Исследование процессов получения наночастиц при помощи излучения импульсно-периодического CO2 лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 541.182.3

Платонов Вячеслав Владимирович

Исследование процессов получения наночастиц при помощи излучения импульсно-пернодического СО2 лазера.

01.04.13 - "Электрофизика, электрофизические установки"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 2008 и03458 1 ВО

003458160

Работа выполнена в Институте электрофизики Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Осипов Владимир Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор химических, наук, профессор Кононенко Владимир Иванович

доктор физико-математических наук Никулин Сергей Павлович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет -УПИ» (УГТУ-УПИ)

Защита состоится « ¿С» в /4'час. ¿?Омин. на заседании

диссертационного совета D200.024.01 в Институте электрофизики УрО РАН по адресу: 620016 , г. Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института электрофизики

УрО РАН

Автореферат разослан « ^ГоО'Ь^Л

2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последнее время неуклонно растет интерес к созданию высокоплотных керамик с малыми размерами кристаллитов и малой толщиной межзеренных границ. Такие керамики представляют значительный интерес для создания активных элементов твердотельных лазеров Ы<1:У203 и Ш:УАО [1, 2], сцинтилляторов, керамических твердых электролитов основе 2г02 - У203 (УЭг), гт02 - 8с20з, Се02 - Сс1203 (СеЬхСс1х 02.5) [3, 4, 5]. Основой для создания таких керамик являются нанопорошки сложных оксидов, которые должны состоять из слабоагломерированных частиц с узким распределением по размерам и малым средним размером. В случае оптической керамики, нанопорошки должны быть химически чистыми. Кроме того, технология получения наночастиц должна обеспечивать получение химически чистых нанопорошков в количествах достаточных для проведения исследований и опытно-конструкторских разработок (~1кг). Таким образом, в настоящее время есть насущная необходимость развития метода получения нанопорошков с вышеназванными свойствами.

Анализ методов получения наночастиц показал, что в наибольшей степени этими качествами обладают нанопорошки, полученные лазерным методом, который заключается в испарении твердого вещества лазерным излучением и в последующей конденсации паров в потоке несущего газа.

Впервые конкурентноспособность лазерного метода была продемонстрирована в работах немецких ученых под руководством Мюллера [б, 7], которые использовали мощный непрерывный С02-лазер для получения с высокой производительностью наночастиц А1203, Zr02, Zr02:Mg0, 2гОг:СаО, Ег02:У203. При мощности излучения =4кВт и плотности мощности на мишени 4'105Вт/см2 они получили нанопорошки Zr02 с производительностью до 130г/час, которые содержали слабоагломерированные сферические наночастицы со средним размером с1ВГ;Та60пм. Однако в непрерывном режиме лазерного излучения достаточно большими оказываются потери энергии на нагрев мишени [8]. Переход к импульсно-периодическому режиму излучения за счет модуляции добротности резонатора непрерывного С02-лазера позволил их снизить. При средней мощности излучения 500Вт (1„=45мкс) производительность получения нанопочастиц ЪхОг увеличилась до 7г/час, что вдвое выше, чем в непрерывном режиме с той же мощностью излучения. При этом средний размер наночастиц (1ВЕТ уменьшился до 20нм. Однако в режиме модуляции добротности резонатора КПД лазера и максимальная средняя мощность излучения снизились в 4 раза. Поэтому общие удельные затраты электроэнергии при получении нанопорошка только увеличились, что сделало нецелесообразным применение С02-лазера с модулированием добротности резонатора для наработки наночастиц.

3 - ■

\ N У",

г

В полной мере реализовать преимущества использования импульсного режима испарения мишени можно только с помощью мощного импульсно-периодического С02-лазера с высоким КПД. Остались неисследованными фракционный состав получаемых с помощью импульсно-периодического С02-лазера нанопорошков, зависимость среднего размера наночастиц от материала мишени и условий синтеза, динамика и характеристики лазерного факела, возникающего при испарении оксидных мишеней в атмосфере буферного газа.

Таким образом, исследование метода получения нанопорошков оксидов с помощью мощного импульсно-периодического С02-лазера, имеющего высокий КПД, является актуальной научно-исследовательской задачей.

Цель работы. Исследовать особенности получения нанопорошков с помощью излучения импульсно-периодического С02-лазера, их основные характеристики и характеристики лазерного факела, в котором образуются наночастицы.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. установить влияние энергетических параметров мощного импульсно-периодического лазерного излучения А,=10,6мкм, формы импульса на производительность синтеза наночастиц;

2. определить фракционный состав получаемых нанопорошков;

3. выявить влияние химического состава мишени, давления буферного газа и скорости его прокачки через испарительную камеру на распределение наночастиц по размерам;

4. изучить динамику и спектральные характеристики лазерного факела;

5. исследовать динамику плавления мишени в зависимости от формы импульса лазерного излучения.

Научная новизна.

1. Впервые предложено использование для получения оксидных наночастиц газофазным способом мощного импульсно-периодического С02-лазера с высоким КПД (-8%). При получении нанопорошков тугоплавких оксидов (типа 2г02) это позволило при одинаковой средней мощности излучения («500Вт) снизить затраты электроэнергии до 0,9(кВтт)/час, что в два раза меньше, чем при использовании непрерывного С02-лазера и в четыре раза меньше, чем в случае С02-лазера с модуляцией добротности резонатора.

2. В импульсно-периодическом режиме испарения удельная поверхность нанопорошка не зависит от энергии и пиковой мощности лазерного импульса (в диапазонах 0,2-И ,2Дж и 0,5н-2МВт/см2, соответственно).

Впервые было показано, что при атмосферном давлении воздуха в испарительной камере и неизменной скорости его прокачки над

поверхностью мишени средний размер наночастиц YSZ и Cei.xGdx02.s, Nd:Y203 оказывается почти одинаковым и равным 10+14нм. В то же время, средний размер наночастиц уменьшается с ростом скорости прокачки газа над поверхностью мишени. Впервые показано, что наиболее эффективным способом увеличения среднего размера наночастиц ( типа Nd:Y203 ) является создание избыточного, по сравнению с атмосферным, давления воздуха в испарительной камере. Причиной наблюдаемых зависимостей размеров наночастиц от условий синтеза является то, что давление и концентрация пара в лазерном факеле перед началом конденсации определяется давлением воздуха, а скорость его прокачки влияет на скорость охлаждения паров.

3. Показано, что изменение химического состава наноиорошков по сравнению с веществом мишени зависит от плотности пиковой мощности лазерного излучения на мишени.

4. Показано, что испарение мишеней из простых или сложных оксидов происходит в виде радикалов (типа YO, ZrO), а образование наночастиц в лазерном факеле при его разлете в атмосферный воздух начинается на расстоянии нескольких миллиметров от мишени и сопровождается интенсивным турбулентным перемешиванием пара и наночастиц с воздухом.

5. Установлено, что крупные осколки, имеющиеся в нанопорошке, образуются в момент кристаллизации остывающего расплава в кратере после окончания испарения мишени импульсом лазерного излучения.

Практическая ценность работы.

Результаты, полученные в ходе работы, могут быть полезны при дальнейшем развитии лазерного метода получения наночастиц с контролируемым распределением их по размерам:

при проектировании установки для получения нанопорошков с замкнутым газовым контуром, которая позволит получать нанопорошки в атмосфере различных газов ( в первую очередь в гелии, аргоне или воздухе ) давлением как выше, так и ниже атмосферного;

при выборе источника мощного лазерного излучения. Результаты, полученные при исследовании разлета лазерного факела, помогут быть полезны при создании теоретической модели лазерного факела, которая будет предсказывать характеристики получаемых наночастиц в зависимости от условий их синтеза.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

International Conference on LASERS'2001, Tucson, Arizona, USA, December 3-7, 2001; The XIV International Symposium on Gas Flow & Chemical Lasers and High Power Laser Conference, Wroclaw, Poland, August 26-30, 2002; International Conference on NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES

NN'2003, Crete, Greece, August 30 - September 6, 2003; The VI International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'2003, Tomsk, Russia, September 15-19, 2003; XIX Международная конференция "Уравнения состояния вещества", Эльбрус, 11-17 марта 2004; Great Lakes Photonics Symposium, Cleveland, OH, USA, June 7-11, 2004; Great Lakes Photonics Symposium, Cleveland, OH, USA, June 7-11, 2004; Advanced Laser Technologies ALT'04, Rome and Frascati, Italy, Sept. 10-15, 2004; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics & International Conference on Lasers, Applications and Technologies (ICONO/LAT 2005), St. Petersburg, Russia, May 11-15, 2005; 12lh International Symposium on Metastable and Nano Materials (ISMANAM). Paris, France, 3-7 July 2005; The 13th International Conference on Advanced Laser Technologies ALT'05, Tianjin, China, Sept. 3-6, 2005; The VII International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'2005, Tomsk, Russia, September 12-16, 2005; XX Международная конференция "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество", Эльбрус, 1-6 марта 2005; 11th International Ceramic Congress, 4th Forum on New Materials. Acireale, Sicily, Italy, June 4-9 2006; International Conference on Advanced Laser Technologies ALT'06, Brasov, Romania, Sept. 8-12, 2006; 3-я Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва, 20-26 ноября 2006; The 8th International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" AMPL'2007, Tomsk, Russia, September 10-14, 2007; 3rd Laser Ceramics Symposium: International Symposium on transparent Ceramics for photonic applications, Paris, France, October 8-10, 2007; Atomic and Molecular Pulsed Lasers VII, 2008; VIII International conference Atomic and molecular pulsed laser, Tomsk, Russia, 10-14 September, 2007.

Личный вклад автора.

Автор работы провел модернизацию электрической схемы накачки импульсно-периодического С02-лазера, накачиваемого комбинированным разрядом, с целью обеспечения надежной его работы при получении нанопопорошков, руководил проведением экспериментов по исследованию динамики разлета лазерного факела в воздух и экспериментами по исследованию влияния различных параметров на размеры наночастиц и производительность их получения. Кроме того, он принимал активное участие в обсуждениях и анализе экспериментальных данных, подготовке рукописей статей, в опытно-конструкторских разработках узлов установки для получения нанопорошков. Спектральные исследования лазерного факела проводились совместно с Кайгородовой О.А. Первоначально эксперименты по получению нанопорошков YSZ и Ce|.xGdx 02.s проводились совместно с сотрудниками лаборатории импульсных процессов ИЭФ УрО РАН, в ходе которых, в частности, был выполнен седиментационный анализ нанопорошков и установлено наличие в них частиц трех видов.

Защищаемые положения.

1. Использование для получения ианочастиц импульсно-периодического С02 лазера, накачиваемого комбинированным разрядом, позволяет при равных средних мощностях излучения уменьшить затраты электрической энергии за счет снижения потерь лазерного излучения на нагрев мишени по сравнению с непрерывным СО2 лазером, а также за счет более высоко го КПД лазера, чем в случае С02-лазера с модуляцией добротности резонатора.

2. Полученные с помощью импульсно-периодического С02 лазера в атмосферном воздухе нанопорошки оксидов кроме образующихся при конденсации пара наночастиц с размерами 2-40нм и разбрызганных из кратера капель расплава с размерами 0,2ч-2мкм, также содержат в себе бесформенные осколки мишени размерами 1+50мкм, которые образуются после окончания испарения мишени при растрескивании кристаллизующегося расплава в лазерном кратере.

