CC BY
21ОСОБЕННОСТИ НАНОСТРУКТУРЫ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КОМПОЗИТНЫХ МИКРОВОЛОКОН
Покидов А.П. молодой ученый, Цебрук И.С., магистрант, Кедров В.В.,
Классен Н.В.
Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, рокШоШтп. ас. ги 001:10.24411/9999-004A-2019-10062
Ранее в нашей группе были разработаны новые типы композитных сцинтилляторов из наночастиц диэлектриков в связке с органическими люминофорами. Такие сцинтилляторы характеризуются рекордным сочетанием параметров, характеризующих качество радиационных детекторов: высокую поглотительную способность, создаваемую тяжелыми наночастицами, наносекундное быстродействие за счет быстрой передачи энергии от наночастицы, поглотившей гамма-квант, органическому люминофору, и высокий коэффициент преобразования энергии радиации в световые сигналы, обеспеченный высокой светимостью люминофора. Однако по причине неоднородностей в распределении наночастиц в органической связке эти композиты сильно рассеивали излучаемый ими свет и поэтому толщина пластин таких сцинтилляторов, пригодных для применения в радиационных детекторах, не превышала 2 - 3 миллиметров. В данной работе мы представляем новую методику формирования сцинтилляторов из таких композиций, основанную на вытягивании микроволокон, в которой неоднородности в распределении наночастиц стали регулярными с периодом, сопоставимым с длиной волны излучаемого света и за счет формирования при этом положительной распределенной обратной связи из недостатка превратились в достоинство.
В качестве органического люминофора мы использовали полистирол, активированный 2,5-дифенилоксазолом с наполнителем из наночастиц сульфата цезия. Жидкие композиции для вытягивания волокон составлялись растворением указанной смеси в бензоле или толуоле. Формирование микроволокон производилось двумя способами: центрифугированием, когда на плоский диск диаметром 20 см наливался коллоидный раствор смеси полистирола с наночастицами сульфата цезия, после чего диск раскручивался до скорости 20-30 оборотов в секунду. С края диска под действием центробежной силы выбрасывались капли субмиллиметровых размеров, которые за доли секунды вытягивались в волокна диаметрами от 0.5 до 50 микрон. Ход процесса формирования таких микроволокон регистрировался скоростной видеокамерой. Второй способ формирования сцинтилляционных микроволокон состоял в вытягивании волокна из раствора стеклянной палочкой, сначала окунаемой в
раствор, а затем плавно поднимаемой вверх со скоростью в несколько сантиметров в секунду. Если в первом варианте морфология формируемых волокон была практически постоянной по длине, то во втором варианте по длине волокна наблюдались существенные изменения морфологии. В начале волокно было круговым цилиндром, но затем поперечное сечение становилось гантелевидным: два круглых стержня по краям, соединенные плоской перемычкой. Это объясняется неустойчивостью кругового сечения из-за увеличения скорости испарения толуола (приводящего к затвердеванию волокна) при флуктуационном увеличении локальной кривизны. В этом месте начинается ускоренное затвердевание, и за счет сокращения при испарении удельного объема сюда подтягивается раствор из середины. В результате край утолщается, а середина утоньшается. Из-за утоньшения середины приток к отверждаемому краю слабеет, но по причине этого утоньшения возрастает кривизна противоположного края волокна, где теперь, в свою очередь, начинается ускоренное испарение растворителя с соответствующим формированием утолщенного стержня. Из-за рассогласования процессов отверждения этих краевых стержней скорости сокращения их длин различаются, в результате чего такая квазиплоская лента приобретает винтовую закрутку. А в ряде случаев эта закрутка настолько сильна, что лента приобретает форму синусоиды. При дальнейшем вытягивании количество вытягиваемого в секунду раствора уменьшается и волокно снова приобретает круговое сечение с модуляцией формы не в поперечном, а в продольном направлении. Диаметр кругового сечения периодически осциллирует с амплитудой порядка 10% от средней величины. Это объясняется генерацией неустойчивостей Релея-Тейлора, когда за счет флуктуационного уменьшения диаметра в этом месте возрастает лапласовское давление, обусловленное поверхностным натяжением. Возрастание давления вызывает перетекание части раствора в соседнюю область волокна, диаметр которой из-за этого возрастает, приводя к уменьшению лапласовского давления. Такие осцилляции давления приводят к модуляции плотности наночастиц, вслед за чем возникает и модуляция локального показателя преломления волокна, отчетливо наблюдаемой в оптическом микроскопе. Но на этом расслоение первоначально однородного волокна не заканчивается. Продолжающиеся флуктуации кривизны по окружности поперечного сечения приводят на этот раз не к образованию гантелевидного сечения, а к расщеплению цельного микроволокна на пучок параллельных нановолокон, что было зарегистрировано в электронном микроскопе. В волокнах, получаемых центрифугированием, винтовая закрутка была менее выражена, но продольная модуляция показателя преломления и расщепление цельных микроволокон на пучки нанонитей наблюдались на том же уровне, что и в вытягиваемых волокнах.
Столь отчетливые особенности морфологии и оптических характеристик, масштаб которых был сопоставим с длиной волны сцинтилляционного света,
привели к ряду оптических аномалий. При возбуждении люминесценции волокон с помощью рентгеновской трубки наблюдалось угловая анизотропия направленности светового потока с усилением излучения вдоль волокна по сравнению с поперечным направлением. Но при этом поляризация излучаемого света также была параллельна волокнам. Это, на первый взгляд, странно, т.к. световые волны в однородной среде являются чисто поперечными, когда преимущественная поляризация перпендикулярна преимущественному направлению светового потока. Такая аномалия объясняется наличием в волокне нанонитей. В этой ситуации, хотя наибольшая часть изучаемого светового потока и идет в вакууме, но он как бы привязан к нанонитям и за счет этого световые волны приобретают частичный характер продольных. Это достаточно типично для распространения света вдоль нанонитей с достаточно большими диэлектрическими проницаемостями, хотя их поперечные размеры и намного меньше длины волны света. Преимущественное же излучение света вдоль микроволокон объясняется поперечной модуляцией их усредненного показателя преломления, за счет чего организуется распределенная положительная обратная связь.
Таким образом, структурные неоднородности пластин из композитных сцинтилляторов, которые были их явным недостатком, придали микроволоконным сцинтилляторам сразу несколько достоинств: усиление общего световыхода сцинтилляций, что с преимущественной направленностью их излучения вдоль волокон еще более увеличивает чувствительность радиационных детекторов. Кроме того, пространственное разрешение такого рода детекторов из сцинтилляционных композитных микроволокон определяется их поперечными размерами и, соответственно, может быть улучшено до субмикронных масштабов.
В сочетании с увеличенной чувствительностью волоконных сцинтилляционных детекторов на их основе реально сформировать детекторную матрицу с микронным разрешением для рентгеновской просвечивающей микроскопии биологических объектов вплоть до наблюдения за динамикой работы внутренних органов биоструктур, включая и человеческий организм.
Кроме того, такого рода рентгеновские микроскопы способны дать существенную новую информацию и о динамике микропроцессов в разного рода технических изделиях - электронных микросхемах, элементах всевозможных несущих конструкций и компонентах динамических устройств типа двигателей и др.
Данная работа выполнялась в соответствии с государственным заданием ИФТТРАН и частично поддерживалась грантом РФФИ 16-29-11702.
