Клуб Бездельников. Решение задачи об интерференционном фильтре

Предыстория задачи

В инженерной практике часто встречаются изобретательские задачи, решение которых представляется абсолютно бесперспективным. Такое впечатление создается из-за того, что на пути решения встают незыблемые законы физики. В результате такая задача априори считается неразрешимой, и отвергаются любые попытки поиска решения. Но иногда случается так, что решение все-таки находится. При этом, естественно, никакие законы физики не нарушаются. Само же решение оказывается столь простым, что не укладывается в голове, почему оно не было найдено сразу же.

Так можно описать историю создания очень многих изобретений. А нахождение идеи их решения часто сравнивают с озарением.

На самом деле это не озарение, связанное с посещением изобретателя нового доселе неизвестного ему знания, а прояснение в его голове заблуждения, сложившегося в силу непостижимых законов человеческого мышления. И любопытно, что это заблуждение при попытках решения данной изобретательской задачи носит массовый характер. Этот же массовый характер носит и прозрение, которое наступает у всех после того, как кому-то вдруг приходит идея решения.

Именно с такой, казалось бы, неразрешимой задачей когда-то столкнулся Председатель. Ее он и предложил членам клуба для решения.

Протокол заседания № 6

01 февраля 2007 г.
Москва.

Присутствовали: Председатель клуба, Круг Максим, Смыслов Николай, Тучков Артур.
Повестка дня: решение задачи об изготовлении интерференционного оптического фильтра.

Стенограмма заседания Клуба

Председатель: Уважаемые господа! Сегодняшнее заседание нашего Клуба будет посвящено решению технической задачи, с которой я когда-то столкнулся в своей инженерной практике. По началу эта задача казалась неразрешимой, но в результате было найдено простое и изящное решение. Хочу предложить вам решить эту задачу. В успехе не сомневаюсь, тем более что в нашем арсенале имеется такое мощное средство поддержки поиска решений как Лингвистический Процессор. Итак, задача.

В оптических устройствах часто используются интерференционные фильтры, изготавливаемые методом вакуумного напыления. Процесс изготовления такого фильтра происходит в вакуумной камере, где на поверхность оптической детали напыляют в определенной последовательности слои из окислов различных металлов. Толщины этих слоев очень малы и измеряются ангстремами. Нужные оптические характеристики получаются при определенном, заранее просчитанном, чередовании таких слоев. При этом последний из наносимых слоев является защитным для всех предшествующих, и сам не изменяет своих свойств после извлечения фильтра из вакуумной камеры.

Процесс напыления окислов металлов заключается в следующем. В вакуумной камере на некотором расстоянии от оптической детали нагревается нужный металл до температуры, при которой он начинает испаряться. Молекулы этого металла на пути движения к оптической детали взаимодействуют с остаточным кислородом и окисляются, образуя молекулы окиси металла, которые и оседают на поверхность оптической детали. При этом в вакуумной камере поддерживается такая степень разряжения, при которой основная часть молекул металла успевает окислиться. После того, как пленка достигает нужной толщины, данный процесс останавливают и начинают испарять другой металл. Так получается многослойное оптическое покрытие, создающее интерференционный фильтр с заданными оптическими характеристиками.

Однако в технологическом процессе изготовления одного из фильтров возникла проблема. Дело в том, что у этого фильтра в слоеном "пироге" оказался слой из металла, для окисления которого требовалась несколько большая концентрация кислорода, чем для получения других слоев. Увеличить концентрацию молекул кислорода в вакуумной камере можно за счет добавления в нее некоторого дополнительного количества кислорода. Однако это приводит к тому, что начинает переокисляться предыдущий слой, чего допустить никак нельзя. Оптические характеристики фильтра будут нарушены. Итак, необходимо решение, которое позволяло бы увеличивать, а затем снова уменьшать концентрацию кислорода в вакуумной камере без нанесения вреда напыляемым слоям фильтра.

Круг Максим: А почему бы не нанести дополнительный слой, который защитил бы предыдущий от излишнего окисления. Например, такой же, как последний слой в этом светофильтре.

Председатель: Действительно, это первое, что приходит на ум. Но любой дополнительный слой изменит конструкцию фильтра и нарушит его оптические характеристики. Поэтому такой вариант отпадает.

