CC BY
83
УДК 548.5; 535
НОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИК-ДИАПАЗОНА: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ
А.С. Корсаков, Л.В. Жукова, В.С. Корсаков, И. А. Кашуба
Описаны основы разработки и создания инфракрасных волоконно-оптических материалов для среднего инфракрасного диапазона (2-45 мкм) на основе твердых растворов новых кристаллов галогенидов серебра и одновалентного таллия. Приведены фазовые диаграммы AgBr-TlI, AgBr-(TlBr0,46I0,54). Рассмотрена зависимость диапазона спектрального пропускания и показателя преломления от химического состава для новых инфракрасных оптических волокон. Представлены перспективы использования ИК-волокна в производстве волоконно-оптических датчиков и устройств, выпускаемых на базе инновационно-внедренческого «Центра инфракрасных волоконных технологий» при ХТИ УрФУ.
Ключевые слова: инфракрасное оптическое волокно, кристаллы твердых растворов галогенидов серебра и талия, показатель преломления, фазовая диаграмма, лазерная техника, ИК-спектроскопия, ИК-пирометрия.
Кристаллические вещества образуют новый класс материалов, которые могут эффективно использоваться в инфракрасной волоконной оптике, лазерной технике и фотонике. В настоящее время наилучшими свойствами для этого применения обладают кристаллы на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия, имеющие близкие температуры плавления для точек минимума на диаграммах их плавкости. Кристаллы прозрачны от видимой до дальней ИК-области спектра (0,440,0 мкм), обладают высокой пластичностью, негигроскопичностью и не имеют эффекта спайности, поэтому из них методом экструзии (выдавливание) получают однослойные, двухслойные и микроструктурированные кристаллические ИК-световоды. Однако в поликристаллических ИК-световодах на основе кристаллов состава TlBr0,46I0,54 (КРС-5 - "Kristalle aus der Schmelze" - нем.) из-за рекристаллизации создается крупнозернистая микроструктура, которая сильно рассеивает свет, а также приводит к быстрому разрушению световода. Этот несобственный механизм рассеивания в совокупности с поглощением, которое обусловлено присутствием различных примесей, приводит к затуханию излучения. Кристаллы твердых растворов галогенидов серебра не подвергаются эффекту рекристаллизации, поэтому являются практически единственным среди известных нетоксичным, негигроскопичным материалом, пригодным для создания световодов, передающих электромагнитное излучение в спектральном диапазоне от 2 до 30 мкм и далее. Следует отметить, что в настоящее время ИК-световоды на основе кристаллов системы AgCl - AgBr нашли широкое применение в специальных областях: спектральное аналитическое оборудование, лазерная медицина, низкотемпературная пирометрия [1, 2, 3]. Однако недостатком галогенидсеребряных кристаллов и световодов на их ос-
нове является светочувствительность, хотя кристаллы твердых растворов системы AgCl - AgBr по сравнению с индивидуальными кристаллами AgCl и AgBr более устойчивы к видимому и ИК-излучению. При изготовлении двухслойных галогенидсеребряных ИК-световодов происходит диффузия на границе раздела сердцевина - оболочка, что приводит к деградации первоначальных оптических свойств. Эти факторы явились главным обстоятельством для поиска и разработки новых составов кристаллов с широкой гаммой задаваемых специальных свойств на основе твердых растворов галогенидов серебра и одновалентного таллия. В настоящее время на базе инновационно-внедренческого «Центра инфракрасных волоконных технологий» при ХТИ УрФУ налажен процесс выпуска инфракрасных оптических волокон и приборов на их основе. Технологический процесс включает стадии синтеза высокочистой шихты, выращивания монокристаллов, экструзии световодов и исследования их оптико-механических свойств, выпуска малых партий инфракрасной волоконно-оптической техники. В данной статье собраны результаты работ научной группы Уральского федерального университета, которая осуществляет исследования в области разработки и создания инфракрасных оптических материалов на основе твердых растворов галогенидов серебра, легированных редкими металлами.
Химический синтез высокочистого сырья
Производство любых кристаллов включает в себя на первом этапе синтез сырья гидрохимическим либо термическими методами, такими как прямой синтез из элементарных веществ с последующей очисткой, направленной кристаллизацией либо зонной плавкой или вакуумной дистилляцией. Для получения в кристаллах требуемых физико-химических свойств обязательным условием для сырья является гомогенность и одно-фазность его состава. Такое сырье получается в виде однофазного твердого раствора не механическим смешиванием солей, а гидрохимическим методом, названным термозонной кристаллизацией-синтезом (ТЗКС) [4, 5]. Способ ТЗКС включает в себя одновременный синтез и очистку солей и отличается замкнутостью процесса.
