Генерация направленного рентгеновского излучения в слоистых структурах опаловых матриц и пьезоэлектрических материалов

Фотонные кристаллы благодаря наличию в них запрещенных фотонных зон и областей аномального возрастания плотности фотонных состояний представляют интерес с точки зрения управления характеристиками лазерного излучения и получения новых эффективных источников электромагнитных волн. Для практических применений перспективны фотонные кристаллы на основе опаловых матриц – искусственного материала, представляющего собой правильную упаковку одинаковых по диаметру шаровых наночастиц аморфного SiO2 [1–4]. Материалы на основе опаловых матриц относятся к новому классу некристаллических нанокомпозитов, а именно к метаматериалам (фотонно-фононным кристаллам) – материалам с запрещенными фотонными и фононными зонами. Большой интерес вызывает применение опаловых матриц для генерации рентгеновского излучения (электромагнитное излучение в спектральной области между УФ- и гамма-излучением в пределах длин волн 102…10–3 нм, или энергией фотонов от 10 эВ до нескольких МэВ) при лазерном воздействии, что может быть использовано при разработке и изготовлении различных устройств для медицины, рентгенографии и дефектоскопии материалов [5–7]. В результате взаимодействия импульсного лазерного излучения (наносекундного диапазона длительности) с опаловой матрицей (трехмерной фотонно-фононной средой) генерировалось акустическое (в диапазоне 5…15 ГГц) и импульсное рентгеновское излучение [5, 6].

Генерация рентгеновского излучения при использовании опаловых матриц происходит без создания вакуума или плазмы, что делает процесс простым в применении. Решение проблемы повышения технических и технологических характеристик источников рентгеновского излучения за счет создания принципиально новых конструкций может привести к разработке сверхминиатюрных источников рентгеновского излучения.

Целью настоящей работы являлось изучение направленного рентгеновского излучения, индуцированного импульсным лазерным возбуждением материалов на основе опаловых матриц.

Методика эксперимента

Образцы опаловых матриц синтезировали гидролизом смеси (суспензии) тетраэфира ортокремниевой кислоты (Si(OC2H5)4) с этанолом (С2Н5ОН) в присутствии гидрооксида аммония (NH4OH) по ранее разработанной методике [8–10]. Сформированные образцы объемом до 10 см3 подвергались сушке и термообработке в сушильном шкафу при 420 К в течение суток и в муфельной печи при 970 К в течение 10 ч, после чего упрочнялись при температуре ≈ 1400 К и давлении 0,2 МПа. Для получения объемного материала с заданными диаметрами шаровых частиц SiO2 в диапазоне 200…400 нм изменяли концентрацию Si(ОС2Н5)4. В ряде случаев применяли опаловые матрицы, межшаровые пустоты которых были заполнены деионизованной водой (нанокомпозит ОМ:Н2О, где ОМ – опаловая матрица) или жидким азотом. В пустотах ряда образцов опаловых матриц синтезировали Ni (нанокомпозит ОМ:Ni) путем 5-кратного заполнения пустот водным раствором нитрата никеля (Ni(NO3)2) и нагревом образцов до ≈ 670…720 К (выдержка 1 ч), а также отжигом при 1200 К (4 ч) в H2.

Для исследования генерации рентгеновского излучения из объемных образцов опаловых матриц вырезали пластины размером 5×5×(1...3) мм. Механически полирован- ные пластины опаловых матриц закрепляли между пластинами (5×5×(1...2) мм), изготовленными из монокристаллических пьезоэлектрических материалов, обладающих высокой пьезоэлектрической эффективностью (коэффициент электромеханической связи k2 > 0,2 %). В качестве монокристаллов пьезоэлектрических материалов использовали ниобат лития (LiNbO3) или титанат бария (BaTiO3), выращенных методом Чохральско-го. Пьезоэлектрические материалы контактировали с опаловой матрицей, плоскостями {0001} (композиционные структуры LiNbO3/ОМ/LiNbO3, BaTiO3/ОМ/BaTiO3). Пластины скреплялись с использованием жидкости (силиконовая смазка, глицерин и др.) с температурой замерзания < 200 К или механического зажима. Контактные поверхности материалов обрабатывали фтористоводородной кислотой (HF) с последующей отмывкой водой и C2H5OH.

