prof. Ing. Jaroslav Král, CSc.
Je to už dávno, přes půl století. Tenkrát na katedře jaderných reaktorů dva studenti, pak mladí inženýři a asistenti, vedení Ladislavem Drškou, věnovali velkou část své odborné aktivity otázkám spojeným s fyzikou a technikou plazmatu. Motivací byla vidina nového zdroje energie,spoutaného horkého plazmatu, v němž se při srážkách a slučování vodíkových jader uvolňuje jaderná energie. Bylo to téma, kterému se věnovali fyzici a inženýři v mnoha laboratořích na celém světě. Vznikala mnohá různá experimentální zařízení, vytvářející horké plazma (i když někdy vlastně ani nešlo o plazma o vysoké teplotě) a měřily se jeho parametry a výstup neutronů z uskutečněných procesů. A zjišťovalo se také, že už jenom spoutat plazma po dobu potřebnou k uskutečnění dostatečného množství termonukleárních srážek nebude nijak snadné. Ale přesto, nemýlím-li se příliš, ve vzduchu byla představa, že v horizontu několika desítek let se to podaří. S tím, vedle vlastní fyziky plazmatu, byly a jsou spojeny mnohé technické problémy, jak vytvořit prostředí pro takové plazma, jak a čím je udržet a ohřát, jak pracovat s obláčkem látky o teplotě mnoha milionů až miliardy kelvinů, vyzařujícím vedle elektromagnetického záření i mohutný tok částic, neutronů i jader různého druhu, atd. Byla (a vlastně stále to je) veliká výzva a my jsme nechtěli stát zcela stranou. Snad jsme byli naivní, ale řešit aspoň některé z těch problémů bylo tak zajímavé.
A tím, nebo spíš něčím ztoho, jsme se zabývali ve čtvrtém patře budovy číslo 10 v Křemencově ulici na Starém Městě pražském, kde v tu dobu sídlila katedra jaderných reaktorů, naproti staré známépivnici U Fleků. Nám spřízněnou duší byl Zdeněk Češpíro z katedry fyzikální elektroniky, vakuář sídlící v hlavní budově fakulty v Břehové 7. U něj jsme se seznamovali s vakuovou technikou. V tomto složení jsme začali připravovat experimentální zařízení, na němž bychom mohli připravovat ionty s energiemi, odpovídajícími energiím iontů termonukleárního plazmatu, a to jednak pro studium srážkových procesů, jednak pro technické řešení injektoru iontů do magnetické nádoby. Přinášelo to spoustu starostí, ale nakonec se podařilo, že v ÚJF v Řeži ve vymezeném místě v hale vedle cyklotronu jsme začali stavět naši aparaturu. Tedy, v podstatě šlo jen o vakuovou aparaturu, v níž bychom se dostali do oblasti tlaků kolem 10-5 torr (≈10-3 Pa). Tedy nic moc. Ale ani to se neobešlo bez problémů, zejména kvůli kvalitě materiálu, z něhož byla hlavní komora svařena. Ale když jsme úspěšně absolvovali fázi ucpávání netěsností, dostavil se očekávaný výsledek. Stavět aparaturu v Řeži bylo ovšem nejen dost nepohodlné, ale i náročné na strávený čas. Tak jsme se v polovině šedesátých let přesunuli z Řeže do Prahy, do staré budovy ČVUT v Husově ulici č. 5, kde po výstavbě nových budov ČVUT v Dejvicích zůstaly volné prostory po Elektrotechnické fakultě. Významná pro nás byla zejména bývalá zkušebna elektrických strojů, poměrně velká hala, z níž jsme mohli asi jednu polovinu obsadit našimi stroji, když jsme z ní vyklidili nějaké zbytky do druhé poloviny. Uvolnily se i nějaké místnosti v přízemí, takže jsme se do budovy v Husově ulici mohli přestěhovat úplně. Tam jsme konečně mohli postavit naše „Áčko“– a dokonce s využitím některých strojů po FEL si pro ně připravit elektrické napájení – a konečně začít i některá první měření na iontovém zdroji – von Ardeneho duoplasmatronu zakoupeném v NDR. V tu dobu jsme už získali pro spolupráci Oldřicha Turka, elektrotechnika – silnoproudaře, a zkušeného mechanika Jiřího Kříže.
