Терагерцовая радиационно стойкая нанокерамика
TERAHERTZ RADIATION-RESISTANT NANOCERAMICS

Изобретение относится к радиационно стойким оптическим терагерцовым (ТГц) материалам, конкретно к терагерцовой нанокерамике на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия. К универсальному определению ТГц диапазона относят частотную область спектра 0,1 – 10,0 ТГц, что соответствует длинам волн 3000,0 – 30,0 мкм и куда входят инфракрасный (ИК) средний и дальний диапазоны.
Нанокерамика востребована в технологиях двойного назначения для широкоспектральных лазерных систем, в том числе охватывающих окна прозрачности атмосферы (3 – 5 мкм) и полосы поглощения сложных органических молекул, которые являются основой биологических, взрывчатых и наркотических веществ. С помощью ТГц-видения можно обнаруживать также любое скрытое оружие, так как на его фоне неметаллические материалы прозрачны в терагерцовом спектре.
Кроме того, пластичная нанокерамика и фотонно-кристаллические световоды на ее основе, предназначенные для управления и передачи ИК излучения на длинные расстояния, являются одним из важных направлений развития фотоники.
Известна нанокерамика на основе алюмомагниевых шпинелей, прозрачная в спектральном диапазоне от 0,2 до 5,5 мкм [В. В. Осипов, В. А. Шитов и др. «Синтез и исследование Fe2+: MgAl2O4 керамики для активных элементов твердотельных лазеров». Квантовая электроника, 2019. Том 49, выпуск 1. С. 89-94; Mironova-Ulmane N. Luminescence and EPR spectroscopy of neutron-irradiated single crystals of magnesium aluminium spinel, Radiation Measurements. 2016. V. 90. P. 122-126].
Но известная нанокерамика непрозрачна в ТГц диапазоне и в спектральной области от 5,5 до 60,0 мкм. Она не обладает эффектом пластичности, поэтому из нее невозможно получить методом экструзии ИК световоды для диагностики теплового состояния радиационных и труднодоступных объектов, таких как реакторы атомных электростанций, внутренние элементы тепловых машин и другие применения. Кроме того, нельзя создать из нанокерамики на основе алюмомагниевых шпинелей фотонной структуры нанокристаллические световоды для передачи ИК излучения на большие расстояния в одномодовом режиме.
Существует техническая проблема по разработке пластичной, негигроскопичной и радиационно-стойкой нанокерамики, прозрачной в терагерцовой области и широком спектральном диапазоне от 0,55 до 60,0 мкм, предназначенной для ядерной физики, фотоники, лазерной и ИК волоконной оптики, с выходом в оптическое изделие до 90 %.
Проблема решается за счет разработки терагерцовой радиационно-стойкой нанокерамики, характеризующейся тем, что она выполнена на основе бромида серебра и дополнительно содержит йодид серебра и йодид одновалентного таллия при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
бромид серебра
- 75,0 – 80,0 %;
йодид серебра
- 15,0 – 5,0 %;
йодид одновалентного таллия
- 10,0 – 15,0 %.
Сущность изобретения состоит в том, что создана новая терагерцовая радиационно-стойкая нанокерамика. Основу ее составляет бромид серебра кубической модификации, который является матрицей. В решетке AgBr равномерно распределены наночастицы TlI и AgI орторомбической модификации с размером зерна 30 - 60 нм (см. фигуру 1), которые обеспечивают, во-первых, высокую дефектность кристаллической решетки, что значительно уплотняет структуру, а во-вторых, придает устойчивость нанокерамики к радиационному излучению (фиг.1, примеры). При этом следует отметить технологичность получения нанокерамики, что подтверждается высоким выходом (до 90 %) в готовые изделия – оптику и ИК световоды.
Синтезированные образцы нанокерамики, приведенные в формуле и примерах, являются монофазными во всем диапазоне исследуемых концентраций AgI и TlI, вводимых в кристаллическую решетку бромида серебра.
Нанокерамика прозрачна с окнами поглощения в частотной области спектра от 0,05 до 10,0 ТГц, что соответствует длинам волн 6000,0 – 30,0 мкм и высокопрозрачна без окон поглощения от видимого до дальнего ИК диапазона 0,55 – 60,0 мкм (см. примеры). Кроме того, она сочетает несколько функциональных свойств, таких как высокая стойкость к внешним воздействиям, а также негигроскопичность и пластичность, так как галогениды серебра и одновалентного таллия нерастворимы в воде и обладают свойством текучести.
Пример 1.
Терагерцовую радиационно стойкую нанокерамику состава в мас. %:
бромид серебра
- 75,0 %;
йодид серебра
- 15,0 %;
йодид одновалентного таллия
- 10,0 %
получили гидрохимическим методом с последующей переплавкой методом направленной кристаллизации.
На токарном станке вырезали образцы для определения диапазона прозрачности нанокерамики в широком спектральном диапазоне. Выход составил 90 %.
Методом горячего прессования подготовили оптическую поверхность образцов для измерения спектральных характеристик и для определения структуры нанокерамики методом сканирующей электронной микроскопии. На фигуре 1 представлена фотография терагерцовой наноструктуры галогенидсеребряной нанокерамики, полученная методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
На спектрометре СТД-21 измерили пропускание нанокерамики в терагерцовом и миллиметровом диапазонах. В качестве источника ТГц излучения использовали несколько Ламп обратной волны (ЛОВ), перекрывающих диапазоны частот от 0,05 до 10,0 ТГц. В качестве детектора использовали ячейки Голея фирмы Tidex. Диапазоны пропускания нанокерамики в видимой и инфракрасной области спектра были сняты на спектрофотометре фирмы Shimadzu UV-1800 (190 – 1100 нм), IR-Prestige-21 (1.28 – 41.7 мкм) и Vertex 80 Bruker (14,7 – 60,6 мкм).