Помимо композиционных в экспериментах использовали слоистые структуры, изготовленные осаждением пленок опаловых матриц (толщиной до 20 слоев шаровых частиц SiO2) на подложках из монокристаллических пьезоэлектриков: SiO2-кварц и LiNbO3 (структуры SiO2-кварц/ОМ и LiNbO3/ОМ). Перед наращиванием пленок опаловых матриц подложки обрабатывались HF.

Состав и строение опаловых матриц и нанокомпозитов на их основе исследовали с использованием растрового электронного микроскопа Carl Zeiss Supra 40-30-87 и атомносилового микроскопа Digital Instruments, Nanoscohe 3.

Для определения лучевой прочности материалов на основе опаловых матриц и генерации ими рентгеновского излучения при воздействии лазерного излучения использовали импульсный рубиновый лазер с плотностью мощности 0,25…10,0 ГВт/см2 (длина волны 694,3 нм; длительность импульса 20 нс; максимальная энергия 0,5 Дж). Лазерное излучение фокусировали оптической системой. При измерении длины волны рентгеновского излучения применяли различные источники лазерного излучения в ИК- и УФ-областях [6]. Рентгеновское излучение, возникающее при воздействии лазерного излучения на опаловые матрицы, регистрировали рентгеновской пленкой и гамма-спектрометром UniSpec 503. Измерения проводились в температурном диапазоне 300…100 К (температура жидкого азота).

Результаты и их обсуждение

Строение образцов. Были изготовлены серии образцов опаловых матриц диаметром ( d ) шаровых частиц SiO₂ 200…350 нм (Δ d для каждой серии < 4 %) (рис. 1).

а

б

Рис. 1. Строение опаловых матриц: а – растровая электронная микроскопия поверхности скола объемного образца; б – атомно-силовая микроскопия поверхности роста

Белянин А.Ф. и др. Генерация направленного рентгеновского излучения...

Упрочненные образцы опаловых матриц имели в области соприкосновения шаровых частиц контактные площадки в форме круга диаметром до 0,3 d . Качество пленок опаловых матриц толщиной до 20 слоев (рис. 2) на подложках различных материалов зависело от дисперсности используемых для осаждения суспензий (отклонения в диаметрах шаровых частиц в суспензиях не должно превышать 5 %) и подбора специальных режимов испарения, сушки и отжига.

а

б

в

Рис. 2. Растровая электронная микроскопия упорядоченных упаковок шаровых частиц SiO₂, сформированных на подложках из кварца: а – начальная стадия формирования первого слоя;

б , в – поверхность пленки, состоящей из 10 (б) и 20 (в) слоев шаровых частиц

Упаковка шаровых частиц SiO₂ образует решетку, имеющую тетраэдрические и октаэдрические пустоты, которые условно состоят из сфер, вписанных в пустоты, и соединяющего их пространства. Каждую шаровую частицу SiO₂ диаметром d окружает по 6 октаэдрических (диаметр вписываемой в межшаровую пустоту сферы ≈ 0,41 d ) и 8 тетраэдрические (≈ 0,22 d ) пустот. Упорядоченная система сообщающихся пустот занимает ≈ 26 % объема опаловых матриц. Максимальный размер свободного пространства на стыке тетраэдрических и октаэдрических пустот составляет ≈ 0,39 d .

Воздействие на опаловые структуры лазерного излучения. Образцы опаловых матриц, состоящие из шаровых наночастиц SiO₂ с d ≈ 250 нм, при воздействии одного импульса лазерного излучения показали лучевую прочность 550 ГВт/см², в то время как у опаловых матриц с d ≈ 300 нм лучевая прочность составляла 350 ГВт/см². Лучевая прочность образцов опаловых матриц и нанокомпозитов на их основе в зависимости от их состава и строения менялась в пределах 100…600 ГВт/см², что на порядок больше по сравнению с кристаллическим или плавленым кварцем. В фотонно-фононных материалах, к которым относятся опаловые матрицы, преобразуется энергия мощного оптического воздействия лазерными импульсами в акустические колебания с неразрушающими материал амплитудами.

Были измерены энергетические спектры рентгеновского излучения, возникающего при воздействии на опаловые матрицы импульсного лазерного возбуждения. На основании спектральных данных сделан вывод, что индуцированное рентгеновское излучение является малоинтенсивным мягким рентгеновским излучением с энергией квантов 0,08…2,47 кэВ и с длиной волн 15,2…0,5 нм [6, 7].

Условия получения и строение опаловых матриц (толщина, высокотемпературный отжиг, заполнение межшаровых пустот), а также условия проведения экспериментов (получение рентгеновского излучения на просвет или под углом 90°, охлаждение опаловых матриц) оказывают влияние на измеряемые характеристики.

