Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
25.08.2016

Оптические свойства наночастиц ванадия в PETN на длинах волн 532 нм, 632.8 нм, 694.3 нм.

Радченко Кристина Анатольевна
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Аннотация: В работе рассчитаны оптические свойства наночастиц ванадия в PETN на длинах волн неодимового, гелий-неонового и рубинового лазеров. На второй гармонике неодимового лазера при больших радиусах наночастиц (~270 нм) отношение рассеянной назад и вперед относительно первоначального направления распространения света энергии составляет величину около 40, в то время как на других рассмотренных видах лазеров эта величина немного больше 10. При уменьшении используемой длины волны уменьшается радиус наиболее поглощающей наночастицы с незначительно изменяемыми коэффициентами эффективности поглощения. Данное явление можно использовать для оптимизации рабочего источника инициирования оптического детонатора с капсюлем на основе PETN.
Ключевые слова: наночастицы ванадия, PETN, коэффициент эффективности поглощения и рассеяния
Электронная версия
Скачать (761.9 Kb)

Одной из важнейших и интенсивно исследуемых задач является неразрушающий контроль состава функциональных материалов, используемых для различных прикладных и исследовательских целей. Неразрушающий контроль необходим в большей степени для анализа качества возможных смесевых составов, используемых в качестве материала капсюля оптического детонатора, созданного на основе прозрачной матрицы взрывчатого вещества (ВВ) и наночастиц металлов [1]. Переход к бесконтактным методам инициирования кардинально повысит безопасность использования ВВ в горнодобывающей промышленности и строительстве. Преимуществом использования бризантных ВВ перед инициирующими является высокая стабильность перед различными видами воздействия [1,2], которые могут реализоваться при совершении проходческих работ: повышенная температура, влажность, случайная электрическая искра, трение и т.д. Предпочтительное использование детонаторов на основе нанокомпозитов PETN-наночастицы металлов заключается в широком спектральном диапазоне эксплуатации, который можно варьировать при помощи наночастиц различной природы и размеров [3, 4].

Ванадий нашел широкое применение в металлургической промышленности, относится к так называемым «успокоителям стали», так как обладает способностью образовывать нитриды, связывая растворенный в стали азот. Добавка ванадия к чугунам повышает их сопротивление разрыву и твердость. В качестве катализатора ванадий используется для производства серной кислоты, заменив тем самым дорогостоящую платину. В работах [5, 6] предлагается использовать наночастицы ванадия в качестве катализатора и сенсибилизатора фотоиндуцированных процессов бесконтактного инициированного взрывного разложения.

В качестве возможных источников оптических методов неразрушающего контроля состава композитов PETN-V были выбраны неодимовый, гелий-неоновый и рубиновый лазеры. Данные источники излучения взяты из соображений возможности экспериментальной проверки рассчитанных параметров: устойчивой формы, длительности и энергии в единичном импульсе.

Для уменьшения рисков при поиске оптимального состава капсюля оптического детонатора PETN – с наночастицами металлов предпочтительно вначале использовать методы математического моделирования процессов [7, 8], происходящих в исследуемых образцах при варьировании различных параметров: радиус наночастиц (R) и длина волны излучения (λ) [2- 5, 9]. В работах [9-12] показано, что для описания существующего массива данных по инициированию составов PETN – наночастицы металлов импульсом лазера хорошо зарекомендовала себя микроочаговая модель теплового взрыва. Основная идея модели состоит в том, что наночастицы, поглощая излучения, нагреваются, передавая запасенную энергию в матрицу ВВ, вызывая ее взрыв. Целью настоящей работы является теоретический расчет оптических свойств наночастиц ванадия в конденсированной матрице PETN на длинах волн 532, 632.8 и 694.3 нм для создания теоретических основ оптических методов контроля данных составов.

