CC BY
101
1.5. ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ С КОМПЛЕКСОМ ЗАДАННЫХ СВОЙСТВ РАДИАЦИОННЫМ МЕТОДОМ. ЧАСТЬ 5. МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКОЙ
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Саидов Мухтар Сафарбаевич, доктор физико-математических наук, академик АНРУз. Физико-Технический Институт. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Ермаков Владимир Петрович, старший научный сотрудник, лаборатория №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Аннотация: Целью данной работы является качественное объяснение возможного механизма генерации инфракрасного импульсного излучения функциональной керамикой.
Ключевые слова: керамические материалы, функциональная керамика, энергия активации, полупроводники, инфракрасные преобразователи, импульсные системы.
1.5. FEATURES OF SYNTHESIS OF FUNCTIONAL CERAMICS WITH A COMPLEX OF THE SET PROPERTIES BY A RADIATION METHOD. PART 5. MECHANISM OF GENERATION OF IMPULSES FUNCTIONAL CERAMICS
Rakhimov Rustam Khakimovich, PhD, head of laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Saidov Muhtar Safarbaevich, Academician Uzbekistan Academy of sciences Physical-Technical Institute, «Physics-Sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Yermakov Vladimir Petrovich, laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Abstract: The purpose of this work is the qualitative explanation of the possible mechanism of generation of infrared pulse radiation functional ceramics.
Index terms: ceramic materials, the functional ceramics, activation energy, semiconductors, infrared transformers, impulse systems.
Целью данной работы является качественное объяснение возможного механизма генерации инфракрасного импульсного излучения функциональной керамикой.
Преобразование энергии первичного источника может идти несколькими путями.
1. Преобразователь выполняет роль фильтра, который поглощает определенные длины волн первичного спектра, а не поглощенная часть энергии проходит сквозь него (пассивное преобразование).
2. Преобразователь поглощает определенные длины волн первичного спектра, а не поглощенная часть энергии отражается от него (также пассивное преобразование).
3. Преобразователь поглощает энергию первичного источника энергии и генерирует излучение в конкретном диапазоне с определенными временными параметрами (активное преобразование).
4. Комбинированные системы, использующие предыдущие варианты в различном соче-
тании (сочетание пассивного и активного преобразования).
В данной главе, преимущественно, будет рассматриваться активное преобразование энергии первичного источника в инфракрасные импульсы.
Если говорить об активном преобразовании, то, строго говоря, преобразование всегда идет в импульсном режиме.
Дело в том, что квант энергии вначале поглощается преобразователем (в том числе и функциональной керамикой), а затем, выделяется уже с другой энергией.
Особенность предлагаемых импульсных преобразователей спектра излучения первичного источника, заключается в том, что типологически генерация импульсов происходит одновременно.
В процессе работы было предложено несколько возможных механизмов образования импульсного излучения в керамике.
Приведем экспериментальные данные, полученные автором по изготовлению одной из керамик, состоящей из 95-99 вес.% СаМ§Б1206 + +0,8-4,8 вес.% ЬпСгОз +
+ 0,2 вес.% СиСг02 (Ьп - лантаноид) чистотой 99,9 - 99,99% и возможное качественное объяснение возникновения импульсной фотолюминесценции в ней [92, 94].
Синтез СаМ§Б1206 и LnСrОз, после предварительной подготовки, завершали плавлением при температурах ~ 2500 - 2700°С в Большой Солнечной Печи. Далее образцы СаМ§Б1206 и LnСrО3 измельчали в порошки со средними размерами зерен 20 мкм и 1 мкм, соответственно. Смесь порошков СаМ§Б1206 и LnСrО 3 в указанном выше весовом соотношении спекали при температуре ~1700°С. Полученные слитки измельчали до исходных размеров зерен СаМ§Б1206 порошка, которые уже оказались частично покрытыми слоем LnСrО3 толщиной менее 1 мкм. Микрофотографии, полученные на РЭМ 200 приводятся на рис.1.
Затем керамический порошок перемешивали с ультрадисперсным порошком СиСг02, размерами зерен ~ 0,1 мкм в вышеуказанном
весовом соотношении и смесь спекали в высокотемпературной печи на воздухе при температуре - 900°С в течение 1 часа, с последующим охлаждением в отключенной печи. Можно ожидать, что LnСrО 3 слои покрываются слоем СиСг02 толщиной ~0,1-0,3 мкм, вернее слои СиСг02 окажутся между LnСrО3 слоями или между слоями LnСrО3 и СаМ§Б1206.
Полученную керамику измельчали в порошок с размерами зерен 40-60 мкм и используя связывающую добавку, наносили на поверхность кварцевых трубок, в которой была помещена нихромовая спираль. Толщина керамического слоя составляла ~50-100 мкм.
Исследования спектра излучения керамики, вызванного излучением нити накала, показали, что спектр керамики содержит импульсы ИК-излучения длиной волны ~16 мкм (рис. 2.) и длительностью ~10 мксек (рис.6.).
