 Macha P., Oelsner G., Reiner J.M., Marthaler M., Andre S., Schon G., Hubner U., Meyer H.G., Il'ichev E., Ustinov A.V.

Implementation of a quantum metamaterial using superconducting qubits // Nature Communications. — 2014. — Vol. 5. — P. 5146 (на англ.).

12 Fedorov K.G., Shcherbakova A.V., Schafer R., Ustinov A.V. Josephson vortex coupled to a flux qubit // Appl. Phys. Lett. — 2013. — Vol. 102. — P. 132602.

13 Shevchenko S.N., Omelyanchouk A.N., Il'ichev E. Multiphoton transitions in Josephson-junction qubits // Low Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur. — 2012. — Vol. 38. — No. 4. — P. 360–381.

14 Likharev K.K. Hybrid CMOS/Nanoelectronic Circuits: Opportunities and Challenges // Journal of Nanoelectronics and Opto-electronics. — 2008. — Vol. 3. — P. 203–230.

15 Сергеев Д.М., Балмухан И.Н. О расчете вольтамперной характеристики сверхпроводящего туннельного перехода на основе матрицы рассеяния при относительной высоте барьера hb = 3 // Вестн. Караганд. ун-та. Сер. Физика. — 2015. — No. 4 (80). — С. 12–18.

16 Сергеев Д.М., Кузьмичев С.А., Аймаганбетова З.К., Шункеев К.Ш. Моделирование динамической проводимости бал-листических контактов на основе сверхпроводников со слабоосциллирующим параметром порядка в диапазоне энергии 60–100 meV в режиме высокой прозрачности // Известия НАН РК. Серия физ.-мат. — 2015. — Vol. 2. — No. 300. — С. 116–123.

17 Averin D., Bardas A. ac Josephson Effect in Single Quantum Channel // Phys. Rev. Lett. — 1995. — Vol. 75. — P. 1831–1834. 18 McGrath W.R., Richards P.L., Smith A.D., van Kempen H., Batchelor R.A., Prober D.E., Santhanam P. Large gain, negative

resistance, and oscillations in superconducting quasiparticle heterodyne mixers // Appl. Phys. Lett. — 1981. — Vol. 39. — P. 655–658. 19 Ekino T., Sugimoto A., Yuta S., Gabovich A.M., Akimitsu J. Tunneling spectra of break junctions involving Nb3Sn // Low

Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur. — 2014. — Vol. 40. — No. 10. — P. 1182–1186. 20 Suzuki M., Watanabe T., Matsuda A. Interlayer Tunneling Spectroscopy for Slightly Overdoped Bi2Sr2CaCu2O8+δ // Phys.

Rev. Lett. — 1999. — Vol. 82. — No 26. — P. 5361–5364.


Туннельдік режимде джозефсон типті əлсіз байланысқан асқын өткізгіштердің dI/dV-сипаттамасын модельдеу

Мақалада шашырау матрицасы əдісін қолдану арқылы туннельдік режимде Джозефсон типті əлсіз байланысқан асқын өткізгіштердің вольтамперлік, dI dV -, 2 2d I dV -сипаттамалары модельденген.

Транспорттық сиппатамаларды есептеуде ауысым барьерінің салыстырмалы мөлдірлігі 0,059-дан 10-4-не дейінгі мəндерді қабылдады. Ауысым барьері мөлдірлігінің мəні азаюымен (барьер биіктігінің мəні өсуімен) токтың негізгі үлесін туннельденген купер электрондарының жұптары құрайтындығы (туннельдік режим) көрсетілген. Туннельдік режимде асқын өткізгіштік ауысымның вольтамперлік

жəне dI V dV -сипаттамаларында саңылаулық кернеу 1gV жəне 2gV болғанда квазибөлшектік

токтың күрт өсетіндігі байқалады, бұл кернеу мəндеріне дифференциалдық өткізгіштіктің максимумдары сəйкес келеді. Мұндай өзгерістер 2 2d I dV -сипаттамаларында көрініс табады.

Модельдеу нəтижелері эксперименталды мəліметтермен қанағаттанарлық үйлеседі. Алынған нəтижелер асқын өткізгіштік электроникасының элементтерін есептеуге пайдалы болуы мүмкін.

D.M.Sergeyev

Modeling of dI/dV-characteristics of weakly coupled superconductors of Josephson type in tunnel regime

With the scattering matrix method in the work were modeled current-voltage, dI dV -, 2 2d I dV -

characteristics of weakly coupled superconductors of Josephson type in tunnel regime. At the calculation of the transport characteristics the relative transparency of the transition barrier ranged from 0,059 to 10-4. It is shown that with a decrease in the transparency of the barrier (with increasing of barrier height) the main contribution to the current brings tunneling Cooper pairs of electrons (tunnel regime). On the current-voltage and dI V dV -characteristics of the superconducting junction in tunnel regime there is a sharp increase

in the quasiparticle current at gap voltages 1,gV 2 ,gV and the values of the bias voltage maxima correspond to

the differential conductivity. These changes are observed on the 2 2d I dV -characteristics. The modeling re-

sults are in good agreement with the experimental data. The results may be useful for calculating the elements of superconducting electronics.



References

1 Tucker J.R., Feldman M.J. Rev. Mod. Phys., 1985, 57, 4, p. 1055–1113. 2 Likharev K.K. Dynamics of Josephson Junctions and Circuits, Moscow: Nauka, 1985, 320 p. 3 Karpov A., Blondel J., Dmitriev P., Koshelets V. IEEE Trans. on Appl. Supercond., 1999, 9, 2, p. 4225–4228. 4 Ovchinnikov S.G., Kirko V.I., Mamalis A.G., Petrov M.I., Ivanov V.V., Balaev D.A., Gohfel’d D.M., Kharlamova S.A.,

Militsyin S.V., Shayhutdinov K.A. Journal of technical physics, 2001, 71, 10, p. 95–98. 5 Martini L., Arcos I., Bocchi M., Brambilla R., Dalessandro R., Frigerio A., Rossi V. J. of Phys.: Conf. Ser., 2006, 43, p. 925. 6 Dalessandro R.B., Bocchi, M., Rossi, V., Martini L.F. IEEE Trans. on Appl. Supercond., 2007, 17, p. 1776. 7 Faley M.I., Poppe U., Dunin Borkowski R.E., Schiek M., Boers F., Chocholacs H., Dammers J., Eich E., Shah N.J., Ermakov A.B.,

Slobodchikov V.Yu., Maslennikov Yu.V., Koshelets V.P. Physics Procedia, 2012, 36, p. 66–71. 8 Volkov I., Chukharkin M., Snigirev O., Volkov A., Moskvina M., Gudoshnikov S., Kerimov A. IEEE Trans. on Appl.

Supercond., 2005, 15, 3, p. 3874–3878. 9 Volkov I., Gudoshnikov S., Usov N., Volkov A., Moskvina M., Maresov A., Snigirev O., Tanaka S. Journal of Magnetism

and Magnetic Materials, 2006, 300, p. e294–e297. 10 Barone A., Paterno G. Physics and Applications of the Josephson Effect, New York: Wiley & Sons, 1982, 639 p. 11 Macha P., Oelsner G., Reiner J.M., Marthaler M., Andre S., Schon G., Hubner U., Meyer H.G., Il'ichev E., Ustinov A.V.

Nature Communications, 2014, 5, p. 5146. 12 Fedorov K.G., Shcherbakova A.V., Schafer R., Ustinov A.V. Appl. Phys. Lett., 2013, 102, p. 132602. 13 Shevchenko S.N., Omelyanchouk A.N., Il'ichev E. Low Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur, 2012, 38, 4,

p. 360–381. 14 Likharev K.K. Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics, 2008, 3, p. 203–230. 15 Sergeyev D.М., Balmukhan I.N. Vestnik KarGU. Seriya Fizika, 2015, 4 (80), p. 12–18. 16 Sergeyev D.М., Kuzmichev S.А., Aimaganbetova Z.К., Shunkeyev К.Sh. News of the National Academy of Sciences of the

Republic of Kazakhstan. Physico-Mathematical Series, 2015, 2, 300, p. 116-123. 17 Averin D., Bardas A. Phys. Rev. Lett., 1995, 75, p. 1831–1834. 18 McGrath W.R., Richards P.L., Smith A.D., van Kempen H., Batchelor R.A., Prober D.E., Santhanam P. Appl. Phys. Lett.,

1981, 39, p. 655–658. 19 Ekino T., Sugimoto A., Yuta S., Gabovich A.M., Akimitsu J. Low Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur, 2014,

40, 10, p. 1182–1186. 20 Suzuki M., Watanabe T., Matsuda A. Phys. Rev. Lett., 1999, 82, 26, p. 5361–5364.

Серия «Физика». № 2(82)/2016 41

ƏОЖ 621.315.55/.58:538.945

Д.М.Сергеев1,2, Г.Т.Оспанова2, А.О.Жұмахан2, Қ.Ш.Шүңкеев2

1Əуе қорғанысы күштерінің Əскери институты, Ақтөбе; 2Қ.Жұбанов атындағы Ақтөбе өңірлік мемлекеттік университеті


Екі зоналы асқын өткізгіштерде аралық жəне аралас күйлердің қатар болу мүмкіндігі туралы (магний дибориді негізінде)

Мақалада магний дибориді тəрізді Абрикосов критерийі орындалмайтын 1

1,

2

2

1

2

екі

зоналық асқын өткізгіштердің типін анықтауға арналған жұмыстарға шолу жасалған. «1-типті асқын өткізгіш–диэлектрик–2-типті асқын өткізгіш» джозефсондық ауысымы негізінде қарастырылып

отырған асқын өткізгіштердің типі 1 , 2 феноменологиялық коэффициенттері мен температураға

тəуелді екендігі көрсетілген. Осыған орай магний диборидінде асқын өткізгіштіктің жаңа типі — «1,5-типті асқын өткізгіштіктің» орын алуы əлі нақты дəлелденбеген. Біздің ойымызша, бұл құбылыс сыртқы əлсіз магнит өрісінің əсерінен асқын өткізгіштерде аралық жəне аралас күйлердің қатар болуынан пайда болуы мүмкін.

Кілт сөздер: екі зоналы асқын өткізгіш, аралық күй, аралас күй, магний дибориді (MgB2), Гинзбург-Ландау параметрі, 1-жəне 2-типті асқын өткізгіштер.

Асқын өткізгіштерді микроскопиялық сипаттау үшін Бардин-Купер-Шриффер (БКШ)

теориясында энергетикалық саңылау негізгі параметр ретінде пайдаланылса ( 0 cT T

аралығында), Гинзбург-Ландау (ГЛ) теориясы арқылы феноменологиялық сипаттауда ( cT T ) реттелу параметрі қолданылатындығы белгілі [1,2]. ГЛ теориясына сəйкес еркін энергия функционалы келесі теңдеумен сипатталады [3]:

2 2

2 41 1 2,

2 2 8n

e BF F i A

m c (1)

мұндағы nF — қалыпты фазадағы еркін энергия; , — асқын өткізгіштікті сипаттайтын феноменологиялық коэффициенттер; m — квазибөлшек массасы; — Планк тұрақтысы; e — электрон заряды; c — жарық жылдамдығы; B — магнит өрісінің индукциясы; А — магнит өрісінің вектор-потенциалы; теңдеудегі градиентті қосылғыш — асқын өткізгіш электрондардың кинетикалық энергиясының тығыздығы. ГЛ теориясында (1) теңдеуді асқын өткізгіштерді сипаттайтын екі ұзындық масштабы арқылы түрлендіруге болады [3, 4]. Олар — когеренттілік ұзындығы жəне магнит өрісінің ену тереңдігі :

2

;2m T

(2)

2 2

2 2 2,

4 16s

mc mc

n e e T

(3)

мұндағы sn — асқын өткізгіш электрондардың тығыздығы (концентрациясы). Асқын өткізгіштердегі екі негізгі ұзындық масштабтарының қатынасы ((2) жəне (3) өрнектер

қатынасы) Гинзбург-Ландау параметрі деп аталады [4, 5]:

. (4)

Абрикосов критерийіне сəйкес (4) қатынас жəне соған байланысты «қалыпты металл ( N )–асқын өткізгіш ( S )» интерфейсінің энергиясы NS оң немесе теріс мəн қабылдауы бойынша асқын

Д.М.Сергеев, Г.Т.Оспанова т.б.


өткізгіштердің типтері анықталады [5]: егер 1

,2

0NS болса, 1-типті асқын өткізгішікке

жатады, ал 1

,2

0NS теңсіздіктері орындалғанда, 2-типті асқын өткізгішікке жатады (1-сур.).

1-сурет. «Қалыпты металл — асқын өткізгіш» интерфейсінің энергиясы

2001 ж. магний диборидінде MgB2 жоғары критикалық температурада (шамамен 39 К) асқын өткізгіштік құбылысы ашылды [6, 7]. Құрылысы қарапайым қосынды үшін бұл күтпеген жағдай болатын (2-сур.). Көптеген əр түрлі эксперименттік техникаларды қолдану арқылы салыстырмалы жоғары критикалық температура магний диборидінде бір емес, екі энергетикалық саңылаудың болуынан екендігі дəлелденді ( 7,1 meV и 2,2 meV) (3-сур.) [8–10]. MgB2 Ферми бетінен екі зонанын орналасуын көруге болады: екі үшөлшемді (3D) π-зона электрон жəне кемтік тəрізді тасымалдағыштармен жəне екі өлшемді (2D) σ-зона кемтік тəрізді тасымалдағышпен. Электрон тəрізді тасымалдағышты π-зона ортада Х іспетті цилиндр түрінде көрсетілген, ал кемтік тəрізді π-зона Ферми беткейінің үстін жəне астын қамти орналасқан (3-сур., ə). Ферми беткейінің төрт бұрышында екіөлшемді σ-зона орналасқан.

Магний диборидінде асқын өткізгіштіктің ашылуы екі зоналы асқын өткізгіштердің теориялық жəне эксперименттік зерттелуіне арналған басылымдардың санын күрт өсірді [11–17]. Екі зоналы асқын өткізгіштерге байланысты көптеген шешімін таппаған есептердің ішінде өзекті жəне əлі күнге дейін талас тудырып келе жатқан мəселелердің бірі – мұндай асқын өткізгіштерге магнит өрісінің əсері.

а) атомдық қабаттың орамы ə) қарапайым ұяшық

2-сурет. Магний диборидінің құрылымы

Екі зоналы асқын өткізгіштердің қасиеттерін толық сипаттайтын теория əлі жоқ, бірақ жалпыланған БКШ жəне ГЛ теориялары магний диборидінің кейбір қасиеттерін жақсы сипаттайды.

Екі зоналы асқын …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 43

MgB2 жалпыланған БКШ теориясында негізгі параметр ретінде екі энергетикалық саңылау 1, 2 , ал

ГЛ теориясында екі реттелу параметрі 1, 2 қолданылады. Сол себепті MgB2 қасиетін критикалық температура маңында сипаттайтын ГЛ теңдеуі бір зоналы асқын өткізгіштер теңдеуінен (1) өзгеше:

22 4 2 4

1 1 1 1 1 2 2 2 21

1 1 2 1

2 2 2n

eF F i A

m c

2 2

* *2 1 2 1 2

2

1 2 + ,

2 8

e Bi A

m c (5)

мұндағы 1 жəне 2 индексімен берілген параметрлер сəйкесінше бірінші жəне екінші зоналарға тиесілі.

а) зоналық құрылымы ə) Ферми беті

3-сурет. Магний диборидінің электрондық құрылымы [8]

ГЛ теңдеуіне (5) сəйкес екі зоналы асқын өткізгіштер қасиеттері екі 1, 2 -функциялары арқылы айқындалады, немесе мұндай асқын өткізгіштерде екі асқын өткізгіш конденсат бар деген сөз. Демек, екі зоналы асқын өткізгіштер əр зонаға тиесілі төрт ұзындық масштабы арқылы сипатталады: екі когеренттілік ұзындықтары 1, 2

2

1

1 1

;2m T

(6)

2

2

2 2

,2m T

(7)

жəне екі магнит өрісінің ену тереңдіктері 1, 2 :

2 21 1 1

1 2 2 21 1

;4 16s

m c m c

n e e T

(8)

2 22 2 2

2 2 2 22 24 16s

m c m c

n e e T

. (9)

Олай болса, (4, 6–9)-формулаларына сəйкес екі зоналы асқын өткізгіштерге екі Гинзбург-Ландау параметрлері тəн шартты бірінші зона үшін

1 1 1 ; (10)

шартты екінші зона үшін

2 2 2 . (11)



(10, 11)-формулаларымен берілген екі Гинзбург-Ландау параметрлеріне ие мұндай асқын өткізгіштерді қай типке жатқызуға болады? Əрине, егер төмендегі шарт орындалса:

11

1

1,

2

2

22

1,

2

(12)

онда SN-интерфейсі энергиясының мəні оң болатындығы 0NS күмəнсіз, бұл жағдайда екі зоналы асқын өткізгішті бірінші типке жатқызамыз, ал егер (12)-өрнекке қарама-қарсы келесі шарт орындалса:

11

1

1,

2

2

22

1,

2

(13)

онда SN-интерфейсі энергиясының мəні теріс болатындығы 0NS күмəнсіз, бұл жағдайда екі зоналы асқын өткізгішті екінші типке жатқызамыз. Бірақ екі зоналы асқын өткізгіш магний диборидінде (12), (13)-шарттар орындалмайды. Бірінші зона (π-зона) үшін 1 33,6 нм,

1 51 нм, (10)-формулаға сəйкес бірінші ГЛ параметрі: 1

10,6588 0,7071.

2 Екінші зона

(σ-зона) үшін 2 47,8 нм, 2 13 нм, (11) формулаға сəйкес екінші ГЛ параметрі

2

13,6769 .

2 Олай болса,

11

1

1,

2

2

22

1

2

(14)

шарт орындалса, асқын өткізгішті қай типке жатқызуға болады: бірінші ме, əлде екінші ме? Бұл сұрақ аясында физиктердің арасында əлі ортақ келісім жоқ, тартыс жалғасуда [18–21].

