Рентгенівське випромінювання, викликане імпульсною лазерною дією на опалові матриці
Анотація
Зараз матеріали з фотонними забороненими зонами (фотонні кристали), тобто матеріали з періодичною (близько довжини хвилі світла) зміною діелектричної проникності, є об'єктом активних теоретичних та експериментальних досліджень. Для практичного застосування становлять інтерес фотонні кристали на основі опалових матриць (ОМ), що являють собою щільну 3D-упаковку однакових за діаметром нанокуль аморфного SiO2. Найбільший інтерес викликає застосування ОМ в малодослідженій області – генерації рентгенівського випромінювання під час лазерного впливу на речовину.
У цій роботі представлено результати вимірювання за допомогою рентгенівського спектрометра енергетичних спектрів рентгенівського випромінювання, індукованого впливом на ОМ імпульсного лазерного випромінювання з різною довжиною хвилі λ: 1040 нм (ІЧ-область спектра), 510 та 578 нм (суміщенні моди), 366 нм (УФ-область).
ОМ синтезували з розчину гідроксиду амонію (NH4OH), етанолу (С2Н5ОН) та тетраефіра ортокремнієвої кислоти (Si (ОС2Н5)4). Упаковка куль SiO2 містила 3D-систему сполучених октаедричних і тетраедричних міжкульових пустот, які займають приблизно 26% загального об’єму. В експериментах використовували зразки ОМ у формі пластин товщиною 1—5 мм, які виготовляли за допомогою сухої механічної обробки з об’ємних ОМ, не зміцнених та зміцнених відпалом за температури 1475 К на повітрі.
Рентгенівське випромінювання, що виникає під дією лазера на ОМ, реєстрували фотоплівкою і гамма-спектрометром. Реєстрація проводилась двома способами. В першому випадку лазерне випромінювання проходило через ОМ (знімання на просвіт) і його напрям збігався з напрямом індукованого рентгенівського випромінювання (φ = 0°). У другому рентгенівське випромінювання проходило перпендикулярно лазерному (φ = 90°), а ОМ розміщували між пластинами з монокристалічного LiNbO3. У ряді експериментів для зменшення теплового впливу на ОМ лазерного випромінювання міжкульові пустоти заповнювали водою або занурювали зразки у рідкий азот. За результатами спектральних досліджень було встановлено, що індуковане рентгенівське випромінювання є малоінтенсивним м’яким рентгенівським випромінюванням з енергією квантів 0,08—2,47 кеВ і довжиною хвиль λРІ = 15,2—0,5 нм. Спектр рентгенівського випромінювання за λ = 355 нм показав наявність додаткового, більш короткохвильового піка λРІ = 1,2 нм в порівнянні з λРІ = 15,2 нм, отриманим за λ = 1040 нм. Ще більш короткохвильовий пік λРІ = 0,5 нм спостерігався за використання лазерного джерела, що працює з суміщеними випромінюваннями з λ = 510 нм і λ = 578 нм. Вплив на ОМ лазерного випромінювання з λ = 1040 нм призводить до сильнішого розсіювання індукованого рентгенівського випромінювання порівняно з λ = 355 нм. Вплив на ОМ лазерного випромінювання УФ-області викликав інтенсивну люмінесценцію ОМ в діапазоні видимого світла. Показано, що на параметри рентгенівського випромінювання впливають умови отримання і ступінь заповнення пустот опалових матриць, а також умови проведення експериментів (кут отримання рентгенівського випромінювання відносно лазерного, занурювання зразка у рідкий азот).
Посилання
Armstronga E., O’Dwyer C. Artificial opal photonic crystals and inverse opal structures — fundamentals and applications from optics to energy storage. Journal of materials chemistry C, 2015, vol. 3, no. 24, pp. 6109–6143, https://doi.org/10.1039/c5tc01083g
Samoylovich M. I., Belyanin А. F., Bagdasaryan A. S., Bovtun V. Structure and dielectric properties of nanocomposites: opal matrix – titanium oxide and rare-earth titanates. Fine Chemical Technologies, 2016, vol. 11, no. 2, pp. 66–73. URL: https://finechemtech.mirea.ru/upload/medialibrary/c02/09_Samoylovich_2016_No-2.pdf
Tuyen L. D., Wu C. Y., Anh T. K. et al. Fabrication and optical characterization of SiO2 opal and SU-8 inverse opal photonic crystals. Journal of Experimental Nanoscience, 2012, vol. 7, no. 2, pp. 198–204, https://doi.org/10.1080 /17458080.2010.515249
Miguez H., Blanco A., Lopez C. et al. Face centered cubic photonic bandgap materials based on opal-semiconductor composites. Journal of Lightwave Technology, 1999, vol. 17, no. 11, pp. 1975–1981, https://doi.org/10.1109/50.802983
Nishijima Y., Ueno K., Juodkazis S. et al. Inverse silica opal photonic crystals for optical sensing applications. Optics Express, 2007, vol. 15, no. 20, pp. 12979–12988, https://doi.org/10.1364/OE.15.012979
Sarychev A. K., Shalaev V. M. Electrodynamics of Metamaterials. World Scientific and Imperial College Press, 2007, 200 p., http://dx.doi.org/10.1142/4366
Tcherniega N. V., Samoylovich M. I., Belyanin A. F. et al. Generation of electromagnetic and acoustic emissions in nanostructures systems. Nano- and Microsystems Technology, 2011, no. 4, pp. 21–31. (Rus)
Chernega N.V. et al. The Method of Generating Pulsed X-Ray Radiation. Pat. 2469516 RU. 10.12.2012, bul. no. 34. (Rus)
Vikhlyaev D.A., Gavrilov D.S., Eliseev M.V. et al. Soft X-ray spectrometer based on spherical grazing mirrors for plasma investigation on SOKOL-P laser facility. Problems of Atomic Science and Technology. Ser. Thermonuclear Fusion, 2010, no. 2, pp. 57–63. URL: http://vant.iterru. ru/vant_2010_2/7.pdf (Rus)
Samoylovich M. I., Kleshcheva S.M., Belyanin A. F. et al. 3D-nanocomposites based on ordered packing of silica nanospheres. Nano- and Microsystems Technology, 2004, no. 6, pp. 3–7. (Rus)
Chernega N.V. et al. Device for Generating Directional Pulsed X-Ray Radiation. Pat. 2480159 RU. 27.04.2013, bul. no. 12. (Rus)
Camara C. G., Escobar J. V., Hird J. R., Putterman S. J. Sticky tape generates X rays. Nature 455, 2008, pp. 1089–1092. http://dx.doi.org/10.1038/news.2008.1185
Авторське право (c) 2018 Бєлянін А. Ф., Борисов В. В., Попов В. В.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