Спектр излучения снимался двухлучевым методом на приборе «СПЕКОРД».
Как видно из рис.2, с увеличением мощности падающего на керамику излучения накала лампы, интенсивность импульсной фотолюминесценции растет, а порог начала генерации ИК-импульсов меньше 1 Вт/см2. Характерно, что, несмотря на значительное увеличение мощности, максимум излучения не смещается, что говорит об активном преобразовании
п « ^
В качестве одной из возможных версий аккумуляции носителей тока, рекомбинация которых обусловливает импульсное ИК-излучение можно предположить, что межзе-ренная прослойка CaMgБi206 представляет собой полупроводниковый LnСrО 3-СиСг02-LnСrО3 гетеро р-п-р (п-р-п) или LnСrО3- СиСг02 р-п-переход. Рассмотрим случай образования р-п-перехода. При величине зерен ~20 мкм керамический слой площадью 1 см и толщиной ~100 мкм содержит межзеренные границы площадью ~15 см2. В связи с этим, если 20% межзеренных границ (3 см2) окажется гетеро р-п-переходом, эффективность фотолюминесценции керамического слоя будет существенной. Так как чистота использованных материалов ~99,99%, то LnСrО3 и СиСг02 слои сильнолегированные и содержат достаточное количество примесей, дающих глубокие уров-
ни в запрещенной зоне. Покрытие LnСrОз слоем СиСг02 происходит при 900°С. Поэтому ге-теро- р-п-переход может быть узким, что до-
пускает туннелирование электронов из п в р-область структуры.
Рис. 1. Фотографии импульсной керамики, сделанные на электронном микроскопе РЭМ 200. а - СаМ§Б1206 и 1_пСгО 3 после спекания при 1700оС; б - СаМ§Б1206, 1_пСгО 3 и СиСг02
после спекания при 900оС.
Рис.2. Спектр излучения при мощностях излучения падающего на керамику: 1-5 - соответственно, 1; 2; 3; 4 и 5 Вт/см2.
Рис.3. Распределение поверхностной мощности Р в импульсе.
Предполагаемая диаграмма структуры энергетических зон межзеренного слоя керамики
СаМ§Б1206-р1пСг03-пСиСг02-СаМ§51206 при отсутствие освещения, показана на рис. 4, а. Есэ , Е от , Е ССи и Еуэ , Еущ , Еуси - дно зон проводимости и потолок валентных зон CaMg-Б1206, ЬпСгО3 и СиСг02 соответственно, Ер -уровень Ферми, Ех, Е2 и ДЕх, ДЕ2 - энергетические уровни и энергии активации акцепторных и донорных глубоких примесей в LпСrО3 и Си-Сг02, соответственно. При освещении часть генерированных носителей разделяются электрическим полем р-п-перехода. Начинается
аккумуляция электронов в п-слое, а дырок в р-слоях, и когда фото-ЭДС = ДЕ х или ДЕ 2, происходит туннелирование или переход электронов из п-слоя в энергетические уровни глубо-
V г г "
ких примесей Ех или Е2 с последующей рекомбинацией с дырками, что обусловливает излучение с длиной волны, соответствующей ДЕх или ДЕ2 (рис. 4, б). После рекомбинации всех фотоиндуцированных электронов и дырок, р-п-переход возвращается в начальное состояние, показанное на рис. 7, а. Длительность импульса определяется временем тун-нелирования электронов и их рекомбинацией.
Частота импульсов фотолюминесценции зависит от длительности процесса аккумуляции электронов и дырок в р- и п-слоях, определяемого в свою очередь спектром и интенсивностью первичного источника излучения. Импульсная фотолюминесценция может происходить только при интенсивностях первичного излучения, достаточных для генерации фото-ЭДС = ДЕх или ДЕ2 в р-п-переходе. Если выше-предложенное объяснение возникновения импульсной фотолюминесценции соответствует действительности, то оно способствует развитию нового направления исследований люминесценции полупроводниковых структур и открывает новые возможности создания широкого ассортимента инфракрасных фотолюминесцентных и электролюминесцентных источников.
Керамика с энергетическим барьером и двухимпульсное температурное излучение. Как уже отмечалось, для увеличения глубины проникновения излучения в объект необходимо повышение его интенсивности. Учитывая преобладание теплового излучения в спектре керамических источников и эффективность импульсного ИК излучения для терапии, стерилизации, сушки и др. мы рассмотрели условия импульсного температурного излучения. В спектре одного из типов ИК источников имеется двухимпульсное ИК излучение длиной волны ~ 16 мкм, длительностью ~ 25 мксек (Рис.5. Р - поверхностная плотность мощности излучения).
освещение
111111 в
Рис.4. Предполагаемая диаграмма структуры энергетических зон межзеренного слоя керамики CaMgБi206-pLnCr03-nCuCr02-CaMgБi206: а - при отсутствие освещения; б - при освещении.