E. Babaev пен M. Speight [22] жұмысында ГЛ теориясы аясында (14) теңсіздіктер орындалған жағдайда асқын өткізгіштерде «жартылай Мейсcнер күйі» орын алатындығы келтірілген. Артынша «жартылай Мейсснер күйі» термині «1,5-типті асқын өткізгіштік» терминіне ауыстырылды [23–29]. Олардың ойынша, екі немесе көп зоналы асқын өткізгіштерде (14) теңсіздіктер орындалғанда бірінші де, екінші де типке жатпайтын жаңа күй — «1,5-типті асқын өткізгіштік» күйі пайда болады. Жаңа күйде сыртқы магнит өрісінің əсерінен екінші типті асқын өткізгіштердегідей үшбұрыш тəрізді құйынды тор пайда болмайды, оның орнына құйынды молекулалар (кластер) жиынтығы қалыптасатындығымен ерекшеленеді. Артынша, V. Moshchalkov жетекшілігімен «1,5-типті асқын өткізгіштік» күйі экспериментте байқалғаны туралы еңбектер жарияланды [23–25, 27], бірақ бұл эксперимент нəтижелерімен келіспейтін немесе «1,5-типті асқын өткізгіштер» болуы мүмкін еместігі туралы қарсы пікірлер айтылып [19; 30, 31], ғалымдар көзқарасы екіге бөлінді.

V. Moshchalkov жетекшілігімен жүргізілген эксперименттерде [23–25] E. Babaev пен M. Speight жұмысындағы [22] болжам толықтай қолдау тапты немесе магнит өрісінің əсерінен 1,5-типті асқын өткізгіштерде құйынды молекулалар тəрізді бөлшектер жиналып, кластерлер құрайтындығы көрсетілген (4-сур.), əрі 1,5-типті асқын өткізгіштіктің магниттелу заңдылықтары бізге белгілі типтерден өзгеше екендігі анықталған (5-сур.).

4-сурет. 1-, 2- жəне мүмкін 1,5-типті асқын өткізгіштердің магнит өрісімен əсерлесуі [24].

6-суретте сыртқы магнит өрісіндегі 2-типті жəне мүмкін 1,5-типті асқын өткізгіштерде пайда болатын құйындар құрылымы көрсетілген. MgB2 сыртқы магнит өрісі 1 Э болғанда құйын құрылымы

Серия «Физика». № 2(82)/2016

біркелкі еместігі көрініп тұр. NbSторын құрайды.

1-типті асқын өткізгіш

а)

5-сурет. Əр түрлі типтердегі а

а) MgB2 [23]

6-сурет. Сыртқы магқ

1,5-типті асқын өткізгіштердауысымы түрінде қарастыруға

параметрлері, ал 2-типті асқын Қарастырылып отырған джозефсоаймағынан 2-типті асқын өткізгпараметрлердің араласуына əкеле

«1 типті асқын өтк

7-сурет. Əр түрлі т

Se2 монокристалында құйындар дұрыс Абрик

2-типті асқын өткізгіш 1,5-типт

ə)

сқын өткізгіштердегі магниттелу заңдылықтары (с

ə) NbSe2

гнит өрісінің əсерінен асқын өткізгіштерде пайда бқұйындар құрылымы (T = 4,2 K) [23, 32]

дің моделін 1 жəне 2 типті асқын өткізгіштердболады (7-сур.). Мұнда 1-типті асқын өт

өткізгіш 2 , 2 , 2 , 2 параметрлері арқыон құрылымында асқын өткізгіш электрондар іш аймағына (жəне керісінше) туннелденуінеді.

кізгіш — диэлектрик — 2 типті асқын өткізгіш» ауы

типті асқын өткізгіштерден тұратын джозефсон ауы


45

косовтың үшбұрыштық

ті асқын өткізгіш

б)

сызба түрінде) [29]

б) MgB2

болатын

ден тұратын джозефсон ткізгіш 1, 1, 1, 1

ылы сипатталған [33]. 1-типті асқын өткізгіш нен жоғарыда аталған

ысымы

ысымы



Қоссұйықтық модельге сəйкес асқын өткізгіштерде еркін электрондар концентрациясы асқын өткізгіш sn жəне қалыпты nn электрондар қосындысынан тұрады: s nn n n [34]. Осыған ұқсатып,

шартты түрде 1,5-типті асқын өткізгіштердегі асқын өткізгіш электрондар концентрациясы 1 ( 1sn )

жəне 2 типті асқын өткізгіш электрондар ( 2sn ) қосындысынан тұрады деп алайық:

1,5 1 2 .s s sn = n + n (15)

(15) шартқа сəйкес, келесі теңсіздік орындалғанда:

1 2 ,s sn n (16)

1-типті асқын өткізгіштердің қасиеттері басым болады, ал, керісінше,

1 2 ,s sn n (17)

2-типті асқын өткізгіштердің қасиеттері басым байқалуы тиіс. Олай болса, 1,5-типті асқын өткізгіштердің қасиеттері келесі шарт орындалғанда ғана көрінеді:

1 2.s sn n (18)

(14)-теңсіздікті түрлендіріп, келесі түрде жазайық:

2

1

1.

(19)

Бұл қатынасты (6–9) формулалары арқылы анықталатын когеренттілік ұзындықтары 1, 2 мен

магнит өрісінің ену тереңдіктері 1, 2 мəндерін жəне (10, 11) Гинзбург-Ландау параметрлерін есепке ала отырып, түрлендірейік

122 1

1 2 21

1.s

s

Tnm

m Tn

(20)

(18)-шарт орындалса жəне 1 2 :m m

12

1 2

.T

T

(21)

(21)-формуладан (14)-шарт орындалатын асқын өткізгіштердің қай типке жататындығы 1 ,T

2 T феноменологиялық коэффициенттері мен температураға тəуелді екені көрініп тұр.

Сыртқы магнит өрісінің əсерінен 1-типті асқын өткізгіштерде аралық күй (4-сур., а), ал 2-типті асқын өткізгіштерде аралас күй байқалатыны белгілі (4-сур., ə). Бұл күйлер сəйкесінше Абрикосов критерийі арқылы анықталады. 1-типті асқын өткізгіштерге Менделеев кестесіндегі асқын өткізгіш элементтер жатса, 2-типті асқын өткізгіштерге қорытпалар, интерметаллидті қосылыстар жəне жоғары температуралы асқын өткізгіштер енеді. Бірақ кейбір асқын өткізгіш элементтерде Nb, V, Te

ГЛ параметрі үшін 1

2 теңсіздігі орындалады немесе бұлар — 2-типті асқын өткізгіштер.

Ал кейбір қорытпаларда, мысалы, In+2%Pb ( 2,67T К) ГЛ параметрі 1

0,3 ,2

яғни, 1-типті

асқын өткізгішке жатқызуымыз керек. Сондай-ақ (21)-формулаға сəйкес температура төмендегенде ГЛ параметрінің мəні өсуінен болатын салдарға тоқталып өтейік: ваннадийде V температура абсолюттік нөлге жақындағанда 1,5; Pb0,99Tl0,01 қорытпасында 7,2T К болғанда — 0,58, ал

4,2T К болғанда 1

2 [35].

H.Träuble мен U.Essmann ертедегі жұмысында Pb+4%In қорытпасы мен Nb монокристалының магнит өрісіндегі сипаттамаларын зерттеген [36]. Бір қызығы, авторлар əлсіз магнит өрісінде квантталған жіп тəрізді магнит ағымы кластер құрайтынын (немесе əркелкі түйіндер түзетіндігін) электрондық микроскоп көмегімен анықтаған. Бұл құбылысты асқын өткізгіштерде аралық жəне аралас күйлердің қатар болуынан пайда болған құбылыс деп түсіндіруге болады. V.Moshchalkov жетекшілігімен жүргізілген эксперименттерде магний диборидінде байқалатын құйынды


Серия «Физика». № 2(82)/2016 47

молекулалар тəрізді бөлшектердің жиналуы немесе квантталған жіп тəрізді магнит ағымы кластер құрайтындығы аралық жəне аралас күйлердің қатар болуынан пайда болған құбылыс ретінде түсіндіруге болатын тəрізді. Өйткені MgB2 құйынды молекулалар тəрізді бөлшектердің жинақталуы əлсіз магнит өрісінде ғана байқалады (аталмыш экспериментте — 1 Э). Сыртқы магнит өрісін ары қарай жоғарлатқанда құйынды тор құрылымы зор өзгеріске ұшырайды: ~5 Э — жоғары жəне төмен тығыздықты құйынды жолақтардың алмасуы байқалады; ~10 Э — құйындар біркелкі қалыпқа келеді. Л.Я.Винников тобының жұмысында [32] сыртқы магнит өрісінің мəні 4 Э болғанда MgB2 Абрикосовтың үшбұрыштық құрылымы тəрізді құйынды тор пайда болатындығы (6-сур., б), сол себепті магний диборидін 2 типті асқын өткізгішке жатқызу керек делінсе, одан кейін жарыққа шыққан J.Geyer, R.M.Fernandes, V.G.Kogan жəне J.Schmalian «Екі зоналы асқын өткізгіштердің интерфейстік энергиясы» «Interface energy of two band superconductors» атты жұмысында асқын өткізгіштерді екі типке бөлу «қалыпты металл — асқын өткізгіш» интерфейсінің энергиясы NS оң

немесе теріс мəн қабылдауы бойынша жүзеге асады, ал 0ns мүмкін еместігін көрсете отыра,

магний диборидінде 0,NS сол себепті 1-типті асқын өткізгіш деген тұжырымға келеді [30]. Осының бəрі мақалада қарастырылып отырған джозефсон моделіндегі (16–18)-шарттардың орындалуына байланысты MgB2 типі өзгеріп отыратындығын көрсететін сияқты. Яғни, екі зоналы асқын өткізгіште (14)-теңсіздіктер орын алған жағдайда, асқын өткізгіштің типін анықтауда белгілі Абрикосов критерийі жұмыс жасамайды. Сондықтан мұндай асқын өткізгіштердің типін тек эксперименттік əдіс арқылы (нақты температурада сыртқы магнит өрісімен əсерлесуіне байланысты) анықтаған жөн.

Сонымен, «1,5-типті асқын өткізгіштіктің» болуына қарсы мəліметтерді келтірейік: аталмыш құбылыс V. Moshchalkov жетекшілігімен жүргізілген эксперименттерден басқа эксперименттерде əзірге байқалған жоқ (мысалы, [30]);

магний диборидінде пайда болатын əркелкі құйындық тор əлсіз сыртқы магнит өрісінде ғана орын алады (мысалы, [23–25]);

SN интерфейсінің энергиясы нөлге тең емес 0,ns сондықтан асқын өткізгіштіктің жаңа түрін анықтайтын критерий толық орындалмайды (мысалы, [30]);

бұрынғы эксперименттік жұмыстардың нəтижесімен сəйкес келмейді (мысалы, [32, 11]). Қорыта келсек, магний диборидінде асқын өткізгіштің жаңа түрі — «1,5-типті асқын

өткізгіштіктің» орын алуы қате пікір, бұл құбылысты сыртқы əлсіз магнит өрісінің əсерінен асқын өткізгіштерде аралық жəне аралас күйлердің қатар болуынан пайда болған құбылыс деп түсіндіруге болады.

Əдебиеттер тізімі

1 Bardeen J., Cooper L.N., Schriffer J.R. Theory of Superconductivity // Phys. Rev. — 1957. — Vol. 108. — P. 1175–1204. 2 Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. К теории сверхпроводимости // ЖЭТФ. — 1950. — Т. 20. — С. 1064–1081. 3 Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. — М.: МЦНМО, 2000. — 398 с. 4 Де Жен П. Сверхпроводимость металлов и сплавов. — М.: Мир, 1968. — 280 с. 5 Abrikosov A.A. On the Magnetic Properties of Superconductors of the Second Group // Sov. Phys. JETP. — Vol. 5. — No. 6.

— P. 1174–1182. 6 Nagamatsu J., Nakagawa N., Muranaka T., Zenitani Y., Akimitsu J. Superconductivity at 39 K in magnesium diboride // Na-

ture. — 2001. — Vol. 410. — P. 63–64. 7 Ивановский А.Л. Сверхпроводящий MgB2 и родственные соединения: синтез, свойства, электронная структура //

Успехи химии. — 2001. — Вып. 70 (9). — С. 811–829. 8 Mazin I.I., Antropov V.P. Electronic structure, electron-phonon coupling, and multiband effects in MgB2 // Physica C. —

2003. — Vol. 385. — P. 49–65. 9 Choi H.J., Roundy D., Sun H., Cohen M.L., Louie S.G. The origin of the anomalous superconducting properties of MgB2 //

Nature. — 2002. — Vol. 418. — P. 758–760. 10 Ивановский А.Л. Зонная структура и свойства сверхпроводящего MgB2 и родственных соединений // ФТТ. — 2003.

— Т. 45. — С. 1742–1769. 11 Шабанова Н.П., Головашкин А.И. Взаимосвязь критического магнитного поля Hc и остаточного удельного сопротив-

ления в двузонном сверхпроводнике MgB2 // ФТТ. — 2009. — Т. 51. — С. 637–642. 12 Максимов Е.Г., Каракозов А.Е., Горшунов Б.П., Пономарев Я.Г., Жукова Е.С., Дрессел M. Теоретический анализ

двухщелевой сверхпроводимости диборидов магния и пниктидов железа в обобщенной α-модели // ЖЭТФ. — 2012. — Т. 142. — С. 282–293.



13 Гриненко В.А. Верхнее критическое поле ячеистого диборида магния // Письма в ЖЭТФ. — 2007. — Т. 85. — С. 756–760. 14 Сидоров С.Л., Таренков В.Ю., Дьяченко А.И., Хачатурова Т.Я. Избыточный ток в контактах на основе диборида маг-

ния // ФТТ. — 2007. — Т. 49. — С. 769–772. 15 Фисун В.В., Трипутень Л.Ю., Янсон И.К. Низкочастотные фононы в микроконтактном спектре MgB2 // Физика низ-

ких температур. — 2005. — Т. 31. — № 10. — С. 1104–1109. 16 Yanson I.K., Naidyuk Yu.G. Advances in point-contact spectroscopy: two-band superconductor MgB2 // Physics of low tem-

perature. — 2004. — Vol. 30. — No. 4. — P. 355–372. 17 Krivoruchko V.N., D’yachenko A.I., Tarenkov V.Yu. Andreev-spectroscopy study of unconventional superconductivity

in MgB2:(La,Sr)MnO3 nanocomposite // Low Temperature Physics/Fizika Nizkikh Temperatur. — 2014. — Vol. 40. — No. 10. — P. 1147–1154.

18 Babaev E., Silaev M. Comment on «Ginzburg-Landau theory of two-band superconductors: Absence of type-1.5 supercon-ductivity» // Phys. Rev. B. — Vol. 86. — P. 16501.

19 Kogan V.G., Schmalian J. Reply to «Comment on ‘Ginzburg-Landau theory of two-band superconductors: Absence of type-1.5 superconductivity'» // Phys. Rev. B. — Vol. 86. — P. 016502.

20 Garaud J., Agterberg D.F., Babaev E. Vortex coalescence and type-1.5 superconductivity in Sr2RuO4 // Phys. Rev. B. — Vol. 86. — P. 060513(R).

21 Dolocan V.O., Veauvy C., Servant F., Lejay P., Hasselbach K., Liu Y., Mailly D. Observation of Vortex Coalescence in the Anisotropic Spin-Triplet Superconductor Sr2RuO4 // Phys. Rev. Lett. — 2005. — Vol. 95. — P. 097004.

22 Babaev E., Speight M. Semi-Meissner state and neither type-I nor type-II superconductivity in multicomponent superconduc-tors // Phys. Rev. B. — 2005. — Vol. 72. — P. 180502 (R).

23 Moshchalkov V.V., Menghini M., Nishio T., Chen Q.H., Silhanek A.V., Dao V.H., Chibotaru L.F., Zhigadlo N.D., Karpinski J. Type-1.5 Superconductivity // Phys. Rev. Lett. — 2009. — Vol. 102. — P. 117001–117004 [arXiv:0902.0997].

24 Moshchalkov V.V. Type-1.5 Superconductivity: аbstract Book International Workshop on Superconductivity in Reduced Di-mensions, Salzburg. — Austria, 2010. — P. 52.

25 Moshchalkov V.V. Type-1.5 Superconductivity: аbstract Book International Conference on Superconductivity and Magnetism ICSM-2010. — Antalya, Turkey, 2010. — P. 8.

26 Babaev E., Carlström J., Speight M. Type-1.5 Superconducting State from an Intrinsic Proximity Effect in Two-Band Super-conductors // Phys. Rev. Lett. — 2010. — Vol. 105. — P. 67003.

27 Nishio T., Dao V.H., Chen Q.H., Chibotaru L.F., Kadowaki K., Moshchalkov V.V. Scanning SQUID microscopy of vortex clusters in multiband superconductors // Phys. Rev. B. — 2010. — Vol. 81. — P. 20506(R).

28 Speight M. Long Range Vortex Interactions and Type 1.5 Superconductivity // AIP Conf. Proc. — 2011. — Vol. 1389. — P. 660–663.

29 Babaev E., Carlström J., Garaud J., Silaev M., Speight J.M. Type-1.5 superconductivity in multiband systems: Magnetic re-sponse, broken symmetries and microscopic theory — A brief overview // Physica C. — 2013. — Vol. 479. — P. 2–14.

30 Geyer J., Fernandes R.M., Kogan V.G., Schmalian J. Interface energy of two band superconductors // Phys. Rev. B. — 2010. — Vol. 82. — P. 104521. [arXiv:1007.2794].

31 Kogan V.G., Schmalian J. Two-band superconductors near Tc // [arXiv:1008.0581] (August, 3, 2010). 32 Vinnikov L.Ya., Karpinski J., Kazakov S.M., Jun J., Anderegg J., Bud’ko S.L., Canfield P.C. Vortex structure in MgB2 single

crystals observed by the Bitter decoration technique // Phys. Rev. B. — 2003. — Vol. 67. — P. 092512. 33 Сергеев Д.М., Оспанов М.К. Джозефсоновская модель сверхпроводников 1,5 рода // Изв. вузов. — Физика. — 2013.

— Т. 56. — № 8 (3). — С. 128–130. 34 Feynman R.P., Leighton R.B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics. — Mir (Addison Wesley), 1977. — Vol. 9. —

254 p. 35 Антонов Ю.Ф. О сосуществовании промежуточного и смешанного состояний в сверхпроводниках // Электрон. науч.

журн. «Исследовано в России». — [ЭР]. Режим доступа: http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2009/059.pdf 36 Träuble H., Essmann U. Die Beobachtung magnetischer Strukturen von Supraleitern zweiter Art // Physica Status Solidi. —

1967. — Vol. 20. — P. 95–111.