В качестве рабочей модели для расчета оптических свойств выбрана теории Ми, используемая в работах [12-14]. Непосредственно из теории можно рассчитать коэффициенты эффективности поглощения (Qabs) и рассеяния (Qs). Коэффициент эффективности поглощения рассчитывается как их разность. В данной работе логично начать с процессов поглощения, так как они более простые, нежели рассеяния, которые характеризуются не только абсолютной величиной коэффициента, но и направлением рассеянного света (индикатрисой).

Методика расчета оптических свойств наночастиц и используемый пакет прикладных программ приведены в [14, 15]. Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения от радиуса наночастиц ванадия в интервале от 20 нм до 200 нм представлены на рисунке 1. Характер поведения кривых одинаков: все они имеют основной максимум, которому соответствует включение с радиусом Ra max. При уменьшении радиуса кривая резко спадает (по закону Релея), а при увеличении размеров наночастиц спад происходит медленней, с последующим выходом на стационар.

Рисунок 1. Зависимости Qabs(R) наночастиц ванадия в матрице PETN при действии излучений с длинами волн, указанными в легенде.

Рисунок 1. Зависимости Qabs(R) наночастиц ванадия в матрице PETN
 при действии излучений с длинами волн, указанными в легенде

Исследуемый диапазон актуальных радиусов выбран в связи с тем, что разработаны как химические, так и физические методы синтеза, максимум распределения которых попадает в данный диапазон. На рисунке 1 интервал размеров наночастиц 20÷200 нм, так как основным параметром, интересующим нас, является экстремум, определяющий максимальное поглощение. Можно заметить, что при уменьшении длины волны абсолютное значение максимумов практически не меняется: 1.6982, 1.7179, 1.7136. Из исследованных в нашей лаборатории металлов подобные аномалии наблюдаются для наночастиц алюминия [3] и вольфрама [16]. Для никеля [17], кобальта [18, 19], олова [20], хрома [21], меди [22, 23], серебра [24] и золота [25] уменьшение длины волны сопровождается существенным (для меди, серебра и золота – многократным) увеличением коэффициента эффективности поглощения. Радиус наночастиц с максимальным значением Qabs (Ramax) при этом уменьшается для наночастиц всех металлов [16-25]. На ванадии этот параметр ведет себя традиционно: Ramax уменьшается от 64 нм на рубиновом лазере, до 48 нм на второй гармонике неодимового лазера. В зависимости от гистограммы распределения частиц по размерам в реальном синтезе наночастиц, этот факт может служить основанием для выбора оптимального источника излучения [22].

Переходя к процессу рассеяния света на наночастицах, заключенных в конденсированную прозрачную матрицу с известным показателем преломления, следует вести речь не только об абсолютной величине коэффициента эффективности рассеяния (Qs532 для λ = 532 нм, Qs632.8 для λ = 632.8 нм и Qs 694.3 для λ = 694.3 нм), но и о направлении, в котором свет рассеивается. За критерий, характеризующий индикатрису рассеяния, возьмем отношение интенсивности света, отраженного в сторону источника излучения, к интенсивности излучения, прошедшего в прямом направлении (TmP 532 для длины волны 532 нм, TmP 632.8 для длины волны 632.8 нм и TmP 694.3 для длины волны 694.3 нм). В таблице 1 приведены рассчитанные характеристики рассеяния, для различных лазеров, на наночастицах ванадия с радиусами 20÷270 нм.

Таблица 1. Зависимости коэффициентов эффективности рассеяния и отношение интенсивностей света, рассеянного назад к прошедшему в прямом направлении, для актуальных радиусов наночастиц