Предлагаем один из возможных вариантов качественного объяснения возникновения генерации двухимпульсного температурного излучения.
В совершенно однородной среде при термодинамическом равновесии наблюдается только стационарное тепловое излучение. В материале с энергетическим барьером на границе разнородных его частей рекомбинации термостимулированных свободных электронов, обуславливающих тепловое излучение может происходить периодически. В качестве примеров рассмотрим контакт диэлектрика, легированного двумя донорными примесями 1 и 2 с энергиями ионизации Ех - 0,05 эВ и Е 2 -0,15 эВ соответственно с этим же диэлектриком, сильно легированным только примесью 1 (рис.6,а). В диэлектрике с высокой концентрацией примеси 1 уровень Ферми ЕР ближе ко дну зоны проводимости ЕС, из-за чего на границе диэлектрик-диэлектрик образуется энергетический барьер. Еу - потолок валентной зоны. Рассмотрим случаи генерации одноим-пульсного и двухимпульсного температурных излучений.
Допустим размер кристаллических зерен слаболегированного диэлектрика ^2/, где I -диффузионная длина термоиндуцированных электронов. При нагреве, в результате ионизации атомов примеси 2 термостимулирован-ные свободные электроны разделяются энергетическим барьером (рис. 6,а) и аккумулируются. При достижении электрического поля, необходимого для обратных переходов, свободные электроны, перешедшие в исходные положения, рекомбинируя обуславливают интенсивное одноимпульсное излучение (рис.6,б). Можно ожидать, что при сохранении достаточного уровня температуры во всех частях керамики импульсное излучение повторяется. Синхронность импульсного излучения всех частей обеспечивается при том условии, когда сильно легированный диэлектрик является связанным потенциальным рельефом для свободных электронов.
происхождения импульсного ИК излучения в пределах отдельных зерен. Рассмотрим зерно керамики размером 10-20 мкм, легированное донорной примесью ^ с концентрацией
18 19 -3
10 -10 ат.см . Предположим, что в процессе спекания, другой термо- или термохимической обработки его поверхностный слой толщиной 0,1-0,5 мкм очищается от примеси ^ и легируется мелкой донорной примесью dk с концентрацией 1016-1017 ат.см-3, а энергетические уровни Е^ и Е^ примесей расположены соответственно на 0,2 и 0,02 эВ ниже края зоны проводимости керамики. Известно, что керамика является диэлектриком с запрещенный зоной Eg > 4 эВ. Поэтому при температурах ~300оС можно пренебречь ее собственной проводимостью, а электронные процессы определяются степенью ионизации примесных атомов. При сравнительно низких температурах в объеме и поверхностном слое зерна уровень Ферми электронов составляет Ем=Е^/2=0,1 и ЕИк=Е^/2=0,01 эВ соответственно.
В поверхностном слое образуется энергетический барьер высотой ЕР^-ЕР^=0,09 эВ (рис.7,а); из-за большого значения Eg масштаб энергии не соблюден).
Чистота обычных керамических материалов на уровне 99-99,9 ат %. Они содержат различные примеси, образующие твердый раствор. Уровень Ферми может располагаться ниже уровня Е^ и Е^ в объеме и поверхностном слое зерна, соответственно и обусловливая энергетический барьер как это показано на рис.8,а.
и а
и к
Рис.5. Двухимпульсное излучение керамики.
В случае когда d~4/ термоиндуцированные свободные электроны из приконтактного слоя толщиной / успевают пересекать энергетический барьер, а электроны со следующего слоя толщиной / рекомбинируют в приконтактном слое и после повторного термоиндуцирован-ного переноса в зону проводимости пересекают барьер, где аккумулируются. Обратный процесс перехода и рекомбинация электронов в слабо легированном диэлектрике происходит также двухстадийно и обусловливает двухимпульсное температурное излучения.
Рис. 6. Диаграмма энергетической структуры п-
диэлектрик-п+-диэлектрик прохода, а - термоионизация примесей, разделение и
аккумулирование свободных электронов; б - обратные переходы и рекомбинация электронов с ИК излучением.
Характерно, что максимальная частота следования импульсов постепенно возрастала с увеличением мощности нагревателя, но после определенного предела не превышала для данной керамики ~434 Гц.
