Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
30.01.2016

Оптические свойства наночастиц ванадия в прозрачных средах на первой гармонике неодимового лазера

Радченко Кристина Анатольевна
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Аннотация: Рассчитаны зависимости коэффициентов эффективности рассеяния и поглощения от радиуса наночастиц ванадия в прозрачных средах различной оптической плотности с показателями преломления 1 (вакуум), 1.5 (гексоген), 2 (азид серебра). Значение показателя преломления среды оказывает существенное влияние на оптические свойства наночастиц. Значения максимальных коэффициентов эффективности поглощения увеличиваются с ростом оптической плотности среды, значения максимальных коэффициентов рассеяния   уменьшаются.
Ключевые слова: наночастицы ванадия, оптические свойства, показатель преломления
Электронная версия
Скачать (503.8 Kb)

Повышение безопасности промышленного производства, снижение экологических рисков и минимизация опасности технологических катастроф является приоритетной задачей современной фундаментальной науки и прикладных исследований. Необходимость все возрастающего использования взрывчатых веществ (ВВ) в промышленности (в первую очередь – добывающей и строительной) является отличительной чертой современного времени. Одним из перспективных способов повышения безопасности взрывных работ является переход к использованию оптических детонаторов на основе селективно-чувствительных к лазерному воздействию энергетических материалов, имеющих высокие пороги инициирования воздействиями другой природы (в первую очередь – ударом, электрической искрой, нагреванием) [1-3]. Инициирующие ВВ, на основе которых созданы первые оптические детонаторы [4-6], не соответствуют этому критерию. Повышенная чувствительность к лазерному импульсу неотделима от опасности несанкционированного инициирования случайными электромагнитными наводками [7, 8]. Дополнительной проблемой является быстрое снижение потребительских свойств оптических детонаторов на основе инициирующих взрывчатых веществ за счет разложения [4-7].

Для разработки современных избирательно чувствительных к лазерному излучению материалов в [9] предложено вводить в существующие прозрачные ВВ светопоглощающие наночастицы металлов. Минимальная плотность энергии инициирования взрывчатого разложения бризантных ВВ с добавками наночастиц алюминия, кобальта, никеля составляет величину порядка 1 Дж/см2, что на два порядка меньше по сравнению с чистыми прессованными таблетками данного ВВ [9-15]. Для направленного поиска новых материалов для капсюлей оптических детонаторов, проведен цикл экспериментальных исследований оптических и взрывных характеристик перспективных составов в зависимости от природы металла и матрицы, массовой концентрации и форм размерных свойств металла, модернизирована микроочаговая модель теплового взрыва [16, 17], сформулированная изначально для интерпретации закономерностей взрывного разложения инициирующих ВВ [1, 4-8]. Основные направления модернизации модели заключались в учете дополнительных теплофизических процессов [16-18] и оптических свойств наночастиц металлов [1-3, 19, 20]. В работе [3, 21] показана перспективность использования наночастиц ванадия в качестве сенсибилизирующих добавок в PETN (штатное бризантное ВВ) для создания оптического детонатора с рекордной чувствительностью к импульсу первой гармоники неодимового лазера. Цель настоящей работы: определение зависимости коэффициентов эффективности рассеяния и поглощения от радиуса наночастиц ванадия в прозрачных средах различной оптической плотности.

Задача может быть решена экспериментально. Методика определения индивидуальных оптических свойств наночастиц металлов в прозрачных матрицах на основе обработки зависимостей коэффициентов отражения и пропускания от толщины и массовой концентрации наночастиц разработана в [22, 23] и апробирована для наночастиц алюминия [22], кобальта [24] и никеля [19]. Однако существенные материальные ресурсы можно затрачивать после предварительных теоретических исследований, как это было сделано для наночастиц меди, никеля, алюминия и кобальта.

В [25] показана возможность теоретического решения данной задачи в рамках теории Ми с необходимой точностью даже в спектральном диапазоне около плазмонного резонанса. В работах [3, 10-14, 19-26] сформулирована и апробирована методика расчета оптических свойств наночастиц и нанопленок металлов. Вначале необходима интерполяция комплексного показателя преломления (mi) на необходимые в эксперименте длины волн. Следующий этап - расчет оптических свойств наночастиц при варьируемом радиусе металла, длины волны, оптической плотности матрицы (ma) [3, 10-14, 19-26]. Далее оцениваются интегральные оптические характеристики композита от перечисленных выше и геометрических параметров композита и излучения: коэффициентов отражения, поглощения и прохождения, пространственной освещенности в образце [19, 22-25]. Задача оценки показателя поглощения тонких пленок металла проще (его определяет значение мнимой части комплексного показателя преломления). Наиболее сложным и слабо доказуемым этапом является разработка кинетической модели процесса [4-8], с оценкой констант элементарных стадий процесса [27-29], и постановка комплекса экспериментальных исследований взрывных характеристик исследуемого ВВ. По данной методике оптический детонатор на основе азида серебра уже создан, и разрабатывается на основе вторичного ВВ с наночастицами алюминия [3, 9 - 14, 16 - 18], кобальта [3, 13, 24], меди [2, 30] и никеля [3, 13, 15, 19, 31].