R, нм

Qs532

TmP532

Qs632.8

TmP 632.8

Qs 694.3

TmP 694.3

20

0.0554

1.0127

0.0258

1.0032

0.0172

1.0004

30

0.3067

1.0301

0.1419

1.0124

0.0942

1.0069

40

0.9216

1.0321

0.4682

1.0214

0.3169

1.0172

50

1.5998

1.0048

1.0364

1.0146

0.7584

1.0201

60

1.8574

0.9856

1.5731

0.9890

1.3121

1.0050

70

1.8266

1.0529

1.8052

0.9701

1.6998

0.9801

80

1.7803

1.2951

1.8081

1.0034

1.8219

0.9728

90

1.8129

1.7159

1.7578

1.1426

1.7964

1.0211

100

1.8670

2.1681

1.7506

1.4212

1.7501

1.1656

110

1.8765

2.6407

1.7914

1.7924

1.7451

1.4266

120

1.8527

3.4168

1.8323

2.1647

1.7807

1.7643

130

1.8349

5.0819

1.8407

2.5576

1.8199

2.1060

140

1.8372

8.8962

1.8242

3.1337

1.8342

2.4509

150

1.8438

14.5750

1.8060

4.1818

1.8238

2.9021

160

1.8390

12.3072

1.8008

6.2489

1.8053

3.6412

170

1.8259

7.9749

1.8062

10.1795

1.7939

4.9766

180

1.8160

6.7441

1.8105

14.2754

1.7942

7.4682

190

1.8132

7.5584

1.8066

12.2368

1.8000

11.5616

200

1.8118

9.8563

1.7968

8.5357

1.8023

14.3685

210

1.8062

11.9523

1.7876

6.9434

1.7977

11.8017

220

1.7978

11.3376

1.7833

6.9772

1.7887

8.5484

230

1.7910

9.9401

1.7823

8.2210

1.7803

7.0608

240

1.7873

10.2855

1.7806

10.3270

1.7758

6.9522

250

1.7842

14.3270

1.7761

11.9749

1.7745

7.8772

260

1.7794

28.0352

1.7696

11.6404

1.7736

9.6243

270

1.7734

39.6864

1.7638

10.3897

1.7706

11.4707

Значения коэффициентов эффективности рассеяния быстро растут для R < 60 нм. Так, для второй гармоники неодимового лазера увеличение Qs для наночастиц радиусом от 20 нм до 60 нм составляет ~ 33 раза, для гелий-неонового – 60 раз, а для рубинового – 76. С дальнейшим увеличением радиусов наночастиц ванадия коэффициент эффективности рассеяния практически не меняется, выходя на плато, максимальное изменение изменения в котором для каждого из источников излучения, в порядке возрастания длины волны, составляют величины 5.8%, 5.2% и 7.9% соответственно. Значение отклонения колебаний коэффициентов эффективности рассеяния для рубинового лазера несколько больше чем для других лазеров, так как обладая большей длиной волны, рост Qs 694.3 продолжается и для больших размеров наночастиц, до 70 нм. После 70 нм происходит выход на плато, аналогичный случаю с другими источниками излучения, с отклонением 5.1%.

Основной интересующий нас параметр в данной таблице – отношение интенсивностей света отраженных назад и вперед. Отклонение света назад относительно первоначального направления приводит к увеличению коэффициента отражения (свет выходит через переднюю грань). На основе этого явления можно создать методику неразрушающего контроля качества композитов PETN-V. Для радиусов наночастиц 70, 90 и 100 нм, при действии света с длинами волн 532, 632.8 и 694.3 нм соответственно, излучение рассеивается с одинаковой интенсивностью как в прямом, так и в обратном направлениях (TmP≈1). Преобладающим направлением становится обратное на больших радиусах включений. Так, при увеличении размеров наночастиц на 10 нм от «одинакового», для каждого из лазеров, интенсивность света, прошедшего в обратном направлении, увеличивается на ~ 30%. Для гелий-неонового лазера, максимальное различие TmP 632.8 наблюдается при радиусе 180 нм, и составляет 14.2754. Подобную величину можно видеть и на рубиновом лазере (14.3685), только на больших радиусах – 200 нм. Различия в радиусах проявляется из-за разницы в длинах волн, а независимость при этом значений параметра TmP говорит о схожести характеров процессов.