Согласно современным представлениям, мы имеем энергетические барьеры на границах зерен керамики. Учитывая влияние таких барьеров на характер теплового излучения, попытаемся качественно объяснить возможность
О G О О . S 00 0 OQG
>■ 1 1
Е"-- -
<li
00_0 0000
Е,
Рис.7. Диаграмма энергетической структуры п п барьера в поверхностном слое зерна керамики: а-накопление теплогенерируемых электронов, б- ИК излучение обратного процесса
Рис.8. Диаграмма энергетической структуры п п барьера в поверхностном слое зерна керамики: а- накопление теплогенерируемых электронов, б- ИК излучение обратного процесса
При повышении температуры теплогенери-рованные электроны пересекают барьер, накапливаются в поверхностном слое, создают электрические поля и снижают высоту барьера. Можно предполагать, что для данного керамического зерна существует пороговая температура Тп, выше которой высота барьера станет несущественной, а напряженность электрического поля достигает такого значения, что состояние накопленных в поверхностном слое электронов окажется неустойчивым. Тогда происходит обратный переход электронов в объем зерна, где они будут избыточными и их рекомбинация с ионами примеси Ж обуславливает импульсное ИК излучение. (Рис. 7,б; 8,б), так как скорость электронов в керамике ~107 см/сек, которая на два порядка больше, чем скорость переноса тепла. Скорость переноса тепла, примерно, равно скорости звука в керамике (~ 105 см/сек), определяющей скорости генерации и накопления свободных электронов. Вероятнее всего, именно этим обстоятельством можно объяснить конечную частоту следования импульсов при повышении мощности. Если в объеме и поверхностном слое керамики, присутствуют, соответственно, акцепторные примеси а1 и ак, а также другие акцепторные примеси, в результате чего возникает энергетический барьер, показанный на рис.9,а, то теплогенериро-ванные дырки накапливаются в поверхностном слое и их обратный переход и рекомбинация вызывает импульсное ИК излучение (рис. 9,б).
Рис.9. Диаграмма энергетической структуры р-р
барьерном поверхностном слое керамики содержащий несколько акцепторных примесей: а- накопление дырок, б- ИК излучение обратного процесса
Таким образом, за счет тепла, поглощенного керамикой, энергия первичного источника излучения преобразуется в импульсы, которые уже могут проникать в целевые объекты на глубину, примерно, пропорционально интенсивности импульса.
Следует сказать, что предложенные модели не объясняют самого главного - причины синхронного поверхностного или объемного запуска генерации импульсов ИК-излучения.
Наблюдаемые эффекты показывают, что генерация ИК-импульсов происходит согласованно всей поверхностью излучателя. Каким путем это достигается?
Для того, чтобы разобраться в механизме синхронизации импульсов, генерируемых функциональной керамикой, приведем результаты измерений частоты следования импульсов от подаваемой мощности на излучатель.
Измерение параметров импульсного излучения, особенно в области дальнего инфракрасного излучения, является на сегодняшний день одной из сложных задач. В связи с этим была разработана методика оценки относительной эффективности преобразования спектра первичного источника в инфракрасные импульсы. Блок-схема измерительного устройства генерации ИК-импульсов функциональной керамикой приведена на рис.10.
К1
^иш
Рис.10. Схема измерения энергии импульсов.
Датчик Э1, представляющий из себя провод из специального сплава диаметром 20 микрон на рамке размером 50x50 мм, намотанный с шагом 0,5 мм, подключается к источнику стабилизированного источника постоянного тока через резистор К1. Поверхность датчика зачернена по особой технологии без применения дополнительного слоя из другого материала или сажи. Параллельно датчику подключается вольтметр с высоким входным сопротивлением М2, а также последовательно с ним миллиамперметр МЗ, для измерения сопротивления датчика.
Датчик подключается к операционному усилителю с большим входным сопротивлением через разделительную емкость для того, чтобы измерять только переменную составляющую наводимого импульсами ИК сигнала излучателя. Для калибровки использовались стандартные импульсные лампы ИФК 120 с накопительным конденсатором 800 мкф, с энергией в импульсе 36 Дж и длительностью импульса 400 миллисекунд. Выход операционного усилителя подключается регистратору М1. Принцип измерения заключается в том, что датчик доводится до постоянного сопротивления, которое поддерживается во время измерения регулированием тока через него, что фактически дает нам информацию о температуре датчика. Затем включается импульс света от импульсной лампы ИФК120 с известными параметрами. Таким образом осуществляется калибровка системы.
Рис.11. Датчик.
Хотя, определение температуры датчика не так важно, эта операция была введена для компенсирования нелинейности изменения температуры датчика при длительном включении нашего источника с керамическим покрытием, так как сигнал, в конечном итоге определяется разностью сопротивления датчика при наличие импульсов и при их отсутствии. После этого, на место ИФК 120 устанавливается излучатель с керамическим покрытием. Из-за наличия конденсатора на входе, на выходе операционного усилителя может появиться только тот сигнал, который возникает за счет импульсной составляющей излучателя. Этот сигнал сопоставляется с калибровочным и проводится расчет импульса.
Для минимизации ошибки, ИФК 120 использовался без корпуса и рефлектора. Используемая галогеновая лампа, на которую наносилась функциональная керамика, по форме и размерам была максимально приближена к этим же параметрам ИФК 120. Сигнал снимался при различной подаваемой мощности на излучатель. Частота следования импульсов, в зависимости от подаваемой мощности возрастала. После определенного значения мощности, керамика входила в режим насыщения. Это говорит о том, что дальнейшая подача мощности не может увеличить частоту следования импульсов и эффективность преобразования снижается. Полученные результаты приводятся на рис. 12.