Nutno poznamenat, že náš pobyt v Husově ulici byl důkladnou zkouškou našeho zaujetí pro vytčenou cestu, a to především v zimě. V hale sice byla stará plynová kamna, ale plyn už tam nebyl. Opatřili jsme si a nainstalovali naftové agregáty pro vytápění autobusů. Vyrobené teplo bylo ovšem nutno udržet, a to byl další problém. Zejména velké dveře (spíše vrata) na dvůr už dávno netěsnily a velká stará okna na tom nebyla o mnoho lépe. Proto jsme halu v polovině přepažili „závěsy“ z plastových folií od stropu až po podlahu, abychom tak snížili únik tepla z té „naší“ poloviny. A bylo to znát. Samozřejmě už kvůli spotřebě nafty jsme nemohli topit trvale, takže ráno bývalo v „naší laboratoři“ zima. Aby se přesto dalo přes zimu v laborce něco dělat, muselo se denně od rána topit, aby to bylo odpoledne snesitelné.
V tu dobu jsme také část svého času věnovali práci na počítači. Tedy, zpočátku spíš pro počítač. Když začala stavba výpočetního centra v Horské, účastnili jsme se i hloubení jámy pro chladicí systém. On Ural-2 nebyl žádné tintítko; stovky elektronek v zasklených skříních v něm při práci blikaly a řada zařízení kolem něj měla nějakou spotřebu energie, kterou bylo třeba odvést, aby se to neupeklo. Vždyť dělal pět tisíc operací za sekundu a spolu s příslušenstvím dokázal zvládnout i zajímavé výpočty. Programy jsme si připravovali sami, spolu s aspirantem, který nás účinně doplňoval. Současně se zkušenostmi s „Áčkem“ začala příprava na větší a lepší „Béčko“, které šlo ještě v šedesátých letech do výroby. A pokud to šlo, objednávaly se stroje a přístroje i kvalitní materiály pro další vylepšování experimentálního vybavení laboratoře.
V té době došlo ke změně, která od základu ovlivnila další vývoj. Ladislav Drška odešel do Edmontonu, odkud se vrátil Martin Setvák a ujal se vedení týmu. Z Ameriky a Kanady přinesl myšlenku iontové implantace a celé naše zaměření se přesunulo od více fyzikálních cílů do oblasti aplikace. Skupina byla převedena na katedru fyzikální elektroniky s podporou prof. Kvasila. Cílem se stalo zařízení pro implantaci iontů do polovodičů. Vlastně se tím pro nás moc nezměnilo, jen se přehodila výhybka. Martin Setvák připravoval koncepci nové aparatury, kolega Zbyněk Hůlek sbíral během dvouletého pobytu v CERNu zkušenosti s vakuovou technikou a cenné kontakty s výrobci vakuových zařízení a já jsem měl na starosti vývoj zdroje iontů různých prvků potřebných pro implantaci do polovodičů. Mnoho materiálního vybavení jsme měli z dosavadní práce. Elektrotechnická fakulta nám uvolnila zbytek prostoru, halu jsme ještě poněkud zušlechtili a na velké upínací desce, na které byly dříve asi upínány elektrické stroje, jsme začali stavět nové zařízení. Původnímu Áčku byla přidána magnetická hmotnostní separace a po studiích na von Ardeneho duoplasmatronu se tu rodil nový zdroj iontů pro iontovou implantaci. Naši skupinu doplnil mechanik a elektronik Zdeněk Škutina a řada studentů u nás dělala své práce, kterými také doplňovali přístrojové vybavení laboratoře. A již v roce 1974 jsme mohli nabídnout implantaci iontů bóru a fosforu. Navázali jsme kontakty s řadou externích pracovišť. Při svých kontaktech s výrobci polovodičů jsme svými zkušenostmi podpořili přijetí iontové implantace jako technologie pro výrobu polovodičových prvků a integrovaných obvodů.
Schopni provádět iontové implantace jsme nezůstali jen u polovodičů, ale přešli jsme i na další pevné materiály. V případě kovů to nepřineslo problémy, ale v případě izolantů se objevily nové potíže a problémy, ale postupně se vynořily také nové a zajímavé aplikace, kterými se zabýváme dodnes.
Pro poznání vlastností povrchové vrstvy materiálu, modifikovaného ozářením ionty, je třeba výsledek implantace podrobit studiu různými metodami. Jak se povedla implantace do křemíku, nám pověděli kolegové z externích pracovišť, pro které jsme implantaci provedli. Ostatně, opakovali jsme, co již jinde úspěšně dělali. Pro praxi to mělo význam, ale pro pochopení procesů v implantované vrstvě a na povrchu je třeba znát mnohem víc. Některé metody studia povrchu a povrchové vrstvy jsou opět aplikacemi fyziky interakce iontů s pevnou látkou. K jejich aplikaci jsme měli relativně blízko. A tak ještě v polovině sedmdesátých let jsme se začali zabývat analýzami povrchů iontovým svazkem. První, kterou jsme experimentálně zkoušeli a uvedli do provozu, byla hmotnostní analýza sekundárních iontů – SIMS. Ve spolupráci s Teslou VÚVET jsme se pak podíleli na vývoji prvního profesionálně vyrobeného zařízení SIMS, které potom řadu let pracovalo v Akademii věd. Další metody přišly na řadu s přestěhováním fakulty do nového objektu v Troji, kde naší skupině připadla experimentální hala pod laboratoří van de Graaffova urychlovače. Z iniciativy Martina Setváka, v té době proděkana pro výstavbu, byly tyto dva prostory propojeny svislou dírou, aby do naší laboratoře mohl být přiveden svazek protonů nebo heliových iontů od urychlovače z horní haly. A pak už přišla etapa přípravy a stavby zařízení, v němž by mohly být realizovány metody využívající lehké ionty o energii řádu MeV. V té době s námi pracovalo na své dizertaci několik aspirantů.