При механическом смешивании невозможно получить одну фазу даже при неоднократных переплавках. Переплавки, в свою очередь, приводят к разложению светочувствительных материалов, какими являются галогениды серебра и одновалентного таллия.
Принципиальная схема способа ТЗКС представлена на рис. 1. Следует также отметить, что в процессе ТЗКС концентрация пересыщения относительно равновесной составляет малую величину. Таким образом, высокий эффект очистки достигается за счет того, что процесс ТЗКС осуществляется при небольших пересыщениях вблизи равновесных условий, поэтому формируются однофазные кристаллы заданного состава, а все неконтролируемые примеси хорошо растворимы в соляной кислоте и оста-
ются в растворе (рабочий раствор для ТЗКС). Эффективность очистки за один цикл ТЗКС достигает до трех порядков и более в зависимости от содержания и рода примесей в исходном веществе. Содержание катионных примесей в твердых растворах, полученных методом ТЗКС по данным химико-спектрального метода анализа, составляет: М£, А1, N1, Сг, Мп - менее 10...6 мас. %, а Бе, 81, РЬ, 8п, 7п, 1п - менее 10...5 мас. %.
Рис. 1. Схема способа термозонной кристаллизации - синтеза (ТЗКС), Сн, Тн - концентрация и температура насыщения, Ср, Тр - концентрация и температура равновесные
Исследование фазовых равновесий систем AgBr-TlI и AgBr-(TlBr0.46l0.54)
Выбор направлений по проведению экспериментов и поиску новых материалов с неизвестными ранее свойствами, а также создание материалов, обладающих заданной совокупностью свойств, является всегда актуальной задачей как в прикладном, так и в фундаментальном отношениях.
Вследствие общих физико-химических свойств для систем «AgC1 -AgBг, Т1Вг - Т11, Т1С1 - Т1Вг», диаграммы фазовых состояний которых образуют непрерывный ряд твердых растворов и имеют близкие температуры плавления точек минимума, представляло интерес исследовать возможность получения новых, более фотостойких, твердых, с большим показателем преломления ИК-кристаллов на основе твердых растворов системы AgBг - Т11 и AgBг - (КРС-5).
Целенаправленный выбор новой диаграммы для изучения системы AgBг - Т11 был обоснован рядом факторов.
- равенство зарядов ионов Ag+ и Т1+, Вг- и I-.
- близость ионных радиусов (табл. 1).
- сходство симметрии кристаллов и близость параметров кристаллической решетки (табл. 2).
Перечисленные факторы являются необходимыми требованиями к образованию твердых растворов замещения.
С целью создания фотостойких и более твердых кристаллов, прозрачных в более длинноволновом спектральном диапазоне, обладающих также сцинтилляционными свойствами, представляло интерес исследование диаграммы систем «AgBг - Т11 и AgBг - (КРС-5)». В результате изучены и построены две новые фазовые диаграммы «температура - состав» при атмосферном давлении систем «AgBг - Т11 и AgBг - (Т1Вг0,4б1о,54)».
Методом дифференциально-термического анализа исследована диаграмма фазовых равновесий системы «AgBг - Т11», включая температуры фазовых переходов от н.у. до 500 °С (рис. 2). Установлена область существования устойчивых твердых растворов замещения. Максимальная растворимость Т11 в AgBг составляет 25 мас. %. Эвтектика системы плавится при 160 °С и содержит по массе 60 % Т11 и 40 % AgBг. Положение точки эвтектики подтверждено также построением треугольника Таммана при использовании высоты пиков, характеризующих термические эффекты для твердых растворов исследуемой системы.
Таблица 1
Ионные и атомные радиусы элементов [6]
Элемент Ионный радиус, А Разница радиусов элементов, % Атомный радиус, А Разница радиусов элементов, %
Ag 1,13 24 1,44 16
Т1 (I) 1,49 1,71
Bг 1,96 5 1,19 14
I 2,06 1,36
Изучена и построена диаграмма фазового состояния системы «AgBг - (ТШг0,4610,54)», в которой имеется широкая область гомогенности (рис. 3). В температурном интервале от 20 до 135 °С и при содержании до 50 мас. % ТШг0,4610,54 в AgBг существует кубическая гранецентрированная решетка типа №С1. Для построения диаграммы использовали температуры фазовых переходов, полученные при охлаждении системы, так как эти величины применяются при разработке режимов выращивания кристаллов.