Рассчитывая зависимости TmP(R) для различных источников инициирования с большей точностью по радиусам получаем разное количество экстремумов, которое зависит от длины волны. Самое большое количество максимумов наблюдается при действии излучения с наименьшей длиной волны (λ=532 нм) – 3. При увеличении λ до значений рубинового лазера количество экстремумов уменьшается до 1, минуя промежуточное количество (2) для гелий-неонового лазера. Пиковые значение отражательной способности композитов PETN – наночастицы ванадия, при действии неодимового лазера составляют величины 15.02, 12.06 и 41.29 на значениях радиусах 152.2 нм, 212.6 нм и 267.8 нм соответственно. Это означает, что преобладание интенсивности света в обратном направлении над прямым составляет больше 40 раз. Увеличивая длину волны до 632.8 нм, значения экстремумов смещаются в сторону больших радиусов, и составляют величины 181.9 нм и 253.2 нм, при отражательной способности 14.42 и 12.09 соответственно. Для рубинового лазера на актуальном диапазоне радиусов наблюдается один максимум на радиусе R=200 нм с величиной относительного параметра 14.37. Можно сделать вывод, что при увеличении длины волны излучения максимум TmP смещается в красную область спектра. Для светочувствительных к первой гармонике неодимового лазера (базовой на сегодняшний день для оптических детонаторов) оптимальными для поглощения света являются наночастицы радиуса около 100 нм. Поэтому дальнейший поиск спектральной области оптимального проявления резонансного отражения назад наночастицами необходимо проводить при меньших длинах волн, рассмотренных в настоящей работе. Поиск наилучших источников неразрушающего контроля качества оптических детонаторов будет продолжен в следующих работах. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (НИР № 3603 по заданию №64/2014). Автор выражает благодарность научному руководителю профессору А. В. Каленскому.

Список литературы:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Зыков И.Ю., Каленский А.В. Расчет спектральных закономерностей коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия в гексогене // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2015. – № 1 (16). – С. 37-42.

5. 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.

6. Радченко К. А. Определение комплексного показателя преломления ванадия на первой гармонике неодимового лазера //Аспирант. – 2015. – № 9. – С. 52-55.

7. Каленский А.В., Никитин А.П., Газенаур Н.В. Закономерности формирования очага взрывного разложения композитов PETN - медь // Actualscience. – 2015. – Т. 1. – № 4 (4). – С. 52-57.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. Каленский А.В., Никитин А.П., Звеков А.А. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц алюминия при различных температурах на длине волны 1064 нм // Аспирант. – 2015. – № 1 (6). – С. 183-186.

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

14. 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.

15. Зыков И.Ю., Каленский А.В. Пакет прикладных программ для расчета кинетики взрывного разложения энергетического материала, содержащего наночастицы металла, при облучении лазерным импульсом //Аспирант. – 2015. – № 7. – С. 73-77.

16. Иващенко Г.Э., Радченко К.А. Спектральные зависимости оптических свойств наночастиц вольфрама в видимой части спектра // Nauka-Rastudent.ru. – 2015. – № 11. – С. 23.

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

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

19. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V., Zvekov A.A., Nikitin A.P., Zykov I.Yu. The optical properties of the cobalt nanoparticles in the transparent condensed matrices // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2015. – Т. 6. – № 5. – С. 628 - 636.

20. Галкина Е.В., Радченко К.А. Модель инициирования композитов pent-олово импульсом неодимового лазера // Nauka-Rastudent.ru. – 2015. – № 9. – С. 12.

21. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2013. – № 2 (9). – С. 29-34.

22. 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.

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

24. Одинцова О. В.Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатетранитрат-серебро к действию лазерного импульса // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2014. – № 4 (15). – С. 38-43.

25. Каленский А.В., Зыков И.Ю., Кригер В.Г. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования тэна, содержащего наночастицы золота // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-1(59). – С. 218-223.