Конечно, считать эту методику измерений совершенной, нельзя, однако возможно оценить эффективность преобразования и найти режим насыщения. Температурная
инерция датчика при такой схеме учитывается слабо и не дает возможности определить кпд датчика. Калибровка идет одиночными импульсами, относительно высокой длительности. Кроме того, если ИФК 120 дает мощное излучение в видимом диапазоне, где поглощение отличается от поглощения инфракрасного излучения, то керамические излучатели дают излучение в дальнем инфракрасном диапазоне, что может дать очень большую ошибку измерений . В этой связи, в настоящее время, продолжается работа с разработчиками датчиков излучений в дальней ИК-области над улучшением данной методики. В частности , идет рабата над пленками, содержащими марганец, которые обладают высокой чувствительностью к инфракрасному излучению, Также они характеризуются малой тепловой инерцией и высоким уровнем регистрируемого сигнала.
Возможно, что лучшие результаты были бы получены при использовании шаровых импульсных ламп, но были выбраны ИФК 120 как более близкую по форме к форме галогено-вых ламп.
На основе приведенной методики были получены результаты, представленные на рис.12.
Иып/сек
Рис.12. Зависимость частоты следования импульсов от подаваемой мощности. Как следует из приведенных данных, максимальная частота следования импульсов постепенно возрастает с увеличением мощности нагревателя, но после определенного предела не превышает для данной керамики ~434 Гц
Это может быть объяснено тем, что накопление энергии имеет фононный механизм. Действительно, если сопоставить максимальную частоту генерации импульсов и скорость звука в керамике, - так как фононы
это механические колебания осцилляторов, то наблюдается хорошее соответствие полученных результатов.
Следует также отметить, что в процессе преобразования солнечной радиации в инфракрасное излучение, каждый фотон с энергией 1,5-2 эВ, теоретически может создать более 10 фотонов с энергией 0,1-0,2 эВ. Энергии этих фотонов достаточно для избирательного воздействия на большинство технологических процессов.
Таким образом, вероятнее всего, энергия первичного источника преобразуется в фоно-ны, которые затем трансформируются функциональной керамикой в импульсное инфракрасное излучение.
Для того, чтобы ответить на вопрос как происходит синхронизации генерации импульсов керамическими преобразователями на основе функциональной керамики, необходимо рассмотреть работу электронного частотного генератора, как аналога.
Для запуска режима генерации, необходимо обеспечить положительную обратную связь. От ее глубины будет зависеть форма генерируемых сигналов. При относительно неглубокой положительной обратной связи будет генерироваться сигнал синусоидальной формы. Увеличение глубины положительной обратной связи, приведет к все более возрастающим искажениям синусоидальной формы и, в конечном итоге, будут генерироваться сигналы прямоугольной или близкой к прямоугольной форме импульсы.
В случае электронного аналога генератора положительная обратная связь может подаваться через КС-цепочку, или иметь трансформаторную связь и т.д.
Но как подается положительная обратная связь, когда генератором импульсов является функциональная керамика?
При нагреве, осциллятор функциональной керамики, поглощая фононы (которые могут быть образованы и из фотонов энергии первичного источника энергии), перебрасывает носители заряда на более высокий энергетический уровень и, достигая уровня энергии,
позволяющей преодолеть энергию активации, возвращается на исходный энергетический уровень, выделяя при этом накопленную энергию в виде импульса ИК (фотон). Этот процесс повторяется, пока поступает энергия от внешнего источника. Генерация импульсов в обычной системе (где в качестве преобразователя выступают керамика, металл, стекло и др.), происходит хаотично и не согласованно по времени.
Суть согласования генерации импульсов функциональной керамикой по всему объему заключается в следующем.
Допустим, имеется система, которая может активироваться и собственным, генерируемым излучением. В этом случае выделившийся осциллятором первый импульс в любой конкретной точке объема преобразователя, поглощаясь другим осциллятором, где накопленная энергия еще не достигла энергии активации и не может преодолеть энергетический барьер, поднимает уровень энергии носителей заряда до уровня энергии активации. Получив недостающую часть энергии, этот носитель заряда преодолевает энергетический барьер, высвобождает накопленную энергию в виде фотона. При этом, как бы наблюдается цепная реакция, приводящая к синхронизации генерации импульсов с незначительны временным отставанием, которое обусловлено временем, необходимым для прохождения света от одного осциллятора до других, а также и с инерционностью системы поглощение-генерация в объеме функциональной керамики. Учитывая, что керамика имеет объем, а процессы, о которых сказано выше происходят в этом объеме, то можно сделать вывод, что импульс в глубинных слоях может поглощаться осцилляторами, находящимися на поверхности излучателя. Таким образом, синхронная генерация импульсов идет на поверхности излучателя, но, преимущественно за счет процессов идущих во всем объеме.
Этот фактор очень важен, так как позволяет в определенных пределах регулировать режим генерации импульсов.
Действительно, при очень тонких слоях, если генерированный осциллятором фотон поглотился другим осциллятором, то он просто транслировался на него.
Когда же толщина излучателя большая, то фотоны, высвобожденные в объеме, активируют поверхностные осцилляторы. Теперь уже фотоны этих осцилляторов беспрепятственно могут выделяться во внешнюю среду.
В действительности, процесс идет значительно эффективнее, так как исходные фоно-ны имеют высокую квантовую энергию, а генерированные - более низкую.
От глубины обратной связи будет зависеть не только синхронность генерации импульсов, но и их параметры. Чем более чувствительна система к поглощению собственного излучения (положительная обратная связь большой глубины), тем более крутой фронт нарастания импульса будет наблюдаться. Другими словами, можно регулировать один из основных параметров ИК-излучения - фронт нарастания импульса.
Для активного преобразователя закон Вина может не выполняться. Рассмотрим это на примере функциональной керамики, на основе хромитов редкоземельных элементов с легирующими добавками. Это подтверждает
V —Ч
спектр излучения, приведенный на рис.2.
Следует особо подчеркнуть, что увеличение мощности нагревателя не сказывается на параметрах импульса. Увеличивается лишь частота следования импульсов.
В приборах, созданных на основе функциональной керамики, преобразующей энергию первичного источника в ИК-импульсы с определенными временными и спектральными характеристиками (керамика МС-1 и серии К), было обнаружено явление скачкообразного подъема температуры, спустя некоторое время после отключения питания прибора. Другими словами, в начальный момент температура снижается, но после достижения определенной температуры наблюдается ее возрастание, затем, дальнейшее относительно плавное снижение (рис.13.).
Нрсмн
Рис. 13. Изменение температуры в камере после отключения питания прибора.
Возможный механизм этого явления заключается в следующем.
Преобразование энергии первичного источника в инфракрасные импульсы высокой плотности начинается с определенного уровня мощности (Рис. 12). В начальный момент после отключения питания инерция излучателя поддерживает температуры выше порога генерации функциональной керамики. При дальнейшем снижении температуры частота следования импульсов также снижается. После того, как уровень тепловой мощности за счет охлаждения излучателя становится ниже порога начала генерации, керамика перестает трансформировать энергию первичного источника в инфракрасные импульсы с низкой
" V п
яркостной температурой. В этом случае, наблюдается широкий спектр излучения, с максимумом, который можно определить на основании закона Вина. В спектре присутствует и более коротковолновое излучение, чем ИК-излучение генерируемое функциональной керамикой, следовательно, присутствует и излучение с яркостной температурой выше, чем яркостная температура преобразованного излучения. В результате наблюдается темпера*/ Г"» <М>
турный скачок. В дальнейшем происходит естественное снижение температуры в соответствии с добротностью системы в целом (рис. 13).
Исходя из сказанного, можно заключить, что температурный скачок в приборах, созданных на основе функциональной керамики, преобразующей энергию первичного источника в ИК-импульсы с определенными
временными и спектральными характеристиками, обусловлен снижением температуры первичного источника ниже порога генерации инфракрасных импульсов функциональной керамикой.
Таким образом, разработан класс материалов, позволяющих преобразовывать непрерывное излучение широкого спектрального диапазона, в том числе и энергию Солнца, в импульсное излучение в относительно узком спектральном диапазоне.
Характерной особенностью получаемого импульсного излучения является то, что импульсы имеют высокие фронты нарастания, которые, впрочем, возможно регулировать изменяя состав керамики в определенных пределах. Это позволяет получить новые эффекты, которые до сих пор не были известны.
В частности, керамический материал МС-1 нанесенный на ТЭН и нагретый до температуры около 400 градусов Цельсия генерирует такое излучение, которое приводит к генерации озона. Как известно, озон синтезируется только при длинах волн, соответствующих ультрафиолетовому излучению. Наблюдаемое явление может быть обусловлено тем, что фронт нарастания импульса настолько крутой, что соответствует ультрафиолетовому диапазону. Основная длина волны генерируемого излучения при этом находится в спектральном диапазоне 16 мкм.
Имеется много областей применения таких материалов для принципиально нового подхода к решению большинства проблем, которые на сегодняшний день решаются неэффективно или не решаются вовсе.
Рассмотрим некоторые из них, где предлагаемые материалы могут дать значительный прорыв, как в улучшении технологии, так и в ресурсо- и энерго-сбережении.
Время
Рис. 14. Графическое изображение фронта нарастания энергии для излучений с различной длиной волны 1 - для керамики МС-1; 2 - для керамики 3, 4, 5 нарастание энергии излучений с длиной волны, соответственно, 150, 300 и 600 нм.