Таблица 2
Симметрия кристаллов на основе галогенидов серебра и одновалентного таллия при 25 °С [6 - 9]
TlI Твердый раствор AgBr -T1I* до 12 мас. % Твердый
Кристалл AgBr TlBr ниже выше КРС-5 (Т1ВГо,4б1 раствор AgBr -(КРС-5)*
178°С 178°С 0,54) до 50 мас. %
КРС-5
Структурный тип Куб-ич. тип NaCl ниже 259 С Куб-ич. тип CsCl Ромб-ич. a-TlI желтого цвета Кубич. P-TlI типа CsCl красного Кубич. тип CsCl Кубич.тип NaCl Кубич. тип NaCl
цвета
Класс симметрии Fm3m Pm3m Cmcm Pm3m Pm3m Fm3m Fm3m
Постоян. решетки, А 5,7745 3,9858 а = 5,24 b = 12,92 c = 4,57 4,211 4,125 5,799 5,8795
* данные авторов [10 - 13]
4SO 4 19
я
/1
Жидкая фаза
гч Ci jf Г Л
г' ^ "
^--- . 1' 'JKAc-"— - 1 , ' -^- у ж *
►---*— 1"----
«2+Ра
О
AgBr
Р.
230 Pz
1 78
Рз
îo го зо
ла iO
Mac.
lOO T1I
Рис. 2. Фазовая диаграмма системы «AgBr-TlI»
Инфракрасные оптические кристаллы и волокна на их основе
С опорой на теоретические исследования разработаны режимы выращивания фотостойких кристаллов с увеличенным показателем преломления, пластичных, негигроскопичных и прозрачных в широком спектральном диапазоне (от 0,4 до 45,0 мкм), из которых методом экструзии получают нанокристаллические ИК-световоды для широкого применения.
202
Оригинальные конструкторские решения и теоретические исследования позволили авторскому коллективу разработать установки КПЧ-01 и модернизированную КПЧ-02 для выращивания объемных кристаллов, реализующих метод Бриджмена с аксиальной низкочастотной вибрацией расплава [14].
Рис. 3. Фазовая диаграмма системы «AgBr - Т1Вг0,4610,54»
Основной характеристикой новых кристаллов является их диапазон пропускания. В результате исследований было установлено, что диапазон пропускания сдвигается в длинноволновую область до 34,0...45,0 мкм в зависимости от состава кристаллов, т.е. от содержания в кристаллах тяжелого по молекулярной массе и радиационно-стойкого Т11. Исследования проводились на поликристаллических и на монокристаллических пластинках толщиной до 3 мм с использованием УФ-спектрофотометра 8Ытаёш иУ-1800 (диапазон работы от 190 до 1100 нм, и ИК-Фурье-спектрометра IRPrestige-21 (8Ытаё7и), работающего в спектральном диапазоне 7800.240 см -1 (1,28.41,7 мкм).
По представленным на рис. 4 спектрам пропускания для поликристаллических пластинок видно, что диапазон пропускания для новых кристаллов существенно расширяется (0,4 - 45,0 мкм) по сравнению с кристаллами системы «AgC1 - AgBr», что позволяет охватить ранее неиспользуемые области спектра характеристических излучений для многих химических соединений. Помимо этого, наличие иодида одновалентного таллия в решетке галогенидов серебра создает дефектность кристаллов, которая замедляет процесс диффузии на границе сердцевина - оболочка в двухслойных световодах и позволяет сохранять этот переход четким даже при небольших различиях показателей преломления между сердцевиной и оболочкой.
Моделирование фотонной структуры ИК-световодов. С целью упрощения цикла производства оптического волокна и экономии ресурсов, для большей наглядности и визуализации процессов распространения вол-новодных мод по оптическому волокну в производственный цикл была введена стадия компьютерного моделирования световодов [14]. Эта стадия дает возможность предсказывать пригодность световода для работы в задаваемых режимах в зависимости от его геометрических и оптических свойств, продемонстрировать принципы распространения электромагнитного излучения по волокну, находящемуся в тесной связи с некоторыми нелинейными оптическими эффектами, имеющими место при использовании световодов как среды для передачи лазерного излучения. Одним из ключевых параметров для моделирования модового состава оптического волокна является показатель преломления -п-. От него напрямую зависят электрооптические свойства кристалла, при этом изменение значения -п-, обусловленное изменением химического состава волокон, позволяет создавать фотонные оптические волокна для инфракрасного диапазона, в том числе одномодовые с расширенным полем моды. Использование фотонной структуры позволяет расширить поле моды одномодовых волокон на заданной длине волны, при этом удается минимизировать апертуру выходящего лазерного излучения, передавать плотность мощности энергии в диапазоне от 6,7 до 20,0 кВт/см2. Кроме того, открывается возможность создания взаимозаменяемых, легко стыкующихся волоконно-оптических компонентов для лазерного медицинского оборудования на длине волны 10,6 мкм [15].