Нанокерамика пропускает в терагерцовой области:
- от 0,05 до 0,3 ТГц (соответствует диапазону длин волн 6000,0 – 1000,0 мкм) с прозрачностью 63%;
- от 0,35 до 0,9 ТГц (850,0 – 350,0 мкм) с прозрачностью 50%;
- от 5,0 до 10,0 ТГц (60,0 – 30,0 мкм) с прозрачностью 77%.
Нанокерамика пропускает без окон поглощения от видимого до дальнего ИК диапазона:
- в видимом и ближнем ИК диапазоне от 0,55 до 2,0 мкм с прозрачностью 62-66 %;
- в средней и дальней ИК области от 2,0 до 60,0 мкм с прозрачностью 66-74%.
Пример 2.
Терагерцовую радиационно стойкую нанокерамику состава в мас. %:
бромид серебра
- 80,0 %;
йодид серебра
- 5,0 %;
йодид одновалентного таллия
- 15,0 %
получили, подготовили образцы и провели измерение оптических свойств, как в примере 1.
Нанокерамика высокопрозрачна и пропускает в терагерцовой области с окнами поглощения. В видимом, ближнем, среднем и дальнем инфракрасных диапазонах нанокерамика высокопрозрачна и пропускает от 0,55 до 60,0 мкм без окон поглощения.
Нанокерамика пропускает в терагерцовой области:
- от 0,05 до 0,3 ТГц (соответствует диапазону длин волн 6000,0 – 1000,0 мкм) с прозрачностью 62%;
- от 0,35 до 0,9 ТГц (850,0 – 350,0 мкм) с прозрачностью 48%;
- от 5,0 до 10,0 ТГц (60,0 – 30,0 мкм) с прозрачностью 76%.
Нанокерамика пропускает без окон поглощения от видимого до дальнего ИК диапазона:
- в видимом и ближнем ИК диапазоне от 0,55 до 2,0 мкм с прозрачностью 60-64 %;
- в средней и дальней ИК области от 2,0 до 60,0 мкм с прозрачностью 64-72%.
Пример 3.
Терагерцовую радиационно стойкую нанокерамику состава в мас. %:
бромид серебра
- 77,0 %;
йодид серебра
- 10,0 %;
йодид одновалентного таллия
- 13,0 %
получили, подготовили образцы и провели измерение оптических свойств, аналогично примеру 1.
Нанокерамика высокопрозрачна и пропускает в терагерцовой области с окнами поглощения. В видимом, ближнем, среднем и дальнем инфракрасных диапазонах нанокерамика высокопрозрачна и пропускает в диапазоне длин волн от 0,55 до 60,0 мкм без окон поглощения.
Нанокерамика пропускает в терагерцовой области:
- от 0,05 до 0,3 ТГц (соответствует диапазону длин волн 6000,0 – 1000,0 мкм) с прозрачностью 63%;
- от 0,35 до 0,9 ТГц (850,0 – 350,0 мкм) с прозрачностью 49%;
- от 5,0 до 10,0 ТГц (60,0 – 30,0 мкм) с прозрачностью 77%.
Нанокерамика пропускает без окон поглощения от видимого до дальнего ИК диапазона:
- в видимом и ближнем ИК диапазоне от 0,55 до 2,0 мкм с прозрачностью 61-65 %;
- в средней и дальней ИК области от 2,0 до 60,0 мкм с прозрачностью 65-73%.
Для указанных диапазонов пропускания в терагерцовой области, а также в видимом, ближнем, среднем и дальнем ИК диапазонах, обладают высокой прозрачностью только разработанные составы терагерцовой радиационно стойкой нанокерамики, что обеспечит ее применение в указанных областях.
Технический результат при использовании созданной терагерцовой радиационно стойкой нанокерамики заключается в следующем. Во-первых, вследствие высокой пластичности и негигроскопичности возможно получать из нанокерамики методом горячего прессования оптические изделия – линзы, окна, пленки, гетерогенные слои. Этот метод оптической обработки поверхности является простым в исполнении, практически безотходным и высокоэкономичным по сравнению с методом абразивной обработки поверхности. Кроме того, нанокерамика обладает уникальной прозрачностью, которая достигает теоретического значения 76 -  78 % в определенной части терагерцового диапазона, а также в дальней инфракрасной области за счет малых величин рассеяния Рэлея и близких значений показателя преломления кубической и орторомбической фаз.
Во-вторых, диэлектрические ИК световоды, изготовленные из радиационно стойкой нанокерамики, могут эффективно применяться для бесконтактной передачи и измерения сигнала температуры от механизмов внутри герметичной оболочки реактора АЭС [Kharaim M. P., et al. On the possibility of application infrared crystalline fibers for transfer of temperature signals from bearings inside nuclear power plants’ containment, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2021, Vol. 1089, Paper number 012048, P.1-7].
В-третьих, на основании компьютерного моделирования и теоретических расчетов можно разработать одномодовые фотонно-кристаллические световоды с большим диаметром поля моды для передачи более мощного лазерного излучения.