Iontovou implantaci jsme však neopustili, jenom po přestěhování do stávajících prostor byla aparatura poněkud rekonstruována. Vedle toho ve spolupráci s Vysokou školou technickou v Košicích a podnikem VÚKOV v Prešově byla již v prostorách v Troji navržena, vyvinuta a postavena aparatura pro iontovou implantaci do kovů s parametry blízkými parametrům zařízení PIMENTO postavenému v Harwellu. Tuto aparaturu ještě koncem osmdesátých let převzalo pracoviště Košické techniky zaměřené na modifikaci a studium kovových povrchů.
Je jisté, že kompletní práce s materiálem modifikovaným rychlými ionty nemůžeme obsáhnout možnostmi našeho pracoviště sami, ale můžeme dnes kolegům zjiných oblastí fyziky a techniky nabídnout spolupráci na zařízeních, která v Česku jinde nenajdou. Doufám, že tím přispějeme i k rozvoji nových technologií, neznámých v době, kdy nás motivovala představa termonukleárního reaktoru.
prof. Ing. Jaroslav Král, CSc.
prof. Ing. Miroslava Vrbová, CSc.
Psal se rok 1977, část skupiny prof. K. Hamala byla zaměřena na výzkum transversálně excitovaného CO2 laseru, pracujícího při atmosférickém tlaku, známého pod zkratkou TEA CO2 laser. V laboratoři ve třetím patře budovy FJFI v Břehové ulici (nad pracovnou doc. J. Resla) postavila doktorantka Ing. M. Pospíšilová snad největší laser v ČR. Objem aktivního prostředí cca 5 litrů byl vytvářen doutnavým výbojem mezi dvěma elektrodami Rogowského profilu asi 0,5 metru dlouhými a 10 cm širokými. Doutnavý výboj při atmosférickém tlaku je podle slov Ing. Pospíšilové „násilím na přírodě“ a může nastat jen, když je prostor dobře předionizován a k elektrodám připojeno napětí vyšší než 100 kV, v tomto případě 250 kV získané ze třístupňového Marxova generátoru umístěného ve „vaně“ s 200 l oleje proti „sršení“ a tím sníženo napětí na elektrodách laseru. Elektrody byly umístěny v plexisklové komoře plněné směsí oxidu uhličitého, helia a dusíku. Zrcadla, tvořící optický rezonátor v hemisférickém uspořádání měla průměr cca 10 cm, totálně reflexní bylo zlaté s poloměrem křivosti 10 m a druhé (polopropustné) z monokrystalu germania. Pracovní skupina byla na tento unikátní laser velmi hrdá, zejména když se ukázalo, že máme na světě nejvyšší výtěžek energie z jednotky objemu.Snažili jsme se tento systém dále optimalizovat a využít pro generaci laserového plazmatu. Výzkumnou skupinu posílili také egypští doktorandi. Ing. M. Pospíšilová pokračovala v experimentech. Až jednoho všedního dne pečlivě vyčistila hlavici laseru, onu plexisklovou komoru, denaturovaným lihem a požádala egyptského doktoranda, aby sledoval záblesk předionizace, kterou ona spustí. První dojem Ing. Pospíšilové po spuštění byl, že na pře[1]dionizaci je „moc velké světlo“ a vzápětí nato nastal výbuch. Kolem hlavy egyptského doktoranda prolétla nejméně kilogramová příruba s germaniovým zrcadlem. Plexisklová komora byla zničena, kolíky přívodů vysokého napětí ohnuty. Okamžitě reagoval doc. Resl, vběhl do laboratoře a se slovy: „Co tu proboha děláte, nám nadskakuje strop“, uviděl tu spoušť a dva vyděšené doktorandy. Měli jsme štěstí, k úrazu v laboratoři nedošlo. Jen egyptský doktorand se definitivně rozhodl, že se dále omezí jen na teoretickou práci. Zrcadla rezonátoru však přežila a laser dostal nový „kabát“ a ještě několik let sloužil.
prof. Ing. Miroslava Vrbová, CSc.