Для поликристаллических пластинок твердых растворов AgC1 -AgBr и AgBr - Т11, полученных из высокочистых монокристаллов методом горячего прессования [14], был определен показатель преломления с использованием спектроскопического метода на ИК-Фурье-спектрофотометре 8Ытаё7и IRPresige-21 и с применением установки, реализующей метод Майкельсона (прямой подсчет интерференционного сдвига). Кроме того, были сняты спектры тех же образцов в диапазоне от 190 до 1100 нм с помощью спектрофотометра 8Ытаё7и ИУ-1800. Из рис. 4 видно, что с повышением содержания иодида одновалентного таллия окно прозрачности расширяется в сторону больших длин волн. Очевидно, при этом незначительно падает интенсивность пропускания, что связано с увеличением показателя преломления.
Для измерения показателя преломления п авторы воспользовались методикой, описанной в работе [16].
Следует отметить, что показатель преломления имеет и мнимую часть, отвечающую за затухание излучения в материале (вытекающие через оболочку моды в случае оптического волокна). Поэтому для длины волны 10,6 мкм, когда отчетливо наблюдалась интерференция, была рассчитана мнимая часть показателя преломления к, также называемая коэффициентом гашения.
1 —АдС1 2 АдВг 3-(АдВг)0ЭЭ(Т11)001 4 - (АдВг)0 д8(ТН)0т 5 - (АдВг)0 д5(ТП)( 1001-1-1-1-1-1-1-1-
0 _I_I_I_I_I_I_I_
О 5 10 15 20 25 30 35 40 Длина волны, мкм
Рис. 4. Спектры трех составов системы «AgBr - Т11» в сравнении с чистыми хлоридом и бромидом серебра. На вставке показан увеличенный отрезок спектра Ag0,99Tl0,01Br0,99I0,01 с интерференцией, по которой определялся показатель преломления
Результаты определения показателей преломления для поликристаллических пластинок твердых растворов систем «AgCl - AgBr и AgBr -Т11» представлены в табл. 3.
Таблица 3
Показатели преломления поликристаллических пластинок
составов Л \gCli-xBrx, Agi.xTlxBri.xIx
x, мол. доля п, при X = 632,8 нм Яп, % п1, при X = 10,6 мкм Яп1, % кп1
л8с11-хбгх(0 < х < 1)
1 2 3 4 5 6
0,00 2,054 ± 0,005 11,91 1,99 ± 0,04 10,91 0,008
0,14 2,094 ± 0,003 12,50 2,01 ± 0,04 11,07 0,008
0,40 2,144 ± 0,007 13,24 2,07 ± 0,04 11,93 0,009
0,75 2,211 ± 0,008 14,22 2,13 ± 0,04 12,92 0,010
0,82 2,214 ± 0,006 14,27 2,14 ± 0,06 13,03 0,010
0,84 2,221 ± 0,007 14,37 2,15 ± 0,04 13,09 0,011
1,00 2,247 ± 0,005 14,75 2,16 ± 0,04 13,57 0,011
Agl-xTxBrl-xIx (0 < х < 0,05)
0,01 - - 2,17 ± 0,04 13,67 0,012
0,02 - - 2,18 ± 0,05 13,86 0,012
0,05 - - 2,22 ± 0,05 14,64 0,017
Кроме того, был рассчитан коэффициент отражения (Я) с использованием закона Френеля при нормальном падении света для границы раздела воздух - пластинка: на длине волны 632,8 нм он изменяется от 11,9 до 14,8 % для образцов системы «AgC1 - AgBr» и от 10,9 до 13,6 % при длине волны 10,6 мкм, а для пластинки состава Ag0,95T10,05Br0,95I0,05 - от 10,9 до 14,6 %.
С применением данных из табл. 3 построены двух- и трехмерные модели распространения лазерного излучения по сердцевине ИК-световодов. Рассчитаны условия одномодового режима работы и основные фундаментальные характеристики оптических волокон (рис. 5).