На рисунке 3 представлена схема устройства для генерации направленного импульсного рентгеновского излучения при лазерном воздействии [5]. На схеме показан один из вариантов размещения рентгеновской пленки или гамма спектрометра 7 для регистрации рентгеновского излучения 6 .

Рис. 3. Схема устройства для генерации и регистрации направленного импульсного рентгеновского излучения: 1 – источник лазерного излучения; 2 – лазерный луч; 3 – оптическая система фокусирования лазерного излучения; 4 – пластины из пьезоэлектрического материала; 5 – пластина опаловой матрицы; 6 – рентгеновское излучение; 7 – система регистрации рентгеновского излучения (кассета с рентгеновской пленкой или гамма спектрометр); 8 – медная пластина; 9 – теплоотводящая емкость с жидким азотом

Устройство включает в себя рубиновый лазер, работающий в режиме модуляции добротности 1 . Лазерное излучение 2 с использованием линз 3 фокусировалось на композиционную структуру 4 , 5 , состоящую из пластины опаловой матрицы 5 , скрепленной с пластинами пьезоэлектрических материалов 4 . Лазерный луч направляли параллельно поверхностям контакта пластин. Композиционная структура установлена на массивной пластине из меди 8 , обеспечивающей отвод тепла. Медная пластина 8 с закрепленной композиционной структурой в некоторых экспериментах размещалась в кювету с жидким азотом 9 . Рентгеновская пленка закреплялась на расстоянии 5…20 см от опаловой матрицы.

Место воздействия при единичном импульсе рентгеновского излучения на пленку представляло собой небольшую по диаметру яркую точку с характерным пространственным распределением. Изменение интенсивности лазерного излучения не приводило к изменению размера пятна. Удаление кассеты с рентгеновской пленкой от исследуемого образца на расстояние до 50…200 мм не приводило к существенному изменению размера и относительной интенсивности регистрируемого сигнала, что свидетельствовало о небольшом телесном угле излучения для одиночного импульса. Вид областей затемнения рентгеновской пленки при генерации рентгеновского излучения опаловой матрицей и композиционной структурой приведены на рисунке 4. Без использования пластин на основе пьезоэлектрических материалов происходила генерация рентгеновского излу-

Белянин А.Ф. и др. Генерация направленного рентгеновского излучения...

чения, направление распространения которого не воспроизводилось, и фиксировалось большое расхождение пучка. Использование композиционной структуры значительно уменьшало разброс единичных импульсов рентгеновского излучения, так что имела место направленность генерируемого рентгеновского излучения.

а

б

в

Рис. 4. Снимки воздействия рентгеновского излучения на рентгеновскую пленку (расстояние от исследуемого образца до пленки 15 см) при лазерном облучении: а , б – образцы опаловой матрицы ( а – 2 повтора сеанса лазерного излучения; б – 32 повтора сеанса лазерного излучения); в – композиционные структуры из пластин пьезоэлектрических материалов и опаловой матрицы (длительное воздействие импульсным рентгеновским излучением с расходимостью ≈ 1 ^. 10^–3рад)

В результате воздействия импульсного лазерного излучения (наносекундного диапазона длительности) на опаловую матрицу, представляющую трехмерную фотонно-фононную среду, генерировалось акустическое излучение в диапазоне 5…15 ГГЦ и импульсное рентгеновское излучение. При интенсивностях лазерного излучения, превышающих порог возникновения акустических колебаний и сопровождающего их свечения образца, на рентгеновской пленке регистрировалось рентгеновское излучение в виде отдельной засветки.

Состав опаловых матриц и нанокомпозитов на их основе влиял на результат взаимодействия с ними лазерного излучения. Значения угловой расходимости рентгеновского излучения нанокомпозитов ОМ:Ni при 100 К и мощности лазерного излучения 9,9 ГВт/см2 составляло ≈ 1.10–3 рад. Размер кристаллитов Ni в нанокомпозите ОМ:Ni составлял 20…43 нм, при заполнении пустот ≈ 20 %. Генерация рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью происходила при воздействии импульсным лазерным излучением мощностью в пределах 0,25…10 ГВт/см2 на пластины опаловых матриц, чьи межшаровые пустоты заполнены различными веществами. Заполняя структурные нанопустоты опаловых матриц жидкостями с различными показателями преломления и ис- пользуя матрицы с различными размерами шаровых частиц, можно эффективно управлять функциональными характеристиками рентгеновского излучения.