Рис. 1. Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения от радиуса наночастиц в прозрачных средах с 1.5 и 2.

Рис. 1. Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности
поглощения от радиуса наночастиц в прозрачных средах с ma=1, 1.5 и 2.

На рис. 1 показаны рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения (Qabs) от радиуса (R) наночастиц в прозрачных средах различной оптической плотности: с ma=1 (сплошная), ma=1.5 (штрих), ma=2 (пунктир). Первое значение оптической плотности соответствует вакууму, но может использоваться и для воздушной среды при не очень больших давлениях (менее 100 атмосфер), второе – штатному бризантному (вторичному) ВВ – гексогену, третье – инициирующему ВВ – азиду серебра [4-8, 27-29]. Зависимости Qabs(R) для наночастиц ванадия, как и для ряда металлов имеет максимум (Qabsmax) при определенном радиусе наночастиц (Rma), существенно зависимом от ma. При меньших радиусах кривая спадает до нуля, при больших радиусах происходит плавное уменьшение Qabs с осцилляциями.

Значения Qabsmax существенно различаются у различных металлов и определяются значениями комплексного показателя преломления. В вакууме на первой гармонике неодимового лазера у наночастиц ванадия Qabsmax = 1.074 (сечение поглощение почти равно геометрическому) при Rma = 153.1 нм. Это значение почти в 10 раз больше, чем у благородных металлов [3, 30], в пять – чем у алюминия [3, 10, 14, 18], существенно (до 1.5 раз) больше, чем у металлов подгруппы железа [12, 31]. Положение максимальных значений Qabs, наоборот, слабо зависит от значений комплексного показателя преломления металла и близки для различных металлов в одинаковых прозрачных матрицах.

С увеличением оптической плотности матрицы значения Qabsmax и Rma изменяются по разному: первые – увеличиваются, вторые – уменьшаются. Так для ванадия в гексогенаQabsmax = 1.594, а в азиде серебра –2.05. Радиусы наночастиц ванадия, оптимальные для поглощения первой гармоники неодимового лазера, составляют: в прозрачной матрице с ma=1.5 Rma = 95.9 нм, а с ma=2 – 66.6 нм. Необходимо отметить, что увеличение оптической плотности как правило, сопровождается увеличением коэффициентов эффективности поглощения, но для некоторых радиусов наночастицы (около 100 нм) помещение из гексогена в более плотную среду азида серебра сопровождается небольшим уменьшением сечения поглощения, так как пунктирная кривая на рис. 1. располагается при этих радиусах ниже штриховой.

На рис. 2 показаны зависимости коэффициентов эффективности рассеяния (Qsca) первой гармоники неодимового лазера от R наночастиц ванадия в прозрачных средах различной оптической плотности: с ma=1 (сплошная), ma=1.5 (штрих), ma=2 (пунктир). Зависимости Qsca(R) имеют слабо выраженный максимум (Qsca max) при радиусе наночастиц Rms. При меньших радиусах Qsca(R) спадает до нуля значительно быстрее, чем зависимости Qabs(R), что является следствием закона Рэлея.

Рис. 2. Рассчитанные зависимости коэффициентов преломления от радиуса наночастиц ванадия в прозрачных средах с 1.5 и 2.

Рис. 2. Рассчитанные зависимости коэффициентов преломления
от радиуса наночастиц ванадия в прозрачных средах с ma=1, 1.5 и 2.

Координаты экстремума зависимости Qsca(R) наночастиц ванадия в вакууме составляют: Qscamax = 2.313 и Rma = 186.1 нм. Эти значения существенно больше соответствующих характеристик поглощения. Однако увеличение оптической плотности (до 1.5 - гексоген) приводит к значительному уменьшению (в отличии от зависимости Qabs(R)) максимальных значений коэффициентов эффективности рассеяния света с длиной волны 1064 нм и радиуса ему соответствующего: Qscamax = 2.158 и Rma = 123.1 нм. Однако необходимо отметить, что для радиусов менее 155 нм Qsca в вакууме меньше, чем в гексогене. Эффект достаточно понятный и также является следствием закона Рэлея. Для радиусов наночастиц ванадия в гексогене больших 100 нм значения Qsca на первой гармонике неодимового лазера для аналитических расчетов можно считать постоянными. Дальнейшее увеличение оптической плотности до 2 приводит к уменьшению Qscamax до значения 1.1964. Напомним, что максимальный коэффициент эффективности поглощения с увеличением ma существенно увеличивается, поэтому в азиде серебра Qabsmax превосходит Qscamax. Эффективно возрастает радиус наночастицы, на которой наблюдается максимум (161.5 нм) – им становится положение второй осцилляции (в отличии от других рассмотренных случаев).

Следовательно: pзначения показателя преломления среды оказывает существенное влияние на оптические свойства наночастиц. Значения максимальных коэффициентов эффективности поглощения увеличиваются с ростом оптической плотности среды, значения максимальных коэффициентов рассеяния – уменьшаются, существенно изменяются оптимальные для этих характеристик геометрические параметры наночастиц. Автор выражают благодарность научному руководителю профессору А. В. Каленскому.

