ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ ВАНАДИЯ В ПРОЗРАЧНЫХ МАТРИЦАХ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ 1064 НМ

Аннотация: В работе рассчитаны зависимости коэффициентов эффективности поглощения и рассеяния, индикатрисы рассеяния наночастиц ванадия в прозрачных матрицах от показателя преломления (ma) прозрачной матрицы на основной частоте неодимового лазера (mi = 2.705-4.170i, λ = 1064 нм, R=100нм). Показано, что в некоторых диапазонах показателя преломления значения рассчитанных коэффициентов эффективности меняются незначительно, однако при значении ma &gt; 1.7 значения коэффициента эффективности рассеяния существенно уменьшаются. Этот эффект можно использовать для неразрушающего контроля сохранности матрицы.

Ключевые слова: Оптические свойства наночастиц, коэффициент эффективности поглощения, коэффициент эффективности рассеяния, неразрушающий контроль, наночастицы ванадия.

Важнейшей задачей современных фундаментальных и прикладных исследований является снижение экологических рисков и минимизация опасности технологических катастроф. Все возрастающее использование инициирующих и бризантных взрывчатых веществ (ВВ) в промышленном производстве (в том числе – в горной промышленности и строительстве) является необходимостью современного времени . Применение ВВ понижает стоимость проходческих работ и безусловно будет расширяться в ближайшем будущем. Самым интенсивно развиваемым в настоящее время способом повышения безопасности взрывных работ является внедрение оптических детонаторов на основе селективно-чувствительных к лазерному воздействию энергетических материалов . На основе кристаллов азида серебра (инициирующего ВВ) уже созданы оптические детонаторы , однако повышенная чувствительность к лазерному импульсу в этих объектах неотделима от опасности несанкционированного инициирования случайными механическими, термическими и электромагнитными наводками .

Для создания селективно чувствительных к лазерному излучению материалов в  рассмотрено введение в существующие прозрачные ВВ светопоглощающих наночастиц металлов. Минимальная плотность энергии инициирования взрывчатого разложения бризантных ВВ с добавками наночастиц алюминия , кобальта , никеля , хрома , олова , ванадия , меди [15-17], серебра  и золота  составляет величину порядка 1 Дж/см2, что на два порядка меньше по сравнению с чистыми прессованными таблетками данного ВВ. Для направленного поиска новых материалов для капсюлей оптических детонаторов, проведен цикл экспериментальных исследований оптических и взрывных характеристик перспективных составов в зависимости от природы металла и матрицы, массовой концентрации и форм размерных свойств металла [7-10, 20-23], модернизирована микроочаговая модель теплового взрыва , сформулированная изначально для интерпретации закономерностей взрывного разложения инициирующих ВВ . Основные направления модернизации модели заключались в учете дополнительных теплофизических процессов  и оптических свойств наночастиц металлов , и образца. В работе  показана перспективность использования наночастиц ванадия в качестве сенсибилизирующих добавок в PETN (штатное бризантное ВВ) для создания оптического детонатора с рекордной чувствительностью к импульсу первой гармоники неодимового лазера. Цель настоящей работы: определение зависимостей коэффициентов эффективности рассеяния и поглощения ванадия и особенностей индикатрисы рассеяния от радиуса наночастиц в прозрачных средах различной оптической плотности на длине волны основной гармоники неодимового лазера.

Практически любая задача может быть решена экспериментальными и теоретическими методами. Методика определения индивидуальных оптических свойств наночастиц металлов в прозрачных матрицах основана на анализе зависимостей коэффициентов отражения и пропускания от толщины и массовой концентрации наночастиц  и апробирована для наночастиц алюминия. Задача очень сложная даже для одного радиуса наночастиц и одной матрицы. Для решения поставленной задачи экспериментальными методами потребуется не один год напряженных исследований. Однако существенные экспериментальные ресурсы рационально затрачивать после предварительных теоретических исследований, когда выделена перспективная область проявления необходимых для создания исполнительных устройств оптических свойств, как это было ранее сделано для наночастиц золота, серебра, меди, никеля, алюминия, кобальта и ряда других металлов [9-20].

В  показана возможность теоретического решения поставленной в работе задачи в рамках теории Ми с необходимой точностью даже в спектральном диапазоне проявления плазмонного резонанса. Для первой гармоники неодимового лазера сложно ожидать гигантское поглощение наночастиц ванадия в рассматриваемых матрицах. В ряде работ  сформулирована и апробирована методика расчета оптических свойств наночастиц металлов в вакууме и прозрачных матрицах, создан пакет прикладных программ. Вначале необходима интерполяция комплексного показателя преломления (mi) на длину волны неодимового лазера (1064 нм). Следующий этап - расчет оптических свойств наночастиц при выбранном радиусе металла и показателе преломления матрицы (ma) . Значение mi = 2.705-4.170i оценено в работе .

