УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ МОЛЕКУЛ ФУЛЛЕРЕНОВ С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ПАРАМЕТРАМИ В ВОЗБУЖДЕННЫХ ЭЛЕКТРОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ

Полезная модель относится к средствам получения эмиссионных спектров электронно-колебательных состояний паров фуллеренов.
Люминесцентные методы анализа основаны на измерении интенсивности свечения вещества при возбуждении молекул внешним источником энергии. Физический смысл явления люминесценции состоит в излучении излишка энергии в виде преобразованного излучения возбужденными молекулами вещества.
jn
j
n
j
n
jn
jn
jn
При переходе системы из состояния n в состояние j энергия системы изменяется на ΔE=E-E. Эта энергия либо поглощается, либо испускается внешним полем. Для электромагнитного поля с частотой со энергия задается формулой Планка: Е=hω. Для наиболее вероятных в неинтенсивных электромагнитных полях процессов переход квантовой системы из состояния n в состояние j происходит с поглощением или испусканием: E-E=hω. Таким образом, поглощаемое или испускаемое излучение имеет частоту ω, позволяющую найти разность энергий ΔE состояний системы. На этом основаны спектроскопические методы исследования молекул. Кроме спектра люминесценция характеризуется интенсивностью, которая определяется энергией возбуждения и зависит от длины волны возбуждения, концентрации молекул.
Для получения информации о самой молекуле лучше всего исследовать спектры в разреженном газе. Наиболее эффективными методами возбуждения газовых сред являются газоразрядные методы, например, ВЧ-разряд.
В осциллирующем электрическом поле электрон совершает колебания. При неупругих столкновениях с молекулами вещества происходит изменение внутреннего состояния молекул. Они могут перейти в возбужденное состояние (на более высокий уровень дискретного спектра), а также ионизоваться (перейти в состояние непрерывного спектра).
60
60
Из патента US5620512, опубликованного 15.04.1997, известно устройство для производства алмазных пленок. Устройство содержит вакуумную камеру, испаритель для создания паров молекул фуллеренов в газовой фазе, систему напуска инертного газа, микроволновый генератор для возбуждения молекул фуллеренов с частотой 2,45 ГГц, выходной мощностью 500-1200 Вт, спектрометр. Устройство позволяет получать алмазную пленку на подложке путем осаждения молекул фуллеренов в результате диссоциации. Также приводятся эмиссионные спектры молекул фуллеренов С и молекул фуллеренов с инертным газом аргоном С-Ar, однако последние представляют собой эмиссионный спектр углерода, что свидетельствует о диссоциации молекул фуллеренов в результате того, что сообщается слишком большое количество энергии. Недостатком устройства является использование мощного источника возбуждения, который приводит к диссоциации молекул фуллеренов, не позволяя сохранить молекулу целой.
В настоящее время имеются данные об измеренных спектрах поглощения, а также теоретические данные об эмиссионных спектрах фуллеренов в газовой фазе, J. Tamuliene, Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures (2015), 23:3, 187-195.
60
Исследование эмиссионных спектров фуллеренов лабораторными методами проводилось в работе А.А, Вострикова, Д.Ю. Дубова, А.А. Агаркова, Письма в ЖЭТФ (1996), том 63, вып. 12, стр. 915-919 «Электрон-индуцированное излучение фуллерена С в газовой фазе» с использованием импульсного пучка электронов для возбуждения эмиссионных спектров электронно-колебательных состояний молекул фуллеренов в газовой фазе. Однако эти попытки не увенчались успехом, вероятно, из-за влияния процессов термической релаксации указанных состояний. Это определяет актуальность решения научно - технической задачи, связанной с получением приборными методами эмиссионных спектров электронно-колебательных состояний паров фуллеренов.
Из патента RU2427667, опубликованного 27.08.2011, известно устройство для определения термического вакуумного осаждения сплавов методом эмиссионной спектроскопии. Устройство содержит вакуумную камеру, в которой размещены два электрода, к которым подсоединен ВЧ-генератор, испаритель для создания паров испаряемого сплава, спектрометр, персональный компьютер. Устройство позволяет рассчитывать скорость осаждения испаряемого сплава по зарегистрированным эмиссионным спектрам в результате возбуждения испаряемого сплава ВЧ-разрядом. Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет создавать и контролировать параметры молекул фуллеренов в газовой фазе.