3. Средний размер наночастиц не зависит от химического состава мишени, энергии и плотности пиковой мощности лазерного импульса (в диапазонах 0,2+1,2Дж и 0,5-ь2МВт/см2, соответственно), а определяется параметрами потока несущего газа, в котором происходит образование наночастиц в результате конденсации паров.

4. Под действием излучения С02-лазера мишень из простых или сложных оксидов испаряется в виде радикалов (типа УО, ZтO), излучательная релаксация которых обеспечивает свечение видимой области лазерного факела, имеющей форму столба.

5. В процессе разлета пары, имеющие вблизи устья кратера температуру приблизительно равную температуре кипения мишени, охлаждаются. Однако на расстоянии нескольких миллиметров от поверхности мишени этот процесс задерживается выделением энергии сублимации на начальном этапе конденсации пара, а окончательное образование наночастиц происходит в вихревых облаках, которые формируются при турбулентном перемешивании пара с воздухом.

Публикации.

Основные результаты работы опубликованы в 16 статьях в российских и зарубежных журналах [1-16] и в 19 сборников трудов конференций [17-35].

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 113 страницах машинописного текста, иллюстрируется 38 рисунками, 5 таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, их научная новизна и практическая значимость, защищаемые положения.

Первая глава содержит в себе детальный обзор научной литературы, в котором рассматривается современное состояние дел по теме диссертационной работы и обосновывается ее актуальность.

Показано, что в настоящее время существует необходимость развития методов получения различных оксидных нанопорошков, которые применяются в качестве сырья для изготовления твердых электролитов на основе 2г02 - У203 (УБг), 2Ю2 - 8с203, Се02 - Сс1203 (Се1хСс1х 02.6) [3, 4, 5], а также керамических активных элементов твердотельных лазеров Ш:У203 и Ш:УАС [1, 2]. Сформулированы предъявляемые к этим порошкам требования (слабая агломерация частиц, малый средний размер частиц и узкое распределение их по размерам), а также требования к методу синтеза наночастиц: сравнительно высокая производительность, возможность получения наночастиц сложных оксидов с заданным химическим составом и не содержащих посторонние примеси,.

Проведен анализ существующих методов получения нанопорошков. Широко распространенные методы осаждения из коллоидных растворов позволяют получать нанопорошки с наибольшей производительностью, но получаемые наночастицы являются сильно агломерированными [9], вследствие необходимости их прокаливания для удаления продуктов химических реакций. При смене материала наночастиц необходимо каждый раз подбирать технологию и исходные реагенты. Этих недостатков лишены газофазные методы получения нанопорошков, суть которых заключается в испарении вещества нужного химического состава и последующей конденсации паров в буферном газе. В результате получаются слабоагломерированные наночастицы как правило сферической формы [9]. Наиболее перспективными способами испарения исходных материалов являются электрический взрыв проводников, электронные пучки и лазерное излучение.

Существенным ограничением метода электрического взрыва проволочек, с помощью которого получают металлические, оксидные и нитридные нанопорошки, является то, что не все материалы имеются в виде проводящей электрический ток проволоки. Электронные пучки обладают радиационной опасностью, а их применение для испарения тугоплавких материалов требует больших затрат электроэнергии, вследствие очень больших потерь энергии электронного пучка из-за объемного характера его поглощения твердыми веществами. Этих недостатков лишен метод испарения твердой мишени излучением мощного С02-лазера.

Впервые конкурентноспособность лазерного • метода была продемонстрирована в работах [6, 2], в которых для получения наночастиц А1203, ЪхОг, гЮг'.Г^О, 2г02:Са0, гЮ2:У203 использовался мощный

непрерывный С02-лазер. При мощности излучения «4кВт и плотности мощности на мишени 4-105Вт/см2 производительность получения нанопорошка 2т02, содержащего слабоагломерированные сферические наночастицы со средним размером с1ВЕТ«60нм, достигла 130г/час. Для того, чтобы уменьшить потери энергии лазерного излучения, авторы [2] перешли к импульсно-периодическому режиму испарения за счет модуляции добротности резонатора непрерывного С02-лазера. При средней мощности излучения 500Вт и длительности импульса 45мкс производительность наработки нанопорошка Ъс02 оказалась равной 7г/час, что вдвое выше, чем в непрерывном режиме с той же мощностью излучения. При этом средний размер наночастиц с!вет уменьшился до 20нм. Однако в импульсно-периодическом режиме излучения КПД лазера и максимальная средняя мощность излучения снизились в «4раза, по сравнению с непрерывным режимом. Поэтому общие удельные затраты электрической энергии при получении нанопорошка только увеличились, что сделало нецелесообразным применение СОг-лазера с модулированием добротности резонатора в целях получения наночастиц.

В полной мере реализовать преимущества использования импульсного режима испарения мишени можно только с помощью импульсно-периодического С02-лазера с высоким КПД и большой средней мощностью излучения. Кроме того, до сих пор не исследовалось развитие лазерного факела при синтезе оксидных наночастиц с помощью импульсно-периодического СОг-лазера, а также влияние условий синтеза на характеристики наночастиц.

На основании вышеизложенного были сформулированы задачи настоящего исследования.

Во второй главе описаны экспериментальная аппаратура и средства измерений. Для получения наночастиц использовался разработанный в лаборатории квантовой электроники ИЭФ УрО РАН накачиваемый комбинированным разрядом импульсно-периодический С02-лазер «ЛАЭРТ», который обладает следующими характеристиками:

Средняя мощность излучения_до 800Вт

Пиковая мощность излучения_до 11 кВт

Энергия импульса излучения_до 1,3Дж

Частота следования импульсов_до 800Гц

Апертура лазерного пучка_20x30мм

КПД_8%

Отличительной особенностью этого лазера является применение комбинированного объемного газового разряда для создания и накачки активной среды. При комбинированном разряде в межэлектродном промежутке сначала возбуждается самостоятельный объемный разряд малой длительности (~10~7 не), который создает активную среду лазера, а затем в течение несамостоятельного объемного разряда длительностью несколько

сот микросекунд при оптимальном для возбуждения колебательных степеней свободы молекулы С02 параметре Е/ТЯ ~2-10"16Всм2 ЦО] осуществляется накачка активной среды. На создание плазмы при самостоятельном разряде расходуется только малая часть («2%) энергии комбинированного разряда.

При таком способе возбуждения С02-лазера главной технической проблемой является «развязка» цепей питания самостоятельного и несамостоятельного разрядов. Первоначально в данном лазере для этой цели использовалась сборка из 20 параллельно включенных диодов КЦ201Е, которые выходили из строя через 50ч-100 работы лазера. Для повышения надежности работы лазера впервые было предложено использовать в качестве элемента электрической «развязки» магнитный ключ. В ненасыщенном состоянии сердечника магнитный ключ обладает большой индуктивностью и эффективно препятствует утечке тока самостоятельного разряда через цепи питания несамостоятельного разряда. После окончания самостоятельного разряда магнитный ключ за короткое время переходит в насыщенное состояние с низкой индуктивностью и почти не ограничивает ток несамостоятельного разряда. За все время работы лазера («ЮООчасов) магнитный ключ ни разу не выходил из строя.

Концентрация электронов в плазме несамостоятельного разряда из-за процессов рекомбинации и прилипания экспоненциально снижается при давлении ~60торр в течение нескольких сот микросекунд. Кроме того, время столкновительного разрушения верхнего лазерного уровня молекулы С02 00° 1 составляет ~10"4с. Ранее это позволило увеличить энергию накачки и пиковую мощность импульса лазерного излучения за счет использования пакетного режима накачки лазера и оптимальным количеством импульсов самостоятельного разряда в пакете оказалось равным 2.

а) б)

Рис.1. Изменение формы импульса излучения ССЬ-лазера «ЛАЭРТ» (эксперимент) при варьировании интервала между моментами инициирования самостоятельного разряда в пакете (а) и зависимость КПД СОг-лазера (б) от интервала между самостоятельными разрядами в пакете (1 - эксперимент, 2 - расчет, 3 - расчет без учета процессов \Т-релаксацни). Везде начальное зарядное напряжение на накопительной емкости несамостоятельного разряда 1950В.

Для дальнейшей оптимизации пакетного режима накачки лазера в настоящей работе было исследовано влияние временного интервала Д1 между самостоятельными разрядами в пакете на энергетические характеристики лазерного излучения. Было экспериментально обнаружено,

что пиковая мощность лазерного импульса увеличивается с уменьшением интервала Д1 с 200мкс до 70мкс, т.к. второй импульс накачки в пакете приходится на плазму с все большей степенью ионизации (рис. 1а). Однако при дальнейшем уменьшении Д1 пиковая мощность лазерного импульса снижается из-за уменьшения энергии накачки в первом импульсе. Очевидно, что интервал Д1=70мкс, при котором достигается максимальная пиковая мощность излучения, является наиболее оптимальным.

Аналогичным образом ведет себя и экспериментально найденная зависимость КПД лазера от интервала между самостоятельными разрядами в пакете (рис.16, кривая 1). Однако спад КПД при Д1>70мкс здесь связан с увеличением тепловых потерь энергии накачки за счет УТ-релаксации возбужденных колебательных уровней молекул N2, СО, и С02, что подтверждается данными оценочного расчета процессов накачки активной среды лазера и генерации излучения. Для этого решалась система дифференциальных кинетических уравнений, которая учитывала возбуждение прямым электронным ударом колебательных уровней М2(у=1) СО(у=1), верхнего лазерного уровня 00°1 молекулы С02, а также процессы УГ-релаксации и УУ-обмена при столкновениях молекул друг с другом и с атомами Не. Теоретическая зависимость КПД лазера от Д1 качественно совпадает с экспериментальными данными (рис. 16, кривая 2). Если при расчете процессы УТ-релаксации не учитывать, то с увеличением интервала между импульсами самостоятельного разряда в пакете с 15мкс до ЗООмкс КПД все время слабо увеличивается (рис. 16, кривая 3), что объясняется увеличением энергии накачки лазера из-за уменьшения перекрытия первого и второго импульсов в пакете.

Также в этой главе описаны экспериментальная установка для получения нанопорошков, стенды для исследования разлета лазерного факела методом скоростной киносъемки и теневого фотографирования, а также перечислены средства измерения характеристик нанопорошков.

В третьей главе приводятся результаты исследований фракционного состава нанопорошков, а также влияния условий синтеза на размеры наночастиц Се,.х0с1х02.5, Ш3+:У203 и производительность установки.

Производительность получения нанопорошка определяется удельной энергией испарения вещества и энергетическими характеристиками лазерного луча. При увеличении средней мощности лазерного излучения и сохранении формы импульса лазерного излучения и частоты их следования производительность получения нанопорошков линейно увеличивается (рис.2). При средней мощности излучения 500Вт производительность получения нанопорошка У87 достигла величины ~20г/час, а при испарении более легкоплавкого СевсЮ - 70г/час. Это обусловило удельные затраты электроэнергии при получении этих порошков «300(Вт-час)/г и и90(Вт час)/'г, соответственно. Производительность получения нанопорошка чистого оксида циркония при средней мощности излучения 500Вт составила величину 7г/час. При этом удельные затраты электроэнергии оказались

равными «0,9(кВт-час)/г, что в два раза меньше, чем при испарении 2г0г излучением непрерывного СОг-лазера и в 4 раза меньше, чем в случае использования импульсно-периодического С02-лазера с модулированием добротности резонатора при равных средних мощностях излучения [7].