Д.М.Сергеев, Г.Т.Оспанова, А.О.Жумахан, К.Ш.Шункеев

О возможном сосуществовании промежуточного и смешанного состояний в двузонных сверхпроводниках (на примере диборида магния)

В статье проведен обзор работ, посвященных определению типа двузонных сверхпроводников

(подобные дибориду магния), где нарушается критерий Абрикосова 1

1,

2

2

1.

2

В рамках

джозефсоновской модели «сверхпроводник 1-типа — диэлектрик — сверхпроводник 2-типа» показа-но, что тип таких сверхпроводников зависит от значений феноменологических коэффициентов 1 ,

2 и температуры. В этой связи понятие о новом типе сверхпроводников в дибориде магния — «по-

луторной сверхпроводимости» представляется преждевременным. На наш взляд, наблюдающийся эффект в подобных сверхпроводниках возникает за счет сосуществования промежуточного и смешан-ного состояний под воздействием внешнего слабого магнитного поля.


Серия «Физика». № 2(82)/2016 49

D.M.Sergeyev, G.T.Ospanova, А.O.Zhumakhan, K.Sh.Shunkeyev

About possible existence of intermediate and mixed states in the two-band superconductors (on example of magnesium diboride)

A review of papers devoted to the definition of the type of two-band superconductors (such as magnesium

diboride), where the Abrikosov criterion is violated 1

1,

2

2

1

2

was done. Within Josephson model

«Superconductor of 1-type — Insulator — Superconductor of 2-type» was shown that type of such super-conductors depends on the values of the phenomenological coefficients 1 , 2 and temperature. In this

context, the concept of a new type of superconductors in magnesium diboride of «Type of 1,5 superconduc-tivity» seems premature. In our opinion, the observed effects in these superconductors is due to the coexist-ence of intermediate and mixed states under the influence of an external weak magnetic field.

References

1 Bardeen J., Cooper L.N., Schriffer J.R. Phys. Rev., 1957, 108, p. 1175–1204. 2 Ginzburg V.L., Landau L.D. ZhETF, 1950, 20, p. 1064–1081. 3 Schmidt V.V. Introduction to the physics of superconductors, Moscow: MTsNMO, 2000, 402 p. 4 De Gennes P. Superconductivity of metals and alloys, Мoscow: Mir, 1968, 280 p. 5 Abrikosov A.A. Sov. Phys. JETP, 5, p. 1174–1182. 6 Nagamatsu J., Nakagawa N., Muranaka T., Zenitani Y., Akimitsu J. Nature, 2001, 410, p. 63–64. 7 Ivanovskii А.L. Uspekhi khimii, 2001, 70 (9), p. 811–829. 8 Mazin I.I., Antropov V.P. Physica C., 2003, 385, p. 49–65. 9 Choi H.J., Roundy D., Sun H., Cohen M.L., Louie S.G. Nature, 2002, 418, p. 758–760. 10 Ivanovskii А.L. FTT, 2003, 45, p. 1742–1769. 11 Shabanova N.P., Golovashkin А.I. FТТ, 2009, 51, p. 637–642. 12 Maksimov Е.G., Karakozov А.Е., Gorshunov B.P., Ponomarev Ya.G., Zhukova E.S., Dressel M. ZhETF, 2012, 142, p. 282–293. 13 Grinenko V.A. Pis’ma v ZhETF, 2007, 85, p. 756–760. 14 Sidorov S.L., Tarenkov V.Yu., D’yachenko А.I., Khaсhaturova Т.Ya. FТТ, 2007, 49, p. 769–772. 15 Fisun V.V., Triputen’ L.Yu., Yanson I.К. Physics of low temperature, 2005, 31, 10, p. 1104–1109. 16 Yanson I.K., Naidyuk Yu.G. Physics of low temperature, 2004, 30, 4, p. 355–372. 17 Krivoruchko V.N., D’yachenko A.I., Tarenkov V.Yu. Low Temperature Physics/Physics of low temperature, 2014, 40, 10,

p. 1147–1154. 18 Babaev E., Silaev M. Phys. Rev. B., 86, p. 016501. 19 Kogan V.G., Schmalian J. Phys. Rev. B., 86, p. 016502. 20 Garaud J., Agterberg D.F., Babaev E. Phys. Rev. B., 86, p. 060513(R). 21 Dolocan V.O., Veauvy C., Servant F., Lejay P., Hasselbach K., Liu Y., Mailly D. Phys. Rev. Lett., 2005, 95, p. 097004. 22 Babaev E., Speight M. Phys. Rev. B., 2005, 72, p. 180502 (R). 23 Moshchalkov V.V., Menghini M., Nishio T., Chen Q.H., Silhanek A.V., Dao V.H., Chibotaru L.F., Zhigadlo N.D., Karpinski J.

Phys. Rev. Lett., 2009, 102, p. 117001–117004 [arXiv:0902.0997]. 24 Moshchalkov V.V. Abstract Book International Workshop on Superconductivity in Reduced Dimensions, Salzburg, Austria,

2010, p. 52. 25 Moshchalkov V.V. Abstract Book International Conference on Superconductivity and Magnetism ICSM-2010, Antalya, Tur-

key, 2010, p. 8. 26 Babaev E., Carlström J., Speight M. Phys. Rev. Lett., 2010, 105, p. 067003. 27 Nishio T., Dao V.H., Chen Q.H., Chibotaru L.F., Kadowaki K., Moshchalkov V.V. Phys. Rev. B., 2010, 81, p. 020506(R). 28 Speight M. AIP Conf. Proc., 2011, 1389, p. 660–663. 29 Babaev E., Carlström J., Garaud J., Silaev M., Speight J.M. Physica C., 2013, 479, p. 2–14. 30 Geyer J., Fernandes R.M., Kogan V.G., Schmalian J. Phys. Rev. B., 2010, 82, p. 104521. [arXiv:1007.2794]. 31 Kogan V.G., Schmalian J. [arXiv:1008.0581] (August, 3, 2010). 32 Vinnikov L.Ya., Karpinski J., Kazakov S.M., Jun J., Anderegg J., Bud’ko S.L., Canfield P.C. Phys. Rev. B., 2003, 67,

p. 092512. 33 Sergeyev D.М., Ospanov М.К. Higher Education. Physics, 2013, 56, 8/3, p. 128–130. 34 Feynman R.P., Leighton R.B., Sands M. The Feynman Lectures on Physics, Mir (Addison Wesley), 1977, 9, 254 p. 35 Antonov Yu.F. Electronic scientific Journal «Investigated in Russia», [ER]. Access mode:

http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2009/059.pdf 36 Träuble H., Essmann U. Physica Status Solidi, 1967, 20, p. 95–111.

K.Kussayinov, N.K.Tanasheva et al.


ЖЫЛУ ФИЗИКАСЫ ЖƏНЕ ТЕОРИЯЛЫҚ ЖЫЛУ ТЕХНИКАСЫ ТЕПЛОФИЗИКА И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА THERMOPHYSICS AND THEORETICAL THERMOENGINEERING

UDC 532.516

K.Kussayinov1, N.K.Tanasheva1,2, N.N.Shuyushbayeva2, Yu.N.Ryzhykh3, Yu.O.Stepanova1, S.B.Bagdatova1

1Ye.A.Buketov Karaganda State University; 2Sh.Ualikhanov Kokshetau State University;

3The National Research Tomsk State University, Russia (E-mail: [email protected])

Simulation of airflow pattern of two rotating cylinders

The article discusses calculations of numerical simulation of airflow pattern of two rotating cylinders at low wind speed. The authors obtained universal dependences on aerodynamic characteristics of the incoming flow rate at a constant angular velocity. They also found aerodynamic characteristic of rotating cylinder in a turbu-lent air stream and analyzed the flow pattern of two rotating cylinders, vorticity field, drag and lift coeffi-cients.

Key words: numerical simulation, rotating cylinders, aerodynamic characteristics, flow pattern, turbulent flow.

Introduction

Currently the advent of high tech industrial and domestic installations leads to an increase of energy consumption for the maintenance of electricity consumers. The decrease of coal, oil and natural gas reserves forces us to search for a new alternative source of energy. These sources include devices running on solar, wind and water energy.

It is difficult to use hydro energy in our country because there are few large rivers used to build hydro-power. Since we have many areas where the wind blows regularly, one of the research directions is devoted to the study of wind energy and the devices based on it.

The first attempts to create such devices were made in early 90’s. The wind-driven electric plant con-structed by A.V. Bolotov [1–4] is widely used nowadays and is constantly susceptible to any wind direction and to velocity due to gyroscopic effect at rotor rotation in which an increase of turbine power occurs via the guiding unit.

Another popular installation today is construction of Russian scientist N.M. Bychkov. It is wind turbine with rotating cylinders, using the Magnus effect in its operation, characterized by the lift appearance (the Magnus force) during cylinder rotation in a crossflow. This force used to rotate wind wheel, similar to lift of the blade, but it has a much greater value [5].

Methods of measurement

In this article we consider numerical simulation of two parallel air flow rotating cylinder in the chamber of wind turbine. We received the values of aerodynamic characteristics of installation. The experimental re-search [6] conducted in wind turbine T-1-M with open working area, diameter of which was 500 mm. Air flow velocity was changing in the range between 2,5 m/sес and 10 m/sec. The incipient turbulence was 3%. Diameters of the tested cylinders was 100 mm, velocity of rotation 100/1500 rpm. Drag and lift forces were measured by three-component aerodynamic balance.

Simulation of airflow pattern …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 51

Figure 1. Numerical simulation area

The settlements for numerical simulation flow of rotating cylinder were made using software package Ansys Fluent. The finite-difference grid of two rotating cylinder was built in the Gambit 2.3.16 software. Analytical grid with concentration to cylinder surface was used (Fig. 1). Cylinders were placed in the center, the distance between them was 2 cm. The number of cells was 130 000 thousand. Angular velocity and rotating direction were given.

The system of equations describing the flow of gas is represented in the form:

21*

VV V F p v V

t

(1)

0.divV

Boundary conditions. Boundary conditions at the wall. No slip condition.

0;V

3/4 3/2

0, pp

p

C kk

n k y

(2)

where k = 0, 4187 — the Karman’s constant; index P — refers to the center of the cell wall of difference grid. Boundary condition at the input.

; 0.inU U V Turbulent flow parameters are defined by specifying the intensity of turbulent pulsations I and hydrau-

lic diameter Dhyd:

3/2

2 3/4in

3; ; 0.07 3%

2 let hyd

kk I V C D I

Boundary condition at the outlet: φ

0.x

Standard set of empirical constant (1) used for k–ε model is usually default in the computing package:

1 20.09, 1.44, 1.92, 1.0, 1.3.kC C C

The measurement environment was taken in accordance with aerodynamic tube size. It is a spherical area with the model inside it (Fig. 1).

Discussion of the results

A picture of pressure distribution in numerical integration (Fig. 2) and current line (Fig. 3) was obtained in the course of numerical simulation.


52

Figure 2 shows that at the poinbetween cylinders and rarefaction zo

There is current line distributiOne circulation area is in the lower is on the top of the cylinder as it mto the symmetry axis that goes thrwould occur between two circulating

Figure 4 and 5 show the depenof 10% and at a constant angular vel

Figure 4. Dependence of dra

Вестник Караг

Figure 2. Full pressure distribution area

nt of contact of pressure pattern of each cylinderone outside the cylinders. on area in Figure 3, we can observe formation opart of cylinder as it moves in a clockwise direct

moves counterclockwise. We can say that they arough the center of cylinder. And we may assug areas.

Figure 3. Current line distribution area

ndence of drag and lift force on incoming flow ratlocity of 1000 rpm.

g and lift force on incoming flow rate at angular veloc

гандинского университета

r there is a high pressure

of two circulation areas. tion, and the second area are symmetrical relative

ume that eddyrfree zone

te at turbulence intencity

city of 1000 rpm

Серия «Физика». № 2(82)/2016

Numerical experimentation d

As incoming flow rate increases, theNumerical experimentation data

20.2257 4.9479 3.7068yF V V

ing flow rate increases, but as it reac

Figure 5. Dependence of

Figure 6 shows the dependencof 1000 rpm. Numerical experimeDrag coefficient decreases as Reyno

Figure 6. Dependence of dr

Figure 7 shows the dependenof 1000 rpm. Numerical experimen

Lift coefficient decreases as Reynoldlift coefficient would reach its maxim

Figure 7. Dependence of l

Sim

data approximated by power law relationsh

e drag force also increases. shown in figure 5 approximated by p

8. From the graph, we can see that the drag force

ches its maximum value of 10 m/sec, it starts to d

f drag force on incoming flow rate at angular velocity o

e of drag coefficient on Reynolds number at a cent data approximated by power law relationsolds number increases.

rag coefficient on Reynolds number at angular velocity

ce of lift coefficient on Reynolds number at cont data approximated by power law relationsh

ds number increases, but with further increase of mum and would not decrease any more.

ift coefficient on Reynolds number at angular velocity

mulation of airflow pattern …

53

ip: 1.52890.1116 .xF V

polynomial dependence

e increases as the incom-

ecrease.

of 1000 rpm

constant angular velocity hip 0.471160.81 Re .xC

y of 1000 rpm

onstant angular velocity hip: 1.2023 0.6Re .yC e

Re, we may assume that

y of 1000 rpm



Summary

Thus, the pattern of full pressure distribution in numerical integration was obtained. It has been estab-lished that the air flow around two rotating cylinders leads to the occurrence of high pressure area in the point of contact of pressure fields of each cylinder, and rarefaction zone outside the cylinder. Universal de-pendences of aerodynamic characteristics on incoming flow rate at a constant angular velocity were obtained based on numerical simulation and conducted experiment. It also included airflow pattern around two rotat-ing cylinder explaining the behavior of aerodynamic characteristics.

References

1 А.с. РК № 12233. Мощность ветроустановки (ФСА) и ветроэлектростанция (WPP) / А.В. Болотов, С.В. Болотов, опубл.15.11.2002, Бюл. — № 11. — C. 10.

2 Болотов А.В., Уткин Л.А. Сертификация модулей vindrotornyh энергетической эффективности. «Проблемы развития энергетики и телекоммуникаций в свете индустриально-инновационного развития Казахстана Стратегия»: Тезисы: науч.-техн. конф. — Алматы, 2005. — С. 45.

3 Болотов С.A. Ротари Вортекс // Источник питания ветровой энергии и энергоэффективности в сельском хозяйстве. — М., 2003. — № 4. — С. 177–185.

4 Болотов А.В., Соколов С.E., Болотов С.А. Развитие ветровой энергетики Республики Казахстан, энергетическая сис-тема автономных объектов электроснабжения // Вестн. АИЭС. — 2009. — С. 11–18.

5 А.с. RU № 2118699. Ветродвигатели и метод работы / Н.М. Бычков, опубл. 18.06.1996.bull. — № 45. — С. 3. 6 Кусаиынов К., Танашева N.K., Алибекова А.Р., Кусаиынов Е.К. Вестн. Караганд. ун-та. Сер. Физика, 2014. — № 3

(75). — С. 52–57.

Қ.Құсайынов, Н.Қ.Танашева, Н.Н.Шуюшбаева, Ю.Н.Рыжих, Ю.О.Степанова, С.Б.Бағдатова

Ауаның ағынымен екі айналмалы цилиндрлерді орап ағуын модельдеу

Мақалада желдің аз жылдамдығы кезіндегі айналмалы екі цилиндрлерді ауа ағынымен орап ағуының сандық модельдеу есебі келтірілген. Авторлармен тұрақты бұрыштық жылдамдық кезінде жүріп өтетін ағын жылдамдығынан аэродинамикалық сипаттамалардың əмбебап тəуелдiлiктерi алынды. Сондай-ақ ауаның турбулентті ағынында айналмалы цилиндрлердің аэродинамикалық сипаттамалары айқындалған. Екі айналмалы цилиндрдің орап ағуы, құйындалу өрісі, көтеру күші мен маңдай алды кедергі коэффициенттері жан-жақты талданды.

К.Кусаиынов, Н.К.Танашева, Н.Н.Шуюшбаева, Ю.Н.Рыжих, Ю.О.Степанова, С.Б.Багдатова

Моделирование картины обтекания двух вращающихся цилиндров потоком воздуха

В статье приведен расчет численного моделирования обтекания потоком воздуха двух вращающихся цилиндров при малых скоростях ветра. Авторами статьи получены универсальные зависимости аэро-динамических характеристик от скорости набегающего потока при постоянной угловой скорости. Также получены аэродинамические характеристики вращающихся цилиндров в турбулентном потоке воздуха. Проанализирована картина обтекания двух вращающихся цилиндров, поля завихренности, коэффициенты лобового сопротивления и подъемной силы.

Simulation of airflow pattern …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 55

References

1 A.s. RK number 12233. Wind power units (VEA) and wind power plant (WPP) / A.V. Bolotov, S.V. Bolotov publ.15.11.2002, byul., 11, p. 10.

2 Bolotov A.V., Utkin L.A. Abstracts: scientific. tehn. Conf. «The problems of energy development and telecommunications in the light of industrial-innovative development of Kazakhstan Strategy», Almaty, 2005, р. 45.

3 Bolotov S.A. Power supply wind power and energy efficiency in agriculture, Moscow, 2003, 4, p. 177–185. 4 Bolotov A.V., Sokolov S.E., Bolotov S.A. Bulletin AIPET, 2009, p. 11–18. 5 A.S. RU № 2118699. Wind turbine and method of work / N.M. Bychkov, publ. 18.06.1996 .bull., 45, p. 3. 6 Kussayinov K., Tanasheva N.K., Alibekova A.R., Kusaiynov E.K. Vestnik of the Karaganda University. Ser. Physics, 2014, 3,

(75), p. 52–57.


ƏОЖ 621.314; 537.39

А.Ш.Курмангалиев, Қ.Құсайынов, Б.А.Ахмадиев, Ж.Г.Нургалиева, Д.Ж.Карабекова

Е.А.Бөкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті (E-mail: а.к[email protected])

Əр түрлі геологиялық қималы ұңғыларды бұрғылауда электрогидроимпульстік əдісті қолданудың тиімділігі

Мақалада жылумен қамту жүйесінде жылу сорғыларын қолдану кезінде жерасты жылуалмастырғыштарын орнату үшін ұңғымаларды дайындауда жаңа электрогидроимпульстік технологияны пайдалану мүмкіндіктері қарастырылған. Бұл үшін бұрғы ұңғымаларының тиімді электрогидроимпульстік ұңғылауға арналған технологиялық сұлба құрастырылып, зерттелді. Ұңғылау жылдамдығының электрогидравликалық импульстер санына тəуелділігі анықталды. Тəжірибе нəтижелері негізінде Қарағанды облысының кейбір елді мекендерінде бұрғыланған ұңғымалар бағандары бойынша геологиялық қима тұрғызылды. Бұл əдіс қаттылығы жоғары кедергілерді жеңіп өтуге, яғни оларды біртекті емес сұйық ортада жоғары вольтты разрядтар кезінде соққы толқындардың əсерімен ұсақтауға мүмкіндік береді.