Наиболее близким техническим решением к заявленному устройству является устройство для получения фуллеренов известное из патента US5876684, опубликованного 02.03.1999.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является получение в широком диапазоне концентраций паров неразрушенных возбужденных молекул фуллеренов в газовой фазе с контролируемыми параметрами, к которым относятся концентрация и эмиссионные спектры электронно-колебательных состояний молекул фуллеренов в газовой фазе.
Достижение поставленной цели возможно с помощью устройства для получения в газовой фазе молекул фуллеренов с контролируемыми параметрами в возбужденных электронно-колебательных состояниях, включающее вакуумную камеру, в которой размещены два электрода, выполненную с возможностью сообщения с высокочастотным (ВЧ) генератором и системой напуска инертного газа.
Отличие устройства состоит в том, что в вакуумной камере размещен испаритель, корпус которого служит одним из электродов, а другим электродом является расположенная над испарителем металлическая пластина, при этом электроды выполнены с возможностью подключения к ВЧ-генератору и напуска между ними инертного газа соответствующей системы. Предпочтительно частота ВЧ-генератора - 13,56 МГц, а его выходная мощность находится в диапазоне и от 30 до 600 Вт.
Предпочтительно частота ВЧ-генератора - 13,56 МГц, а его выходная мощность находится в диапазоне и от 30 до 600 Вт.
Предпочтительно спектр регистрируется в диапазоне от 200 до 1100 нм.
Предпочтительно корпус испарителя выполнен металлическим, и одним из электродов служит корпус испарителя, а другим электродом является металлическая пластина, расположенная над испарителем.
Предпочтительно испаритель имеет температуру, регулируемую в диапазоне от 550 до 800°С.
Предпочтительно устройство содержит контроллер для определения концентрации молекул фуллеренов на основании измерения температуры нагрева испарителя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - схема устройства для измерения электронно-колебательных состояний молекул фуллеренов,
Фиг. 2 - график зависимости концентрации фуллеренов от температуры нагрева испарител
Устройство, схематично представленное на Фиг. 1, содержит спектрометр 1 и вакуумную камеру 2. В вакуумной камере размещены два электрода 3, 4, к которым подсоединен ВЧ-генератор 5, предназначенный для создания ВЧ-разряда между электродами 3, 4. В вакуумной камере размещен испаритель 6 для создания паров фуллеренов в разрядном промежутке между электродами 3,4. Устройство также содержит систему 7 напуска инертного газа между электродами 3, 4 для обеспечения зажигания между ними однородного ВЧ-разряда. При этом спектрометр 1 оснащен блоком обработки спектра с функцией вычитания опорного спектра инертного газа.
ВЧ-генератор 5 характеризуется выходной мощностью 30-600 Вт и частотой 13,56 МГц.
Спектрометр предназначен для регистрации спектров в диапазоне от 200 до 1100 нм.
Корпус испарителя 6 выполнен, по меньшей мере, частично металлическим. Корпус или часть испарителя 6 служит электродом 3. Другой электрод 4 выполнен в виде металлической пластины, расположенной над испарителем 6.
Испаритель имеет температуру, регулируемую в диапазоне от 550 до 800°С для получения из загружаемого в испаритель вещества, например, прекурсора фуллеренов, паров фуллеренов различной концентрации, зависящей от температуры испарителя.
Устройство также содержит датчик давления 8 и контроллер 9, с интегрированной с ним термопарой 10, предназначенный для определения параметров паров между электродами 3, 4, в частности, для определения концентрации молекул фуллеренов на основании измерения температуры испарителя 6. Также в состав устройства входят собирающая линза 11 для сбора излучения разрядного промежутка и передачи его в разъем волоконно-оптического кабеля, а также персональный компьютер, ПК, 12, включающий в себя блок обработки спектра.
ВЧ-генератор 5 характеризуется выходной мощностью 30-600 Вт и частотой 13,56 МГц. Указанный диапазон мощности и частота ВЧ-разряда обеспечивают достаточное количество энергии для возбуждения молекул фуллеренов, сохраняя при этом целостность молекул.