• «5Ув2.«во- В целях исследования

• ] , фракционного состава, полученные т гю". ? V ' при атмосферном давлении воздуха в

ти испарительной камере, нанопорошки УБХ и Се^хОЛцО^б были подвергнуты + ' седиментации в изопропиловом _ . ' , __спирте. Было обнаружено, что

100 200 300 400 60О 600

нанопорошок разделяется на две

Рис.2 Зависимость'Р>пронзводительности Фракции (рис.3). Первая фракция

получения из различных нанопорошков от содержит в себе частицы с размерами

средней мощности лазерного излучения менее 40нм ограненной (Се^С^Ог-б)

при частоте следования импульсов 500Гц иди сферической (У8г) формы.

Весовая доля этой фракции в нанопорошке составляет 92+97%. Выпадающая в осадок фракция содержит в себе сферические частицы с размерами 0,2-т-2мкм и осколки мишени неправильной формы с размерами 1н-50мкм. Механизм образования сферических частиц общеизвестен и заключается в разбрызгивании жидкого расплава из образующегося кратера давлением пара. Бесформенные частицы являются осколками оплавленного слоя мишени. Однако до сих пор оставались неясными причины и момент их образования, что будет исследоваться в настоящей работе далее.

Удивительно, что в результате испарения мишеней из материалов с различными теплофизическими свойствами (Ш:У20з, YSZ и Сео^СёодгСЬ-г) в условиях атмосферного давления воздуха в испарительной камере и одинаковой скорости его прокачки образуются наночастицы с практически одинаковыми распределениями по размерам (рис. 4а). Их средний размер оказался равным 10-И4нм. Для объяснения этого факта был произведен оценочный расчет размеров, образующихся при испарении этих материалов наночастиц с помощью подхода, основанного на теории квазихимической конденсации [11. 12]. Полученные при расчете функции распределения по размерам наночастиц из этих материалов, также как и в эксперименте, хорошо совпадают друг с другом (рис.4б). Это объясняется тем, что к моменту начала конденсации давление в лазерном факеле выравнивается с давлением воздуха в испарительной камере и, несмотря на различные свойства материалов мишеней, концентрации паров оказываются примерно одинаковыми. Значительное превышение среднего размера наночастиц, полученное в результате расчета, над реальным значением обусловлено оценочным характером модели, а также пренебрежением прокачкой воздуха над поверхностью мишени, что, как известно, ускоряет охлаждение и конденсацию паров.

А) б)

Рис.3 Фотографии частиц различных фракций разделенных в процессе седиментации нанопорошков СепуяСс^ззО:«: наночастиц (а) и крупных тяжелых частиц выпавших в осадок (б).

А) б)

Рис.4 Распределения по размерам наночастиц из различных материалов полученные в эксперименте при давлениях воздуха р= 1 атм и р = 1.25 -'--2,15 (а) и в расчете при давлении воздуха р=1атм (б).

Дальнейшие исследования показали, что удельная поверхность наночастиц из не зависит от энергии импульса лазерного излучения и от пиковой мощности (в диапазонах 0,2-н1,2Дж и 0,5-=-2МВт/см2, соответственно) и равна 63+3м2/г. Это также является следствием того, что давление пара перед началом конденсации выравнивается с давлением воздуха в испарительной камере. Поэтому увеличение массы испаренного вещества с ростом энергии лазерного импульса приводит только к увеличению объема лазерного факела без изменения концентрации пара в нем. При давлении воздуха в испарительной камере выше атмосферного объема лазерного факела визуально уменьшается, а концентрация пара в нем увеличивается. Это является причиной смещения центра тяжести распределения наночастиц по размерам в нанопорошке Ш:У20з, который был получен в условиях плавно меняющегося давления воздуха в испарительной камере с 1,25атм до 2,75атм (рис.4, кривая4). В этом случае средний размер наночастиц оказался равным 24нм, что в два раза больше, чем в случае атмосферного давления воздуха.

Другим параметром, от которого зависят размеры наночастиц, является скорость прокачки воздуха над поверхностью мишени, т.к. прокачка холодного по сравнению с лазерной плазмой воздуха через область ее

конденсации способствует быстрому переохлаждению паров и увеличение ее скорости должно привести к уменьшению среднего размера наночастиц. Эти соображения подтверждились при получении нанопорошка YSZ в условиях атмосферного давления воздуха в испарительной камере. С ростом скорости прокачки воздуха от 2м/с до 20м/с удельная поверхность этого нанопорошка линейно увеличивалась с 44м2/г до 72м"/г, а средний размер наночастиц, соответственно уменьшался.

В нанопорошках сложных оксидов, полученных в настоящей работе, всегда наблюдается дефицит содержания более тугоплавкого оксида по сравнению с химическим составом материала мишени, что объясняется более низкой скоростью его испарения. Величина этого изменения зависит как от разницы в удельных энергиях испарения компонент мишени, так и от плотности мощности лазерного излучения на ее поверхности. Содержание У203 в нанопорошке из YSZ оказывается только на 10%мольн. меньше, чем в мишени. Содержание йс^Оз в нанопорошке Се^Ос^Ог-б изменяется гораздо сильнее, поскольку удельная теплота сублимации С(120з и Се02 различаются в три раза: при плотности пиковой мощности 2,6МВт/см2 массовое содержание йс^Оз в мишени в 1,6раз превышает содержание его в мишени, а при 1=1,1МВт/см2 уже в 2,5 раза. Таким образом, нанопорошок Се|.хС<1х02-з с заданным химическим составом возможно получить путем подбора исходного состава мишени только при жестком контроле плотности пиковой мощности лазерного излучения, которая зависит от качества лазерного пучка и его стабильности во времени.

В четвертой главе излагаются результаты исследования разлета в воздух лазерного факела при испарении мишеней из У82, шихты Ш:УАС и графита.

Рис.5. Кинограммы собственных свечений лазерных (верхние ряды снимков) факелов от УЭХ-мишени (а) и от графитовой мишени (6), а также их теневые изображения (два нижних ряда). Время отсчитывается с момента появления факела.

Динамика светящейся зоны лазерного факела исследовалась с помощью скоростной кинокамеры, а динамика невидимых зон факела - с помощью

теневого фотографирования. Кроме того, светящаяся область лазерного факела исследовалась с помощью спектрографа.

Установлено, что светящийся факел от мишени из YSZ имеет форму иглы, высота которой зависит от мгновенной мощности лазерного излучения (Рис.5). В спектрах собственного свечения лазерной плазмы доминируют следующие полосы электронно-колебательных переходов нейтральных радикалов гЮ и УО, составляющих вещество мишени: 1) 2гО: (С3Д-»Х3Д) Ду=0: Х=465нм; Ду=-1: А.=486нм; Ду=1: Х.=455нм; 2) ЪхО\ (В3П->х'3Д) Ду=0: Х=559нм; Х=566нм, Х=576нм; Ду=-1: Я,=594нм, ?1=596нм, А.=604нм, Х.=607нм; Ду=1: Х=548нм; 3) 2гО: (А3Ф->х'3Д) Ду=-1: Я,=698нм, Я.=701нм; 4) УО: (А2П->Х2£) Ду=0: и<3 серия (А=613.2нм (0-0), Л.=614.8нм (1-1), >.=616,5нм (22)), пЯ серия (Х=609.7нм (0-0), Х=611.5нм (1-1)), ¿0 серия (А.=597.2нм (0-0), Х=598.8нм(1-\), (2-2) Х=600.4нм (2-2)). Обнаружено, что видимая часть лазерного факела является слабонеравновесной плазмой. Ее температура вблизи поверхности мишени оказывается на 50К выше температуры кипения материала (рис.6). В процессе разлета пар охлаждается и на расстоянии от поверхности мишени 6мм ее температура достигает 3,1 кК. Однако при дальнейшем удалении от мишени охлаждение плазмы прекращается и даже происходит ее нагрев до 3,7кК (/=12мм), который связан с началом конденсации пара и выделением энергии сублимации. Это подтверждается данными теневого фотографирования факела от мишени из У32, которое показало, что примерно на этом расстоянии начинается образование вихревого облака, где конденсирующийся пар перемешивается с воздухом.

В отличие от случая светящаяся область лазерного факела от углеродной мишени при разлете принимает сложную вихреобразную форму, которая состоит из столба и вихревого облака. Свечение столба, соединяющего мишень с вихревым облаком, исчезает с окончанием лазерного импульса, а облако светится значительно дольше. Образование облака связывается с развитием неустойчивости Рихтмайера-Мешкова на контактной границе между парами и воздухом. Столь длительное его свечение вызвано протеканием следующей экзотермической реакции:

С+С+М->С2(у)+М (1)

Эта реакция является причиной нагрева лазерной плазмы до температуры «ЮкК, а излучательная релаксация возбужденных молекул С2 дает наибольший вклад в свечение видимой области лазерного факела. Кроме спектральных полос излучения С2 в спектре свечения углеродной плазмы идентифицированы также полосы молекулы с3 (х'г^А'гу, линии иона

6000-1

—I—I—I—I—I—I—I—I

0 4 8 12 16

I, мм

Рис.6 Зависимость температуры в осевой части лазерного факела от УБг мишени от расстояния до поверхности мишени.

С+, а на расстояниях более Змм от мишени линии свечения молекулярного иона 1Ч2+ (В2Хи+~>Х2Ее+).

На теневых фотографиях факела от YSZ мишени спустя ~800мкс с момента образования лазерного факела, когда мишень уже прекращает испаряться, появляются прямолинейные полосы, которые являются следами пролета крупных осколков с размерами в десятки микрон. Подобные треки имеются также на теневых фотографиях лазерного факела от мишени из гранатовой шихты. Образование этих осколков очевидно связано с разрушением застывшего расплава в кратере в момент его кристаллизации или сразу после нее. Это объясняет отсутствие треков на теневых фотографиях факела, образующегося при испарении графита, т.к. он не образует жидкого расплава при возгонке в условиях наших экспериментов.

Дополнительным подтверждением вышесказанному являются результаты трехмерного расчета динамики плавления мишени из Для этого решалось теплопроводности:

— = х(т) ЛГ + ^г (2)

а/ с(т)

Воздействие лазерного излучения на поверхность мишени моделировалось источником тепла:

Яви (Х'У>2>0 = 0-Я)' 'оЫ' ехр(-а-г) • /(/) (3) Принятая форма распределения интенсивности излучения в пятне, а также зависимость мощности излучения от времени соответствовали

На диаграммах приведены распределения температуры в кратере в различные моменты времени. Серым цветом отмечена область расплава. Спустя бООмкс после начала испарения мишени по краям кратера начинается интенсивная кристаллизация расплава, а в момент времени 800мкс ванна расплава разделяется на две половины. Процесс кристаллизации расплава сопровождается изменением его объема, что может вызвать растрескивание застывшего оплава, а возникающие упругие силы приводят к разлету осколков. Этому несомненно способствуют большие температурные градиенты, имеющиеся по краям перемычки между двумя этими

экспериментальным данным.

Рис.7 Распределение температуры на поверхности мишени и расплава в различные моменты времени для реализующегося в эксперименте импульса излучения. Серым цветом отмечена зона расплава.

ваннами расплава.

