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

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

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.

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 ma=1, 1.5 и 2

На рис. 1 показаны рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения (Q_abs) от радиуса ® 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 Q_abs® для наночастиц ванадия, как и для ряда металлов имеет максимум (Q_absmax) при определенном радиусе наночастиц (R_ma), существенно зависимом от ma. При меньших радиусах кривая спадает до нуля, при больших радиусах происходит плавное уменьшение Q_abs с осцилляциями.

Значения Q_absmax существенно различаются у различных металлов и определяются значениями комплексного показателя преломления. В вакууме на первой гармонике неодимового лазера у наночастиц ванадия Q_absmax = 1.074 (сечение поглощение почти равно геометрическому) при R_ma = 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 Q_abs, наоборот, слабо зависит от значений комплексного показателя преломления металла и близки для различных металлов в одинаковых прозрачных матрицах.

С увеличением оптической плотности матрицы значения Q_absmax и R_ma изменяются по разному: первые — увеличиваются, вторые — уменьшаются. Так для ванадия в гексогенаQ_absmax = 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 R_ma = 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 (Q_sca) 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 Q_sca® имеют слабо выраженный максимум (Q_{sca max}) при радиусе наночастиц R_ms. При меньших радиусах Q_sca® спадает до нуля значительно быстрее, чем зависимости Q_abs®, что является следствием закона Рэлея.

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

Координаты экстремума зависимости Q_sca® наночастиц ванадия в вакууме составляют: Q_scamax = 2.313 и R_ma = 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 Q_abs®) максимальных значений коэффициентов эффективности рассеяния света с длиной волны 1064 нм и радиуса ему соответствующего: Q_scamax= 2.158 и R_ma = 123.1 нм. Однако необходимо отметить, что для радиусов менее 155 нм Q_sca 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 Q_sca на первой гармонике неодимового лазера для аналитических расчетов можно считать постоянными. Дальнейшее увеличение оптической плотности до 2 приводит к уменьшению Q_scamax до значения 1.1964. Напомним, что максимальный коэффициент эффективности поглощения с увеличением ma существенно увеличивается, поэтому в азиде серебра Q_absmaxпревосходит Q_scamax. 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.

• 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.