Смыслов Николай: В данной задаче налицо тупиковая ситуация, для разрешения которой как раз и предназначен Лингвистический Процессор. При этом тупик можно описать двумя способами.

Тупик номер один: с одной стороны требуется увеличивать концентрацию кислорода в камере для нанесения следующего слоя, с другой стороны, этого делать нельзя, так как будет испорчен предыдущий слой.

Тупик номер два: для защиты уже нанесенного слоя необходим дополнительный защитный слой, но его наносить нельзя, так как будут искажены оптические характеристики фильтра.

Председатель: Совершенно верно! Именно эти тупиковые ситуации создали в то время впечатление о неразрешимости проблемы. Но именно эти логические тупики являются ключевыми для использования Лингвистического Процессора. Артур, слово за вами.

Тучков Артур: Наличие сразу двух вариантов противоречий существенно сокращает область поиска и позволяет получить достаточно конкретные рекомендации.

Что касается необходимости и недопустимости введения дополнительного защитного слоя, то ЛП рекомендует использовать переходные состояния. На этот счет в его базе знаний имеется подходящий пример.

Пример из базы знаний Лингвистического Процессора:

"Для защиты поверхности подводного крыла от кавитационного разрушения, возникающего при большой скорости движения воды относительно крыла, предложено намораживать на его поверхность защитный слой льда, который при снижении скорости и отключении холодильника снова превращается в воду".

Относительно противоречия, связанного с необходимостью и невозможностью увеличения концентрации кислорода рекомендуется разнести этот процесс во времени.

Поскольку речь идет о процессе нанесения второго слоя, то такое разделение во времени может выглядеть следующим образом. Часть процесса нанесения второго слоя осуществляется при исходной концентрации кислорода, а другая его часть при более высокой концентрации. Таким образом, второй слоя окажется двойным, т.е. состоящим из недоокисленного и окисленного металла.

Смыслов Николай: В связи со сказанным возникает вопрос: что будет, если часть второго слоя окажется недоокисленной?

Председатель: В этом случае будет нанесен лишний слой из недоокисленного металла, что также исказит оптические характеристики фильтра.

Круг Максим: Господа, далее все элементарно! Мы знаем, что Николай большой любитель всяческих церемоний. Он уже понял, как решить задачу, но очевидно хочет растянуть удовольствие.

Смыслов Николай: Действительно, после зачитанных Артуром рекомендаций до идеи решения задачи оставался один шаг, потребовавший некоторых уточнений. После того, как они были получены, могу высказать предположение о решении проблемы.

Итак, защитный слой необходим, но в качестве такого слоя надо использовать не какой-то новый слой, а следующий, предусмотренный технологией. Но только его надо наносить не при повышенной концентрации кислорода, как этого требует технологический процесс, а при неизменной концентрации кислорода. Тогда мы получим слой из недоокисленного металла. Он же на этом этапе будет и защитным. Далее, прекратив испарение металла, необходимо увеличить концентрацию кислорода в вакуумной камере, и дождаться пока этот слой не окислится до нужного состояния. После чего продолжить процесс напыления второго слоя до достижения им нужной толщины. А далее можно снова уменьшать концентрацию кислорода и наносить следующие слои согласно технологии.

Тучков Артур: Есть небольшое уточнение. Думаю, что предварительный, он же, защитный слой, о котором сказал Николай, нужно наносить минимально возможной толщины, чтобы сократить время его доокисления.

Хочу также заметить, что это решение устраняет сразу оба противоречия, которые были сформулированы в начале нашей беседы.

Председатель: Ну что же, вы великолепно справились с решением этой, казалось бы, тупиковой проблемы, в которой одновременная необходимость и недопустимость защитного слоя представлялись абсурдными. Хочу подчеркнуть, что с помощью Лингвистического Процессора у нас на поиск идеи решения ушло не более часа, в то время как технологи бились над этой задачей больше года. Поздравляю вас!

Объявляю заседание нашего Клуба закрытым. До новых встреч!

Все заседания Клуба

Л. Королева-Мунц, А. Барышников
В поискеи идей использованы:
Лингвистический процессор
Cистема IdeaFinder+