Представляется интересным изучение влияния импульсов высокой плотности на поведение различных элементов, в зависимости от скорости нарастания фронта импульса.
В частности, преобразователь спектра на основе функциональной керамики, о котором говорилось выше, генерируя импульсы высокой плотности с крутым фронтом нарастания и имея основную длину волны излучения в дальней ИК-области, должен абсолютно по иному взаимодействовать с веществом. Можно ожидать, что в случае его использования для создания полупроводниковых структур, крутой фронт нарастания импульса позволит преодолеть энергетические барьеры определенных процессов и тот факт, что основная длина волны находится в дальней области ИК, а также учитывая высокую плотность энергии в момент нарастания импульса, позволит обеспечить воздействие на глубинные слои объектов, что даст возможность выйти на новые технологические процессы в создании различных, в том числе и полупроводниковых структур. Особенно это актуально при разработке и производстве быстродействующих полупроводниковых приборов и регулировании прецизионных процессов. Например, выбрав оптимальный фронт нарастания импульса удалось обеспечить эффективное стимулирование роста и развития растений без разрушения фитохрома.
Можно ожидать, что в случае легирования различных материалов, включая и создание определенных полупроводниковых структур, воздействие ИК-импульсами высокой плотности и крутым фронтом нарастания, генерируемого функциональной керамикой, позволят получать равномерное или заданное распределение легирующих агентов в объеме основного материала.
Как известно, с повышением температуры, комплексные соединения разрушаются, а координационное число с ростом температуры или под действием обычного инфракрасного излучения резко снижается. Исследования, проведенные нами с использованием ИК-излучения, генерируемого функциональной керамикой показали, что если максимальное координационное число было, допустим 4, то под таким воздействием количество лигандов увеличивается до 100 и более. Таким образом, высокий фронт нарастания импульса ИК активирует лиганды, создавая короткоживущие радикалы, которые вновь рекомбинируют, теперь уже плотно окружая ион металла. Например, ион лития имеет координационное число 8. Литий широко применяется в полупроводниковых приборах в качестве легирующего агента, в частности, кремний-литиевых детекторах. Решающее значение для высококачественных детекторов, особенно большой площади, имеет равномерность чувствительности по поверхности детектора. Это, в свою очередь, определяется и распределением по объему лития, бора и других легирующих элементов. Учитывая, что воздействие инфракрасного излучения с крутым фронтом нарастания импульса, стимулирует образование координационных соединений, а также обладает высокой проникающей способностью по глубине объекта, можно ожидать, что в случае его использования могут быть получены полупроводниковые детекторы с высокими эксплуатационными характеристиками.
Практическое применение этот механизм может найти во многих областях. Например, при управляемых химических реакциях, синтезе комплексных соединений, производ-
стве лекарств, ускорения скорости полимеризации и поликонденсации во много раз с одновременным повышением прочности полимеров и т.д.
Стадии переработки полученной продукции также должны быть максимально проработаны с целью экономии энергии, времени, трудоемкости и получения конечного продукта высокого качества при низкой себестоимости. Особенно это касается наиболее энергоемких и влияющих на качество конечного продукта технологических этапов.
История электродинамики начиная примерно с 1880 г. до работы Эйнштейна (1905) полна попыток найти точное соотношение между электростатической энергией и массой, но эти попытки приводили к числовым коэффициентам порядка единицы Признание того, что электрон с точечными размерами обладает конечной массой, составляет основополагающее положение теории частиц. Именно здесь теория перенормировки успешно позволяет обойти это противоречие.
Проблема расходимости не возникает в тех случаях, когда осциллятор, помещенный в твердое тело, легче взаимодействует с колебаниями решетки (фононами), чем с электромагнитными колебаниями резонатора (фотонами), поскольку атомное строение твердого тела предписывает существование естественного порога в верхней части спектра колебаний.
Для заданной энергии колебательной моды электрическое поле, связанное с колебаниями решетки, обычно гораздо слабее, чем электрическое поле, связанное (до известной степени более слабо) с той же, модой резонатора, имеющего размеры и форму твердого тела. Однако плотность состояний теперь ближе не к <я2/ (я2с3), а к <а21 (я2*^3), где V, — скорость звука, которая, возможно, в 104 — 105 раз меньше с. Эта гораздо большая плотность состояний попросту заставляет фононы доминировать над фотонами в механизме энергетического обмена. В подтверждение тому увеличение массы вследствие поляризации решетки может быть весьма существенным. В этом случае нет необходимости прибегать к соотношениям Эйнштейна: заряженная частица упруго деформирует решетку вокруг себя и увеличивает локальную плотность. Если частица движется, то избыточная масса должна также двигаться вместе с нею. Во вся-
ком случае, это верно для медленных колебаний частицы или для медленного движения заряженной частицы в твердом теле. Если увеличить частоту колебаний частицы так, чтобы она была больше любой возможной частоты решетки, то решетка не будет реагировать на это движение и с ее стороны вклада в массу частицы не произойдет. Альтернативный способ визуализировать процесс — через параметры отклика частицы на импульс силы. В момент приложения импульса Р частица начинает движение вперед со скоростьюР/то, откликаясь так, как если бы она была свободной. Она мгновенно оставляет позади себя оболочку из виртуальных фононов (т. е. локальную деформацию решетки); однако через некоторый промежуток времени фононы тоже начинают воздействовать на частицу. Реагируя таким образом, решетка затаскивает частицу назад, так что в конечном счете и частица, и деформация решетки взаимодействуют на более низкой скоростиР/(та + тРь),где три есть увеличение массы фонона.