Кілт сөздер: вертикальді жерасты жылуалмастырғыштары, электрогидроимпульстік технология, электрогидравликалық бұрғылау, геологиялық қима.

Көптеген тұрғын үйлерде, əлеуметтік-коммуналдық мекемелер мен коммуналдық-тұрмыстық

қожалықтарда орталықтандырылған жылумен қамту көзі ретінде үлкен ЖЭО-тары мен жылуөнімділігі 50 Гкал/сағ жоғары болатын аудандық қазандықтар пайдаланылуда. Энергияны сақтау мақсатында балама көздер ретінде жердің, жерасты сулары, су қоймасы, табиғи су ағындарының жəне т.б. жылуын пайдаланатын жылу сорғысы арқылы жылу энергиясын тұтынуды атап өтуге болады.

Жердің төмен потенциалды жылуын алуда жүйенің негізгі жылуалмастырғыш элементі ретінде ғимараттың периметрі бойынша сыртта орналасқан, коаксиалды типтегі, вертикальді жер жылуалмастырғышы болып табылады.

Вертикальді жер жылуалмастырғыштары «бейтарап аймақтан» (жер деңгейінен 10–20 м) төмен жатқан жердің төмен потенциалды жылуын пайдалануға мүмкіндік береді. Вертикальді жерасты жылуалмастырғыштарымен қамтылған жүйелер үлкен аумақты қажет етпейді, жер бетіне түсетін күн радиациясының қарқындылығынан тəуелсіз жəне көптеген геологиялық орталарда, тек жылуөткізгіштігі төмен құрғақ құм мен құрғақ қиыршық тастар құрайтын жерді санамағанда, тиімді жұмыс істейді. Осындай жерасты жылуалмастырғыштары өлшемі əр түрлі ғимараттарды жылыту жəне салқындату үшін өте кең қолданысқа ие.

Шағын ғимаратқа бір жылуалмастырғыш жеткілікті, ал ауқымды ғимараттарға вертикальді жерасты жылуалмастырғыштарының бір топ құрылғылары қажет болады. Жердің жылуын қолдану кезінде жылуалмастырғыштарды жер қыртысына орналастыру мақсатында арнайы ұңғылар əзірленеді жəне бұрғылау жұмысы кезінде əр түрлі бұрғылау құрылғылары қолданылады.

Бұрғылау процесінің өзі екі үрдістен тұрады: ұңғының түбіндегі жер жынысын бұзу жəне бұзылған жер жыныстарын ұңғыдан сыртқа шығару. Ұңғыларды бұрғылау тиімділігі бұрғылау жылдамдығына байланысты анықталады. Оның өзі көптеген параметрлерге, оның ішінде жердің физика-механикалық қасиеттеріне байланысты.

Жер жынысын бұрғылауының еңбек сыйымдылығы — бұрғыланғыштық — 1 м ұңғыны таза бұрғылауға кеткен уақытпен сипатталады жəне жыныстың қаттылығына тəуелді. Бұзылған жер жынысы ұңғылардан сазды ерітінді немесе сумен, сығылған ауа ағынымен, иірме (шнек) жəне т.б. құрылғылар көмегімен сыртқа шығарылады [1].

Геологиялық жəне гидрогеологиялық жағдайларға, тереңдікке байланысты, екі негізгі топқа бөлінетін бұрғылау əдістерін əр жағдайда ыңғайына қарай қолданады. Бірінші топқа, соққы беруші (соққы-арқанды), соққы-айналмалы, айналмалы жəне жер жынысын бұзатын құралдар көмегімен механикалық жолмен діріл беру арқылы бұрғылау əдісі кіреді. Екінші топқа тау жыныстарын физика-химиялық əдіс арқылы бұзатын термиялық, жарылыс, гидравликалық жəне электрогидравликалық əдістер жатады.

Əр түрлі геологиялық қималы …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 57

Негізінде электрогидравликалық бұрғылау жаңа əдіс түрі болып табылады жəне өндірістік қолданысқа ие болған жоқ. Бұл технологияны зерттеу мен тəжірибеге енгізу бүгінгі күннің өзекті мəселесі болып табылады.

Қолданыста жүрген механикалық бұрғылау технологиялары жердің жұмсақ жынысы кезінде, қатты жер жынысы мен тас тақталары болмағанда тиімді. Диаметрі жарты метрге дейін болатын, 25 м жəне одан да көп тереңдікке ұңғы бұрғылау жоғарыда айтылған жағдайлар кезінде қиынға соғуы мүмкін.

Жылу сорғылары орнатылатын жылыту жүйесін құрастырғанда, жерасты жылуалмастырғыш ұңғыларды дайындауға инновациялық электрогидроимпульстік технологияны пайдалану мүмкіндігі қарастырылды. Бұл мақсатта бұрғы ұңғымаларының тиімді электрогидроимпульстік ұңғылауы үшін технологиялық сұлба құрастырылып, зерттелді. Тура циркуляциялы, жуып шаятын сұйықтығы бар ұңғыларды бұрғылау құрылғысының сұлбасы 1-суретте келтірілген.

1 — жоғары вольтты трансформатор; 2 — түзеткіш; 3 — дроссель; 4 — импульстік кернеу генераторы; 5 — жоғары вольтты ток өткізгіш; 6 — электрогидроимпульстік бұрғы; 7 — жүкшығыр (лебедка);

8 — бұрғы сорғысы; 9 — шаятын сұйықтықтың багі; 10 — мұнара; 11 — бағыттаушы қаптама құбыр

1-сурет. Тура циркуляциялы, жуып шаятын сұйықтығы (су) бар ұңғыларды бұрғылау құрылғысының сұлбасы

Сұлба импульстік кернеу көзін, түсіріп көтеретін механизмі жəне бағыттаушысы бар бұрғыны, шаятын жүйені қамтиды. Бұрғы бағанасы түсіріп-көтеру қызметін жəне кернеу импульсін генератордан жұмыс ортасына беру функциясын атқарады.

Жер жыныстарының жоғары вольтты кернеу импульсінің əсерінен бұзылуы ойылудың алғашқы жəне соңғы кезеңдерден тұрады. Бірінші кезең (I < 10-3 А) аралықта өтетін токтың кіші шамасымен сипатталып, импульстің толық энергиясының (Wф < 0,01% CU²/2 [2]) аз пайызын құрайтын өте аз мөлшердегі энергия Wф жер жынысында бөлінеді. Бұл кезеңде жер жынысында берілген кернеу əсерінен ток өткізетін арна пайда болады. Арнаның жер жынысында пайда болу ықтималдылығы Ψ импульстің параметрінен, электродаралық қашықтықтың шамасына жəне жер жынысының қасиетіне байланысты. Осылайша, ойылудың алды кезеңінде тиімділіктің артуына əсер ететін жағдайдың бірі — жер жынысына разряд арнасының енуі мүмкіндігі Ψ анықталады. Белгілі бір электродаралық қашықтықта кернеу импульсінің параметрлерін бере отырып, берілген жер жынысына разряд арнасының енуінің максималды мүмкіндігін алуға болады.

Ұңғылау жылдамдығын анықтау үшін далада электрогидроимпульстік бұрғы арқылы тəжірибе жүргізілді. Эксперимент кезінде құрылғының параметрлері келесі аралықта өзгеріп отырды: Uжоғ = 20 35 кВ; Скон = 1 мкФ; lразряд= 7 12 мм; Lжұм= 25 35 мм. Сонымен бірге разряд энергиясы жұмыс аралығында Е = 250 620 Дж өзгерді [3].

А.Ш.Курмангалиев, Қ.Құсайынов т.б.

58

Төменде 2-суретте ұңғылану

2-сурет. Ұңғы

Балшықтан тұратын жылуразрядтарымен бұрғылау кезіндеөткенде 120 импульс/мин кезіндқоршаған орта тығыздығы жоғжылдамдығының төмендеуі байқа

Əр түрлі литологиялық сзертханалық аймақта жүргізілгежағдайды ескере отырып, Электрогидравликалық бұрғылау жəне сынықтардың жойылуы жүжағдайында ұңғыларды бұрғылау

Эксперимент нəтижесінде Қбойынша геологиялық қималарықималар 1–3-кестелерде келтірілге

№ Тере1 2 3 4

№ Тере1 2 3 4 5 6


жылдамдығының импульс санына тəуелділігі

ылану жылдамдығының импульс санына тəуелділіг

уалмастырғыштардың ұңғыларын тек жоғе ұңғылану жылдамдығы 0,5 м/мин құрады, де ұңғылану жылдамдығы 0,6 м/мин тең. ары болған сайын электрогидроимпульстікалады. сипаттамалардағы аумақта жүргізілген сыен бұрғылаудың технологиялық параметрлдалада жүргізілген сынақпен бірдей нəтижесінде жұмыс аймағындағы жер жыныүреді. Осы технологияны пайдалану тасты жу процесін біршама жеңілдетеді. Қарағанды облысының кейбір жерлерінің ы құрастырылды. Ұңғымалар бағамдары бен.

Ақжар ауылы бойынша

еңдігі, м Жер жынысының сипаттамасы0,3 Топырақ 1,7 Балшық 7 Ірі құм 9 Тасты-жер жынысы

Сарань қаласы бойынша

еңдігі, м Жер жынысының сипаттамасы0,3 Топырақ 20 Балшық 0,4 Құм 1,6 Балшық 21 Сары саз 32 Тасты-жер жынысы


і келтірілген.

гі

ғары вольтты электр ал кембрийлік саздан Нəтиже көрсеткендей, к бұрғының ұңғылану

ынақтар көрсеткендей, ері жазғы климаттық екендігін көрсетеді. сының тиімді бұзылуы жынысты жер жынысы

ұңғымалар бағамдары бойынша геологиялық

1 - к е с т е

2 - к е с т е

Əр түрлі геологиялық қималы …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 59

3 - к е с т е

Күнгей шағын ауданы бойынша

№ Тереңдігі, м Жер жынысының сипаттамасы 1 0,3 Топырақ2 2 Балшық3 7 Кембрийлік саз4 11 Тасты-жер жынысы

Қалдықтарды зерттеу арқылы құрастырылған бұрғыланған ұңғылардың литологиялық

қималары, ұңғыларда өтетін барлық жыныстардың физикалық қасиеттерін сипаттайтын баған ретінде келтірілген. Əрбір үлгі келесі қасиеттерге: түсі, қосылған материал, жылтырлығы, тастың үлесі жəне т.б. ие. Қима жер қойнауының қабаттарының əр қалай орналасуын көрсетеді.

Қарастырылып отырылған əдіс жер астындағы қатты бөгеттерді оңай өтуге, оларды əртекті сулы ортада жоғары кернеулі разряд тудыратын соққы толқыны арқылы ұсақтауға мүмкіндік береді. Осымен қатар ұңғыларды қысқа уақыт арасында керекті тереңдікке дейін тиімді бұрғылауға болады. Тереңдету жылдамдығының электрогидравликалық импульстер санына тəуелділігі анықталды. Тəжірибе нəтижелері негізінде Қарағанды облысының кейбір елді мекендерінде бұрғыланған ұңғымалар бағандары бойынша геологиялық қима тұрғызылды.


1 Николаенко А.Т., Седов Б.Я., Терехов Н.Д., Болотских Н.С. Буровые установки для проходки скважин и стволов: Справочник. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 1985. — 344 с.

2 Воробьев А.А., Воробьев Г.А. и др. Импульсный пробой и разрушение твердых диэлектриков и горных пород. — Томск: Изд-во ТГУ, 1971. — 225 с.

3 Кусаиынов К., Шуюшбаева Н.Н., Турдыбеков К.М., Ахмадиев Б.А. Электрогидроимпульсная технология разрушения природных минералов при бурении теплообменных скважин // Деформация разрушения материалов и наноматериалов: материалы V Междунар. конф., 26–29 ноября 2013 г. — М., 2013. — С. 660–662.

А.Ш.Курмангалиев, К.Кусаиынов, Б.А.Ахмадиев, Ж.Г.Нургалиева, Д.Ж.Карабекова

Эффективность применения электрогидроимпульсного способа бурения при различных геологических разрезах скважин

В статье рассмотрены возможности применения инновационной электрогидроимпульсной технологии подготовки скважин грунтовых теплообменников при создании системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов. Для этого была создана и исследована технологическая схема для эффективного бурения скважин электрогидроимпульсным способом. Определены зависимости скорости углубления от числа электрогидравлических импульсов. По результатам эксперимента были построены геологические разрезы по колоннам буровых скважин некоторых местностей Карагандинской области. Отмечено, что данный способ позволяет легко преодолевать твердые препятствия, разрушая их путем воздействия ударными волнами при высоковольтных разрядах в неоднородной водной среде.

A.Sh.Kurmangaliyev, K.Kussayinov,

B.A.Akhmadiyev, Zh.G.Nurgaliyeva, D.Zh.Karabekova

Efficiency of application of method electrohydropulse drilling for different geological a well section

The article considers the possibility of using innovative electrohydropulse technology of preparation ground heat exchangers of wells when creating heat supply system using a of heat pumps. For this it was created and investigated the technological scheme for efficient drilling wells elektrohydroimpulse way. The dependence of the velocity of deepening of the number of electrohydropulses. According to the results of the experiment were constructed geological sections of the drill holes of some areas of the Karaganda region. This method is makes it easy to overcome solid obstacles, destroying them by influencing the shock waves in the high volt-age discharge in the inhomogeneous aqueous medium.

А.Ш.Курмангалиев, Қ.Құсайынов т.б.


References

1 Nikolaenko A.T., Sedov B.Ya., Terekhov N.D., Bolotskih N.S. Drilling rigs for tunneling holes and trunks: reference, 3 rd ed., rev. and addition, Moscow: Nedra, 1985, 344 p.

2 Vorobev A.A., Vorobiev G.A. et al. Pulse break down and destruction of solid dielectrics and rocks, Tomsk: Publ. house of TSU, 1971, 225 p.

3 Kusaiynov K., Shuiyshbaiyeva N.N., Turdybekov K.M., Akhmadiyev B.A. Deformation and fracture of materials nanomaterials: materials of V Inter. Conf., November, 26–29, 2013, Мoscow, 2013, p. 660–662.

Серия «Физика». № 2(82)/2016 61

ƏОЖ 536.33

Б.Р.Нусупбеков, И.П.Куритник, Д.Ж.Карабекова, А.К.Хасенов, Г.М.Шаймерденова, А.К.Ахметова

Е.А.Бөкетов атындағы Қарағанды мемлекеттік университеті (E-mail: [email protected])

Жылу желілерін сынақтан өткізудің құрылғысы

Мақалада жылу желілеріндегі құбырларды сынақтан өткізуге арналған құрылғы зерттелген. Жылу өлшегіштің құрылымы мен жұмыс істеу тəртібі келтірілген. Ұсынылып отырған жылу ағынының өлшеуіші жер қыртысындағы орналасқан жылутасымалдағыш арналардың зақымданған бөлігін тез əрі қосымша зерттеулерсіз анықтауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар құрылғы экономикалық жəне экологиялық тұрғыдан тиімді болып табылады. Құрылғы жылу желілерін сынақтан өткізу үшін, мұнай-газ өндірісінде өткізгіштердің жылулық оқшауларының күйін бақылауда қолданыс табуы мүмкін.

Кілт сөздер: жылу ағынын өлшеуіш, жылу желісі, термобатарея, жылутасымалдағыш, жылу жоғалу.

Жылумен қамтамасыздандыру халық шаруашылығының негізгі бір саласы болып табылады.

Жылу орталықтарында өндірілген жылу энергиясы жер үсті жəне жер асты жылу тасымалдағыш желілердің құбырларымен қоғамдық, тұрғын ғимараттардың жылу тұтынатын инженерлік жүйелеріне, өндірістік кəсіпорындарының технологиялық қажеттіліктеріне тасымалданады. Жылу тасымалдағыш желілерде жылу оқшаулағыш қабаты арқылы жоғалатын жылуды анықтау үшін арнайы сынақтар жүргізіліп, əр түрлі əдістер мен құрылғылар қолданыс табуда. Жер астында төселген желілерде жылу жоғалтуын анықтау құбырды қоршаған топырақтың температурасының сынақтың берілген режимінде тұрақтанған кезде іске асады. Мұндай жағдайларда қолданылатын құралдар мен құрылғылардың дəлдік класы мен өлшеу сезімталдығы жоғары болу қажет. Сонымен қатар қазіргі уақытта көптеген өндіріс компаниялары, сонымен бірге жеке кəсіпкерлер өндірістік процестің өтуінің оңтайлы жағдайларын қарастыруда. Өндірістік жүйелер мен ғимараттарды жылу режимімен қамтамасыздандыру сапалы жылуды сақтаумен тікелей байланысты. Осыған орай жылуды сақтау энергия ресурстарының басты сұрақтардың бірден-бір маңыздысы болып табылады. Жылу шығармайтын құбырлар əр түрлі негізгі материалдар есебінен дайындалуы мүмкін: бейорганикалық шикізат (пенополиуретан, шыны талшықтар, пеношыны жəне минералды мақта); органикалық шикізат (өңделген ағаш немесе ағаш өңдеу процесінің қалдықтары). Сонымен қатар қазіргі таңда көп таралған жылу сақтау материалдары ретінде келесілер пайдаланылады: пенополиуретан, көпіршікті полиэтилен, көпіршікті каучук, минералды мақта [1–4].

Уақыт өте келе жылу желілеріне арналған құбырлар мен олардың белгілі бір бөліктері (құбырлардың бір-бірімен байланысқан бөліктеріндегі төсемдері) тозып, жаңасына ауыстыруды талап етеді. Əрі тұтынушыларды жылумен қамтамасыздандыру кезінде қажетті жылуды жоғалусыз жеткізу үшін жер асты жəне жер үсті жылу тасымалдағыш құбырларында жылулық жоғалуларды азайту мақсатында арнайы жобалаулар жүргізу қажеттілігі туындайды. Соңғы жылдары жылу желілерін тексерістен өткізу үшін жылу өлшегіш индикаторлы жылу ағынын өлшеуіш кең көлемде пайдаланылуда [5]. Аспаптың көрсеткіштері қоршаған орта параметріне тəуелді жəне құрылымындағы арнайы блоктардың жұмыс істеуі кезінде бір-бірінен 5 м қашықтықта орналасу салдарынан өлшеу қарқындылығы төмен болғандықтан, алынған нəтижелер тек жуықтап келтірілген.