С помощью этой модели было оценено также влияние формы лазерного импульса на объем расплава в кратере на поверхности мишени из YSZ, который качественно отражает энергетические потери лазерного излучения на нагрев мишени. Установлено, что наибольший вклад в величину объема расплава дает длинный спад лазерного импульса. Однако даже при прямоугольной форме импульса излучения с той же самой энергией (1,25Дж) объем расплава уменьшился только на 40%. Это объясняется тем, что поглощение лазерного излучения веществом мишени носит все же объемный характер и определенную роль играет неравномерность распределения плотности мощности лазерного излучения в пятне.

В заключении формулируются основные результаты работы.

1. Впервые в электрической схеме накачки С02-лазера, возбуждаемого комбинированным разрядом в качестве элемента развязки источников питания самостоятельного и несамостоятельного разрядов был использован магнитный ключ, который позволил многократно увеличить срок службы развязывающего элемента (не менее 1000 часов). Теоретически и экспериментально определен интервал между самостоятельными разрядами в пакете накачки активной среды лазера, при котором обеспечивается максимальная пиковая мощность импульса при равном начальном напряжении несамостоятельного разряда.

2. Показано, что испарение твердой мишени излучением мощного импульсно-периодического С02-лазера с высоким КПД и длительностью импульса излученя ~10цс является перспективным способом получения наночастиц тугоплавких сложных оксидов типа Сс1.хСс1х02 о и Ш:У20з. В этом режиме при получении наночастиц 2Ю2 при одинаковой средней мощности излучения (»500Вт) снизились затраты электрической энергии в два раза, по сравнению с непрерывным С02-лазером, а по сравнению с С02-лазером с модуляцией добротности резонатора - в четыре раза.

3. Полученные нанопорошки содержат в себе частицы двух фракций. Первая фракция состоит из наночастиц округлой формы (или с огранкой), которые образуются при конденсации пара и при атмосферном давлении воздуха в испарительной камере имеют средний размер - 11-г14нм. Вторая фракция состоит из разбрызганных из расплава сферических частиц с размерами 0,2-ь2мкм и бесформенных осколков мишени с размерами 1-т-50мкм, образующихся в результате разрушения оплавленного вещества в кратере в момент кристаллизации.

4. Средние размеры частиц в нанопорошках У82, Се]_хСс1х02.5 и М:У2Оз оказываются одинаковыми и не зависят от энергии (0,2+1,2Дж) и пиковой мощности лазерного излучения а определяются параметрами несущего газа. С ростом скорости прокачки воздуха над поверхностью мишени с 2м/с до 22м/с увеличивается удельная поверхность нанопорошка У с 42м2/г до 70м2/г из-за увеличения скорости охлаждения пара в лазерном факеле. Объем лазерного факела, а значит и концентрация частиц пара перед началом конденсации контролируются давлением воздуха

в испарительной камере. По этой причине средний размер наночастиц полученных в условиях плавно растущего давления воздуха с уровня 1,25атм до 2,75атм был равен 24нм, что в «2 раза выше, чем при нормальном давлении.

5. Химический состав наночастиц сложных оксидов типа YSZ, Cei.xGdx02-8 и Nd:Y203 отличается от состава исходных мишеней. Это различие оказывается тем выше, чем больше разница теплофизических свойств простых оксидов, составляющих мишень. Кроме того, изменение химического состава нанопорошка CelxGdx02s существенно возрастает при снижении средней по пятну плотности мощности излучения на мишени с 2,6МВт/см2 до 1,1МВт/см2. Поэтому для получения заданного химического состава наночастиц из этого материала требуется строго контролировать качество лазерного пучка и пиковую мощность импульса излучения.

6. При исследовании методами скоростной киносъемки, теневого фотографирования и с помощью спектрографа разлета в воздух лазерного факела, возникающего при испарении мишени, обнаружено следующее.

- Под действием излучения С02-лазера мишень из простых или сложных оксидов испаряется в виде радикалов (типа YO, ZrO), излучательная релаксация которых обеспечивает свечение видимой области лазерного факела, имеющей форму столба.

- В процессе разлета пары, имеющие вблизи устья кратера температуру чуть выше температуры кипения мишени, охлаждаются до температур ниже точки кипения. Однако на расстоянии нескольких миллиметров от поверхности мишени этот процесс задерживается выделением энергии сублимации на начальном этапе конденсации пара, окончательное образование наночастиц происходит в вихревых облаках, которые формируются при турбулентном перемешивании пара с воздухом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ.

1. Осипов В.В. Высокоэффективный импульсно-периодический С02-лазер ЛАЭРТ для технологических применений / Осипов В.В., Иванов М.Г., Лисенков В.В., Платонов В.В. // Квантовая электроника. -2002. -Т.32, №3. -С.253-259.

2. Ю.А.Котов. Исследование характеристик оксидных нанопорошков, получаемых при испарении мишени импульсно-периодическим С02-лазером / Ю.А.Котов, В.В.Осипов, М.Г.Иванов, О.М.Саматов, В.В.Платонов, Е.И.Азаркевич, А.М.Мурзакаев, А.И.Медведев // Журнал технической физики. -2002, -Т.72. №11. -С.76-82.

3. Yu. A. Kotov. Properties of Oxide Nanopowders Prepared by Target Evaporation with a Pulse-Periodic C02 Laser / Yu. A. Kotov, V. V. Osipov, M. G. Ivanov, О. M. Samatov, V. V. Platonov, E. I. Azarkevich,

А. М. Murzakaev, and A. I. Medvedev // Technical Physics. -2002. -Vol.47, №11,-P.1420-1426.

4. Г.А. Месяц. Нелинейная динамика плазменного факела, генерируемого импульсом лазерного излучения большой длительности / Г.А. Месяц, В.В. Осипов, Н.Б. Волков, В.В. Платонов, М.Г. Иванов // Письма в ЖТФ. -2003. -Т.29, №19. -С.54-60.

5. Yu.A. Kotov. Properties of YSZ and CeGdO nanopowders prepared by target evaporation with a pulse-repetitive C02-laser / Yu.A. Kotov, V.V. Osipov, M.G. Ivanov, O.M. Samatov, V.V. Platonov, V.V. Lisenkov, A.M. Murzakayev, A.I. Medvedev, E.I. Azarkevich, A.K. Shtolz, O.R. Timoshenkova // Rev. Adv. Mater. Sci. -2003. -Vol.5. -P.85-91.

6. В.В.Осипов. Особенности развития лазерного факела с графитовой мишени / В.В.Осипов, Н.Б.Волков, В.В.Платонов, М.Г.Иванов // Оптика атмосферы и океана. -2004, -Т.17, №2-3. -С.108-111.

7. Котов Ю.А. Характеристики нанопорошков, получаемых при испарении СеОгЛМгОз мишеней излучением импульсно-периодического С02-лазера / Котов Ю.А., Осипов В.В., Саматов О.М., Платонов В.В., Мурзакаев А.Мазаркевич, Е.И.Медведев А.И., Штольц А.К., Тимошенкова О.Р., Иванов М.Г. // Журнал технической физики. -2004. -Т.74, №3, -С.72-77.

8. Осипов В.В. Спектроскопия лазерного факела. I. Графитовая мишень / В.В. Осипов, В.И. Соломонов, В.В. Платонов О.А. Снигирева, М.Г. Иванов, В.В. Лисенков // Квантовая электроника. -2005. -Т.35, №5. -С.467-473.

9. Осипов В.В. Спектроскопия лазерного факела. II. Мишени графит и оксид циркония, стабилизированный иттрием / В.В. Осипов, В.И. Соломонов, В.В. Платонов, О.А. Снигирева, М.Г. Иванов, В.В. Лисенков // Квантовая электроника. -2005. Т.35, №7. -С.633-637.

10. V.V. Osipov. Laser synthesis and characteristics of oxide nanopowders. / V.V. Osipov, Yu.A. Kotov, V.V. Platonov, O.M. Samatov, A.V. Rasuleva, M.G. Ivanov // SPIE. -2005. -Vol.6344, Part Two. -P.63442N1-63442N14.

11. V.V. Osipov. Laser synthesis of nanopowders. / V.V. Osipov, Yu.A. Kotov, M.G. Ivanov, O.M. Samatov, V.V. Lisenkov, V.V. Platonov, A.M. Murzakayev, A.I. Medvedev, and E.I. Azarkevich // Laser Physics. -2006. -Vol. 16, №1. -P. 116-125.

12. V.V. Osipov. Dynamics and Spectroscopy of the laser plume from solid targets. / V.V. Osipov, V.I. Solomonov, V.V. Platonov, O.A. Snigireva, V.V. Lisenkov, M.G. Ivanov // Laser Physics. -2006. -Vol.16, №1, -P.134-145.

13. M. Ivanov. Laser synthesis of oxide nanopowders. / M. Ivanov, V. Osipov, Yu. Kotov, V. Lisenkov, V. Platonov, V. Solomonov // Advances in Science and Technology. -2006. -Vol.45, -P.291-296.

14. Багаев. С.Н. Высокопрозрачная керамика на основе Ш3+:У203. / С.Н. Багаев, В.В. Осипов, М.Г. Иванов, В.И. Соломонов, В.В. Платонов, А.Н. Орлов, А.В. Расулева, С.М. Ватник, И.А. Ведин,

A.П. Майоров, Е.В. Пестряков, А.В. Шестаков, А.В. Салков II Фотоника. -2007. -№5. -С.24-29.

15. Осипов В.В. Лазерный синтез нанопорошков и новые оптические материалы, основанные на них. / В.В. Осипов, В.В. Иванов, А.В. Шестаков, М.Г. Иванов, А.Н. Орлов, В.В. Платонов, А.В. Кайгородов, В.Р Хрустов, Ю.Л. Копылов // Известия вузов. Материалы электронной техники. -2007. -№2, -С.59-64.

16. Багаев. С.Н. Лазерная керамика из оксида иттрия, активированного неодимом. / С.Н. Багаев, В.В. Осипов, М.Г. Иванов,

B.И. Соломонов, В.В. Платонов, А.Н. Орлов, А.В. Расулева, В.В. Иванов, А.С. Кайгородов, В.Р. Хрустов, С.М. Ватник, И.А. Ведин, А.П. Майоров, Е.В. Пестряков, А.В. Шестаков, А.В. Салков //Квантовая электроника. -2008. -Т.38, №9. -С.840-844.

17. С02 Laser Excitation by a Combined Discharge Using gas Flow Through Electrodes / V.V. Osipov, M.G. Ivanov, P.B. Smirnov, V.V. Platonov // The 4th International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'99, Tomsk, Russia, September 13-17, 1999. Abstracts. 1999.-P.62.

18. New pulse-repetitive high-efficient technological C02-laser and its use for production of nano-powders and thin films / M.G.Ivanov, V.V.Osipov, V.V.Platonov., V.V.Lisenkov // International Conference on LASERS'2001, Tucson, Arizona, USA, December 3-7, 2001, Abstracts -ME.2.

19. Properties of YSZ and CeGdO nanopowders prepared by target evaporation with a pulse-repetitive C02-laser / Yu.A. Kotov, V.V. Osipov, M.G. Ivanov, O.M. Samatov, V.V. Platonov, V.V. Lisenkov,

A.M. Murzakayev, A.I. Medvedev, E.I. Azarkevich, A.K. Shtolz, O.R. Timoshenkova //International Conference on NANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGIES NN'2003, Crete, Greece, August 30 -September 6, 2003. Abstracts. 2003. - P. 12.

20. Features of development of the laser plume from the graphite target / V.V.Osipov, N.B.Volkov, V.V.Platonov, M.G.Ivanov // The VI International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'2003, Tomsk, Russia, September 15-19, 2003. Abstracts. 2003. -P.65.

21. Особенности формы плазменного факела, генерируемого излучением импульсно-периодического С02-лазера. Модель формирования наночастиц. /Осипов В.В., Волков Н.Б., Лисенков

B.В., Платонов В.В., ИвановМ.Г. // XIX Международная конференция "Уравнения состояния вещества", Эльбрус,! 1-17 марта

2004г., Физика экстремальных состояний вещества-2004: сборник докладов. -Черноголовка, 2004г. - 207 с.

22. The Dynamics of Plasma Jet Produced by Long Pulse Laser Radiation / V.V. Osipov, V.V. Platonov, V.V. Lisenkov, M.G. Ivanov // Great Lakes Photonics Symposium, Cleveland, OH, USA, June 7-11, 2004. Abstracts.

2004. -P.31.

23. Laser synthesis of nanopowders / V.V. Osipov, Yu.A. Kotov, V.V. Platonov, O.M. Samatov, M.G. Ivanov // Advanced Laser Technologies ALT'04, Rome and Frascati, Italy, Sept. 10-15, 2004. Proc. SPIE, 2005. Vol.5850, -P.242.

24. Spectral-kinetic investigation of the plume produced with high-power C02 laser. / Osipov V.V., Solomonov V.I., Platonov V.V., Ivanov M.G., Lisenkov V.V., Snigireva O.A. // International Conference on Coherent and Nonlinear Optics & International Conference on Lasers, Applications and Technologies (ICONO/LAT 2005), St. Petersburg, Russia, May 11-15, 2005. Technical Digest. 2005. - P.124.

25. Fabrication of Nd:Y203 transparent ceramics by pulsed compaction and sintering of weakly agglomerated nanopowders / A. Kaigorodov, V. Osipov, M. Ivanov, V. Platonov, Yu. Kotov, A. Medvedev, V. Ivanov, V. Khrustov // IX Conference & Exhibition of the European Ceramic Society. Portoroz, Slovenia, 19-23 June 2005, Abstract book. 2005. -P.143.

26. The method of laser synthesis of oxide nanomaterials. / M.G. Ivanov, Yu.A. Kotov, V.V. Osipov, V.V. Platonov, O.M. Samatov, V.I. Solomonov // 12th International Symposium on Metastable and Nano Materials (ISMANAM). Paris, France, 3-7 July 2005. Book of abstracts.

2005. P.I-48.

27. Laser synthesis and characteristics of oxide nanopowders. / V.V. Osipov, Yu.A. Kotov, M.G. Ivanov, V.V. Platonov, O.M. Samatov, A.V. Rasuleva // The 13th International Conference on Advanced Laser Technologies ALT'05, Tianjin, China, Sept. 3-6, 2005. Proc. SPIE, 2006. Vol.6344, -P.63442N.

28. Research of dynamics of the laser plume from graphite and YSZ targets / M.G.Ivanov, V.V. Lisenkov, V.V.Osipov, V.V.Platonov, O.A. Snigireva and V.I. Solomonov // The VII International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers AMPL'2005, Tomsk, Russia, September 12-16, 2005. Conference Abstracts. - Institute of Atmosperic Optics SB RAS, Tomsk, 2005.-113c.

29. Исследование спектрально-кинетических характеристик лазерного факела. / Лисенков В.В., Осипов В.В., Соломонов В.И., Платонов В.В., Снигирева О.А., Иванов М.Г. // XX Международная конференция "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество", Эльбрус, 1-6 марта 2005 г., сборник докладов -С. 172-174.

30. Laser synthesis of oxide nanopowders / M.G. Ivanov, Yu.A. Kotov, V.V. Osipov, V.V. Platonov, O.M. Samatov // 11th International Ceramic Congress, 4th Forum on New Materials. Acireale, Sicily, Italy, June 4-9 2006, Book of abstracts. 2006. -P.26.

31. Dynamics and spectroscopy of the laser plume and generation of the nanoparticles / V.V.Osipov, V.I. Solomonov, V.V.Platonov, O.A. Snigireva, V.V. Lisenkov, M.G.Ivanov, // International Conference on Advanced Laser Technologies ALT'06, Brasov, Romania, Sept. 8-12, 2006, Proc. SPIE. 2007. Vol.6606, -P.66060M.

32. Лазерный синтез нанопорошков и новые оптические материалы, основанные на них / В.В. Осипов, В.В. Иванов, М.Г. Иванов, А.В. Шестаков, А.Н. Орлов, В.В. Платонов, А.В. Кайгородов, В.Р Хрустов, Ю.Л. Копылов // 3-я Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва, 20-26 ноября 2006 г. Тезисы докладов. 2006. -С.282-283.

33. Laser ceramics based on neodymium-activated yttrium oxide / S.N. Bagaev, V.V. Osipov, M.G. Ivanov, V.I. Solomonov, V.V. Platonov, A.N. Orlov, A.V. Rasuleva, S.M. Vatnik and I.A. Vedin // The 8th International Conference "Atomic and Molecular Pulsed Lasers" AMPL'2007, Tomsk, Russia, September 10-14, 2007, Conference Abstracts. 2007. -P.57.

34. Laser ceramics based on neodymium-actiated yttrium oxide / S. Bagaev, V. Osipov, M. Ivanov, V. Solomonov, V. Platonov, A. Orlov, A. Rasuleva, S. Vatnik, I. Vedin, E. Pestryakov // 3rd Laser Ceramics Symposium: International Symposium on transparent Ceramics for photonic applications, Paris, France, October 8-10, 2007, Conference Abstracts. 2007. -O-C-13.

35. Optical ceramics from neodymium-activated yttrium oxide. / S.N. Bagaev, V.V. Osipov, M.G.Ivanov, V.I. Solomonov, V.V. Platonov, A.N. Orlov, A.V. Rasuleva, V.V. Ivanov, A.S. Kaygorodov, V.R. Khrustov S.M. Vatnik, I.A. Vedin, A.P. Mayorov, E.V. Pestryakov, A.V. Shestakov, A.V. Salkov // Atomic and Molecular Pulsed Lasers VIII, Proceedings of the SPIE. 2008. Vol. 6938,2008. -P. 69380R1-69380R7.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. Nd3+:Y203 ceramic laser. / Jianren Lu, Junhua Lu, Tomoyo Murai, Kazunori Takaichi, Tomohiro Uematsu, Ken-ichi Ueda, Hideki Yagi, Takagimi Yanagitani, Alexander A. Kaminkii // Japenese Journal of Applied Physics. -2001. -V.40. -P.L1277-1279.

2. Fabrication and optical properties of high-performance polycrystalline Nd:YAG ceramics for solid-state lasers. / Akio Ikesue, Toshiyuki Kinoshita, Kiichiro Kamata, Kunio Yoshida // Journal American ceramic society. -1995. -V. 78, № 4. -P.1033-1040.

3. Перфильев М.В. Высокотемпературный электролиз газов. / М.В. Перфильев, А.К. Демин, Б.А. Кузин, А.С. Липилин. -М.: Наука, 1988. -232с. '

4. Нанокерамика стабилизированного оксида циркония, полученная магнито-импульсным прессованием наноразмерных порошков./ В.В. Иванов, В.Р. Хрустов, С.Н. Паранин, А.И. Медведев, А.К. Штольц, О.Ф. Иванова, А.А. Ноздрин // Физика и химия стекла. -2005. -Т. 31, № 4. -С.625-634.

5. Керамика с субмикронной структурой из оксида церия, допированного гадолинием, для электрохимических применений. / В.П. Горелов С.В. Заяц, В.В. Иванов, С.Ю. Ивин, Ю.А. Котов, А.И. Медведев Н.И. Москаленко, A.M. Мурзакаев, О.М. Саматов, В.Р. Хрустов // Физика и химия стекла. -2005. -Т. 31, № 4. -С.635-642.

6. Characterisation of nanocrystalline ceramic oxide powders preparation by laser evaporation. / E. Muller, Ch. Oestreich, U. Popp, G. Michel, G. Staupendahl, K.-H. Henneberg // 4lh Euro Ceram. Conf. Ed. Galassi C. Italy: Proc. -1995 -V.l. P.219-224.

7. Properties of nanocrystalline ceramic powders prepared by laser evaporation and recondensation. / U. Popp, R. Herbig, G. Michel, E. Muller, Ch. Oestreich // Journal of European Ceramic Society. -1998. -V.18.-P.1153-1160.

8. Веденов A.A. Физические процессы при лазерной обработке материалов. / А.А. Веденов, Г.Г. Гладуш. -М.: Энергоатомиздат, 1985. -208с.

9. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы. / А.И. Гусев, А.А. Ремпель -М.: Физмат лит, 2000. -222с.

10. В. Виттеман. С02-лазер: пер. с англ. / В. Виттеман. -М.: Мир, 1990. -360с.

11. Айанагос А.Ф., Халтурин В.Г., Шмаков // Физика и химия обработки материалов. -1995. -№ з -С.108.

12. Гордиец Б.Ф. Кинетика низкотемпературной плазмы и газовые лазеры. / Гордиец Б.Ф., Шелепин JI.A. Шмоткии Ю.К. -М.-.Наука, 1989.

Подписано в печать 15.11.08. Формат 60X90 1/16. Усл.печ. л. 1,25. Тираж 100. Заказ 25. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ООО «Таймер КЦ» 620137, г. Екатеринбург, ул. Луначарского, 136.

Введение

Глава 1. Перспективы использования лазерного испарения для получения нанопорошков (Обзор литературы)

1.1 Введение

1.2 Методы синтеза нанопорошков

1.2.1. Осаждение из коллоидных растворов

1.2.2. Газофазный синтез

1.2.2.1. Электрический взрыв проводников

1.2.2.2. Испарение с помощью электронного пучка

1.3. Лазерный способ получения наночастиц

1.4. Выводы к главе

Глава 2. Экспериментальные установки и методики измерений

2.1. Введение

2.2. Накачиваемый комбинированным разрядом импульсно-периодический

СОг-лазер

2.2.1. Схема накачки импульсно-периодического СОг-лазера «ЛАЭРТ»

2.2.2. Оптимизация режима накачки СОг-лазера «ЛАЭРТ»

2.3. Экспериментальный комплекс для получения нанопорошка

2.4. Методы и средства исследования нанопорошков.

2.5. Методики исследования лазерного факела.

2.5.1. Экспериментальная установка для исследования собственного свечения лазерного факела

2.5.2. Установка для исследования динамики лазерного факела теневым методом

2.5.3. Стенд для измерения спектральных характеристик лазерного факела

2.6. Выводы к Главе

Глава 3. Особенности лазерного синтеза нанопорошков

3.1. Введение.

3.2. Форма и размеры частиц в нанопорошках

3.3. Производительность получения нанопорошков

3.4. Влияние условий синтеза на размеры наночастиц.

3.5 Изменение химического состава нанопорошков сложных смесевых составов

3.6 Выводы к главе

Глава 4. Исследование динамики лазерного факела

4.1. Введение.

4.2. Исследование разлета лазерного факела при испарении оксидных мишеней из YSZ и шихты Nd: YAG

4.3. Исследование разлета лазерного факела при испарении графитовой мишени

4.4. Численное моделирование динамики плавления и кристаллизации при испарении мишени

4.5. Выводы к Главе

В последнее время резко вырос интерес к использованию наноструктурированных материалов или устройств в научных разработках и в технологии, т.к. при размерах хотя бы в одном направлении менее ЮОнм нанообъекты начинают проявлять уникальные свойства, отличные от свойств макрообъектов Ц, 2].

Одним из самых распространенных направлений в нанотехнологии являются нанопорошковые технологии, т.к. нанопорошки находят как самостоятельное применение (биология, медицина, химический катализ) [3], так и используются для компактирования объемных изделий [1, 4, 5]. Размеры и форма наночастиц, их агломерация, химический состав и кристаллическое строение задаются, главным образом, на стадии приготовления наночастиц. Поэтому развитие методов синтеза наночастиц с требуемыми свойствами является важной практической задачей.

В настоящее время очень активно развивается метод экологически чистого получения электрической энергии с помощью электрохимических водородных генераторов, топливные элементы которых используют для разделения зарядов твердые электролиты на основе ЪхОг - Y20з ХхОг - ЗсгОз, СеОг - Ос^Оз (Се1хОс1х Ог-б) [б].

Процесс синтеза твердых керамических электролитов основан на прессовании исходных порошков и последующем спекании полученных заготовок. Применение в качестве сырья порошков с размерами частиц менее 40нм [7, 8] позволяет снизить температуру спекания керамик на 300-г500°С по сравнению с режимом спекания керамик из микропорошка [6, 9]. Кроме того, применение нанопорошков позволяет уменьшить размер кристаллитов в керамике до величины ~100нм и за счет этого резко повысить механическую прочность керамик и эффективность их работы. Нанопорошки YSZ нашли свое применение и для получения методом электрофореза газоплотных покрытий [Ш].

Интенсивно развиваются методы создания оптической керамики из Ш3+:У20з и л I иттрий-алюминиевого граната N(1 ^зА^Оп для активных сред твердотельных лазеров. Лазерные керамики имеют перед монокристаллами следующие преимущества: возможность создания многослойных элементов с размерами, превышающими размеры монокристаллов, введение большей концентрации активных центров, меньшее время и стоимость изготовления [Ц, 12]. На основе керамического активного элемента недавно был создан Ш3+:УзА15012 лазер, генерирующий излучение А,=1064нм в непрерывном режиме мощностью 110Вт [13], который почти не уступал по КПД лазеру с монокристаллическим активным элементом, а при мощности излучения 150Вт даже превосходил его. Создание таких материалов предполагает использование слабоаломерированных нанопорошков с малым средним размером частиц и узким распределением их по размерам.

Таким образом, в настоящее время есть насущная необходимость развития метода синтеза нанопорошков, использующихся для изготовления керамик различного назначения, в количествах достаточных хотя бы для опытно-конструкторских разработок (~1кг). Необходимым требованием предъявляемым к нанопорошкам является их слабая агломерация, т.к. это улучшает однородность прессовок и облегчает получение керамик с высокой относительной плотностью [8].

В настоящее время широко распространенные химические методы позволяют получать нанопорошки с наибольшей производительностью, но получаемые наночастицыг являются очень сильно агломерированными [14]. В последнее время успешно развиваются способы снижения размеров агрегатов с десятков и сотен микрометров до 0,5мкм [15, 16]. Однако необходимость каждый раз подбирать технологию и реагенты при смене материала наночастиц, а также удалять продукты химических реакций из нанопорошков являются непреодолимыми недостатками этих методов.

Газофазные методы получения нанопорошков, суть которых заключается в испарении вещества нужного состава и последующей конденсации паров в буферном газе, лишены вышеперечисленных недостатков и позволяют получать слабоагломерированные наночастицы как правило сферической формы [1,4]. Для испарения исходных материалов применяются электрический взрыв проводников [17, 18], электронные пучки [19, 20, 21, 22] и лазерное излучение [23-31].

Существенным ограничением метода электрического взрыва проволочек, с помощью которого получают металлические, оксидные и нитридные нанопорошки, является то, что не все материалы имеются в виде проводящей электрический ток проволоки. Электронные пучки обладают радиационной опасностью, а их применение для испарения веществ требует больших энергозатрат, т.к. поглощение ускоренных электронов твердыми веществами имеет объемный характер. Это существенно снижает производительность наработки нанопорошков и намного увеличивает затраты электрической энергии из-за очень высоких тепловых потерь на плавление и нагрев мишени.

Лазерное излучение для большинства материалов приникает на значительно меньшую глубину, чем электронные пучки, что позволяет испарять материалы при меньших затратах энергии лазерного излучения. Поэтому лазерный метод получения наночастиц является наиболее универсальным. Многообразие источников когерентного излучения позволяет использовать для разрушения мишеней, как непрерывные лазеры, так и импульсные лазеры с длительностью импульсов излучения до 50 фемтосекунд. С помощью Тксапфирового лазера с длительностью импульса «100фс, который создавал н плотность мощности излучения 1016 Вт/см2 , были получены в водной среде частицы золота размером 5-170нм [29]. В этом случае разрушение мишени происходит без ее нагрева, т.к. поглощаемая электронной подсистемой материала мишени энергия излучения не успевает передаваться кристаллической решетке [32]. Однако из-за маленькой средней мощности излучения (0,25Вт) производительность наработки нанопорошка составила всего лишь 1,6мг/час. Таким образом, производительность получения наночастиц определяется средней мощностью лазерного излучения. Наиболее подходящими для получения нанопорошков в больших количествах (килограммы) в настоящее время являются ССЬ-лазеры со средней мощностью излучения 1-И0кВт, которые широко применяются для силового воздействия на конструкционные материалы в промышленности [33].

Впервые применение мощного СОг-лазера для получения с высокой производительностью наночастиц А120з, ТгОг, 2г02:М£0, Zr02:Ca0, 2г02:Уг0з было продемонстрировано в работах немецких ученых под руководством Мюллера [23-25, 31, 34], которые использовали один и тот же лазер для генерирования как непрерывного, так* и импульсно-периодического излучения. Максимальная в этих опытах производительность получения нанопорошков ХхОг равная 130г/час была получена в непрерывном режиме работы лазера с мощностью излучения «4кВт и плотностью с -у мощности на мишени 4-10 Вт/см . В этом режиме были получены слабоагломерированные сферические наночастицы, которые имели достаточно широкое распределение по размерам в диапазоне 10-И00нм, а их средний размер был равен с1Вет~60нм.

Полученные результаты показали, что метод получения нанопорошков путем испарения мишени непрерывным лазерным излучением может составить конкуренцию химическим методам по производительности, а по степени агломерации наночастиц, что крайне важно, существенно превосходит их.

Однако в непрерывном режиме лазерного излучения очень велики оказываются потери энергии на плавление и нагрев мишени [33]. Эти потери можно уменьшить используя импульсный режим испарения, в котором возможно создать намного большую плотность мощности излучения на поверхности мишени и увеличить, таким образом, скорость испарения вещества. Впервые преимущества использования для получения нанопорошков с помощью импульсно-периодического лазерного излучения 10,6мкм с высокой средней мощностью было продемонстрировано в [24, 34]. При средней мощности излучения 500Вт в импульсно-периодическом режиме производительность наработки нанопорошка 2гС>2 оказалась равной 7г/час, что вдвое выше чем при непрерывном режиме с той же мощностью излучения [24]. При этом распределение наночастиц по размерам вдвое сузилось и средний размер наночастиц с1цЕТ упал до 20нм.

Однако из-за того, что в [24, 34] импульсно-периодический режим излучения был получен с помощью модуляции добротности резонатора, КПД лазера при длительности импульсов 45 мкс был в «4раза меньше, чем в непрерывном режиме. Поэтому общие удельные затраты электрической энергии при получении нанопорошка только увеличились. Это сделало нецелесообразным применение СОг-лазера с модулированием добротности резонатора для наработки наночастиц. По нашему мнению в полной мере реализовать преимущества использования импульсно режима испарения мишени можно только с помощью импульсно-периодического СОг-лазера с высоким КПД и большой средней мощностью излучения.

Взаимодействие разлетающейся лазерной плазмы с буферным газом несомненно влияет на динамику ее охлаждения и конденсацию наночастиц. В [31, 34] было найдено, что размеры образующихся наночастиц зависят от скорости прокачки газа над поверхностью мишени и от сорта газа (гелий или кислород). В работе [26] нашли, что при уменьшении давления гелия с 70 кПа до 2,5 кПа средний размер полученных непрерывным СОг-лазером с мощностью излучения 100Вт наночастиц ЪсОг, уменьшается с 9нм до 2нм. Кроме того в [23, 34глава1] была обнаружена зависимость удельной поверхности нанопорошков ЪгОг от плотности мощности лазерного излучения на мишени.

Однако в работах [23-26, 31, 34] совсем не исследовались процессы, протекающие при лазерном синтезе нанопорошков с помощью мощного технологического СОг-лазера, в частности разлет лазерного факела в буферный газ.

На основании проведенного анализа наиболее значимых результатов исследований можно заключить следующее. До сих пор не исследовалось получение нанопорошков с помощью мощного импульсно-периодического СОг-лазера с высоким КПД. Нет данных о фракционном составе нанопорошков получаемых с помощью импульсно-периодического СОг-лазера, зависимости среднего размера наночастиц от материала и условий синтеза. Кроме того не исследовались динамика и характеристики лазерного факела, возникающего при испарении в атмосфере буферного газа оксидных мишеней.

Учитывая вышеизложенное, в настоящей работе были поставлены следующую цель исследования:

Исследовать особенности получения нанопорошков с помощью излучения импульсно-периодического СОг-лазера, их основные характеристики и характеристики лазерного факела, в котором образуются наночастицы.

Для достижения этой цели необходимо решить основные задачи исследований:

1. установить влияние энергетических параметров мощного импульсно-периодического лазерного излучения А.=10,6мкм, формы импульса на производительность синтеза наночастиц;

2. определить фракционный состав получаемых нанопорошков;

3. выявить влияние химического состава мишени, давления буферного газа и скорости его прокачки через испарительную камеру на распределение наночастиц по размерам;

4. изучить динамику и спектральные характеристики лазерного факела;

5. исследовать динамику плавления мишени в зависимости от формы импульса лазерного излучения. г

Структура работы.

Диссертационная работа изложена на 113 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками, таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения и ^ библиографического списка, который содержит 85 наименований.

4.5. Выводы к Главе 4.

Основываясь на результатах экспериментальных и теоретических исследований можно сделать следующие выводы.

1. Установлено, что в видимом свете светящаяся зона лазерного факела, образующегося при испарении мишени из YSZ, представляется в виде столба с острым кончиком, длина и яркость свечения которого зависит от мгновенной мощности лазерного излучения. Температура светящейся плазмы рядом поверхностью мишени примерно равна температуре ее кипения, и уменьшается с увеличением расстояния до мишени. С окончанием импульса лазерного излучения светящийся столб пропадает. Впервые для этого материала обнаружено на расстоянии 5мм от мишени формирование в момент пика лазерного импульса, существующего в течение «15мс, несветящегося вихревого облака, в котором образуются наночастицы.