Явление увеличения массы можно рассматривать как совершенно отдельную проблему, связанную главным образом с высокочастотным обрывом спектра колебаний, который, по крайней мере частично, ответствен за какие бы то ни было изменения массы осциллирующей частицы. С другой стороны, уширение линий есть нечто, касающееся только тех мод резонатора, частоты которых очень близки к частоте осциллятора, и нет никаких оснований сомневаться в трактовке причин этого процесса, несмотря на то, что у нас еще достаточно пробелов в знании других, не связанных с ним процессов.
До тех пор, пока фотон не взаимодействует с чем либо, невозможно говорить о его расщеплении на несколько фотонов с различными энергиями. Если же, как один из вариантов, рассмотреть систему, в которой фотон после взаимодействия с веществом (в нашем случае с функциональной керамикой), образуются фононы, а затем они могут расщепиться на фотоны с различными уровнями энергии, все указанные механизмы вполне осуществимы и реальны.
Положительную обратную связь, обеспечивающую синхронность генерации импульсов функциональной керамикой очень легко ввести в подобные системы. Достаточно в состав
включить химически инертные с основным веществом нановключения, обладающие максимальным поглощением в генерируемом функциональной керамикой спектре излучения. При этом фотоны, испускаемые функциональной керамикой, будут поглощаться такими нановключениями, затем, преобразовываться в фононы, которые позволят находящимся вблизи активным элементам функциональной керамики поглотить их, что будет способствовать преодолению энергетического барьера и генерации импульса этими элементами. Дополнительным фактором, позволяющим регулировать характеристики генерируемого излучения, является теплоемкость вводимой добавки. При малой теплоемкости крутизна импульсов будет высокой (глубокая положительная обратная связь), а при большой теплоемкости система является более инертной, что и потребует больше времени для передачи фононов и поглощения их функциональной керамикой для преодоления энергетического барьера с последующей генерацией импульса данным фрагментом функциональной керамики.
Следует особо подчеркнуть, что подобные генераторы согласованных во времени импульсов могут быть созданы не только на основе керамических материалов, но и на многих других классах, например, полупроводниках, алмазе, пьезоэлектрических материалах и др.
Также важно и то, что преобразование широкого спектра излучения первичного источника энергии в относительно узкий, через фо-тон-фонон-фотон преобразование, легко осуществить. Связано это с тем, что при правильно подобранных компонентах такой преобразующей системы, поглощаемые ею фотоны различной энергии, образуют фононы с близкими энергиями, так как колебания решетки в определенном объеме оказывают сильное влияние на колебания всей решетки в целом.
Если в качестве первичного источника излучения выбрать Солнце, то энергия, заключенная в его спектре в диапазоне от самых коротких до самых длинных волн, будет по-
глощаться такими активными структурами, трансформироваться в фононы с определенной усредненной энергией, с последующим преобразованием в импульсы, согласованные по времени, благодаря процессам, происходящим в функциональной керамике, как было показано выше.
Следует сказать, что представленные авторами модели возможного механизма преобразования функциональной керамикой энергии первичного источника в импульсное ИК-излучение с определенными параметрами, являются не исключительными. Полученные эффекты могут быть объяснены и другими моделями. Однако полученные результаты говорят о перспективности проводимых исследований и о возможном прорыве в вопросах эффективного преобразования энергии.
Выводы
1. Материалы на основе функциональной керамики позволяют преобразовать широкий спектр первичного источника энергии в относительно узкий в заданном диапазоне.
2. Преобразователи на основе функциональной керамики позволяют генерировать импульсное излучение в инфракрасном диапазоне с высокой плотностью энергии и заданным фронтом нарастания импульса.
Список литературы:
1. Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна: Пер. с англ./Под ред. акад. А. А. Логунова. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. -598 с. С. 367.
2. Дирак П. А. М. Пути физики. - М.: Наука, 1983. С. 18 - 21.
3. http://osh9.narod.ru/bes/dir.htm
4. Рахимов Р.Х., Саидов М.С. Керамика с энергетическим барьером и двухимпульсное температурное излучение. Гелиотехника. 2002. № 3.С.71-74