Список литературы:

1. Ananyeva M. V., Kriger V. G. et al Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т.55. – №11-3. – С. 13-17.

2. Pugachev V. M., Datiy K. A. et al Synthesis of copper nanoparticles for use in an optical initiation system // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2015. – Т. 6. – № 3. – С. 361-365.

3. Ананьева М. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. – 2014. – №7. – С. 5-12.

4. Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. – 2014. – Т. 7. – № 4. – С. 470-479.

5. Ананьева М. В., Каленский А. В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра // Молодой ученый. – 2014. – №19. – С. 52-55.

6. Боровикова А. П., Каленский А. В., Зыков И. Ю.Пространственно - временные характеристики волны горения в азиде серебра // Аспирант. – 2014. – №3. – С. 37-42.

7. Каленский А.В., Ципилев В.П., Боровикова А. П. и др. Закономерности разлета продуктов взрыва монокристаллов азида серебра // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2008. – Т. 5. – № 1. – С. 11-15.

8. Каленский А.В., Кригер В.Г., Ананьева М.В. Электронные процессы в энергетических материалах в электрическом поле // Научное обозрение. – 2015. – № 13. – С. 132-137.

9. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р., Фурега Р. И. и др. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // ХФ. – 2013. – Т. 32. – № 8. – С. 39-42.

10. Kalenskii A. V., Ananyeva M. V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate - aluminium nanosystems initiated by the laser pulse // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2014. – Т. 5. – № 6. – С. 803-810.

11. Каленский А. В., Звеков А. А., Ананьева М. В. и др Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-3 (59). – С. 211-217.

12. Ананьева М. В., Каленский А. В., Гришаева Е. А. и др Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. – 2014. – №1-1 (57). – С. 194-200.

13. Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий // ЖТФ. – 2015. – Т. 85. – № 3. – С. 119-123.

14. Каленский А.В., Звеков А.А. и др Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. – 2014. – Т. 50. – № 3. – С. 98-104.

15. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Звеков А.А. и др Модификация свойств взрывчатых материалов добавками нанодисперсных энергоемких металлических частиц// Химия в интересах устойчивого развития. – 2015. – Т. 23. – № 2. – С. 183-192.

16. Адуев Б. П., Ананьева М. В., Звеков А. А. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления. // ФГВ. – 2014. – Т. 50. – № 6. – С. 92-99.

17. Kalenskii A.V., Kriger V.G., Zvekov A.A. et al The Microcenter Heat Explosion Model Modernization // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 62-66.

18. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице // Теплофизика и аэромеханика. – 2013. – Т.20. – № 3. – С.375-382.

19. Zvekov A. A., Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. et al Regularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate – nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2014. – Т. 5. – № 5. – С. 685-691.

20. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Влияние эффективности поглощения лазерного излучения на температуру разогрева включения // ФГВ. – 2012. – Т.48. – № 6. – С. 54-58.

21. Радченко К.А. Критическая плотность закономерности инициирования взрывного разложения PETN-V неодимовым лазером длительностью 12 нс // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2015. № 3 (18). С. 40-46.

22. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р., Белокуров Г. М. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. – 2014. – Т. 84. – №9. – С. 126-131.

23. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Определение оптических свойств светорассеивающих систем с помощью фотометрического шара// Приборы и техника эксперимента. – 2015. – № 5. – С. 60-66.

24. Звеков А.А., Каленский А.В., Адуев Б.П. и др. Расчет оптических свойств композитов пентаэритрит тетранитрат — наночастицы кобальта // ЖПС. – 2015. – Т. 82. – № 2. – С. 219-226.

25. Каленский А.В., Звеков А.А., Никитин А.П. и др. Особенности плазмонного резонанса в наночастицах различных металлов // Оптика и спектроскопия. – 2015. – Т. 118. – № 6. – С. 1012-1021.

26. Каленский А.В., Никитин А.П. Программный комплекс для расчета характеристик рассеяния лазерного излучения наночастицами алюминия // NovaInfo.Ru. – 2015. – Т. 1. – № 38. – С. 1-7.

27. Каленский А.В., Ананьева М.В. и др. Вероятность генерации дефектов по Френкелю при разложении азида серебра // ХФ. – 2015. – Т. 34. – № 3. – С. 3-9.

28. Каленский А. В., Ананьева М.В., Кригер В. Г. и др. Коэффициент захвата электронных носителей заряда на экранированном отталкивающем центре // ХФ. – 2014. – Т. 33. – № 4. – С. 11-16.

29. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. Релаксация электронно-возбужденных продуктов твердофазной реакции в кристаллической решетке // Химическая физика. – 2012. – Т. 31. – №1. – С. 18-22.

30. Каленский А.В., Звеков А.А., Никитин А.П. и др. Оптические свойства наночастиц меди // Известия ВУЗов. Физика. – 2015. – Т. 58. – № 8. – С. 59-64.

31. Каленский А. В., Зыков И. Ю. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген – никель // Известия ВУЗов. Физика.– 2014. – Т. 57. – № 12-3. – С. 147-151.