д е ж з
Рис. 5. Некоторые результаты моделирования распределения излучения (1 = 10,6 мкм) по сечению ИК-световодов на основе
кристаллов системы Л%Ег-Т11 различного состава: а - двухслойный световод, диаметр сердцевины йсоге = 31 мкм, показатели преломления сердцевины, оболочки и эффективный: псог/пС1а/п^ = 2.22/2.21/2.2148, б, в, г - однослойный световод; йсоге = 450 мкм, пСоге = 2.22, псЫ = 2.21; пе# = 2.211803 (б), 2.219763 (в), 2.219981 (г),
д, е, ж, з - световод с шестью вставками в гексагональном порядке, расстояние между центрами вставок А1 = 80 мкм, диаметр вставок ^ = 60 мкм, диаметр сердцевины йсоге = 100 мкм, показатели преломления матрицы, вставок и эффективный пта/п/п^ =2.2300/2.2290/2.2291(д), 2.2300/2.2260/2.2292 (е), 2.220/2.210/2.215 (ж), 2.2700/2.2650/2.2653 (з)
Для двухслойных ИК-световодов, сердцевина которых изготовлена из кристаллов твердых растворов галогенидов серебра и таллия (I), граница раздела «сердцевина - оболочка» становится более четкой, что очень важно для РСБ-волокон, в том числе с увеличенным полем моды. Свойства
206
ИК-световодов непосредственно связаны с химическим составом, а, следовательно, и структурой, размером, равномерностью распределения зерен и величиной пустот между ними. На рис. 6 представлена подобная зависимость.
Размер зерна, нм 40-90 90-110 110-150 2000-3000
Оптические потери на длине волны 10,6 мкм, дБ/м 0,1 0,4 1,5 4
Состав световода А^0,92Т10,08Вг0 ,9210,08 А§0,98Т]-0,02С10,20 ВГ0,78Ь,02 Л§С10,25ВГ0,7 5 ЛgC1o,5BГo,5
Рис. 6. Оптические потери в ИК-световодах в зависимости от состава и размера зерна
Перспективы применения новых инфракрасных волоконно-оптических материалов
Использование пластичных оптических материалов, прозрачных в среднем инфракрасном диапазоне спектра, позволило создать инфракрасный волоконно-оптический зонд для ИК-Фурье спектрометра (рис. 7). Волоконно-оптический зонд соединяется с любым типом спектрометров посредством универсальной оптической приставки, размещаемой в кюветное отделение, и может проводить измерение на расстоянии до 2 м от прибора [17]. В зависимости от предмета исследования могут быть использованы различные типы рабочих элементов: волоконно-оптический датчик многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО) типа «петля» (для жидких и пастообразных неагрессивных сред), МНПВО датчик типа «призма» (для твёрдых и жидких агрессивных сред) (рис. 7).
Принципиальная возможность использования волоконно-оптических систем для контроля промышленных процессов продемонстрирована на примере исследования химического состава и концетрации растворов электролитов в реальном времени с использованием спектральных методов анализа. Были выполнены измерения растворов электролитов К[Ли(СК)2] с различными концентрациями золота: 1,0 г/л; 4,7 г/л, с использованием ИК-Фурье спектрометра фирмы 8Ытаё2и1Я-Ргев1^е 21 со-
вместно с волоконно-оптическим зондом и рабочим элементом типа «призма НПВО» (алмаз), разработанным на базе инновационно-внедренческого «Центра инфракрасных волоконных технологий».
а б в
Рис. 7. Инфракрасный волоконно-оптический зонд для спектроскопии (а); датчик МНПВО типа «петля» (б); датчик МНПВО типа
«призма» (в)
В результате измерений были получены спектры, представленные на рис. 8. Обнаружено различие между пиками поглощения растворов с различной концентрацией золота.
2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750
1/ст
Рис. 8. ИК-спектры электролитических растворов, измеренные зондом методом ИК-Фурье спектроскопии: 1 - концентрация 1 г/л (по Аи); 2 - концентрация 4,7 г/л (по Аи)
Наблюдаются пики поглощения при длине волны 2168 см -1. Данный пик поглощения соответствует пикам поглощения связи С = N в ди-цианоаурате калия, снижение его интенсивности свидетельствует о распаде данной связи и, как следствие, об уменьшении концентрации золота в электролите. Стоит отметить, что именно присутствие золота в комплексе дицианоаурата смещает пики поглощения С = N связи от привычных для них 2000-2080 см -1 в более коротковолновую область [18]. Различие существенное и позволяет сделать вывод о принципиальной возможности калибровки метода для определения концентрации раствора в реальном вре-
208
мени. Пик на длине волны от 1500 до 1750 см -1 соответствует пику воды. Пик на длине волны от 1250 до 1500 см -1 соответствует пику калия углекислого.