2. Впервые в случае абляции углерода импульсным СОг-лазером обнаружено формирование в верхней части лазерного факела вихреобразного облака, свечение которого продолжается и после окончания возгонки мишени в течение »ЮОмкс. Температура лазерной плазмы около устья лазерного кратера равна 15кК, а во остальных областях светящегося факела - «ЮкК, что намного выше температуры возгонки графита. Длительное свечение облака и высокая температура объяснены выделением внутренней энергии пара в реакциях ассоциации двух атомов углерода в столкновении с третьей частицей.

3. На теневых фотографиях факела от оксидных мишеней из YSZ и шихты Ш:УАО спустя ~800мкс с момента появления лазерного факела (т.е. уже после окончания испарения мишени) появляются, начинающиеся в устье кратера, тёмные прямолинейные треки, которые являются следами пролета крупных осколков мишени. Показано, что причиной образования крупных частиц может быть растрескивание кристаллизующегося расплава в лазерном кратере.

4. Моделирование воздействия на мишень импульсов лазерного излучения различной формы указывает, что оптимальными для данного случая являются импульсы прямоугольной формы с амплитудой достаточной для реализации развитого испарения. Однако даже с их использованием не удаётся существенно (в разы) снизить толщину, объём и время существования расплава.

Заключение

В ходе выполнения данной работы были получены нанопорошки тугоплавких сложных оксидов YSZ, Се1-хСс1х02-5 и Ш^Оз методом испарения в потоке воздуха мишеней излучением импульсно-периодического СОг-лазера имеющего среднюю мощность излучения до 600Вт, энергию излучения в импульсе до 1,2Дж при частоте следования импульсов 500Гц. Исследовалось влияние различных параметров лазерного синтеза на производительность и размеры наночастиц, их химический состав.

В целях обеспечения надежной работы СОг-лазера в его электрической схеме накачки был использован магнитный ключ в качестве элемента развязки источников питания самостоятельного и несамостоятельного разрядов, который позволил при сохранении энергетических характеристик лазерного излучения многократно увеличить срок службы развязывающего элемента (не менее 1000 часов). Определен интервал между самостоятельными разрядами в пакете накачки активной среды лазера, при котором обеспечивается максимальная пиковая мощность импульса при равном начальном напряжении несамостоятельного разряда.

Показано, что использование для синтеза нанопорошков СОг-лазера, специально разработанного для работы в импульсно-периодическом режиме, дает преимущество в отношении производительности получения тугоплавких нанопорошков оксидов по сравнению с непрерывным СОг-лазером той же средней мощности. С другой стороны затраты электрической энергии оказываются в многократно меньше, чем при использовании СОг-лазера с модулированием добротности резонатора с той же средней мощностью излучения [251.

Производительность наработки нанопорошков зависит от теплофизических свойств мишени. При средней мощности излучения 500Вт и пиковой мощности 8-г9кВт при получении нанопорошка YSZ она равна 20-к>Зг/час, а при испарении менее тугоплавкого Секх0с1х02.5 - «70г/час.

При одинаковой энергии импульса излучения лазера («1Дж) с увеличением

О 9 плотности пиковой мощности излучения с 1,4МВт/см до 2,2МВт/см производительность наработки нанопорошка Се1хСс1х02-5 не изменяется, в тоже время при испарении YSZ она существенно увеличивается. Это свидетельствует о больших потерях энергии излучения на плавление и нагрев мишени при испарении более тугоплавкого YSZ по сравнению с испарением мишени из Се1-хСс1х02-8.

Полученные нанопорошки содержат в себе частицы двух фракций. Первая фракция состоит из наночастиц округлой формы (или с огранкой), которые образуются при конденсации пара и при атмосферном давлении воздуха в испарительной камере имеют средний размер - 11-4-Мнм. Вторая фракция состоит из разбрызганных из расплава сферических частиц размерами 0,2-г2мкм и бесформенных осколков мишени с размерами 1-т-50мкм, образующихся в результате разрушения оплавленного вещества в кратере в момент кристаллизации.

Средние размеры частиц в нанопорошках YSZ, Cei„xGdx02-5 и Nd:Y2C>3 оказываются одинаковыми и не зависят от энергии (0,2-s-1,2Дж) и пиковой мощности лазерного излучения (0,5-2МВт/см2), а определяются параметрами несущего газа. С ростом скорости прокачки воздуха над поверхностью мишени с 2м/сек до 22м/сек увеличивается удельная поверхность нанопорошка YSZ с 42м2/г до 70м2/г, из-за увеличения скорости охлаждения пара в лазерном факеле. Объем лазерного факела, а значит и концентрация частиц пара перед началом конденсации контролируются давлением воздуха в испарительной камере. По этой причине средний размер наночастиц полученных в условиях плавно растущего давления воздуха с уровня 1,25атм до 2,75атм был равен 24нм, что в «2 раза выше, чем при нормальном давлении.

Химический состав наночастиц сложных оксидов типа YSZ, Cei-xGdx02-5 и Nd:Y203 отличается от состава мишени. Это различие оказывается тем выше, чем больше разница теплофизических свойств простых оксидов, составляющих мишень. Кроме того, изменение химического состава нанопорошка Cei-xGdx02.5 существенно возрастает при У снижении средней по пятну плотности мощности излучения на мишени с 2,6МВт/см до 1,1 МВт/см2. Это существенно затрудняет получение нанопорошков с заданным химическим составом, т.к. требуется строго контролировать качество излучения и пиковую в импульсе мощность лазерного пучка.

При исследовании методами скоростной киносъемки и теневого фотографирования разлета лазерного факела от мишени обнаружено следующее.

1. Светящаяся часть лазерного факела, образующегося при испарении YSZ имеет форму иглы, длина которой контролируется мгновенной мощностью излучения и является максимальной вблизи пика лазерного импульса и сокращается в размерах на заднем фронте импульса излучения. После окончания лазерного импульса свечение факела пропадает.

2. Светящаяся часть лазерного факела от графитовой мишени при разлете приобретает вблизи пика лазерного импульса сложную вихревую форму похожую на «гриб». Поведение ножки «гриба» подобно светящейся зоне факела от YSZ мишени. Свечение же «шляпки гриба», впервые зафиксированное при абляции графита импульсным СОг-лазером, продолжается в течение «ЮОмкс после окончания лазерного импульса и обусловлено экзотермической реакцией ассоциации двух атомов углерода столкнувшихся с третьей частицей.

3. В процессе разлета пары, имеющие вблизи устья кратера температуру чуть выше температуры кипения мишени, охлаждаются до температур ниже точки кипения. Однако на расстоянии нескольких миллиметров от поверхности мишени этот процесс задерживается выделением энергии сублимации на начальном этапе конденсации пара, окончательное образование наночастиц происходит в вихревых облаках, которые формируются при турбулентном перемешивании пара с воздухом.

4. Обнаруженные на теневых фотографиях треки являются следами пролета крупных осколков, которые образуются при саморазрушении кристаллизующегося расплава в кратере после окончания испарения мишени лазерным импульсом. Это подтверждается тем, что по результатам расчетов динамики плавления мишени в процессе абляции и после ее окончания момент кристаллизации расплава совпадает с наиболее ранним временем появления треков на теневых фотографиях. Вероятно этот процесс усугубляется неоднородным распределением интенсивности лазерного излучения в пятне и, как следствие, неоднородным остыванием и кристаллизацией расплава в пятне.

1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы. / А.И. Гусев, А.А. Ремпель -М.: Физмат лит, 2000. -222с.

2. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. / Ю.И. Петров -М.: Наука, 1986, -366с.

3. Ч.Пул-мл. Нанотехнологии. / Ч.Пул-мл., Ф. Оуэне -М.: Техносфера, 2006. -336с.

4. Гусев А.И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соединениях. / А.И. Гусев // Успехи физических наук. 1998.-Т. 168, № 1. -С.55-83.

5. Перфильев М.В. Высокотемпературный электролиз газов. / М.В. Перфильев, А.К. Демин, Б.А. Кузин, А.С. Липилин. -М.: Наука, 1988. -232с.

6. Ionic conductivity in the Ce02-Gd203 system (0.05<Gd/Ce<0.4) prepared by oxalate coprecipitation. / Tianshu Z., Hing P., Huang H., Kilner J. // Solid State Ionics. 2002. -Уо1. 148, № 3/4. -P. 567-573.

7. Электрофоретическое осаждение нанопорошков на пористой поверхности. / А.П. Сафронов, Е.Г. Калинина, Ю.А. Котов, A.M. Мурзакаев, О.Р. Тимошенкова // Российские нанотехнологии. -2006. -Т. 1, № 1-2. С. 162-169.

8. Lu Chung-Hsin. Sol-gel synthesis and photoluminescent properties of cerium-ion doped yttrium garnet powders. / Chung-Hsin Lu, Hsin-Cheng Hong, R. Jagannathan // J. Mater. Chem. -2002. -Vol.12. -P.2525-2530.

9. Tartaj Pedro. Preparation of nanospherical amorphous zircon powders by a microemulsionmediated process. / Pedro Tartaj, Lutgard C. De Jonghle // J. Mater. Chem. -2000. -Vol.10. -P.2786-2790.

10. Котов Ю.А. Исследование частиц, образующихся при электрическом взрыве проводников. / Ю.А. Котов, Н.А. Яворский // Физика и химия обработки материалов. — 1978. -№4. С.24-29.

11. Yu.A. Kotov. Electric explosion of wires as a method for preperation of nanopowders. / Yu.A. Kotov // Journal of Nanoparticle Research. -2003. -Vol.5. P.539-550.

12. Получение нанопорошков испарением исходных веществ на ускорителе электронов при атмосферном давлении. / С.П. Бардаханов, А.И. Корчагин, Н.К. Куксанов, А.В. Лаврухин, Р.А. Салимов, С.Н. Фадеев, В.В. Черепков // ДАН. -2006. -Т.409, №3. -С.320-323.

13. Ramsay J.D.F. Ultrafine oxide powders prepared by electron beam evaporation. Parti. / J.D.F. Ramsay, R.G. Avery // Journal of materials science, -1974. -Vol. 9. -P.1681-1688.

14. Ramsay J.D.F. Ultrafine oxide powders prepared by electron beam evaporation. Part 2. / J.D.F. Ramsay, R.G. Avery // Journal of materials science. -1974. -Vol.9. P.1689-1695.

15. Ильвес В.Г. Использование импульсного электронного пучка для получения нанопорошков оксидов. / Ильвес В.Г., Котов Ю.А., Соковнин С.Ю., С.К. Rhee // Российские нанотехнологии. -2007. -Т. 2, №9-10. С.96-102.

16. Popp U. Properties of nanocrystalline ceramic powders prepared by laser evaporation and recondensation. / U. Popp, R. Herbig, G. Michel, E. Muller, Ch. Oestreich // Journal of European Ceramic Society. -1998. -Vol.18. -P.1153-1160.

17. Muller E. Characterisation of nanocrystalline oxide powders prepared by CO2 laser evaporation. / E. Muller, Ch. Oestreich, U. Popp, G. Michel, G. Staupendahl, K.-H. Henneberg // J. KONA Powder and Particle. -1995. -№13. P.79.

18. Jonston Gregory P. Reactive laser ablation synthesis of nanosize alumina powder. / Gregory P. Jonston, Ross Muenchausen, Douglas M. Smith, William Farenholtz, Steve Folton // J. Am. Ceram. Soc. -1992. -Vol.75, №12. -P.3293-3298.

