Устройство для синтеза наночастиц методом импульсной лазерной абляции в потоке жидкости

Полезная модель относится к области получения наночастиц методом импульсной лазерной абляции в жидкости и может быть использована для получения наночастиц различных материалов, как металлических, так и неметаллических.
Известно устройство для получения коллоидного раствора наночастиц в жидкости методом импульсной лазерной абляции (RU 130402 U1, 19.10.12). Устройство для получения коллоидного раствора наночастиц в жидкости методом лазерной абляции состоит из кюветы для абляции, металлического образца с возможностью сканирования по образцу, магнитной мешалки, отличающееся тем, что кювета для получения раствора является проточной, в систему добавлены два резервуара для исходной жидкости и для раствора наночастиц, также в системе присутствует анализатор концентрации частиц, основанный на системе излучатель приемник, и установлена обратная связь, регулирующая скорость потока исходной жидкости от концентрации частиц на выходе системы.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности изменения способа циркуляции раствора в системе. Еще одним недостатком данного устройства можно считать отсутствие демпфера для получения стабильной скорости потока жидкости, подаваемой порционно перистальтическим насосом. Нестабильность скорости потока в кювете приведет к появлению турбулентного потока и неравномерному перемешиванию раствора в кювете. Образование турбулентных потоков в жидкости способно привести к неравномерному перемешиванию частиц в рабочем объеме, а также многократному повторному воздействию лазерного излучения на частицы, что приводит к изменению формы, размеров, и, как следствие, параметров наночастиц.
Задачей настоящей полезной модели является разработка такого устройства для синтеза наночастиц методом импульсной лазерной абляции в жидкости, которое позволяет получить ламинарный поток в рабочем объеме кюветы при двух способах протока жидкости в системе - прямом и возвратном.
Для этого устройство для синтеза наночастиц методом импульсной лазерной абляции в потоке жидкости, содержащее проточную кювету для размещения мишени, имеющую входное окно для лазерного излучения, резервуар с исходным раствором и резервуар с раствором наночастиц, перистальтический насос и датчик контроля концентрации частиц, снабжено микрорасходомером, двумя цанговыми штуцерами, демпфером пульсаций скорости потока, краном прямого потока, краном возвратного потока и узлом для крепления мишени, а в боковых стенках корпуса кюветы выполнены продольные каналы для распределения потока, а в дне корпуса - центральный канал, в котором установлен узел для крепления мишени, выполненный в виде крышки, закрепленной на дне центрального канала, при этом один канал для распределения потока через штуцер, микрорасходомер и перистальтический насос гидравлически связан с резервуаром с исходным раствором, второй канал для распределения потока через второй штуцер, датчик контроля концентрации частиц и кран прямого потока гидравлически связан с резервуаром с раствором наночастиц, а резервуар с раствором наночастиц и резервуар с исходным раствором гидравлически связаны между собой через кран 6 возвратного потока.
На фиг. 1 представлена схема устройства для синтеза наночастиц методом импульсной лазерной абляции.
Устройство содержит проточную кювету 1 для размещения мишени, резервуар 8 с исходным раствором и резервуар 4 с раствором наночастиц, перистальтический насос 9 и датчик 12 контроля концентрации частиц, микрорасходомер 10, два цанговых штуцера 11, демпфер 18 пульсаций скорости потока, кран 7 прямого потока, кран 6 возвратного потока и узел для крепления мишени 5. Кювета 1 для размещения мишени через резиновую прокладку 3 сверху герметично закрывается крышкой 2, имеющей входное окно для лазерного излучения. В боковых стенках корпуса кюветы 1 выполнены продольные каналы 17 для распределения потока, а в дне 19 корпуса - центральный канал, в котором установлен узел для крепления мишени 5, выполненный в виде крышки 13, закрепленной на дне 19 центрального канала посредством двух винтов 16. Один канал 17 для распределения потока через штуцер 11, микрорасходомер 10 и перистальтический насос 9 гидравлически связан с резервуаром 8 с исходным раствором. Второй канал 17 для распределения потока через второй штуцер 11, датчик 12 контроля концентрации частиц и кран 7 прямого потока гидравлически связан с резервуаром 4 с раствором наночастиц. Резервуар 4 с раствором наночастиц и резервуар 8 с исходным раствором гидравлически связаны между собой через кран 6 возвратного потока.