В процессе промышленного золочения обычно контролируются следующие параметры: время проведения гальванического процесса, температура нагрева рабочего электролита, сила тока. Все они непосредственно влияют на качество получаемого покрытия, а также оказывают свое воздействие на расход и распределение золота в ванне. При этом измерение концентрации золота в рабочем растворе - электролите - не может производиться постоянно. Большой интервал между проводимыми анализами влечет за собой неоптимальный выбор режима покрытия (режим покрытия напрямую зависит от концентрации золота в электролите), вследствие чего возможно появление брака. Постоянный контроль химического состава ванны золочения с использованием волоконно-оптических датчиков и ИК-Фурье спектрометра позволит устранить указанные сложности и повысит качество выпускаемой продукции.
Следующим перспективным применением инфракрасных оптических волокон является решение задачи по визуализации распределения теплового поля от удаленного изолированного объекта в диапазоне температур от - 150 до + 900° С. Развитие технологий изготовления сборок с высоким разрешением позволит расширить возможности для контроля распределения температурных полей на ответственных технологических этапах в металлургической промышленности - сварка, кузнечнопрессовое производство, энергетика - контроль прогрева турбинных лопаток при запуске, измерение температуры теплоносителя в атомной промышленности. Волоконно-оптические сборки из материалов, прозрачных в спектральном диапазоне 2...30 мкм, получают значительное преимущество перед широко известными кварцевыми волокнами в области низкотемпературной пирометрии, приборах ночного видения и являются эффективными по своим массогабаритным характеристикам для использования в беспилотных летательных аппаратах в качестве элементов целеуказания и целенаведения в ИК-диапазоне (рис. 9).
0.72 микрон 2 4 10 45 1000 микрон Рис. 9. Пересчет температуры тела в длину волны согласно
закону Вина [19]
209
Использование данного волокна в качестве канала доставки лазерного излучения позволит вывести на новый уровень целый класс медицинских лазеров работающих в диапазоне от 3 до 10,6 мкм. При воздействии лазерного излучения на органические ткани важными параметрами являются плотность мощности лазерного излучения, глубина его проникновения, числовая апертура (КА) при одномодовом режиме работы. Особую значимость эти параметры приобретают при выполнении инвазивных операций. Щадящий режим воздействия на ткани излучения углекислотного лазера, глубина проникновения которого составляет от 20 до 50 мкм, делает его использование предпочтительным при выполнении сложных хирургических операций по сравнению с другими лазерами, работающими в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Излучение этих лазеров передается по кварцевому волокну и значительно глубже проникает в органическую ткань, в том числе здоровую, травмируя её. Например, глубина проникновения в органические ткани излучения гольмиевого ИАГ-лазера с длиной волны 2,09 мкм составляет 0,5 мм, излучение диодных лазеров с длиной волны 0,81 мкм проникают на глубину от 4 до 6 мм [20]. Инфракрасное оптическое волокно на основе модифицированных твердых растворов галогенидов серебра пригодно для передачи излучения СО2 лазера и 7п8е :Бе-лазера и позволяет отказаться от использования зеркально-шарнирных рукавов.
Заключение
Путем применения специальных технологических приемов и нестандартного оборудования при изготовлении шихты и выращивании кристаллов доказана правомочность использования фазовых диаграмм изученных систем «AgC1 - AgBг; AgBг - Т11; AgBг - (КРС-5)» для нахождения по ним оптимальных химических составов и условий выращивания монокристаллов в динамическом режиме.
К настоящему моменту разработаны экологически чистые, энергосберегающие, безотходные, замкнутые по воде и твердому веществу следующие технологии:
- синтез высокочистой многокомпонентной шихты для выращивания новых составов ИК-кристаллов (метод термозонной кристаллизации-синтеза (ТЗКС);
- выращивание нанодефектных кристаллов методом Бриджмена с аксиальной вибрацией расплава;
- получение из кристаллов методом экструзии однослойных и двухслойных одно- и многомодовых ИК-световодов, обладающих сцин-тилляционными свойствами.