Қолданыстағы жылу желілерінде жер астында оқшауланған құбырларды сынақтан өткізу кезінде қосымша жұмыстарды жүргізбей, жылу желісінің немесе оның оқшауының ақауланған бөлігін бірден анықтау экономикалық жəне экологиялық тұрғыдан қолайлы жаңа əдістер мен құралдарды жасауды талап етуде. Жылу желілеріне уақытында тексеріс жасап, тек ақау пайда болған бөлігін ауыстыру мақсатында арнайы зерттеулер жүргізіліп, жылу ағынын өлшеуіштің жаңа түрі жобаланып, құрастырылды.

Жылу ағынын өлшеуіш қабылдау пластинасының қызметін атқаратын қабылдағыш элементпен (1), термобатареямен (2), жылу ағынын түрлендірудің термоэлектрлік батареясымен (3), термоэлектрлік суытқыштан (4), радиатормен (5), дабылды түрлендіру жəне өлшеу электронды блогымен (6) жабдықталды.

Б.Р.Нусупбеков, И.П.Куритник т.б.


1-сурет. Жылу ағынын өлшеуіш

Қабылдағыш элемент (1) термоэлектрлік суытқыштың (4) активті түйінімен жылулық байланыстағы бейтарап түйінді түрлендіргіш термоэлектрлік батареяның (2) активті түйінімен жылулық байланыста, ал термоэлектрлік суытқыштың бейтарап түйіндері радиатормен (5) жылулық байланыста. Термобатареяның актівті түйіндері қабылдағыш элементтің жəне түрлендіргіш термоэлектрлік батареясының арасында орналасқан. Термобатареяның (2) бейтарап түйіні қоршаған ортаның температурасындағы аспаптың қорабымен жылулық байланысқа келтірілді. Термобатареяның, жылу ағынын термоэлектрлік түрлендіргіш батареяның, қабылдағыш элементтің жəне термоэлектрлік суытқыштың шығыс дабылдары дабылды түрлендіру жəне өлшеу электронды блогына беріледі.

Аспап келесі түрде жұмыс істейді. Қабылдағыш элемент арқылы зерттелетін нысанның жылулық ағына қарағанда бөлінетін қуаты жоғары болатындай электр тогы жіберілгенде, термобатареяның шығысында дабыл туындайды. Ал термоэлектрлік суытқыш арқылы термобатареяның шығысындағы дабыл нолге тең болатындай электр тоғы беріледі. Осы жағдайда термоэлектрлік түрлендіргіш батареяның шығысындағы дабыл термоэлектрлік суытқыштан алынатын жылу ағынына тура пропорционалды болып, қабылдағыш элементтің температурасы қоршаған ортаның температурасына тең болады.

Аспап алдымен зерттелетін нысанның ақауланбаған аймағына орналастырылғаннан кейін, термобатареяның шығысында дабыл туындайды. Қабылдағыш элементтің тогы термобатареяның шығысындағы дабыл қайтадан нолге теңескенге дейін төмендеп, термоэлектрлік түрлендіргіш батареяның шығысындағы дабыл қалпына келгеннен кейін, жылу ағынын өлшегішті зерттелетін нысананың ақаулануы мүмкін бөлігіне орналастырамыз. Термоэлектр түрлендіргіш батареяның шығысындағы дабылдың өзгерісіне қарай ақауды сипаттайды.

Құрылғы Қарағанды қаласы Қазыбек би ауданы Ермекова, 52 мекенжайы бойынша орналасқан тұрғын үйде жылу тасмалдағыштардағы жылудың жоғалуын азайту мақсатында зерттеу жұмыстарында қолданылды. Алынған мəліметтер негізінде жылулық желілерде, ғимараттардағы жердің беттері мен төсемелеріндегі жылулық энергияның нормативтік шығындары, жылыту кезінде (қысқы мерзімде) жəне жаз мезгілінде мекеме бойынша жүргізілген құбыр өткізгіштердің оқшаулануы бойынша жылудың нормативтік орташа жылдық жоғалулары анықталды.

Жылу желілерінің құбырлары арқылы нормативті жылулық энергия жоғалуы келесі теңдеумен анықталады:

ай айж а ,Q Q Q Гкал/ай,

мұндағы айжQ — есептік айға арналған, жылу желілері құбырларының оқшаулануы арқылы жылу

энергиясының нормаланған жоғалуы, Гкал/ай; айаQ — есептік айға арналған, желілік судың нормативті

ағып кетуі кезіндегі жылулық энергияның жоғалуы, Гкал/ай. Жылу желілері құбырларын оқшаулау кезінде жылу энергиясының қалыптастырылған жылулық

жоғалулары келесі формулалар арқылы анықталды: а) жер асты төсемелерінің аумақтары үшін:

ж н 24 n ,Q j q L K Гкал/ай;

Жылу желілерін сынақтан …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 63

ə) жер үсті төсемелерінің аумақтары үшін:

жт жт жт24 ,Q j q L n K Гкал/ай;

жк жк 24 ,жкQ j q L n K Гкал/ай,

мұндағы ж жт жк, ,Q Q Q — жылу желілері құбырларын оқшаулау үшін, жылу энергиясының нормаланатын жойылуына сəйкес жер асты төсемелерінің аумақтары мен жер үсті төсемелерінің берілетін жəне қайтымды құбырларындағы жылу мөлшері, Гкал/ай; нq жер асты төсемелерінде сулы жылу торларының берілетін жəне қайтымды құбырларының салыстырмалы жылу жоғалуларының нормативті мəні, ккал/сағ м; жт жк, q q сулы жылу желілерін жер үстінде орналастырғанда беріліс жəне қайтымды құбырлардағы меншікті жылулық жоғалулардың нормативті мəндері, ккал/сағ, м; L бірдей диаметрлі құбырлар мен төсемелер түрлерін сипаттайтын жылу құбырлары аумақтарының ұзындығы, м; j компенсатор жəне арматураларда жылу жоғалуларын есепке алатын жергілікті коэффициент. Құбырлардың диаметрлері 150 мм дейін болғанда 1,2;j құбырлардың диаметрлері 150 мм артық болғанда 1,15;j n есептеу кезіндегі айдың ұзақтығы, күн;

K жер асты төсемдеріне арналған түзету коэффициенті; ,жк жтK K беріліс жəне қайтымды құбырларға сəйкес жер үсті төсемелерінің түзету коэффициенттері [6–9].

Жылу желілері арқылы жылудың жоғалуларын есептегенде жылыту маусымында жерасты құбырларының оқшаулағыштары арқылы жылудың жоғалуларына қатысты түзету коэффициенті ескеріледі (1-сур.).

1-сурет. Жылыту маусымы кезінде жерасты құбырларының оқшаулағыштары арқылы жылудың жоғалуларына түзету коэффициентінің (К) тəуелділігі

Қысқы мерзімде жерасты құбырларының оқшаулағыштарының тозуы салдарынан жылудың жоғалуларының түзету коэффициенттері диаграммасынан жыл мезгілінің қаңтар, ақпан жəне желтоқсан айларында жылудың жоғалуы жоғары болатыны байқалды жəне ол аталған айларда орта температурасының төмен болатындығымен түсіндіріледі (2014 ж.): қаңтарда сыртқы орта температурасы орташа есеппен -14,50 ºС, ақпанда -14,10 ºС, наурыз айында -8,20 ºС, сəуірде -4,10 ºС, қазанда -3 ºС, қарашада -6,6 ºС, желтоқсанда -12,8 ºС. Сыртқы ортаның əр айдағы орташа температурасы берілетін жəне қайтымды құбырлардың желілік суының орташа айлық температурасы «Қарағанды Теплотранзит» ЖШС мен №1 ЖЭО температуралық графиктерге сəйкес қабылданады. Жылыту жəне жаз маусымында мекеме бойынша жүргізілген құбыр өткізгіштердің оқшаулануы бойынша жылудың нормативтік орташа жылдық жоғалуын есептеу үшін алдыменен ғимараттың жылыту жүйесін ескере отырып, мекеменің сыртқы қоршаулары арқылы жылу жоғалуларын білу қажет. Ғимаратта керекті температураны қалыптастыруға арналған жылыту жүйесінің қуаты мекеменің жылу шығынына тең мəнде есептелінеді.

Жылыту маусымында зерттеулер жүргізілген арналардың оқшаулары арқылы жылу жоғалуын анықтау кезінде 89 мм диаметрлі, ұзындығы 30,5 м құбыр қарастырылып, жылу тармағының

Б.Р.Нусупбеков, И.П.Куритник т.б.


сəйкесінше беріліс жəне кері қайту желілерін сынау барысындағы төселімнің түріне жəне диаметріне сай меншікті жылудың жоғалу мəндері анықталды.

Алынған мəліметтер арқылы құбырлардың оқшауларының зақымданған бөліктері ауыстырылып, жылыту маусымында ғимарат ішінде жүргізілген кіріс жəне шығыс құбырының оқшаулануы арқылы жылудың жоғалулары есептеліп, салыстырылды (2-сур.).

2-сурет. Ғимарат арқылы өкен жылу желісінде жылу жоғалудың салыстырмалы диаграммасы

Жылу желілерге зерттеу жұмыстары жүргізіліп, құбырдың ақауланған бөлігі анықталғаннан кейін арнайы жобалаулардан кейін жылутасымалдағыш арналарда жылудың жоғалуының төмендегенін байқаймыз. Мақалада ұсынылған құрылғы жылулық шағылудың таралуын өлшеу арқылы жер асты жылу желілерінің зақымданған бөліктерін анықтауда, құрылыста, құбыр өткізгіштердің жылулық оқшауларының күйін бақылауда мұнай-газ өндірісінде қолданыс табуы мүмкін.


1 Нұрпейісова К.М. Жылумен қамту. — Алматы: Дəуір, 2013. — 233 б. 2 [ЭР]. Қолжетімділік тəртібі: http://reftrend.ru/829727.html 3 Майданик Ю.Ф. Достижения и перспективы развития тепловых труб // 4-я конференция по тепломассообмену. —

М.: МЭИ, 2006. — 215 с. 4 Дүкенбаев К.Д., Нуркен Е. Қазақстан энергетикасы. — Алматы, 2001. — 312 с. 5 Геращенко О.А., Грищенко Т.Г. Приборы для теплофизических измерений: каталог. — Киев: Час, 1991. — 19 с. 6 Kurytnik I., Nussupbekov B., Karabekova D., Zhargakova S. Thermal control method for the diagnosis of underground heating

systems // Bull. of the Karaganda University. — 2014. — Vol. 74. — No. 2. — P. 52–55. 7 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. — 7-е изд. — М.: Энергия, 2001. — 214 c. 8 Манюк В.И. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: cправочник. — М.: Стройиздат, 1988. — 198 с. 9 Самарин О.Д. Технико-экономическая оптимизация диаметров трубопроводов систем водоснабжения // Сантехника.

— 2011. — № 2.

Б.Р.Нусупбеков, И.П.Куритник, Д.Ж.Карабекова, А.К.Хасенов, Г.М.Шаймерденова, А.К.Ахметова

Прибор для испытания трубопроводов тепловых сетей

В статье рассмотрен измеритель теплового потока для диагностики теплотехнических процессов. Описаны схема и принцип работы прибора теплового потока. Прибор является индикатором состоя-ния подземного теплопровода по характеру изменения тепловых потерь или температуры поверхно-сти грунта над исследуемым объектом. Прибор будет экономически и экологически полезным для ра-ционального использования тепловой энергии. Устройство может найти применение в нефтегазовой промышленности для контроля состояния тепловой изоляции трубопроводов.

Жылу желілерін сынақтан …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 65

B.R.Nussupbekov, I.P.Kuritnik, D.Zh.Karabekova, A.K.Khassenov, G.M.Shaimerdenova, A.K.Akhmetova

Device for the testing of pipelines of thermal networks

The article describes the heat flow meter for the diagnosis of underground heating mains. The scheme and operation of the device heat CCIP. The device is an indicator of the state of the underground heat conductor on the nature of the change in heat loss or the surface temperature of the soil above the object under study. At the same time, the unit is the economic and environmental benefits to the rational use of heat energy. The device may find application in the petroleum industry to monitor the state of heat insulation pipes.

References

1 Nurpeisovа K.M. Heating, Almaty: Dauir, 2013, 233 p. 2 [ER]. Access mode: http://reftrend.ru/829727.html 3 Maydanik Yu.F. 4th Conf. on Heat and Mass Transfer, Moscow: MEI, 2006, 215 p. 4 Dukenbaev K.D., Nurken E. Energy Kazakhstan, Almaty, 2001, 312 p. 5 Gerashchenko O.A., Gryshchenko T.G. Devices for thermal measurements: catalogue, Kiev: Chas, 1991, 19 p. 6 Kurytnik I., Nussupbekov B., Karabekova D., Zhargakova S. Bull. of the Karaganda University, 2014, 74, 2, p. 52–55. 7 Sokolov E.Ya. District heating and heat net, 7, Moscow: Energy, 2001, 214 p. 8 Manyuk V.I. Setting up and operation of the water heating networks: Manual, Moscow: Stroyizdat, 1988, 198 p. 9 Samarin O.D. Sanitary engineering, 2011, 2.


ТЕХНИКАЛЫҚ ФИЗИКА ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА TECHNICAL PHYSICS

УДК 69.059.4:69.059.7

М.М.Торегельдин, О.Б.Сельдюгаев, Н.К.Танашева

Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова (E-mail: [email protected])

Пылевзрывозащита на угольных шахтах с использованием сланцевых заслонов

В статье приведены результаты испытаний сланцевых заслонов различной конструкции в условиях полигона в ударной трубе протяженностью более 100 метров, имитирующей шахтную выработку с использованием метана для производства взрыва. Ударная труба смонтирована из железобетонной трубы марки ТНГ-1420, рассчитанной на рабочее давление до 10 атмосфер. Основным элементом сланцевых заслонов, исследуемых в экспериментах, является инертная пыль, заполненная в стандарт-ные полипропиленовые (бумажные) мешки по 25 кг и полиэтиленовые сосуды водяных заслонов (ВЗП), загружаемые инертной пылью по 10 кг, применяемые в настоящее время на шахтах УД АО «АрселорМиттал Темиртау». Калибровка (тарирование) датчиков давления осуществлялась с по-мощью специально сконструированной и изготовленной установки и разработанного программного модуля для ПК. Установлено, что сланцевые заслоны обладают эффективным пламегасящим эффек-том, а сетчатый заслон понижает энергию ударной волны.

Ключевые слова: безопасность работ, газ метан, угольная пыль, угольная шахта, сланцевый заслон, локализация взрыва, техника безопасности.

Пассивные или конструктивные средства взрывозащиты во всех горнодобывающих странах тра-

диционно оснащаются пламегасящим средством «вода» или «инертная пыль». В то время как вода применяется в так называемых «водяных корытных заслонах» или в заслонах с водяными карманами (мешками), инертная пыль традиционно применяется в так называемых «сланцевых заслонах».

Решения в пользу или против применения определенного пламегасящего средства принимаются как с технической точки зрения, так и под действием влияния других факторов: мнения специали-стов исследовательских организаций, активность и технические нововведения поставщиков сосудов для пламегасящих средств, технические предписания горного надзора и т.п.

Находящиеся в настоящее время в международном применении различные альтернативы пас-сивных противовзрывных заслонов доказали свою эффективность именно в гашении пламени взрыва и, таким образом, право на использование в угольных шахтах.

На шахтах УД АО «АрселорМиттал Темиртау» при выполнении мероприятий по предупрежде-нию и локализации взрывов угольной пыли осуществляются сланцевая пылевзрывозащита, гидропы-левзрывозащита или их комбинирование. При сланцевой пылевзрывозащите для локализации взры-вов устанавливаются сланцевые заслоны с загрузкой инертной пылью. С 2009 г. поставка инертной пыли производится расфасованной в полипропиленовые (бумажные) мешки весом 25 кг (английский стандарт) [1].

Используемые в настоящее время на шахтах пылевзрывозащитные мешки с инертной пылью на полках сланцевого заслона подрезаются по бокам (периметру) с целью мгновенного их распыле-ния по сечению выработки при взрыве метана и угольной пыли. Однако в процессе эксплуатации сланцевая пыль со временем высыпается из боковых надрезов, вследствие чего часть порошкового

Серия «Физика». № 2(82)/2016

заслона теряется и соответственнчастью исследований является испутем нанесения разреза в средне

При использовании водяныхк крепи по периметру выработки,рения, что требует частого (перисоответственно, значительных труисследовать эффективность работновых сосудов водяных заслонов

Исследования эффективностполнены в рамках НИР между ДГ

Соисполнителем НИР былслужб, в частности филиал ВАСС

При подготовке испытательнных взрывов для приемочных исщитной сеткой на договорной оснтрубы Т-1420 на прочность и техн

Метрологическое и информации пламени, программное обесРаботы по монтажу заслонов, устконцентрацией метано-воздушнопроизводились военизированнымпо плану мероприятий, утвержден

Работы по восстановлению иструба, изготовлению и тестироваа экспериментальные взрывы для

За период с 5 по 17 ноября 2ний различных видов заслонов ударной волны и пламени и препя

Полигон в районе Чкаловсктельную конструкцию общей длигазов, секционную ударную трубпомещение для оборудования и па

Основными элементами дандлиной 93 м, состоящая из 18 секдля установок датчиков давления

Рисунок 1

Ударная труба смонтирована рабочее давление до 10 атм

Пылевзрывозащи

но при взрыве снижается его пылевзрывогасясключение потерь сланцевого заслона в полий части в виде (Х), за исключением уголков. х заслонов в полиэтиленовых сосудах, подвеш происходит значительная потеря влаги из-за иодического) пополнения сосуда водой до неудозатрат. С целью исключения последних воты пылевых заслонов взамен водяных путем з(ВЗП) инертной пылью массой до 10 кг. ти предлагаемых способов и средств пылевзрГП «КазНИИБГП» и УД АО «АрселорМиттал л Центральный штаб профессиональных аС «Көмiр» Карагандинского бассейна. ного полигона и непосредственно при проведспытаний порошковых и водяных заслонов в нове участвовали и другие организации. Расченическую экспертизу выполнило ТОО «Интеграционное обеспечение, включающее датчикиспечение, разработано и изготовлено АО «Ктановке ограждающих перемычек, формировай смеси, разгазирование и демонтаж оборудм подразделением филиала ВАСС «Көмiр» канному и согласованному в установленном порспытательного полигона, основной частью котанию метрологической системы были завершпроведения приемочных испытаний заслонов

2010 г. произведено 5 экспериментальных взри их комбинаций в части способности локятствовать дальнейшему их распространению.кого водохранилища представляет собой желной 117 м, включающую взрывную камеру с тбу, переходное кольцо, квадратный тоннель, аттерны для установки датчиков. нной конструкции являются ударная труба икций по 5 м, и железобетонного тоннеля длини пламени (рис. 1).