Показатели преломления матрицы в настоящих расчетах изменялись от 1 до 2.5 с шагом 0.05. Очевидно, что начальное значение ma соответствует вакууму, ma от 1.3 до 1.8 –практически важным органическим веществам, включая гексоген и PETN [6-29] и кристаллы азида свинца. У более плотного ионного инициирующего ВВ азида серебра показатель преломления около 2 [2-6]. Для построения рядовых зависимостей ряд продолжен до матрицы с показателем преломления 2.5. Отсутствие у ma комплексной составляющей означает пренебрежение примесной составляющей поглощения, поэтому исследуемые матрицы принимаются прозрачными. При длительном хранении ВВ в экстремальных условиях (повышенных температурах или радиационного фона) будет наблюдаться существенное разложение матрицы, и разрабатываемая в статье методика неразрушающего контроля должна определять степень деградации матрицы. Разложение азида серебра сопровождается появлением твердых продуктов разложения (кластеров серебра), которые в районе основной гармоники неодимового лазера излучение не поглощают . Радиус наночастицы ванадия выбран равным 100 нм, так как наночастицы такого радиуса целой группы исследованных в нашей лаборатории металлов наилучшим образом поглощают излучение основной гармоники неодимового лазера в матрице PETN.

Для решения подобных задач теория Ми была успешно адаптирована в работах [23, 27-29]. В настоящей работе при постоянном значении радиуса наночастицы и длины волны излучения варьируется коэффициент преломления матрицы. Расчеты проводились в лицензионном (№ 824977) математическом пакете MatLab. Рассчитанные оптические свойства наночастиц ванадия радиуса 100 нм приведены в таблице и на рисунках 1 и 2.

В первом столбце таблицы приведены значения показателей преломления матриц, при которых проводились расчеты оптических свойств наночастиц ванадия радиуса 100 нм. Во втором – значения коэффициентов эффективности поглощения (Qabs) наночастиц. При внимательном рассмотрении результатов расчета мы видим нетривиальную зависимость Qabs(ma). В начале рост ma естественно сопровождается увеличением Qabs. Для наночастиц ванадия в вакууме коэффициент эффективности поглощения составляет величину 0.7031 и далее быстро увеличивается. Так геометрическое сечение наночастица (Qabs.=1) будет иметь в матрице с ma = 1.147 (плотный воздух). До ma = 1.413 Qabs.увеличивается практически линейно составляя значение 1.5. При значении ma = 1.649 наблюдается локальный максимум Qabs, равный 1.631. Для достижения такой точности в пакет прикладных программ  добавлен фрагмент.

Последующее увеличение до Qabs.= 1.71915 достигается в конце анализируемого массива коэффициентов преломления матрицы (2.5). Для наглядности данная зависимость построена на рисунке 1. Звездочками помечены рассчитанные значения Qabs, штрих пунктир – сплайн через 0.001 для определения особенностей исследуемых зависимостей

В практически важном диапазоне ma от 1.5 до 2 в котором находятся коэффициенты преломления прозрачных ВВ Qabs остается примерно постоянным. Изменение ma в этом диапазоне практически невозможно диагностировать портативными (что важно для внедрения) приборами.

Рассмотрим особенности рассеяния света наночастицами в различных матрицах (столбец 3 таблицы и рис. 1 – сплошная линия). От вакуума до матрицы с ma = 1.702 зависимость Qsca(ma) возрастающая от значения Qsca = 0.5 до абсолютного максимума Qsca = 2.004. Достаточно быстро Qsca увеличивается в 4 раза. При увеличении ma коэффициент эффективности рассеяния в этой области увеличивается, удваиваясь в матрице с ma = 1.188, утраиваясь (1.5) при ma = 1.347. До коэффициента преломления 1.6 линейное увеличение Qsca сохраняется. На основе этого эффекта возможно разработать методику неразрушающего контроля капсюля оптического детонатора. Деградация или разложение ВВ приводит к изменению коэффициента преломления матрицы, что сопровождается уменьшением коэффициента отражения от образца. Уменьшение Qsca усиливает эффект.

Однако рассеивающие свойства наночастиц характеризуются не только сечением (или Qsca), но и направленностью процесса – индикатрисы рассеяния. Программа для расчета характеристик индикатрисы представлена в работах [31-33]. На рис. 2 представлена рассчитанная индикатриса рассеяния света с длиной волны 1064 нм наночастицы ванадия радиуса 100 нм в матрице с показателем преломления 1. Средний косинус индикатрисы (Scos) равен -0.0926, знак «–» означает преимущественное рассеяние назад. Доля рассеянного назад излучения (S-) 0.5676 также характеризует данную индикатрису как почти сферическую. Естественно, что доля рассеянного в телесный угол полного внутреннего отражения (Sp) для вакуума составляет 0.

Для остальных исследованных матриц рассчитанные параметры Scos S- и Sp представлены в таблице. Зависимости этих величин от ma различные. Значение среднего косинуса вначале уменьшается по модулю, достигая минимума при ma =1.85 (0.0142). Такие значения Scos означают практически сферическую индикатрису. Это неожиданно, т.к. для наночастиц никеля, алюминия и серебра в матрице PETN индикатриса рассеяния сильно вытянута назад . Соответственно, доли рассеянных назад и вперед излучений почти одинаковы и немного отличаются от 0.5. Преимущественное направление рассеяния назад определяет S- немного более 0.5.

Очень информативен параметр Sp – доля рассеянного на наночастице излучения, которое после однократного рассеяния не сможет покинуть образец. В исследованных матрицах Sp увеличивается до 0.8739. Большое значение этого параметра приводит к повышению освещенности в образце за счет многократного рассеяния, а также выраженной зависимости критической плотности энергии от радиуса импульса на поверхности образца. Данный эффект экспериментально обнаружен в кристаллах АС .