Библиографическое описание:

Каленский А. В., Зыков И. Ю. Спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в матрице PETN // Молодой ученый. — 2015. — №15. — С. 30-36.

Рассчитана спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в PETN в интервале длин волн 400÷1200 нм. Показано, что при изменении длины волны света максимальный коэффициент эффективности поглощения наночастиц алюминия в PRTN имеет локальный максимум в районе 850 нм, связанный с максимумом действительно части комплексного показателя преломления алюминия.

Ключевые слова: Теория Ми, коэффициент эффективности поглощения, PETN, наночастицы алюминия.

Spectral dependence of the absorption efficiency coefficients of aluminum nanoparticles in PETN was calculated in the wavelengths range 400÷1200 nm. It was shown that when the wavelength of light has being changed, the maximum value of the absorption efficiency of the aluminum nanoparticles in PETN has a local maximum near 850 nm, associated with the real part maximum of the complex refractive index of aluminum.

Key words: Mie theory, the absorption efficiency coefficient, PETN, aluminum nanoparticle

 

Оптические свойства наночастиц металлов в прозрачных матрицах активно изучаются в экспериментальных и теоретических работах [1–6]. Предлагается использование процессов поглощения и рассеяния света наночастицами в солнечных батареях [1] и оптических детонаторах [7–8]. В первом случае рассеяние света наночастицами приводит к падению коэффициента отражения света от ячейки и повышению ее эффективности [1]. Во втором — поглощение энергии лазерного излучения приводит к эффективному нагреванию наночастицы и инициированию взрывного разложения матрицы энергетического материала [7–9]. На оптические свойства наночастиц металлов влияет природа металла и взрывчатого вещества (ВВ), размерные, морфологические и структурные характеристики наночастиц. Исследованы значения порогов инициирования композитов пентаэритриттетранитрата (PETN) с наночастицами алюминия. Показано, что полученные материалы проявляют чувствительность к лазерному воздействию на уровне 1 Дж/см2 [10–11]. Для направленного поиска материала, определения оптимальных размеров вводимых наночастиц и параметров используемой системы инициирования взрывного разложения [12–13] необходимо провести математическое моделирование [14–15] зависимости коэффициентов эффективности поглощения наночастиц от размеров [2–8] и длины волны инициирующего импульса [16]. Целью настоящей работы является теоретическая оценка коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в составе нанокомпозита на основе PETN в диапазоне длин волн 400÷1200 нм для разработки составов оптических систем инициирования.

Расчет коэффициентов эффективности поглощения

Коэффициент эффективности поглощения (Qabs) сферическим включением радиуса R рассчитывался в рамках теории Ми. Методика расчета приведена в [2–3, 17–19].

Следует отметить, что влияние длины волны в рамках теории Ми учитывается аргументами специальных функций  и . Значения действительно и мнимой части mi для одного и того же металла могут значительно меняться при изменении длины волны [2–8].

На рис. 1 проиллюстрированы зависимости действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления алюминия от длины волны света [4].

Рис. 1 Зависимости действительной Re(mi) и мнимой –Im(mi) частей комплексного показателя преломления алюминия от длины волны [4]

 

Для λ = 400 нм mi составляет величину 0.32–3.72i, для λ = 1200 нм — 0.78–9.16i, то есть и действительная часть и модуль мнимой части увеличивается почти в 2.5 раза (рис. 1). В районе 850 нм на зависимости действительной части mi(λ) наблюдается локальный максимум, а зависимость мнимой части претерпевает перегиб.

Рассчитаны зависимости коэффициентов эффективности поглощения Qabs от радиуса наночастиц алюминия (R) в PETN (m0 = 1.54) [20] для длин волн 400, 532, 800, 1064 и 1200 нм (рис.2.). Каждая зависимость имеет максимум (Qabs max), положение которого (Rm) определяется длиной волны света. При меньших радиусах (RRx) кривая спадает до нуля, причем в пределе R → 0 выполняется закон Рэлея. При больших радиусах происходит плавное уменьшение с незначительными колебаниями, амплитуда и частота которых зависит от длины волны.

Рис. 2 Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения (Qabs) света алюминия в матрице PETN от радиусов наночастиц для длин волн 400, 532, 800, 1064, 1200 нм.

 

Основным параметром, определяющим зависимость Qabs(R) является комплексный показатель преломления (mi), который в свою очередь зависит от материала наночастицы и длины волны (λ) падающего излучения. В таблице 1 представлены значения mi в интервале 400 ÷ 1200 нм [4]. Для получения значений при длинах волн, отсутствующих в источнике, проводился метод квадратичной интерполяции по трем ближайшим точкам [21].

Таблица 1

Рассчитанные параметры поглощения композитов PETN-алюминий для длины волны (λ): комплексный показатель преломления (mi) [4], максимальный коэффициент эффективности поглощения (Qabs max), радиус с максимальным коэффициентом эффективности поглощения Rm.