. Момент загазирования ударной трубы метаном

ана из железобетонной трубы марки ТНмосфер. Трубы марки ТНГ-1420 соответств

ита на угольных шахтах …

67

ящий эффект. Поэтому пропиленовых мешках

шиваемых на крючках естественного ее испа-еобходимого объема и, озникла необходимость заполнения полиэтиле-

рывозащиты были вы-Темиртау» в 2010 г. аварийно-спасательных

дении эксперименталь-комбинации с огнеза-еты элементов ударной рал – 2006». и давления и регистра-Казчерметавтоматика». анию зоны с взрывной дования после взрывов ак газоопасные работы ядке. торого является ударная ены в октябре 2010 г., в начаты 05.11.2010 г. рывов с целью испыта-ализовать воздействие . лезобетонную испыта-трубой для вентиляции бетонное ограждение,

з железобетона общей ной 20 м с паттернами

НГ-1420, рассчитанной уют ГОСТу 26819-86



«Трубы железобетонные напорные со стальным сердечником. Технические условия». Исходные ма-териалы для изготовления этих труб следующие:

портландцемент марки не ниже 400 по ГОСТу 10178-85 для изготовления труб, предназна-ченных к эксплуатации в грунтах и грунтовых водах с содержанием сульфат-ионов до 5000мг/л;

сульфатостойкий портландцемент марки не ниже 400 по ГОСТу 22266-76 для изготовления труб, предназначенных для эксплуатации в грунтах и грунтовых водах с содержанием сульфат – ионов до 5000мг/л;

песок по ГОСТу 10268-80, фракция песка более 5мм подлежит отсеву; вода по ГОСТу 23732-79 для приготовления бетона; сталь холоднокатаная обыкновенного качества марки ВСтЗсп или ВСтЗпс толщиной 3–5 мм; горячекатаная лента толщиной 4 мм из углеродистой качественной конструкционной стали

марки 08кп или 10кп по ГОСТу 1050-74 для изготовления калиброванных соединительных колец (втулка, раструб) и закладочных изделий электрозащиты;

арматурная проволока класса Вр-1 диметром 5мм по ГОСТу 6727-80*, класса Врп-1 диамет-ром 6 мм по ТУ 14-170-119-80 или класс СЭТО по ТУ 14-4-1120-82 для армирования труб;

проволока цинковая или алюминиевая диаметром 1-2,2 для металлизации калиброванных со-единительных колец. Сорта проволоки алюминиевой АТ (твердая, нагартованная), АПТ (полутвер-дая, полунагартованная) и АМ (мягкая, отожженная).

Наружный слой бетона труб должен быть пропитан композицией из петролатума (90+2%) и жирных высших кислот (10+1%) на глубину не менее 10 и не более 18 мм.

Обследование труб ТНГ-1420 полностью подтвердило характеристики, приведенные выше. Разгонная часть ударной трубы длиной 93 метра смонтирована из секций по 5 метров со сваркой

мест стыковок металлических вставок. Для усиления герметичности с наружной стороны швы между секциями труб покрыты бетоном (балласт и цемент марки 400) и защищены бекроном, с внутренней стороны покрыты строительным гипсом.

В заранее предусмотренных местах разгонной трубы в процессе монтажа выполнены 12 сквоз-ных отверстий диаметром 40 миллиметров для последующей установки в них датчиков измерения давления и регистрации пламени, подачи метана или другого газа для имитации взрыва (рис. 2). Во внутренней части трубы на каждом стыке секций приварены кольца из катанки диаметром 6 мм для крепления элементов заслона.

Разгонная часть ударной трубы соединена с взрывной камерой и с тоннельной частью квадрат-ного сечения 2х2 метра длиной около 20 метров с бетонированием мест соединений с трубой. Общая протяженность ударной трубы Т – 1420 вместе со взрывной камерой и тоннельной частью составляет 117 метров.

Основным элементом сланцевых заслонов исследуемых в экспериментах является инертная пыль, заполненная в стандартные полипропиленовые (бумажные) мешки по 25 кг и полиэтиленовые сосуды водяных заслонов (ВЗП), загружаемые инертной пылью по 10 кг, применяемые в настоящее время на шахтах УД АО «АрселорМиттал Темиртау».

Механизм пылевзрывозащиты с использованием сланцевых заслонов основан на том, что под действием ударной волны взрыва происходит мелкодисперсное распыление инертной пыли из емкостей (мешок-сосуд) на пути прохождения фронта ударной волны вследствие их механическо-го разрушения и последующего адгезионного взаимодействия частиц угольной пыли с инертной, приводящего к значительному уменьшению удельной поверхности угольного аэрозоля и аэрозоля и, как следствие этого, к гашению пламени [2].

Пылевзрывозащита на угольных шахтах …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 69

Рисунок 2. Паттерна для установки датчиков и поджига

Для измерения давления с целью оценки эффективности различных заслонов по гашению пла-мени и гашению (затуханию) ударной волны разработаны и изготовлены специальные датчики, уста-навливаемые в ударной трубе в соответствии со схемой расстановки заслонов и расположением их по отношению к зоне загазования.

Конструктивно корпус и мембрана датчика давления изготовлены из дюралюминия марки ВД – 95, который практически не имеет остаточной деформации после серии действия нагрузки и ее сня-тия, что имеет важное и принципиальное значение при измерении механических деформации.

Корпусы датчиков имеют цилиндрическую форму с плоским широким фланцем в месте крепле-ния датчика к пазу в ударной трубе. В верхней части датчика присутствует съемная крышка на резь-бе, к торцу которой приклеены тензорезисторы сопротивления. На фланце выполнены 4 отверстия для надежного герметичного крепления корпуса датчика к пазу в ударной трубе. Сигнальные магист-рали крепятся к датчику с помощью разъема УНЦРГ-09, что позволяет раздельно устанавливать дат-чики и по мере необходимости подсоединять кабели.

Измерительным элементом датчика давления является тензорезистор, который наклеивается на тонкую мембрану и изменяет свое электрическое сопротивление при деформации мембраны под действием давления. Компенсационный тензорезистор, включаемый в измерительный мост, на-клеен на корпус датчика, для исключения влияния температурного фактора при измерениях. К каждому датчику давления разработан и изготовлен усилитель сигнала на базе ТЛ072, смонтиро-ванный недалеко от датчика, что позволяет располагать основной блок устройства считывания на расстоянии от 60 до 100 метров.

Калибровка (тарирование) датчиков давления осуществлялась с помощью специально сконст-руированной и изготовленной установки и разработанного программного модуля для ПК. В процесс калибровки датчиков давления используется специальное устройство, позволяющее плавно изменять значение давления на калибруемом датчике. Предварительно фиксируется нулевой сигнал при нуле-вом давлении, выполняется расчет нуля, а затем при данном давлении рассчитывается переводной коэффициент выходного сигнала аналогово-цифрового преобразователя в давление. Величина этого коэффициента зависит только от параметров усилителя сигнала и остается неизменной.

Давление газа через редуктор поступает на вход устройства калибровки и фиксируется маномет-ром модели 112-02 или любым подходящим по диаметру входного клапана и максимально измеряе-мому давлению. Манометр проверен, точность измерения 0,4.

Поскольку известно, что тензометры сопротивления имеют линейную характеристику зависимо-сти выходного сигнала от величины нагрузки (в данном случае давления), калибровка производилась одной точкой при давлении 2,5 атмосферы с использованием баллона с сжатым газом пропаном.

По калибровочному графику вычислен передаточный коэффициент для всех датчиков давления, равный 0,227 атм./ед. сигнала АЦП. Повторная калибровка проводится в случаях переклейки датчи-ков или изменении параметров усилителя сигналов.

Одним из основных требований к заслонам для предотвращения и локализации взрывов газа и угольной пыли в шахтах является исключение или, по крайней мере, уменьшение проскока пламени через заслон. Для наблюдений за продвижением пламени и протяженности его распространения при проведении экспериментальных взрывов в процессе приемочных испытаний заслонов спроектирова-ны и изготовлены специальные датчики регистрации пламени. Места установки датчиков пламени определялись в каждом конкретном случае в зависимости от характера и цели каждого эксперимента.



Конструктивно корпус датчика пламени выполнен аналогично датчику давления, в одном конце которого вмонтирован фотодиод марки ФД-263.

Разработанное специальное программное обеспечение системы измерений при проведении приемочных испытаний заслонов выполняет следующие функции:

прием и обработка информации от аналого-цифрового преобразователя и запись ее в базу дан-ных;

установка и расчет нуля при калибровке датчиков давления; расчет и запоминание коэффициента передачи при калибровке датчиков давления; установка нулей датчиков давления и пламени перед экспериментальным взрывом; опрос датчиков и считывание информации от АЦП одновременно по 16 каналам (т.е. датчи-кам) через 0,002 с;

запись информации с заданным интервалом в табличной форме и хранение в базе данных по каждой дате, каждому взрыву и по каждому датчику;

представление динамики измеряемого параметра в графическом виде; возможность выдачи на экран одного любого датчика или одновременно нужной группы дат-чиков с уменьшением или увеличением масштаба графика;

возможность просмотра информации в табличной форме при необходимости более тщательно-го анализа динамики измеренного параметра.

Программные модули написаны на современном языке С++ фирмы «Borland», представляют пользователю удобный интерфейс при работе с измерительной системой.

Сланцевые заслоны из инертной пыли укладывались в ударной трубе на деревянные полки по диаметру трубы и подвешивались на крюках по ее периметру на смонтированных металлоконст-рукциях.

Ввиду отсутствия на полигоне стационарного источника электроэнергии напряжение 220 в на источник воспламенения (поджиг) подавалось от генератора HONDA модели ZSQF5.0-3 мощно-стью 5.5 квт. Питание аппаратной части измерительной системы и переносного персонального ком-пьютера осуществлялось от автомобильного аккумулятора 12 в через частотный преобразователь.

Такое раздельное питание снижает помехи от работы генератора. Зона загазования нужного объ-ема (23,1 м3) и требуемой концентрации метана (9–10 %) формировалась следующим способом. Внутри разгонной части ударной трубы в заранее запланированном месте устанавливалась первая перемычка из полиэтилена толщиной 0,08 мм, закрепленного на металлическом обруче диаметром (1,39 м) на внутренней части трубы. Обруч собран из двух частей, закрепленных на поворотной штанге, для обеспечения возможности выхода человека с респиратором из загазованной зоны.

После установки первой перемычки и ее герметизации устанавливаются заслоны согласно пла-ну эксперимента, далее устанавливается вторая перемычка с герметизацией одной половины пере-мычки и закреплением вертикальной штанги.

Один или двое бойцов ВАСС «Көмір» в респираторах проходят в зону загазования, закрывается и герметизируется вторая половина перемычки. По сигналу бойцов внутри трубы начинается подача метана из баллона через редуктор и шланг, вставленный в отверстие в трубе. Метан подается под не-большим давлением (порядка 2 атм), чтобы обеспечить наиболее равномерное распределение его в зоне загазования.

Замер концентрации метана осуществляется бойцами внутри зоны загазования с помощью шахтного интерферометра ШИ-12. По достижении концентрации метана 9–10% подается сигнал на прекращение подачи метана. Бойцы выходят из зоны загазования, закрывается и герметизируется вторая половина перемычки. После этого весь персонал, задействованный в испытаниях, покидает внутреннюю часть ударной трубы.

Испытание сланцевых заслонов с инертной пылью было проведено 09.11.2010 г. Объем загазо-ванной зоны при концентрации метана до 9,5% составил 23,2 м3 . Количество инертной пыли в слан-цевом заслоне составил 200 кг (8 мешков по 25 кг — английский стандарт). Мешки располагались на досках размером 1,39 м×0,6 м в три ряда, полностью перекрывая по диаметру сечение ударной трубы. Расстояние между сланцевым заслоном и перемычкой П2 зоны загазирования составляло 7,5 м. Общая длина заслона составляла 5 м с разрывом между рядами по 1,5 м.

Пылевзрывозащита на угольных шахтах …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 71

Ударная волна достигла своего максимального значения за 0,2 сек. После прохождения через зо-ну сланцевого заслона ударная волна снизилась до 8,8 атм., что было зафиксировано датчиком через 0,025 сек, а в тоннельной части ударной трубы на выходе уменьшилось до 3,7 атм. Незначительное снижение давления после заслона можно предположительно объяснить тем, что инертная пыль не-сколько затормозила развитие взрыва, но вместе с тем полностью локализовала пламя, которое дос-тигло своего пика на фотодатчике через 0,075 сек.

Визуально, а также на видеокамерах не было отмечено образования пламени, хотя в зоне загази-рования ее температура достигла значительных величин. Это подтверждается тем, что полиэтилен на перемычках после взрыва был полностью поплавлен (рис. 3).

Рисунок 3. Момент взрыва

По результатам акта проведенных испытаний по выполненным НИР с участием представителей УД АО «АрселорМиттал Темиртау», «ВАСС Көмір» и АО «Казчерметавтоматика» получено разре-шение от Комитета по государственному контролю за чрезвычайными ситуациями и промышленной безопасностью МЧС РК на применение сланцевых заслонов с инертной пылью в полипропиленовых мешках с разрезом в средней части (Х), за исключением уголков, и в полиэтиленовых сосудах водя-ных заслонов на шахтах, опасных по газу и пыли в Республике Казахстан [3].

Результаты выполненной научно-исследовательской работы позволяют сделать следующие выводы: 1) сланцевые заслоны обладают эффективным пламегасящим эффектом, а сетчатый заслон по-

нижает энергию ударной волны; 2) испытание сланцевых заслонов в сочетании с огнезащитной сеткой конструкции «Плотнико-

ва» показало, что в таком варианте заслон проявляет максимальную эффективность и тем самым обеспечивает полное затухание ударной волны и гашение пламени;

3) по результатам проведенных испытаний ДГП «КазНИИБГП» считает возможным применение сланцевых заслонов с инертной пылью в полипропиленовых мешках с разрезом в средней части (Х), за исключением уголков, и полиэтиленовых сосудах водяных заслонов, как в отдельности, так и в сочетании с сетчатым заслоном, в зависимости от условий производства на предприятиях УД АО «АрселорМиттал Темиртау»;

4) учитывая чрезвычайную актуальность проблемы, ДГП «КазНИИБГП» считает необходимым проведение дальнейших экспериментов по испытаниям взрывоподавляющих устройств, в том числе и порошковых заслонов различного исполнения с добавками химических присадок.


1 Кирин Б.Ф., Журавлев В.П., Рыжих Л.И. Борьба с пылевыделением в шахтах. — М.: Недра, 1983. — 213 с. 2 Лихачев Л.Я., Трубицин А.В. и др. Борьба с пылью при работе горных комбайнов. — Кемерово, 1974. — 56 с. 3 Методические рекомендации по борьбе с пылью и пылевзрывозащите на угольных шахтах. — Караганда, 2011. — 133 с.



М.М.Торегельдин, О.Б.Сельдюгаев, Н.Қ.Танашева

Қатпарлы бөгеттерді қолдану арқылы көмір шахталарында шаң-жарылыстан қорғаныс

Мақалада метанды қолданумен жарылыс жасау үшін ұзындығы 100 м асатын, шахта өндірісін көрсететін соққы құбырында полигон жағдайында түрлі конструкциядағы қатпарлы бөгеттерді тəжірибеден өткізу кезіндегі нəтижелер көрсетілген. Соққы құбыры жұмыс қысымы 10 атмосферага дейін шамаланған ТНГ-1420 маркалы темір-бетонды құбырдан құрастырылған. Зерттелетін тəжірибелердегі қатпарлы бөгеттеде негізгі элемент 25 кг-дық стандартты полипропиленді (қағаз) қаптарға толтырылған инертті шаң жəне қазіргі кезде КД «АрселорМиттал Теміртау» АҚ шахталарында қолданылатын 10 кг-дық инертті шаңмен толтырылған су бөгеттерінің полиэтиленді ыдыстары болып табылады. Қысым датчиктерін калибрлеу (ыдыстарға салу) арнайы құрастырылып жасалған қондырғының жəне ДК ПК үшін өңделген программалық модулінің көмегімен жүзеге асты. Қатпарлы бөгеттер өрт сөндіруде тиімді ие болатыны, ал торлы бөгет соққы толқынының энергиясын азайтатыны анықталған.

M.M.Toregеldin, O.B.Seldyugaev, N.K.Tanasheva

Protection against dust explosions in coal mines using shale barriers

This paper presents the results of the tests shale barriers of various designs in a range in the shock tube length of over 100 meters, simulating the mine workings with the use of methane for the production of explosion. The shock tube is mounted of a concrete pipe brand TNG-1420 designed for operating pressures up to 10 at-mospheres. The main element of shale barriers investigated in experiments is filled with inert dust in standard polypropylene (paper) bags of 25 kg and plastic containers of water barriers (CDW) loaded inert dust 10 kg currently in use in mines UD JSC «ArcelorMittal Temirtau». Calibration (tare) pressure sensors was carried out using a specially designed and manufactured to install and designed software module for PC. It was found that the shale barriers have an effective flame arrester effect and mesh barrier reduces the shock energy.

References

1 Kirin B.F., Jyravlev V.P., Rijih L.I. Combating dust emissions in the mines, Moscow: Nedra, 1983, 213 p. 2 Lihachev L.Ya., Trybicin A.V. Combating dust during operation of mining machines, Kemerovo, 1974, 156 p. 3 Guidelines for the Prevention of dust explosions in coal mines, Karaganda, 2011, 133 p.

Серия «Физика». № 2(82)/2016 73

UDC 621.396.61

M.Z.Yakubova1, T.G.Serikov2 1Almaty University of Power Engineering & Telecommunications;

2Kazakh National Technical University (E-mail: [email protected])

IP PBX Asterisk NOW telecommunication network and choice of tools for carrying out attacks. Development and research of the attack scheme to the developed

client–server network on the basis of Wi-Fi

Communication of clients with the server passes through a wireless point of Wi-Fi access. The attacking de-vice is the laptop which has the software package of CommView for Wi-Fi. The analysis of stability program by automatic telephone exchange on the basis of Asterisk NOW from unauthorized access to a telecommuni-cation network is provided in this article. The software product on the basis of Asterisk NOW uses as the server. As softfon and client base laptops, computers, and gadgets on which passes test are considered. Com-munication of clients with the server passes through a wireless point of Wi-Fi access. The attacking device is the laptop on which the software package of CommView for Wi-Fi is established. By the result of carried out test the analysis of network's vulnerability was made. Recommendations about a measure of protection from unauthorized access are made. The optimum option of network protection is offered.

Key words: Wi-Fi, wireless network, attacks, address, network devices, server, access, Asterisk NOW.

For the developed network of the technology of systems and communications chair of Karaganda state

technical university established laboratory will be test on carrying out attack is carried out from malicious to a network for definition of weak spots in a network. And the measures taken on its protection.

Performance of productivity requires consideration of a question according to the solution of the fol-lowing tasks:

1. Development of the software product of modeling of attacks in the CommView for Wi-Fi network. 2. Development of the scheme of attack malicious on a network the client server. 3. Analysis of results of attack and development of offers on taking measures of protection of a net-

work. 1. Development of the software product of modeling of attacks in the CommView for Wi-Fi network. CommView for Wi-Fi is the software product intended for monitoring and the analysis of network

packages in wireless networks of standards of 802.11 a/b/g/n/ac, productivity uniting in itself, flexibility and convenience of use. Development of the scheme of attack of a network the client server when the studied technology of attack is wireless is actual.

CommView for Wi-Fi has opportunity to take all network packages broadcast for the subsequent de-tailed display of important information: list of points of access and knots, statistics on each knot and channel, level of a signal, list of packages and network connections, schedules of distribution of protocols, etc. By means of this information of CommView will help us to look through and in detail to analyze each pack-age, to reveal problems in work of networks. The VoIP module intended for the profound analysis, record and reproduction of voice messages of SIP protocol and H.323 also is a part of CommView for Wi-Fi. Pack-ages can be decoded with use of the user keys of WEP or WPA-PSK and to decode up to the lowest level. Supporting more than 70 protocols, CommView for Wi-Fi allows to study in detail the taken packages, using convenient, tree system of display of legal levels and headings of packages [1].

2. Development of the scheme of attack malicious on a network the client server. The developed scheme of attack to a network is given in Figure 1.

M.Z.Yakubova, T.G.Serikov


Figure 1. Scheme of wireless attack of a network the client — the server

In the given drawing a network the client server is constructed on the basis of automatic telephone ex-change of AsteriskNow which is the server, personal computers, laptops mobile devices in which are regis-tered softfona can be clients. Communication of clients with the server passes through a wireless point of access of Wi-Fi. The attacking device is the laptop on which the software package of CommView for Wi-Fi is established [2].

The fragment of results of attack of the videoconference of a LAN used during on the basis of automat-ic telephone exchange of AsteriskNow is given in Figure 2. Apparently from drawing in the course of attack the quantity of the packages created thus and other data are revealed on MAC address of computers of partic-ipants of a video conference.

Figure 2. Results of attack to a LAN

If CommView for Wi-Fi isn't started, our adapter will be able to exchange data with other wireless hosts or points of access as as if we use the original driver provided by the producer of our card. If CommView for Wi-Fi is started, our adapter will be transferred to the passive mode of monitoring in the promiscuous mode. In Figure 3 results of MAC addresses of other computers which are within the working range of net-work functioning are given.

Figure 3. Results of attack when the driver isn't adjusted on the attacked network

IP PBX Asterisk NOW …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 75

The VoIP module intended for the profound analysis, record and reproduction of voice communications of the SIP and H.323 standards is a part of CommView for Wi-Fi. CommView for Wi-Fi supports decoding ofthe following protocols: ARP, FTP, HTTP, HTTPS, ICMP, ICQ, IPsec, IPv4, IPv6, IPX, SSH, TCP, TELNET, TFTP, 802.1Q, 802.1X [3; 78].

CommView for Wi-Fi is the full-function and available tool for administrators of wireless networks, experts in the field of network safety, network programmers or those who wants to see all picture of a traffic in a wireless network. In Figure 4 the statistics of a network traffic, and is given in Figure 5 statistics of dis-tribution of a traffic in a network.

Figure 4. Statistics of distribution of a traffic in a network

Figure 5. The report on IAC to addresses of the sent and received packages

In Figure 5 the report showing the received and sent packages to the addresses taken by IAC In the experiment given on drawing 1 server is provided is connected to an access point on wire technology.

3. Analysis of results of attack and development of offers on taking measures of protection of a network.

We will consider option when a network the client server is completely wireless. For this purpose it is necessary:

1. To establish the program FTP110 file the server on the computer and we will adjust the server FTP parameters.

2. To establish on other FileZilla computer and to adjust its parameters. 3. To develop the scheme of attack, the server through a wireless point of access AP-3200. On the laptop of the malefactor we will start the ComView for Wi-Fi program. To appoint the IP address of the client according to Figure 6.



Figure 6. IP installation of the address of the client

To adjust the FTP server with the following parameters the user — samal, the password — 12345 and etc. as shown in Figure 7.

Figure 7. The FTP installation of the server with the specified parameters

To adjust the FTP parameter of the client, according to the below-specified Figure 8.

Figure 8. Control of the FTP parameter of the client


Серия «Физика». № 2(82)/2016 77

On the FTP program of the client we press the Fast Connection button, thus appears server directories in Figure 8 on the right.

On the left side Figure 8 we note the folder and a dragging method a mouse from server directories the chosen file in this folder.

The malefactor adjusts the software package of CommView for Wi-Fi on the computer. At the malefac-tor it is possible to see information provided on Figure 9.

Figure 9. CommView for Wi-Fi Interface

9. We press two times on the chosen FTP protocol of the right button of a mouse and we receive drawing the showing FTP protocol interface between the client and the server the Figure 10 explaining session TCP.

Figure 10. TSR session



10. Pressing the Contents tab we receive the login and the password of the server found by the malefac-tor as it is recorded in Figure 11.

Figure 11. Tab contents

Apparently from the conducted research any networks need to be protected as it is easily possible as a result of receiving unauthorized access to resources of a wireless network, the malefactor can:

• to get access to internal network resources of a wireless network; • to intercept a network traffic of a wireless network for its further research; • to use connection to the Internet for the needs. We will understand prevention of unauthorized access for the malefactor to network resources as pro-

tection of the wireless Wi-Fi networks. There are following methods of protection: restriction of access to internal resources of a network. It is necessary to provide differentiation of access rights to internal resources of a wireless network.

This measure allows to protect internal resources of a network even when receiving by the malefactor access to the most wireless network [1]. Modern network devices (Wi-Fi routers etc.) allow to realize the firewall (painted walls) limiting possibility of unauthorized access to a wireless network from the outside with use of the built-in software. The algorithm of operation of the network device generally, and the network screen in particular, is defined by the current version of an insertion of the network device. Producers of network devices in process of detection of mistakes and potential vulnerabilities in insertions, let out their updatings. Therefore it is extremely desirable to update in due time an insertion of the network device and to use only its latest version in work.

Enciphering of a network traffic. Besides connection to network resources the malefactor also has pos-sibility of interception of the traffic generated in the course of its work. Modern network devices support a wide range of the opportunities of enciphering based on the WPA technology (Wi-Fi Protected Access) and its modifications (WPA2, WPA-PSK etc.) [4, 5]. Use of the WPA technology not only allows to provide enciphering of a network traffic in a wireless network, but also to prevent unauthorized connection to it: for connection to the wireless network protected with use of WPA, the client has to specify the access key established by the administrator. Within the network device there is an opportunity to define the list of physical addresses (MAC addresses) which will have access to a wireless network (or on the contrary — which access to a wireless network will be forbidden) [6]. Having determined the filter by MAC addresses, there is an opportunity to limit access to a wireless network even without use of algorithms of enciphering.

Treat advantages of IP-telephony: its low cost, reliability, high speed of communication and simplicity of use. It uses the most advanced technology of compression of our voice signals, and completely uses the capacity of telephone lines. Therefore packages of data from different inquiries, and even their various types, can move on the same line to one and too time the Internet, but also in other networks of data trans-mission with package switching (local, corporate, regional) [5].

As a result of the conducted researches it is revealed that at expansion of corporate networks there is a sense to introduce program IP PBX instead of electronic and digital automatic telephone exchanges,


Серия «Физика». № 2(82)/2016 79

the prize turns out not only at cost, but also on acquisition of technologies which electronic and digital auto-matic telephone exchanges don't provide.

The carried-out calculations show that in a point of access to a network with Asterisk the multimedia stream thus is had enough to have an access point the speed of transfer of 54 Mgb providing for a multimedia traffic and a pass-band 2 GHz.

The scheme of wireless attack of a network the client — the server is developed and experiment on attack of a network the client the server is made.

On the developed scheme of a network on chair test on carrying out attack for the first time is carried out from the malefactor on a network for definition of weak spots to networks and offers of taking measures to its protection, problems are for this purpose solved on:

To studying and development of the program instrument of modeling of attacks in the CommView for Wi-Fi network.

Experiments in the developed network of attack of the malefactor are made and results in drawings and tables of screenshots are given.

On the basis of research of results of attack offers on taking measures of protection of a LAN are also developed.

References

1 Якубова М.З. Разработка топологии сетевой атаки на основе пакета программ Wireshark // ПОИСК Международный научный журнал-приложение РК. Серия естественных и технических наук. Высш. шк. Казахстана. — 2013. — № 2 (2). — [ЭР]. Режим доступа: http://www.aipet.kz/article/facultet/frts/ikt/15/9.pdf

2 Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи. — М.: Техносфера, 2006. — 288 с. 3 Рошан П., Лиэри Дж. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11. — М.: Бук-Пресс, 2004.

— 428 с. 4 Якубова М.З. Разработка критериев и требований по информационной безопасности // ПОИСК. Международный на-

учный журнал-приложение РК Серия естественных и технических наук. Высш. шк. Казахстана. — 2013. — № 2 (2). — [ЭР]. Режим доступа: http://szgmu.ru/upload/files/Документы%20кафедр/СБОРНИК_ОЗИЗ_2013.pdf

5 Беспроводные сети: Вегешна Шринивас: пер. с англ. — М.: Изд. дом «Вильямс», 2003. — 26 с. 6 Якубова М.З. Разработка экспериментальной технологии пассивной атаки // ПОИСК Международный научный жур-

нал-приложение РК. Серия естественных и технических наук. Высш. шк. Казахстана. — 2013. — № 2 (1). — [ЭР]. Режим доступа: http://www.aipet.kz/article/facultet/frts/ikt/15/6.pdf

М.З.Якубова, Т.Г.Сериков

IP PBX Asterisk NOW телекоммуникация желісі жəне шабуыл жасау үшін құралдарды таңдау. Wi-Fi негізінде құрастырылған клиент–сервер желісіне

шабуыл жасау үшін схемаларды өңдеу жəне зерттеу

Клиенттер мен сервердің арасындағы байланыс сымсыз байланыс нүктесі Wi-Fi арқылы жүзеге асады. CommView for Wi-Fi программаның жиынтығы қондырылған ноутбук шабуыл жасаушы негізгі құрал болады. Мақалада Asterisk NOW базасындағы программалық АТС-тің телебайланыс жүйесіне рұқсатсыз қосылысқа тұрақтылық сараптамасы жүргізілген. Сервер ретінде Asterisk NOW базасындағы программалық өнім зерттелген. Программалық телефон жəне клиенттік база ретінде сынақ жүргізілген ноутбуктар, компьютерлер жəне гаджеттар алынған. Сынақтар жасалған кезде алынған нəтижелер бойынша желінің төзімділігі талданды. Рұқсатсыз байланыстан қорғану мақсатында ұсыныстар берілді. Желіні қорғауға арналған оңтайлы шешім ұсынылды.



М.З.Якубова, Т.Г.Сериков

Телекоммуникационная сеть IP PBX Asterisk NOW и выбор инструментальных средств для проведения атак. Разработка и исследование схемы атаки

на разработанную сеть клиент–сервер на базе Wi-Fi

В статье отмечено, что связь клиентов с сервером проходит через беспроводную точку доступа Wi-Fi. Атакующим устройством является ноутбук, на котором установлен пакет программ CommView for Wi-Fi. Авторами приведен анализ устойчивости программного АТС на базе Asterisk NOW от несанкционированного доступа к сети телекоммуникации. В качестве сервера выступает программ-ный продукт на базе Asterisk NOW, в качестве софтфонов и клиентской базы рассмотрены ноутбуки, компьютеры и гаджеты, на которых проходит испытание. Связь клиентов с сервером проходит через беспроводную точку доступа Wi-Fi. По результатом проведенных испытаний сделан анализ уязвимо-сти сети. Даны рекомендации по мере защиты от несанкционированного доступа. Предложен опти-мальный вариант защиты сети.

References

1 Yakubova M.Z. POISK International scientific magazine-application of RK Series of natural and technical science of the higher school of Kazakhstan, 2013, 2 (2) Kazakhstan, [ER]. Access mode: http://www.aipet.kz/article/facultet/frts/ikt/15/9.pdf

2 Shakhnovich I. Modern technologies of a wireless communication, Moscow: Tekhnosfera, 2006, 288 p. 3 Roshan P., Lieri Dzh. Bases of creation of wireless local networks of the standard 802.11, Moscow: Bouck Press, 2004, 428 p. 4 Yakubova M.Z. POISK International scientific magazine-application of RK Series of natural and technical science of the

higher school of Kazakhstan, 2013, 2 Kazakhstan, [ER]. Access mode: http://szgmu.ru/upload/files/Документы%20кафедр/СБОРНИК_ОЗИЗ_2013.pdf

5 Wireless networks: Vegeshna Shrinivas. The lane with English, Moscow: Williams publishing house, 2003, 26 p. 6 Yakubova M.Z. POISK International scientific magazine-application of RK Series of natural and technical science of the

higher school of Kazakhstan, 2013, 2 (1) Kazakhstan, [ER]. Access mode: http://www.aipet.kz/article/facultet/frts/ikt/15/6.pdf

Серия «Физика». № 2(82)/2016 81

ФИЗИКАНЫ ОҚЫТУ ƏДІСТЕМЕСІ МЕТОДИКА ФИЗИКИ METHODOLOGY OF PHYSICS

УДК 533.5

К.М.Маханов¹, Е.Хуанбай², С.Редько¹, Е.Телман¹

¹Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова; ²Карагандинский государственный технический университет


Разработка электронной схемы коммутации вакуумной системы на базе микросхемы TL494 CN

Разработана электрическая схема управления и коммутации вакуумной системы поста, собранного из комплектующих деталей и частей вышедших из строя установок ВУП-4 и ВУП-5. Показано, что при разработке блоков питания наряду с традиционными деталями могут быть использованы специ-альные микросхемы серии TL494CN, значительно упрощающие схему. Использование предложенно-го вакуумного поста в научно-исследовательской работе позволит получить более качественные пленки и покрытия. Тестовые испытания разработанной платы коммутации показали положительные результаты.

Ключевые слова: вакуумный пост, электронная схема коммутации, лазерная абляция, электромагнитные клапаны, твердотельный лазер, вакуумный насос.

Введение

Разработка вакуумных систем для выполнения технологических процессов в условиях вакуума связана с принципами выбора оптимального состава соответствующей вакуумной откачной системы, включающей не только основные средства откачки, но также и вспомогательное оборудование, ваку-умную систему трубопроводов, приборы измерений и т. п.

Важнейшим компонентом вакуумной установки является коммутируемая вакуумная система. Как правило, она состоит из различных типов клапанов, которые позволяют отключать необходимые участки системы для их откачки, выполнения необходимых работ и проведения профилактического обслуживания. Ввиду многообразного применения клапанов в вакуумной технике существует мно-жество соответствующих конструкций — от небольших клапанов для напуска воздуха в систему до больших проходных затворов, применяемых, например, в ускорителях для перекрывания рабочей камеры [1, 2].

В рамках подготовки лабораторной установки для осуществления лазерной абляции металлов нами была собрана установка. Основная информация по ней представлена в работе [3]. Также нами был собран вакуумный пост (рис. 1) из имевшихся в лаборатории деталей и частей старого поста. Следующий этап реализуемых работ был связан с разработкой электронной части поста.

В данной работе представлена информация по разработке электронной схемы, обеспечивающей управление и коммутацию вакуумной системы собранного поста. Была поставлена следующая цель — разработать блок питания (БП) для формирования управляющего напряжения для переключения мощных транзисторов преобразователя.

К.М.Маханов, Е.Хуанбай и др.

82

Для достижения поставленно определены рабочие парамнитных клапанов;

разработана принципиальн разработана печатная плата осуществлен монтаж издел проведены тестовые испыт

Р

Разра

Так как мы использовали имебыли определены рабочие параметний позволили определить необхоствованных в реализуемой работсхема при помощи редактора SPlaдующем на основе данного формат

При разработке различных эразработать плату к проектируемнения задач трассировки плат нав освоении и использовании.

Для создания электрической ста мы разработали печатную пла

Рис


ой цели рассмотрены и реализованы следующиметры реализуемого блока питания и комму

ая электрическая схема с использованием среда с использованием программы SprintLayout 6;лий электронной техники; тания коммутирующей системы.

Рисунок 1. Собранный вакуумный пост

аботка электронной схемы коммутации

еющиеся в наличии электромагнитные клапанытры (напряжение питания, рабочий режим и т.одимый перечень и характеристики электронныте. Предварительно подготовленная принципan 7.0 [4] была переведена в «удобный» цифрта электрической схемы была сформирована пеэлектронных схем в большинстве случаев возмому устройству для размещения на ней деталами была использована программа SprintLayo

схемы коммутации вакуумной системы собрату схемы, представленную на рисунке 3.

унок 2. Меню программы Sprint-Loyout 6


ие задачи: утируемых электромаг-

ды SPlan 7.0; ;

ы, то, в первую очередь, д.). Результаты измере-ых компонентов, задей-иальная электрическая ровой формат. В после-ечатная плата. зникает необходимость лей схемы. Для выпол-out 6 (рис. 2), простая

анного вакуумного по-

Разработка электронной схемы …

Серия «Физика». № 2(82)/2016 83

Перевод данной печатной платы на твердую поверхность осуществлен с использованием техно-логий [5, 6].

Разработанная печатная плата представляет собой плоское изоляционное основание, на обеих сторонах которого расположены токопроводящие полоски металла (проводники) в соответствии с электрической схемой.

Электрическая схема была реализована с использованием следующих компонентов: транзисторы — IRFZ40 (5 штук); микросхемы — TL494CN (5 штук); конденсаторы, резисторы, диоды и т.д.

а б

Рисунок 3. Плата для управления, вид снизу (а) и сверху (б)

В современных импульсных блоках питания для формирования управляющего напряжения пе-реключения наиболее часто применяются специализированные интегральные микросхемы (ИМС).

В качестве схемы управления в большинстве случаев используется микросхема типа TL494CN, выпускаемая фирмой TEXAS INSTRUMENT [7]. Ее основные характеристики удовлетворяют сле-дующим требованиям:

рабочее напряжение не выше 40В; наличие высокостабильного термостабилизированного источника опорного напряжения; наличие импульсного управляемого триггера; наличие двухканального предоконечного каскада с защитой от короткого замыкания (КЗ); наличие средств коррекции симметрии выходных напряжений; наличие автоматического управления с прямой передачей; обеспечение отключения при понижении напряжения питания; обеспечение защиты от перенапряжений; обеспечение совместимости с ТТЛ/КМОП логикой и т.д. Для более полного представления возможностей используемой микросхемы рассмотрим вкратце

устройство и работу этой управляющей микросхемы (рис. 4). Она специально разработана для управ-ления силовой частью блоков питания и содержит в своем составе:

генератор пилообразного напряжения (ГПН) DA6; частота ГПН определяется номиналами резистора и конденсатора; источник опорного стабилизированного напряжения 5 В с внешним выходом; два выходных транзистора с открытыми коллекторами и эмиттерами; динамический двухтактный D-триггер в режиме деления частоты на 2; вспомогательные логические элементы 2-ИЛИ, 2-Й, 2-ИЛИ-НЕ, НЕ и т.д.



Если на 12-й вывод подать любое питающее напряжение, уровень которого находится в диапа-

зоне от +7 до +40В, тогда на выводах 8 и 11 появятся последовательности импульсов, что будет сви-детельствовать о запуске схемы управления. В целом все узлы, входящие в состав TL494CN, можно условно разделить на цифровую и аналоговую часть.

Более подробно с функциональными возможностями данной микросхемы можно ознакомиться в работе [8].

Используемые нами электромагнитные клапаны (5 штук) работают в режиме постоянных элек-тромагнитов. Напряжение питания катушек клапанов соответствовало следующим значениям — 2,5; 6; 12; 20. Довольно большие значения потребляемого тока (до 5 А) и высокие требования к стабиль-ности работы блока питания требовали использования стабилизированных транзисторов с высоким значением постоянного тока стока.

В качестве силовых ключей нами были использованы мощные КМОП-транзисторы IRFфZ40 (аналог КП723В). Максимальный ток стока, рассчитанный для данного типа транзисторов, составляет 50 А, что вполне удовлетворяет наши потребности. Особенностью данного транзистора является включенный между стоком и истоком защитный стабилитрон. В разработанной схеме стабилитроны, входящие в состав транзистора, ограничивают амплитуду выбросов напряжения на электромагнит-ные катушки клапанов, что является достаточно нестандартным подходом в решении подобных за-дач, позволяющем не прибегать к дополнительной схеме ограничения, приводящей к усложнению устройства.

В свою очередь монтаж данных транзисторов на плате требует соблюдения определенных усло-вий. К примеру, допускается только одноразовое изгибание выводов с радиусом закругления не ме-нее 1,5 мм на расстоянии не ближе 5 мм от корпуса, причем только в плоскости, перпендикулярной плоскости выводов и проходящей вдоль изгибаемого вывода. Скручивать выводы строго запрещено. Расстояние от корпуса до места лужения и пайки не должно быть менее 5 мм. Температура пайки — не более 265°С.

Учитывая высокое значение рассеваемой мощности (20 и более Вт), в целях предотвращения пе-регрева транзисторов монтаж был осуществлен на радиаторных пластинах из алюминиевого мате-риала (см. рис. 5).

Рисунок 4. Схема микросхемы TL494CN


Серия «Физика». № 2(82)/2016 85

Рисунок 5. Крепление транзисторов на радиаторную основу из алюминия

Тестирование готового устройства

Управление клапанами осуществлялось вручную, посредством 5 А переключателей типа ТП1-2. Для удобства использования переключатели расположили на верхней панели поста и подписали для исключения случайных включений клапанов.

Проверка функционирования устройства осуществлялась по следующей схеме: включение источника питания поста; запускаем форвакуумный насос (ФН). В течение 20–30 минут форвакуумный насос работает

«вхолостую», т.е. прогревается и создает вакуум в собственном объеме; параллельно включаем питание диффузионного насоса (ДН). ДН также работает «вхоло-

стую», до достижения степени вакуума порядка 10-4 мм рт. ст.; затем открываем клапан соединяющий рабочий объем (РО) поста с форвакуумным насосом.

Манометр ПМТ-4, соединенный с РО, позволяет контролировать давление в РО. Параллельно с РО форвакуумный насос должен создать предварительный вакуум и в диффузионном насосе. Для этого необходимо параллельно открыть клапан, соединяющий ФН с ДН;

при достижении одинаковых значении давления в РО, ДН и ФН мы перекрываем клапан, со-единяющий ФН с РО, и открываем клапаны, последовательно соединяющие РО с диффузионным и форвакуумным насосами.

Из описания характеристик вакуумной установки ВУП-5 известно, что среднее время работы на-сосов, необходимое для достижения давления 10-5 мм рт. ст. во всей вакуумируемой системе, составля-ет порядка 40–60 минут. В нашем случае давление в 10-5 мм рт. ст. в РО было достигнуто в течение 2,5 часа. Несколько большее время, потраченное для достижения требуемой величины давления, может быть связано с тем, что устройство включалось нерегулярно, т.е. длительное время не работало.

После выключения поста показания манометров демонстрировали неравномерное изменение давления в системе. В рабочем объеме и в форвакуумном насосе давление оставалось неизменным в течение ~ 2 часов, в диффузионном насосе — течение ~ 6 часов. Наблюдаемые временные диапазо-ны свидетельствуют о том, что клапаны функционируют в нормальном режиме. Повышение давления по истечении некоторого времени после выключения может быть связано с множеством других при-чин, основная из которых — отсутствие герметичности в соединительных узлах самой вакуумной системы.

Внешний вид разработанной платы представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Разработанная плата



Заключение

Разработанная электрическая схема коммутации вакуумной системы реализована с применением силовых транзисторов TL494CN и специальных микросхем серии IRFZ40. Она позволяет коммутиро-вать электрические цепи и узлы с предельными параметрами до 50 В напряжения и 10 А по току.

Испытания, проведенные в течение двух дней, показали, что схема коммутации работает ста-бильно. Время срабатывания клапанов соответствует требуемым нормам. Клапаны удерживают тре-буемое давление в период работы насосов.

Разработанная схема может быть использована при разработке источников питания со стабили-зированными выходными параметрами при решении различных технических задач.


1 Хабланян М.Х., Саксаганский Г.Л., Бурмистров А.В. и др. Вакуумная техника. Оборудование, проектирование, тех-нологии, эксплуатация. Ч.1. Инженерно-физические основы: учеб. пособие. — Казань: Изд-во КНИТУ, 2013. — 237 с.

2 Кожитов Л.В., Чиченев Н.А., Демин В.А., Златин П.А., Емельянов С.Г., Пархоменко Ю.Н., Курбатов О.К. Техноло-гическое вакуумное оборудование. Часть 1: Вакуумные системы технологического оборудования: учебник. — М.: МГИУ, 2010. — 444 с.

3 Khuanbay Ye., Makhanov K.M. The study of the structural and superconducting properties of YBaCuO films produced by la-ser ablation method. Materials Science and Engineering 81 (2015). — Р. 1–5.

4 [ЭР]. Режим доступа: http://vprl.ru/publ/tekhnologii/nachinajushhim/splan_7_0_podrobnoe_rukovodstvo/9-1-0-35. 5 Федулова А.А., Котов Е.П., Явич Э.Р. Химические процессы в технологии изготовления печатных плат. — М.: Радио

и связь, 1981. — 133 с. 6 [ЭР]. Режим доступа: http://radiokot.ru/lab/hardwork/06/. 7 Головков А.В., Любицкий В.Б. Блоки питания для системных модулей типа IBM PC-XT/AT. — М.: «ЛАД и Н», 1995. 8 Казначеев В.А., Кирюхин И.С., Перебаскин А.В. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение.

— М.: Изд. дом «Додэка-ХХ1». — 608 с.

К.М.Маханов, Е.Хуанбай, С.Редько, Е.Телман

TL494 CN микросхемасының негізінде вакуумдық жүйені коммутациялау үшін электрондық сұлбаны өңдеу

Істен шыққан ВУП-4 жəне ВУП-5 қондырғылардың бөліктері мен бөлшектерінен құрастырылған, вакуумдық постты басқару жəне коммутациялау үшін қажетті электрлік сұлба өңделді. Қоректендіру көздерін қолдан құрастыру кезінде дəстүрлі бөліктермен қатар, TL494CN сериялы арнайы микросхемаларын пайдалану мүмкіндігі көрсетілген. Ұсынылған вакуумдық құралды ғылыми-зерттеу жұмыстарында кеңінен қолдану сапасы жоғары қабыршақтарды алуға мүмкіндік береді. Өңделген коммутациялық платаны тестілік сынау нəтижелері оң нəтижелер көрсетті.

K.M.Makhanov, E.Khuanbay, S.Redko, E.Telman

Development of an electronic switching circuit of the vacuum system based on the chip TL494 CN

Designed electric circuit control and switching of the vacuum system of fasting, assembled from a kit of parts and pieces of failed installations VUP-4 and VUP-5. It was shown that the development of power supplies along with the traditional items can be used special chip series TL494CN. Using the data chip greatly simplifies the circuit. Using the vacuum post proposed in the scientific-research work will provide better films and coatings. Test developed by switching board showed positive results.

References

1 Hablanian M.H., Saksagansky G.L., Burmistrov A.V. et al. Vacuum technique. Equipment, design, technology, operation. Part 1. Engineering physics fundamentals: study guide. Kazan: Publ. house of KAZAN national research technological University, 2013, 237 p.


Серия «Физика». № 2(82)/2016 87

2 Kozhitov L.V., Chichenev N.A., Demin V.A., Zlatin P.A., Emel'yanov S.G., Parkhomenko Y.N., Kurbatov O.K. Vacuum technological equipment. Part 1: Vacuum systems of technological equipment: a textbook, Moscow: MSIU, 2010, 444 p.

3 Khuanbay Ye., Makhanov K.M. The study of the structural and superconducting properties of YBaCuO films produced by laser ablation method. Materials Science and Engineering 81 (2015), р. 1–5.

4 [ER]. Access mode: http://vprl.ru/publ/tekhnologii/nachinajushhim/splan_7_0_podrobnoe_rukovodstvo/9-1-0-35. 5 Fedulova A.A., Kotov E.P., Yavich E.R. Chemical processes in the technology of manufacturing printed circuit boards,

Moscow: Radio and communication, 1981, 133 p. 6 [ER]. Access mode: http://radiokot.ru/lab/hardwork/06/. 7 Golovkov V.A., Lubitsky V.B. Power supplies for system modules such as the IBM PC-XT/AT, Moscow: «Mr. TWIST»,

1995, 90 p. 8 Kaznacheev V.A., Kiryukhin S.I., Barebackin A.V. Circuits for switching power supplies and their application, Moscow:

Publ. house «Dodeca-XX1», 608 p.


Памяти ученого

7 апреля 2016 г. после продолжительной тяжелой болезни скончал-ся научный редактор серии «Физика» научного журнала «Вестник Кара-гандинского университета» профессор Кусаиынов Каппас Кусаиынович. Жизнь известного ученого, доктора технических наук была неразрывно связана с физико-техническим факультетом Карагандинского государственного университета им. Е.А.Букетова, где К.К.Кусаиынов преподавал, заведовал кафедрой, занимался научными исследованиями, руководил научным журналом.

Высокий профессионализм, безупречная педагогическая деятель-ность, самоотверженный труд и значимые результаты научно-исследовательской работы профессора К.К.Кусаиынова внесли большой вклад в становление Карагандинского государственного университета имени Е.А.Букетова.

Каппас Кусаиынович Кусаиынов родился в селе Сарыжыра Вос-точно-Казахстанской области 21 октября 1949 г. В 1974 г. окончил Казахский государственный университет им. С.М.Кирова. В 1978 г., после окончания очной аспирантуры, был направлен на рабо-ту в Карагандинский государственный университет. Трудовую деятельность начал преподавателем кафедры общей физики. В 1979 г. защитил кандидатскую, а в 1999 г. — докторскую диссертацию. Работал в должностях доцента, профессора кафедры теплофизики, директора Института физики КарГУ. С 2003 г. возглавлял кафедру инженерной теплофизики им. профессора Ж.С.Акылбаева. В 1996 г. был избран действительным членом-корреспондентом инженерной академии РК, продолжительное время работал ученым секретарем Диссертационного совета, являлся членом Координационного со-вета ВАК РК по теплоэнергетике, ученым секретарем экспертного совета по физике и энергетике Ко-митета по контролю в сфере образования и науки МОН РК, членом редакционной коллегии научного журнала «Eurasian Physical Technical Journal», с 2008 г. — научным редактором серии «Физика» жур-нала «Вестник Карагандинского университета».

К.К.Кусаиынов — высококвалифицированный специалист в области теплофизики, теплотехни-ки, аэродинамики и электрогидравлических явлений в гетерогенных средах. Под его руководством была разработана и создана система аппаратуры для очистки труб и пучков труб теплообменников «Искра», «Искра-ОТТ», «Искра-М», широко известная на постсоветском пространстве.

Профессор К.К.Кусаиынов поддерживал тесные научные связи с ведущими научными центрами России, Украины, Германии. Под его руководством подготовлены 1 доктор наук, 7 кандидатов наук, 2 доктора PhD и более 20 магистров. За время работы в университете он опубликовал более 350 на-учных трудов, среди них 4 монографии, учебники, учебные пособия. К.К.Кусаиынов автор 17 изобретений, запатентованных в Казахстане, США, Японии, России. Он являлся инициатором и организатором проведения девяти научных международных конференций «Хаос и структуры в нели-нейных системах» в Казахстане.

К.К.Кусаиынов дважды становился обладателем республиканского гранта «Лучший преподава-тель вуза», награжден почетными грамотами Министра образования и науки РК, грамотами акима Карагандинской области, нагрудными знаками «Почетный работник образования РК», «Заслуженный работник КарГУ».

Редакционная коллегия журнала «Вестник Карагандинского университета», серия «Физика», выражает глубокие соболезнования семье, родным и близким в связи с безвременной кончиной про-фессора К.К.Кусаиынова.

Серия «Физика». № 2(82)/2016 89

АВТОРЛАР ТУРАЛЫ МƏЛІМЕТТЕР СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ INFORMATION ABOUT AUTHORS

Akhmadiyev, B.A. — Senior lecturer, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Akhmetova, A.K. — Undergraduate, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Akylbekov, A.T. — Doctor of physical and mathematical sciences, Professor, Dean, L.Gumilyov Eurasian National University, Astana.

Bagdatova, S.B. — Undergraduate, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Baltabekov, А.S. — PhD, Senior lecturer, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Ganyukova, А.А. — Senior lecturer, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Ibragimov, А. — Undergraduate, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Ibrayev, N.Kh. — Doctor of physical and mathematical sciences, Professor, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Ilyassov, B.R. — PhD students, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Karabekova, D.Zh. — PhD students, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Khassenov, A.K. — PhD, Senior lecturer, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Khuanbay, E. — Candidate of physical and mathematical sciences, Senior lecturer, Karaganda State Tech-nical University.

Koketai, Т.А. — Doctor of physical and mathematical sciences, Professor, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Kuritnik, I.P. — PhD, University of Bielsko-Biala, Poland.

Kurmangaliyev, A.Sh. — Undergraduate, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Kussayinov, K. — Doctor of technical sciences, Professor, Head of department, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Lushchik, А.Ch. — Doctor of physical and mathematical sciences, Professor, Head of Laboratory, Institute of Physics, University of Tartu, Estonia.

Makhanov, K.M. — Candidate of physical and mathematical sciences, Docent, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Murzalinov, D.O. — PhD students, L.Gumilyov Eurasian National University, Astana.

Mussenova, E.K. — Candidate of physical and mathematical sciences, docent, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Nurgaliyeva, Zh.G. — Senior lecturer, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Nussupbekov, B.R. — Dean, Candidate of technical sciences, Associate professor, Ye.A.Buketov Karagan-da State University.

Ospanova, G.T. — Student, K.Zhubanov Aktobe Regional State University.

Redko, S. — Undergraduate, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Ryzhykh, Yu.N. — Candidate of physical and mathematical sciences, Scientific Research Tomsk State Uni-versity, Russia.

Seldyugaev, O.B. — Candidate of chemical sciences, Associate professor, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Сведения об авторах


Sergeyev, D.M. — Candidate of physical and mathematical sciences, Associate professor, Military Institute of Air Defense Forces, K.Zhubanov Aktobe Regional State University.

Serikov, T.G. — PhD students, Karaganda State Technical University.

Shaimerdenova, G.M. — Candidate of technical sciences, Associate professor, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Shunkeyev, K.Sh. — Doctor of physical and mathematical sciences, Professor, K.Zhubanov Aktobe Re-gional State University.

Shuyushbayeva, N.N. — PhD, Researcher, Sh.Ualikhanov Kokshetau State University.

Stepanova,Yu.O. — Engineer, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Tanasheva, N.K. — PhD, Senior lecturer, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Telman, E. — Student, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Toregеldin, M.M. — Candidate of technical sciences, Associate professor, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Tussupbekova, А.K. — Master of Physics, Senior lecturer, Ye.A.Buketov Karaganda State University.

Yakubova, M.Z. — Doctor of technical sciences, Professor, Almaty University of Power Engineering and Telecommunications, Almaty.

Zhumakhan, А.O. — Student, K.Zhubanov Aktobe Regional State University.

Титул ИСПР - ksu.kzСерия «Физика». № 2(82)/2016 5 МАЗМҰНЫ...

Documents