Конструкция кюветы предусматривает крепление мишени 5 любой формы, причем аблируемая поверхность находится на одном уровне с дном 19 кюветы, что предотвращает появление турбулентных потоков на кромках образца.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом абляции подготавливается мишень 5, для чего образец из материала для наночастиц помещают в опалубку и заливают компаундом 14. Далее мишень 5 извлекают из опалубки и подвергают шлифовке до нужного значения шероховатости поверхности. Кювету 1 устанавливают дном вниз на держатель (на фиг. 1 не показан), одна из поверхностей которого контактирует с дном кюветы 1. Мишень 5 опускают в кювету так, чтобы ее нижняя поверхность контактировала с поверхностью крышки 13 и верхняя поверхность мишени 5 находилась в одной плоскости с дном 19 кюветы 1. После этого на мишень 5 доливают термопластичную смолу 15. Крышку 13 крепят винтами 16. После остывания смолы 15 кювета снимается с держателя и накрывается герметичной крышкой 2. В резервуар с исходным раствором 8 заливается необходимая жидкость, один из кранов 6 или 7 приводится в положение «открыто» в зависимости от выбранного режима работы проточной системы. После подачи раствора по соответствующему трубопроводу в рабочий объем кюветы 1 и его заполнения лазерное излучение подается на мишень 5. Перемещение лазерного луча по поверхности мишени 5 осуществляется сканатором. Контроль концентрации раствора осуществляют датчиком концентрации 12, представляющим из себя оптопару, включающую излучатель и приемник (светодиод и фотодиод соответственно). Изменение интенсивности излучения, полученного от светодиода приведет к изменению уровня фототока на приемнике, что соответствует изменению концентрации наночастиц в объеме коллоидного раствора. Для подбора необходимых параметров лазерного излучения для каждого материала производится предварительная обработка с регистрацией параметров процесса, в частности, концентрации частиц в объеме коллоидного раствора. В случае, когда устройство работает в режиме возвратного протока, при достижении необходимого уровня концентрации на блок управления (на фиг. 1 не показан) перистальтическим насосом 9 и устройством подается сигнал, прокачка или подача свежего раствора прекращается одновременно с выключением излучателя. Датчик концентрации 12 располагается перед разветвителем трубопровода после кюветы 1.
Каналы 17 для распределения жидкости в рабочем объеме позволяют получить ламинарный поток жидкости при этом устраняется появление турбулентных потоков. Оснащение кюветы узлом для крепления подготовленной мишени 5 обеспечивает необходимое положение плоскости обработки мишени, а именно на одном уровне с плоскостью дна кюветы, что исключает возможность образования турбулентных потоков на ее кромках. Еще одной особенностью данной конструкции устройства является способность работы устройства в двух режимах - режим прямого протока, когда исходный раствор проходит по системе один раз и, после абляции мишени 5, попадает в резервуар 4 с раствором наночастиц, и режим возвратного протока, когда один и тот же исходный раствор циркулирует по системе в замкнутом цикле, с постепенным увеличением концентрации наночастиц в резервуаре 4. Для изменения режима работы проточной системы используются соответствующие краны 6 и 7. Для получения стабильной скорости потока в устройство включен демпфер 18 пульсаций скорости потока. Таким образом, конструкция устройства дает возможность уменьшить объем прокачиваемой жидкости за счет уменьшения рабочего объема жидкости, что позволяет увеличить концентрацию получаемого коллоидного раствора.
Контроль количества подаваемого в кювету раствора осуществляется с помощью обратной связи, которая включает в себя микрорасходомер, подающий управляющий сигнал на блок управления перистальтическим насосом для подачи им нужного количества жидкости.
Таким образом, данная конструкция устройства позволяет получить ламинарный поток в рабочем объеме кюветы при двух способах протока жидкости в - прямом и возвратном заданной концентрации.