На рентгеновских пленках, полученных при лазерном облучении пленок опаловой матрицы на подложках, присутствовала сплошная полоса почернения в отличие от точечной при экспериментах с пластинами опаловых матриц. Наблюдаемую картину можно объяснить аксиальной текстурированностью доменов в слоях опаловых матриц. Интенсивность рентгеновского излучения от слоистых структур SiO2-кварц/ОМ и LiNbO3/ОМ зависела от ориентирования подложки из пьезоэлектрического материала и толщины пленки опаловой матрицы. Слоистые структуры, в которых подложкой служили пьезоэлектрические материалы (SiO2-кварц/ОМ и LiNbO3/ОМ), вызывали повышенную интенсивность рентгеновского излучения по сравнению со структурами Si/OM или плавленый кварц/ОМ.

Расходимость рентгеновского излучения зависела от материала пьезоэлектрика и температуры измерения и при использовании пластин из LiNbO₃ (структуры LiNbO₃/ОМ/ LiNbO₃) составляла < 1 ^. 10^–3 рад. Лучшие результаты получены при механическом креплении пластин опаловой матрицы и LiNbO₃. При использовании пластин из BaTiO₃ независимо от метода их крепления к пластине опаловой матрицы (силиконовая смазка, глицерин, механический прижим) и температуры образца (100…300 К) расходимость рентгеновского излучения составляла ≈ 1 ^. 10^–1 рад. При использовании пластин из пъезо-кварца (структура кварц-SiO₂/ОМ/кварц-SiO₂) с небольшим коэффициентом электромеханической связи ( k ² ≈ 0,05…0,1%) расходимость рентгеновского излучения при тех же условиях составляла ≈ 1,5 рад.

Генерация рентгеновского излучения с малой угловой расходимостью (≈ 1 ^. 10^–3 рад) происходила при воздействии импульсным лазерным излучением мощностью в пределах 0,25…10 ГВт/см² на образцы опаловых матриц, чьи пустоты заполнены различными веществами. Значение угловой расходимости рентгеновского излучения нанокомпозитов ОМ:Ni при температуре 100 К и мощности лазерного излучения 9,9 ГВт/см² составляло ≈ 1 ^. 10^–3 рад.

Высокая эффективность преобразования мощных лазерных импульсов одного вида энергии (оптического излучения) в длительную диссипацию с возникновением других видов колебаний в некристаллических дисперсных структурах создает возможность для применения оптических сред на основе опаловых матриц.

Заключение

Исследованы нелинейно-оптические эффекты, возникающие в опаловых матрицах при импульсном лазерном возбуждении. Опаловые матрицы применяли для генерации акустических волн и рентгеновского излучения при лазерном воздействии. Представлены результаты измерения характеристик рентгеновского излучения, индуцированного импульсным лазерным воздействием на образцы на основе опаловых матриц в форме пластин и пленок. Определены условия применения опаловых матриц и нанокомпозитов на их основе в качестве эффективного источника рентгеновского излучения при импульсном лазерном возбуждении. Использование композиционных структур из опаловых матриц и пьезоэлектрических материалов позволило создавать направленное рентгеновское излучение.

Белянин А.Ф. и др. Генерация направленного рентгеновского излучения...

Уменьшение разброса импульсов генерируемого рентгеновского излучения достигалось за счет изготовления образца опаловой матрицы в виде пластины, контактирующей с пластинами из пьезоэлектрических материалов, вырезанных из монокристаллов пьезоэлектриков с k ² > 0,2 %, что позволяло создать выделенное направление для акустических волн, имеющих фотон-фононное взаимодействие с рентгеновским излучением. Расходимость рентгеновского излучения зависела от материала пьезоэлектрика и температуры измерения, и при использовании пластин из LiNbO₃ и BaTiO₃ (структуры LiNbO₃/ОМ/ LiNbO₃ и BaTiO₃/ОМ/BaTiO₃) составляла порядка 10^–3 рад.

Исследованные материалы перспективны для решения большого числа практических задач, например, в медицине при эндоскопических исследованиях. Размещение опаловых матриц на выходе оптического волокна с лазерным излучением делает возможным доставку рентгеновского излучения непосредственно к облучаемому объекту. При подключении волоконно-оптической системы к спектрометру комбинационного рассеяния света можно наблюдать и контролировать эффективность рентгеновского воздействия на заданный объект.

Публикуется с разрешения «Журнала радиоэлектроники»