Устройство позволяет регистрировать спектры в диапазоне от 200 до 1100 нм. При этом спектр имеет типичный вид полос электронных переходов молекул фуллеренов, включающих колебательно-вращательные переходы. Спектр люминесценции фуллеренов регистрируется спектрометром 1 высокого разрешения с симметричной скрещенной оптической схемой Черни-Тернера, который позволяет получить разрешение до 0.02 нм. Для выводов излучения вакуумная камера 2 оснащена оптическим окном из материала КУ-1, обеспечивающим пропускание от 180 нм, за которым расположена собирающая линза 11, выполненная также из материала КУ-1, с фокусным расстоянием 20 см, позволяющая сфокусировать излучение разрядного промежутка на вход волоконно-оптического кабеля. Свет из волоконно-оптического кабеля попадает в спектрометр через оптический разъем, после чего попадает во входную щель спектрометра, установленную в оптическом разъеме.
Испаритель 6 выполнен металлическим, например, из молибдена, поскольку молибден имеет низкий коэффициент линейного расширения, что позволяет сохранить форму при высоких температурах, также молибден является тугоплавким, что препятствует распространению ионов молибдена в разряд. В качестве активного электрода выступает металлическая пластина 4, а в качестве пассивного электрода 3 испаритель 6 или его часть вблизи выхода паров. Падение потенциала между плазмой ВЧ-разряда и электродами 3, 4 зависит от соотношения их площадей, в данном случае падение потенциала в разряде в большей степени сосредоточено у активного электрода 4, что позволяет реализовать более высокие энергии электронов, а также привести к интенсивным процессам ионизации. Расположение электрода 4 над испарителем 6 обеспечивает формирование ВЧ-разряда на пути потока фуллеренов.
Испаритель 6, выполненный с возможностью его нагрева до температуры в диапазоне 550-800°С для обеспечения относительной концентрации фуллеренов в общем объеме на уровне 0,1-10% при давлении 10 Торр.
На Фиг. 2 представлен график зависимости концентрации фуллеренов от температуры нагрева испарителя.
14
-3
17
-3
При температуре 550°С концентрация фуллеренов составляет 10 см, при давлении 10 Торр=3,54⋅10 см, относительная концентрация составит 0,1%, при температуре 800°С концентрация фуллеренов равна 1016, относительная концентрация 10%.
Выполнение устройства в предложенном виде позволяет получать в широком диапазоне концентраций пары не разрушаемых возбужденных молекул фуллеренов в газовой фазе с контролируемыми параметрами, к которым относятся концентрация и эмиссионные спектры электронно-колебательных состояний молекул фуллеренов в газовой фазе.
60
60
Устройство работает следующим образом. Испаряемое вещество, представляющее собой прекурсор фуллеренов или порошок молекул фуллеренов С, помещается в расположенный в вакуумной камере 2 испаритель 6, выполненный с возможностью его нагрева до температуры в диапазоне 550-800°С, позволяющей изменять агрегатное состояние испаряемого вещества, частично преобразуя его в пары фуллеренов. Вакуумная камера 2 откачивается, при этом датчиком давления 8 осуществляют контроль степени вакуума. Для создания однородного ВЧ-разряда в вакуумную камеру 2 подается инертный газ, например, криптон с помощью системы напуска инертного газа 7, при этом возможны два механизма возбуждения электронных уровней молекулы С: электронами и передачей энергии возбуждения атомов инертного газа молекулам фуллеренов. Включается ВЧ-генератор 5 с характерной выходной мощностью 30-600 Вт и частотой 13,56 МГц. Регистрируются опорные спектры инертного газа спектрометром 1. С помощью поворотного устройства (не показано) открывают испаритель 6, в результате чего пары фуллеренов выходят в разрядный промежуток с расстоянием между электродами - 27 мм, Параметры устройства подобраны так, что за время испарения 10 минут при разогретом до 800°С испарителе, испаряется 4 гр фуллеренов. Концентрацию потока паров фуллеренов определяют контроллером 9 по измеряемой температуре нагрева испарителя 6, которую регулируют в диапазоне 550-800°С. С помощью спектрометра 1 регистрируют возбуждаемые ВЧ-разрядом спектры люминесценции смеси молекул фуллеренов и инертного газа, из которых с помощью ПК 12 вычитают опорный спектр инертного газа. ВЧ-генератор 5 выключают.
Зарегистрированные при различных концентрациях паров эмиссионные спектры электронно-колебательных состояний паров фуллеренов выводят на экран и сохраняют на персональном компьютере 12.