Рис. 10. Этапы производства ИК-волоконно-оптических материалов в инновационно-внедренческом «Центре инфракрасных волоконных
технологий»
Разработанные ИК-световоды благодаря уникальным свойствам находят применение в таких областях, как микро- и наноэлектроника, оку-сто- и оптоэлектроника, низкотемпературная ИК-пирометрия, фармацевтика, медицина (как хирургические, так и диагностические цели), экология, в том числе радиационный мониторинг, анализ сред в любом агрегатном состоянии и даже космические исследования - обнаружение планет, подобных Земле, по исходящему от них излучению порядка 10 мкм, содержащему информацию о химическом составе, в том числе атмосферы, по которому и возможно определить жизнь на планете (проект ESA Darvin).
Список литературы
1. Tel Aviv University. Веб-узел исследовательской группы Тель-авивского университета «The applied physics group» [Электронный ресурс]. URL: http://www.tau.ac.il/~applphys/ (дата обращения: 20.05.2016).
2. Raichlin Y., Katzir A. Fiber-Optic Evanescent Wave Spectroscopy in the Middle Infrared. Applied Spectroscopy. 2008. Vol. 62. No. 2. P. 55A-72A.
211
3. Abakumov A.O., Alejnikov V.S., Artjushenko V.G. et. al. Coagulation and destruction of buological tissue by CO-laser irradiation using fibre-optic cable // Optics and Laser Technology. 1986. Vol. 23. P. 190192.
4. Синтез новых наноструктурированных кристаллов AgBr - TlI, AgClxBr1-x, в том числе легированных TlI / А.С. Корсаков, Л.В. Жукова, Е.В. Жариков [и др.] // Цветные металлы. 2010. № 1. С. 69-72.
5. Жукова Л.В., Жуков В.В., Китаев Г.А. Способ получения высокочистых веществ // Патент РФ № 2160795. Заявл. 07.07.1999. Опубл. 20.12.2000. Бюл. № 33.
6. Химик. Сайт о химии [Электронный ресурс]. URL: http://www. xumuk.ru/encyklopedia/2/4019.html (дата обращения: 20.05.2016).
7. Оптические материалы для инфракрасной техники / Е.М. Воронкова, Б.Н. Гречушников [и др.]. М.: Наука, 1965. 335 с.
8. Акустические кристаллы: справочник / А.А. Блистанов [и др.]: под ред. М.П. Шаскольской. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. 632 с.
9. Materials science international [Электронный ресурс]. URL: [http://www.matport.com/msi-eureka/buy-online/purchase/selectElements] (дата обращения: 22.05.2016).
10. Термодинамическое исследование диаграмм фазовых равновесий кристалл - расплав в гетерогенной системе AgBr - TlI / А.С. Корсаков [и др.] // Расплавы. 2010. № 6. С. 76-84.
11. Корсаков А.С. Кристаллы для ИК-волоконной оптики. Физико-химические основы получения твердых растворов галогенидов серебра и таллия (I) для ИК-волоконной оптики/ А.С. Корсаков, Л.В. Жукова. LAP Lambert academic publishing, 2011. 146 с.
12. Photonic crystalline IR fibers for the spectral range of 2,0 - 40,0 ^m / L.V. Zhukova [et al.] // Applied Optics. 2012. Vol. 51. Issue 13. P. 24142418.
13. Термодинамическое исследование кристаллов системы «AgBr -TlI» и получение ИК-световодов нанокристаллической структуры на их основе / А.С. Корсаков, [и др.] // Цветные металлы. 2013. № 4. С. 62-66.
14. Новые инфракрасные материалы: кристаллы и световоды: монография / Жукова Л.В., Корсаков А.С., Врублевский Д.С. Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2014. 280 с.
15. Arno Millo, Lilya Lobachinsky, Abraham Katzir Single-mode octagonal photonic crystal fibers for the middle infrared. Appliede physics letters. Vol. 92 021112 (2008).
16. Padera F. Measuring absorptance (k) and refractive index (n) of thin films with the PerkinElmer Lambda 950/1050 high performance UV-Vis/NIR Spectrometers / F. Padera. PerkinElmer Inc.: Application note: UV/Vis Spectroscopy, 2013. 9 p.
17. Fiber probe for the spectral range of 2-45 цш for IR-Fourier spectrometer / L. Zhukova, [et al.] // Imaging and Applied Optics Congress, OSA Technical Digest (online), Fourier Transform Spectroscopy (FTS) 2013, paper: FTu3D.5, 23-27 June 2013, Arlington, Va., USA.