19. Eliezer S. Synthesis of nanoparticles with femtosecond laser pulses. / S. Eliezer, N. Eliaz, E. Grossman, D. Fisher, I. Gouzman, Z. Henis, S. Pecker, Y. Horovitz, M. Fraenkel, S. Maman, Y. Lereah // Phys. Rev. B. -2004 -Vol.69. -P.144119.

20. Sylvestre J.-P. Femtosecond laser ablation of gold in water: influence of the laser-produced plasma on the nanoparticle size distribution. / J.-P. Sylvestre, A.V. Kabashin, E. Sacher, M. Meunier // Appl. Phys. A. -2005. -Vol.80. -P.753-758.

21. Reinholdt A. Novel nanoparticle matter: ZrN-nanoparticles. / A. Reinholdt, R. Detemple, A.L. Stepanov, Т.Е. Weirich, U. Kreibig // Appl. Phys. B. -2003. -Vol.77. -P.681-686.

22. Michel G. Production of nanosized zirconia-particlees by CO2 laser evaporated. / G. Michel, G. Staupendahl, G. Eberhardt, E. Muller, Ch. Oestreich // Key Engineering Materials. -1997. -Vol.132/136. -P.161-164.

23. Коротеев Н.И. Физика мощного лазерного излучения. / Н.И. Коротеев, И.Л. Шумай. -М.: Наука, 1991.-312с.

24. Веденов А.А. Физические процессы при лазерной обработке материалов. / А.А. Веденов, Г.Г. Гладуш. -М.: Энергоатомиздат, 1985. -208с.

25. Buffat Ph. Size effect on melting temperature of gold particles. / Ph. Buffat, J-P. Borel // Phys. Rev. A. -1976. -Vol.13, №6. -P.2287-2298.

26. Котов Ю.А. Порошковые нанотехнологии для создания функциональных материалов и устройств электрохимической энергетики. / Ю.А. Котов, В.В. Иванов // Вестник Российской академии наук. -2008. -Т.78, №9, -С.777-787.

27. Ikesue A. Influence of pore volume on laser performance of Nd:YAG ceramics. / Akio Ikesue, Kunio Yoshida // Journal of materials science. -1999. -Vol.34. -P. 1189-1195.

28. Ikesue A. Progress in ceramic laser. / Akio Ikesue, Yan Lin Aung, Takunori Taira, Tomosumi Kamimura, Kunio Yoshida and Gary L. Messing // Annuel Review of Materials Research. -2006. -Vol.36. -P.397-429.

29. Андриевский P.A. Порошковое материаловедение. / Андриевский P.A. -М.: Металлургия, 1991. -205с.

30. Teresiak A. X-ray investigations of high energy ball milled transition metal carbides. / A. Teresiak, H. Kubsch//Nanostruct. Material. -1995. -Vol.6, №5+8. -P.671-674.

31. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. / Суздалев И.П. -М.: КомКнига, 2006. -592с.

32. V. Kohlsschutter, С. Ehlers, Ztschr. Elektrochem. -1912. -Vol.18, -P.373.

33. V. Kohlsschutter, N. Noll, Ztschr. Elektrochem. -1912.-Vol.18, -P.419.

34. Ген М.Я. Исследование дисперсности аэрозолей алюминия в зависимости от условий их образования. / М.Я. Ген, М.С. Зискин, Ю.И. Петров // Доклады АН СССР, -1959. -Т. 127, №2. -С.366-368.

35. Алексеев Н.В. Синтез наночастиц оксида алюминия при окислении металла в потоках термической плазмы. / Н.В. Алексеев, A.B. Самохин, E.H. Куркин, К.Н. Агафонов, Ю.В. Цветков // Физика и химия обработки материалов. -1997.-№3, -С.33-38.

36. Ген М.Я. Левитационный метод получения ультрадисперсных порошков металлов. / Ген М.Я., Миллер A.B. // Поверхность. Физика, химия, механика. -1983.-№2, -С. 150154.

37. Хейдемане Г.М. Высокотемпературный синтез мелкодисперсного нитрида кремния. / Хейдемане Г.М., Грабис Я.Н., Миллер Т.Н. // Неорганические материалы. -1979.-Т.15, №4. -С.595-598.

38. Ген М.Я. Дисперсные конденсаты металлического пара. / М.Я. Ген, Ю.И. Петров // Успехи химии, -1969.-Т.38, -№12, -С.2249-2278.

39. Андриевский P.A. Получение и свойства нанокристаллических тугоплавких соединений.//Успехи химии. -1994.-Т.63, №5. -С.431-448.

40. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991. -1232с.

41. Осипов В.В. Импульсно-периодический С02-лазер, накачиваемый комбинированным разрядом. / В.В. Осипов, М.Г. Иванов, В.В. Лисенков // Оптика атмосферы и океана. -1997.-Т. 10, №11.-с. 1266-1270.

42. Осипов В.В. Высокоэффективный импульсно-периодический С02-лазер «ЛАЭРТ» для технологических применений. / В.В. Осипов, М.Г. Иванов, В.В. Лисенков, В.В. Платонов //Квантовая электроника. -2002. -Т.32, №3, -С.253-259.

43. В. Виттеман. С02-лазер: пер. с англ. / В. Виттеман. -М.: Мир, 1990. -360с.

44. Тельнов В.А. Исследование энергетических характеристик активной среды С02-лазеров с высоким уровнем накачки: дисс. канд. ф.-м. наук. / Тельнов Виталий Александрович. -Свердловск, ИЭФ УрО РАН, 1988. -153С.

45. Reilly J.R. Pulser/Sustainer Electrical Discharge Laser / Reilly J.R. // J. Appl. Phys. -1972. -Vol.43, №8. -P.3411-3416.

46. Генералов H.A. Быстропроточный технологический СОг-лазер комбинированного действия. / H.A. Генералов, В.П. Зимаков, В.Д. Косынкин, Ю.П. Райзер, Н.Г. Соловьев // Квантовая электроника. -1982. -Т.9, №8. -С. 1549-1557.

47. Alan Е. Hill, Continuous unoform excitation of medium-pressure C02 laser plasmas by means of controlled avalanche ionization. / Alan E. Hill // Appl. Phys. Lett. -1973. -Vol. 22, №12. -P.670-673.

48. Seguin H.J.J. The photoinitiated impulse-enhanced electrically excited (PIE) discharge for high-power cw laser applications. / H.J.J. Seguin, A.K. Nam and J. Tulip // Appl. Phys. Lett. -1978. -Vol.32, №7. -P.418-420.

49. Аполлонов В.В. Формирование объемного самостоятельного разряда в условиях интенсивной УФ подсветки области вблизи катода. / В.В. Аполлонов, В.Р. Миненков, A.M. Прохоров и др. // Квантовая электроника. -1984. -Т.11, №7, -С.1327-1332.

50. Осипов В.В. Формирование объемного газового разряда в лазерных средах. / В.В. Осипов, В.В. Лисенков // Оптика атмосферы и океана. -1997.-Т.10, №11, -С.1260-1270.

51. Иванов М.Г. Мощный СОг-лазер с комбинированной системой возбуждения. / М.Г. Иванов, С.В. Мухачев, В.В. Осипов // Оптика атмосферы и океана. -1995. -Т.8, №11. -С.1616-1621.

52. Васильев Л.А. Теневые методы. / Васильев Л.А. -М.: Наука, 1968. -400с.

53. Ландсберг Г.С. Оптика. Учебн. пособие: для ВУЗов. / Ландсберг Г.С. -М.:Физматлит, 2003. -848с.

54. Казенас Е.К. Испарение оксидов. / Е.К.Казенас, Ю.В.Цветков. -М.: Наука, 1997. -543с.

55. Айанагос А.Ф., Халтурин В.Г., Шмаков // Физика и химия обработки материалов. -1995.-№3 -С.108.

56. Гордиец Б.Ф. Кинетика низкотемпературной плазмы и газовые лазеры. / Гордиец Б.Ф., Шелепин Л.А. Шмоткин Ю.К. -М.:Наука, 1989.

57. Osipov V. V. Laser synthesis of nanopowders. / V. V. Osipov, V. I. Solomonov, V. V. Platonov, O. A. Snigireva, V. V. Lisenkov, and M. G. Ivanov // Laser Physics. -2006.-Vol.16,№ l.-P.l 16-125.

58. Toshiyuki Oyama Synthesis of fullerenes by ablation using pulsed and CW-Nd:YAG lasers. / Toshiyuki Oyama, Tadahiro Ishii and Kasuo Takeuchi // Fullerene science and technology. -1997. -Vol.5(5). -P.919-933.

59. Geohegan David B. Time-resolved imaging of gas phase nanoparticle synthesis by laser ablation. / David B. Geohegan, Alex A. Puretzky, Gerd Duscher and Stephen J. Pennycook // Applied physics letters. -1998. -Vol. 72, №23. -P.2987-2989.

60. Puretzky A.A. Dynamics of single-wall carbon nanotube synthesis by laser vaporization. / A.A. Puretzky, D.B. Geohegan, X. Fan, S.J. Pennycook И Applied physics A. -2000. -Vol.70. -P.153-160.

61. Kokai F. Growth dynamics of carbon-metal particles and nanotubes synthesized by CO2 laser vaporization / F. Kokai, K. Takahashi, M. Yudasaka, S. Iijima // Applied physics A. -1999. -Vol.69. -P.S229-S234.

62. Осипов B.B. Спектроскопия лазерного факела. 1. Графитовая мишень. / В.В. Осипов,

63. B.И. Соломонов, В.В. Платонов, О.А. Снигирева, М.Г. Иванов, В.В. Лисенков // Квантовая электроника. -2005. -Т.35, №5. -С.467-473.

64. Osipov V. V. Dynamics and Spectroscopy of the Laser Plume from Solid Targets. / V. V. Osipov, V. I. Solomonov, V. V. Platonov, O. A. Snigireva, V. V. Lisenkov, and M. G. Ivanov // Laser Physics. -2006. -Vol. 16, № 1. -P.l34-145.

65. Бункин Ф.В. Использование лазерного источника энергии для создания реактивной тяги. / Ф.В. Бункин, A.M. Прохоров // Успехи физических наук. -1976. -Т.119, №3.1. C.425-446.

66. Свойства конструкционных материалов на основе углерода: Справочник. / Под ред. В. П. Соседова, М.: Металлургия, 1975, -336с.

67. Осипов В. В. Особенности развития лазерного факела с графитовой мишени. / В. В. Осипов, Н. Б. Волков, В. В. Платонов, М. Г. Иванов // Оптика атмосферы и океана. -2004. -Т. 17, №2-3. -С. 108-111.

68. Kokai F. Laser ablation of graphite-Co/Ni and growth of single-wall carbon nanotubes in vortex formed in Ar atmosphere. / F. Kokai, K. Takahashi, M. Yudasaka and S. Iijima // J/Phys. Chem. B. 2000. -Vol.104. -P.6777-6784.

69. Osipov V. V. Dynamics and Spectroscopy of the Laser Plume from Solid Targets. / V. V. Osipov, V. I. Solomonov, V. V. Platonov, O. A. Snigireva, V. V. Lisenkov, and M. G. Ivanov // Laser Physics. -2006. -Vol. 16, № 1. -P. 134-145.

70. Ф.А. Королев. Теоретическая оптика. / Ф.А. Королев -М.: Высшая школа, 1966, -555с.