λ, нм

mi

Qabs max

Rm, нм

400

0.32–3.72i

1.210

29.9

450

0.41–4.06i

1.021

35.1

500

0.50–4.59i

0.769

41.1

532

0.56–4.86i

0.696

44.7

550

0.60–5.01i

0.670

52.2

600

0.77–5.46i

0.634

57.9

650

0.98–5.97i

0.602

63.4

700

1.26–6.40i

0.615

68.6

750

1.50–6.72i

0.625

73.5

800

1.78–6.87i

0.671

78.2

850

1.91–6.90i

0.696

80.4

875

1.82–6.87i

0.681

82.9

900

1.70–6.97i

0.631

88.1

950

1.40–7.22i

0.505

93.6

1000

1.17–7.58i

0.390

100.6

1064

0.98–8.03i

0.292

100.6

1100

0.85–8.33i

0.235

104.6

1200

0.78–9.16i

0.174

115.6

 

Для иллюстрации особенностей поглощения света наночастицами алюминия в PETN на Рис. 3 представлена спектральная зависимость максимального значения коэффициента эффективности поглощения.

Рис. 3 Рассчитанная спектральная зависимость максимального значения коэффициента эффективности поглощения света наночастицами алюминия в PETN.

 

Максимальный коэффициент эффективности поглощения алюминия в PETN уменьшается с ростом длины волны. Для длины волны 400 нм Qabs = 1.210, а с λ = 1200 нм почти в 7 раз меньше — 0.174. На зависимости (Рис. 3) наблюдается локальный максимум при λ = 850 нм, связанный с локальным максимумом на зависимости действительной и перегибом у мнимой части комплексных показателей преломления алюминия от длины волны (Рис.1).

В работах [10,11,22–24] теоретически исследована спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования взрывного разложения нанокомпозитов PETN-алюминий. Экспериментально измерены значения критической плотности энергии лазерного инициирования PETN, содержащего наночастицы алюминия, на длине волны 1064 и 532 нм [25–26]. Критическая плотность энергии инициирования, соответствующая 50 % вероятности взрыва, для первой гармоники неодимового лазера составила 1.15 Дж/см2, для второй — 0.7 Дж/см2. Для первой гармоники максимум эффективности поглощения составляет 0.292, для второй — 0.696. Отношение критических плотностей энергии инициирования на второй и первой гармониках неодимового лазера составляет 1.65 [25–26]. Максимальный коэффициент эффективности поглощения алюминия в PETN также уменьшается с ростом длины волны от второй к первой гармонике неодимового лазера. Однако это уменьшение составляет 2.4 и несколько больше, чем отношение порогов инициирования взрывного разложения (1.65). Для более точного прогноза взрывной чувствительности нанокомпозитов PETN-алюминий, необходимого для разработки оптического детонатора [27–28], требуется дополнительно учитывать процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений [29–31] увеличения освещенности в образце за счет многократного рассеяния излучения импульса [32–33].

 

Литература:

 

1.      Wang H.-H., Su Ch., Wu Ch.-Y., Tsai H.-B., Li Ch.-Y., Li W.-R.// Thin Solid Films. 2013. V. 529. pp. 15–18.

2.      Адуев, Б. П. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара / Б. П. Адуев, Д. Р. Нурмухаметов и др. // ЖТФ. — 2014. — Т. 84. — № 9. — С. 126–131.

3.      Газенаур, Н. В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны / Н. В. Газенаур, И. Ю. Зыков, А. В. Каленский // Аспирант. — 2014. — № 5. С. 89–93.

4.      Каленский, А. В. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в прозрачных средах / А. В. Каленский, И. Ю. Зыков, А. П. Никитин // Все материалы. Энциклопедический справочник. — 2015. — № 1. — С. 15–19.

5.      Каленский, А. В. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах / А. В. Каленский, М. В. Ананьева, А. П. Никитин // Современные научные исследования и инновации. — 2014. — № 11–1 (43). — С. 5–13.

6.      Каленский, А. В. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц кобальта в прозрачных средах / А. В. Каленский, М. В. Ананьева // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2015. № 5 (218). С. 56–60.

7.      Никитин, А. П. Расчет критических параметров инициирования теплового взрыва тэна с наночастицами меди на разных длинах волн / А. П. Никитин // Современные фундаментальные и прикладные исследования.– 2013. — № 4(11).– С. 68–75.

8.      Ананьева, М. В. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора / М. В. Ананьева, А. А. Звеков, И. Ю. Зыков и др.// Перспективные материалы. — 2014. — № 7. — С. 5–12.

9.      Ananyeva, M. V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction / M. V. Ananyeva, A. V. Kalenskii // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. — 2014. — Т. 7. — № 4. — С. 470–479.

10.  Kalenskii, A. V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate -aluminium nanosystems initiated by the laser pulse / A. V. Kalenskii, M. V. Ananyeva // Наносистемы: физика, химия, математика. — 2014. — Т. 5. — № 6. — С. 803–810.

11.  Каленский, А. В. Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения / А. В. Каленский, И. Ю. Зыков, М. В. Ананьева и др. // Вестник КемГУ. — 2014. — № 3–3 (59). — С. 211–217.

12.  Боровикова, А. П. Пространственно-временные характеристики волны горения в азиде серебра / А. П. Боровикова, А. В. Каленский, И. Ю. Зыков// Аспирант. — 2014. — № 3. — С. 37–42.