18. Накомото К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений пер. с англ. М.: Мир, 1991. 536 с.
19. Термодинамика и татистическая физика: Статистика идеального газа / А.Н. Алмалиев [и др.]. Воронеж: Воронеж гос. ун-т, 2004. 79 с.
20. Лазерные эндохирургические операции / А.М. Шулутко [и др.]. [Электронный ресурс]. URL: http://medbe.ru/materials/khirurgiya-trakhei-i-bronkhov/lazernye-endokhirurgicheskie-operatsii/ © medbe.ru (дата обращения: 21.05.2016).
Корсаков Александр Сергеевич, доц., [email protected], Россия, Екатеринбург, Инновационно-внедренческий центр «Центр инфракрасных волоконных технологий» при ХТИ ФГАОУ ВО ««Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»,
Жукова Лия Васильевна, д-р техн. наук, ст. науч. сотр., профессор исследователь, l. v.zhukovaaurfu.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина,
Корсаков Виктор Сергеевич, асп., a.s.korsakovaurfu.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина,
Кашуба Иван Андреевич, асп., a.s.korsakova urfu.ru, Россия, Екатеринбург, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.
NEW FUNCTIONAL IR MATERIALS: STRUCTURE, PROPERTIES, APPLICATION A.S. Korsakov, L.V.Zhukova, V.S. Korsakov, I.A. Kashuba
We described the processing and manufacturing grounds of mid-infrared (2...45 ¡m) fiber-optical materials derived from solid solutions of new silver and monadic thallium halide crystals. AgBr-TlI and AgBr-(TlBr0,46I0,54) phase diagrams are demonstrated. We also considered the chemical composition dependence of spectral transmission and refractive index for new optical fibers. Finally, we presented the application perspectives of IR fibers in manufacturing of fiber-optical sensors and various devices produced by IIC «Centre for Infrared Fiber Technologies» at ICT UrFU.
Key words: Infrared optical fiber, silver and thallium halide solid solutions, efractive index, phase diagram, laser engineering, IR spectroscopy, IR pyrometry.
Zhukova Liya Vasilievna, doctor of technical sciences. Sci., Professor, researcher, l.v.zhukovaa urfu.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin,
Korsakov Viktor Sergeevich, Programmer of the 2nd category, post-graduate student, a.s.korsakova urfu.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural Federal University named after the first President of Russia Boris Yeltsin,
Kashuba Ivan Andreevich, graduate student, a.s.korsakovaurfu.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin
УДК 531.55:623.5
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СБОРКИ СНАРЯДОВ НА КУЧНОСТЬ
СТРЕЛЬБЫ
Б.Э. Кэрт, Ю.А. Набоков
Построена методика рационального определения допусков на точность изготовления и сборки боеприпасов, основанная на результатах численного эксперимента по расчету пространственного движения динамически и статически асимметричного снаряда с помощью решения варианта уравнений Эйлера-Пуассона разработанным экономичным неявным численным методом.
Ключевые слова: траектория, пространственное движение, внешняя баллистика, разностная схема, сходимость итераций, точность изготовления, техническое рассеивание, кучность.
Постановка задачи исследования
Необходимый уровень кучности боя является важным требованием к артиллерийской системе, конструкции боеприпаса и технологии его изготовления, во многом определяющим эффективность действия [1]. Срединные ошибки выстрела включают в себя ошибки подготовки и ошибки технического рассеивания. Последние могут быть представлены в виде сумм большого числа ошибок, обусловленных разбросом конструктивных характеристик снаряда, выстрела, ствола, элементов автоматики орудия, характеристик носителя орудия, текущего состояния орудия и его элементов, атмосферных условий в период движения по траектории и др. Для анализа причин неудовлетворительной кучности боя необходимы расчетные методики, позволяющие отделить влияние различных групп факторов, зависящих от свойств пушки, метательного заряда, собственно снаряда. Это практически невозможно сделать в эксперименте.
В настоящей работе описана методика оценки вклада неточностей изготовления и сборки элементов боеприпасов в техническое рассеивание по фронту и дальности (или по вертикали и горизонтали при стрельбе по щиту). Указанная проблема не может быть решена в рамках классических подходов к моделированию внешней баллистики боеприпасов, основанных на разделении решения на основную задачу внешней баллистики (то есть на решении задачи о движении центра масс снаряда) и задачу о вращательном движении снаряда вокруг центра масс, обоснованном для правильно движущегося снаряда. При этом движение снаряда описывается как
214
