Устройство для формирования наночастиц методом импульсной лазерной абляции мишени в жидкости

Область техники
Устройство для формирования наночастиц методом импульсной лазерной абляции мишени в жидкости относится к области формирования наночастиц методом импульсной лазерной абляции мишени в жидкой среде, при этом в качестве мишени может выступать практически любой материал (металлический и не металлический). Полученные растворы с наночастицами могут быть применены в химических и физических экспериментах, а также в области биомедицины.
Предшествующий уровень техники
Метод лазерной абляции широко распространен среди других методов получения наночастиц, обеспечивая химическую чистоту процесса, а также возможность изменения в широких пределах структурных, оптических и электронных свойств получаемых наночастиц путем варьирования условий абляции (таких как параметры лазерного излучения, параметры буферной среды). Кроме того, данный метод позволяет формировать наночастицы практически из любого материала. Возможно получение металлических наночастиц (золото, серебро) и полупроводниковых наночастиц (кремний, германий, карбид кремния). Помимо фундаментального интереса, свойства формируемых частиц представляют и практический интерес. Например, наночастицы кремния и карбида кремния могут быть использованы в качестве фотолюминесцентных меток и контрастирующих агентов в оптической когерентной томографии благодаря их оптическим свойствам, а также биосовместимости и нетоксичности кремния. В связи с этим создание установки для улучшения процесса абляции и повышения его эффективности представляет несомненный интерес и практическую значимость.
Известно устройство позиционирования мишени для установки получения наночастиц лазерной абляцией (RU 155439 U1, 13.03.2015). Данное устройство позволяет крепить мишень к установке вакуумным способом и далее непрерывно осуществлять процесс синтеза наночастиц путем перемещения лазерного луча по поверхности мишени. Средством вакуумного закрепления мишени на площадки является сопло Вентури.
Недостатком данного устройства является отсутствие движения мишени в плоскости, перпендикулярной плоскости падения лазерного излучения. Для обработки всей мишени используется движение лазерного луча по поверхности мишени, что приводит к смещению фокусировки и различной интенсивности обработки поверхности при прохождении лазерного луча через различные места неподвижно закрепленной оптической линзы. Различная интенсивность падающего излучения может приводить к изменению или сбою режима абляции.
Установка для лазерной абляции в жидкости (USPatent #8246714, 21.08.2012) устраняет недостаток предыдущего устройства и содержит транслятор, перемещающий кювету с мишенью, в то время как лазерный луч остается неподвижен. В качестве излучения используется ИК лазерное излучение с длительностью импульса пико- и фемтосекунды с частотой повторения от 1 кГц. Однако излучение заводится сверху через толщу раствора, при этом отсутствует какое-либо стекло или крышка для предотвращения разбрызгивания раствора в процессе эксперимента, что является недостатком данного способа. Как следствие, разбрызгивание приводит к загрязнению и повреждению оптических элементов, например фокусирующей линзы, а также возникновению неоднородностей на поверхности жидкости.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения коллоидного раствора наночастиц в жидкости методом лазерной абляции (RU 130402 U1, 20.07.2013). Данное устройство включает в себя кювету для абляции, металлическую мишень с возможностью сканирования лазерного излучения по поверхности мишени, магнитную мешалку, позволяющую перемешивать раствор в ячейке для получения однородного по составу раствора. Устройство содержит систему прокачки жидкости из двух резервуаров: для исходной жидкости и для раствора наночастиц. Основным недостатком данной установки является отсутствие механизма крепления твердой мишени. При прокачке потока жидкости, а также в процессе сканирования мишени и падении лазерного излучения возникает гидроудар при прохождении слоя жидкости, и становится возможным сдвиг мишени. Сдвиг мишени может привести к повторному попаданию лазерного излучения в обработанную зону, либо выходу лазерного излучения за пределы обработки, что приводит к повреждению системы. Кроме того, падение излучения под углом приводит к нарушению гауссова распределения интенсивности в плоскости лазерного пятна, что может снизить эффективность процесса абляции и уменьшить концентрацию формируемого раствора. В качестве решения проблемы сдвига мишени можно привести устройство позиционирования мишени для установки получения наночастиц лазерной абляцией, содержащее кювету с трубками для подачи и отвода
жидкости, предназначенной для удаления продуктов абляции, и размещенную в кювете площадку для закрепления на ней мишени и средство закрепления мишени на площадке (US 2013/0125674 А1, 23.05.2013). Однако крепление мишени в данном устройстве осуществляется механическим способом - прижимами, что приводит к ограничению обрабатываемой площади мишени, в результате чего понижается эффективность использования поверхности мишени.
Сущность полезной модели
Заявляемая полезная модель устраняет недостатки, характерные для перечисленных выше аналогов.
Задачей настоящей полезной модели является разработка такого устройства для формирования наночастиц методом импульсной лазерной абляции мишени в жидкости, которое позволило бы перемещать закрепленную мишень в плоскости х-у под прямым углом падения лазерного излучения, а также избегать разбрызгивания жидкой буферной среды, возникновения неоднородностей на ее поверхности и загрязнения оптических элементов системы.
Поставленная задача решается тем, что устройство для формирования наночастиц методом импульсной лазерной абляции мишени в жидкости, состоящее из кюветы для абляции, установленной над магнитной мешалкой для прокачки жидкой среды, содержит площадку для крепления мишени в кювете, сама кювета установлена на двух перпендикулярных автоматизированных механических трансляторах, перемещающих кювету с мишенью в плоскости х-у под прямым углом падения лазерного излучения, и сверху кювета закрывается прозрачным стеклом.
Средство закрепления мишени на площадке между стенкой кюветы и стенкой, ограничивающей движение фторопластового мешальника с магнитным сердечником, позволяет прочно зафиксировать мишень определенной формы (18×13 см) и предотвратить ее смещение под действием гидравлического удара в жидкости в ходе обработки. Площадка и кювета выполнены из химически чистого и стойкого материалов тефлона и полипропелена, соответственно. Данный состав обеспечивает чистоту формируемых на выходе растворов и отсутствие различных примесей в процессе абляции. Наличие двух перпендикулярных трансляторов позволяет перемещать мишень в плоскости х-у под прямым углом падения лазерного излучения, тем самым обеспечивая обработку всей поверхности мишени лазерным излучением одинаковой интенсивности. Наличие стекла на поверхности кюветы позволяет предотвращать разбрызгивание жидкой
буферной среды и загрязнения оптических элементов системы в процессе воздействия на мишень лазерного излучения, проходящего через данное стекло.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется схемой заявленного устройства (фиг. 1). Устройство состоит из кюветы 1 с крышкой из прозрачного (для оптического сигнала) стекла 2, площадкой для крепления мишени 3, фторопластового мешальника с магнитным сердечником 4, магнитной мешалки ММ-01 5, механического автоматизированного транслятора 6 для перемещения кюветы с установленной внутри мишенью по оси X, механического автоматизированного транслятора 7 для перемещения кюветы с установленной внутри мишенью по оси Y, персонального компьютера 9, используемого для управления механическими трансляторами.
Осуществление полезной модели
Устройство работает следующим образом.
Перед началом абляции мишень (металлическая или неметаллическая) помещается в кювету 1 и закрепляется на площадке 3 между стенкой кюветы и стенкой, ограничивающей движение фторопластового мешальника с магнитным сердечником 4. При этом размер мишени равняется 18×13 см. Величина слоя жидкости над поверхностью мишени составляет 2-3 мм. Для того, чтобы минимизировать химическое взаимодействие между жидкой средой и кюветой, в качестве материала для кюветы выбраны полипропилен и фторопласт. В кювету заливается жидкая буферная среда, при этом объем заполняемой жидкости равен 15 мл. Сверху кювета закрывается стеклом 2, прозрачным для оптического излучения. Чтобы избежать экранирования лазерного импульса продуктами абляции, в кювете применена система прокачки жидкой среды. Для этого кювета размещается непосредственно над магнитной мешалкой 5, а в кювету помещается фторопластовый мешальник с магнитным сердечником 4. При этом скорость прокачки среды составляет 2-3 миллиметра в секунду. Лазерное излучение фокусируется на мишени, проходя через оптическую линзу 8. При воздействии лазерного импульса на поверхность мишени происходит постепенное разрушение и деградация поверхности, при этом снижается эффективность абляции. Чтобы этого не происходило, необходимо использовать новую область мишени для каждого лазерного импульса. Для этого кювета перемещается в плоскости XY благодаря механическим автоматизированным трансляторам 6 и 7. Трансляторы подключены к персональному компьютеру 9, на котором задается скорость движения трансляторов. Скорость постоянного перемещения по оси X
транслятора 6 составляет 8 мм/мин. Такой режим абляции соответствует 30% по площади перекрытию следов от воздействия лазерных импульсов, что по литературным данным отвечает наиболее оптимальному режиму использования поверхности мишени. По оси Y перемещение производится на 1 мм, когда длина мишени исчерпана. Благодаря движению трансляторов удается обработать всю поверхность мишени. Наличие прозрачного стекла на поверхности кюветы не допускает разбрызгивания раствора в процессе эксперимента, возникновения неоднородностей на поверхности жидкости и загрязнения фокусирующей линзы в процессе импульсной лазерной абляции.