13.  Каленский, А. В. Коэффициент захвата электронных носителей заряда на экранированном отталкивающем центре/ А. В. Каленский, М. В. Ананьева, В. Г. Кригер, А. А. Звеков// Химическая физика. — 2014. — Т. 33. — № 4. — С. 11–16.

14.  Масленников, Д. А. Столкновение лесного пожара с водным барьером / Д. А. Масленников, Н. А. Лощилова, А. А. Лощилов // Nauka-Rastudent.ru. — 2014. — № 12–1. — С. 42.

15.  Боровикова, А. П. Методика моделирования распространения взрывного разложения азида серебра / А. П. Боровикова, А. В. Каленский// Аспирант. — 2014. — № 4. — С. 96–100.

16.  Ananyeva, M. V. Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms / M. V. Ananyeva, V. G. Kriger, A. V. Kalensii and others // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2012. — Т.55. — № 11–3. — С. 13–17.

17.  Kalenskii, A. V. The Microcenter Heat Explosion Model Modernization / A. V. Kalenskii, V. G. Kriger, A. A. Zvekov and others // Известия ВУЗов. Физика. — 2012. — Т. 55. — № 11–3. — С. 62–65.

18.  Каленский, А. В. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами никеля / А. В. Каленский, М. В. Ананьева, А. А. Звеков и др.// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2014. — Т.11. — № 3. — С. 340–345.

19.  Кригер, В. Г. Механизмы взрывного разложения энергетических веществ при инициировании лазерным излучением/ В. Г.Кригер, А. В. Каленский, М. В. Ананьева и др. // Известия ВУЗов. Физика. — 2011. — Т 54. — № 1(3). — С. 18–23.

20.  Ананьева, М. В. Моделирование взрывного разложения тэна в рамках модернизированной модели горячей точки /М. В. Ананьева, А. В. Каленский, А. П. Никитин и др.// Известия ВУЗов. Физика. — 2013. — Т. 56. — № 9–3. — С. 111–113.

21.  Одинцова, О. В. Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатетранитрат-серебро к действию лазерного импульса / О. В. Одинцова // Современные фундаментальные и прикладные исследования. — 2014. — № 4 (15). — С. 38–43.

22.  Ананьева, М. В. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля / М. В. Ананьева, А. В. Каленский, Е. А. Гришаева и др. // Вестник КемГУ. — 2014. — № 1–1 (57). — С. 194–200.

23.  Адуев, Б. П. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления./ Б. П. Адуев, М. В. Ананьева, А. А. Звеков и др.// ФГВ. — 2014. — Т. 50, — № 6. — С. 92–99.

24.  Зыков, И. Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна с добавками наночастиц алюминия/ И. Ю. Зыков // Современные фундаментальные и прикладные исследования. — 2013. — Т. 1. — № 1 (8). — С. 79–84.

25.  Адуев, Б. П. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны / Б. П. Адуев, Д. Р. Нурмухаметов, Р. И. Фурега и др. // Химическая физика. — 2013. — Т. 32. — № 8. — С. 39–42.

26.  Каленский, А. В. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов / А. В. Каленский, А. А. Звеков, М. В. Ананьева и др. // ФГВ. — 2014. — Т. 50. — № 3. — С. 98–104.

27.  Кригер, В. Г. Релаксация электронно-возбужденных продуктов твердофазной реакции в кристаллической решетке / В. Г. Кригер, А. В. Каленский, А. А. Звеков // Химическая физика. — 2012. — Т.31. — № 1. — С. 18–22.

28.  Адуев, Б. П. Модификация свойств взрывчатых материалов добавками нанодисперсных энергоемких металлических частиц / Б. П. Адуев, Д. Р. Нурмухаметов, А. А. Звеков и др. //Химия в интересах устойчивого развития. — 2015. — Т. 23. — № 2. — С. 183–192.

29.  Кригер, В. Г. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице / В. Г. Кригер, А. В. Каленский, А. А. Звеков и др. // Теплофизика и аэромеханика. — 2013. — Т. 20. — № 3. — С. 375–382.

30.  Кригер, В. Г. Физико-химические основы микроочаговой модели взрывного разложения энергетических материалов / В. Г. Кригер, А. В. Каленский, М. В. Ананьева и др.// Известия ВУЗов. Физика. — 2013. — Т. 56. — № 9–3. — С. 175–181.

31.  Каленский, А. В. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий / А. В. Каленский, М. В. Ананьева, А. А. Звеков, И. Ю. Зыков // ЖТФ. — 2015. — Т. 85. — № 3. — С. 119–123.

32.  Zvekov, A. A. Regularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate — nickel / A. A. Zvekov, M. V. Ananyeva, A. V. Kalenskii and others // Наносистемы: физика, химия, математика. — 2014. — Т. 5. — № 5. — С. 685–691.

33.  Звеков, А. А. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия / А. А. Звеков, А. В. Каленский, А. П. Никитин и др.// Компьютерная оптика. — 2014. — Т. 38. — № 4. — С. 749–756.



[1] Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (НИР № 3603 по заданию № 64/2015).

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle