способ получения фракталоподобных структур и устройство для его осуществления
Классы МПК: | H05H1/00 Получение плазмы; управление плазмой H05H1/42 с обеспечением введения материалов в плазму, например порошка, жидкости |
Автор(ы): | Калашников Е.В., Рачкулик С.Н. |
Патентообладатель(и): | Федеральный научно-производственный центр "Научно- исследовательский институт комплексных испытаний оптико- электронных приборов и систем ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-07-05 публикация патента:
27.02.2002 |
Изобретение относится к физике плазмы, преимущественно к физике и технике электронно-ионных плазменных процессов и технологий на их основе, и может быть использовано для получения наноструктур и фракталоподобных агрегатов при создании гетерофазных рабочих сред источников излучения, покрытий с новыми физическими свойствами, сред для передачи и трансформации концентрированных потоков энергии и электрического потенциала. Способ включает получение потока слабоионизованного газа из исходного плазмообразующего материала, охлаждение потока слабоионизованного газа до температуры конденсации, формирование из нейтральных и заряженных частиц наноструктур, агрегацию наноструктур в кластеры и их рост до фракталоподобных структур. Слабоионизованный газ получают при струйном диафрагменном импульсном электрическом разряде в режиме течения струй продуктов высокотемпературной эрозии с параметром нерасчетности, найденном экспериментально для формирования пространственно-временной структуры струи и реализации управления процессом агрегации фракталоподобных структур. Устройство включает герметичную разрядную камеру с источником электропитания, газовакуумной системой, кольцевыми электродами, внутренние отверстия которых выполнены в виде усеченных конусов вершинами навстречу друг другу, и выполненной из диэлектрического плазмообразующего материала и установленной на оси кольцевого электрода диафрагмой. В качестве источника электропитания выбран высоковольтный генератор импульсов тока регулируемой амплитуды и формы, диафрагма выполнена с круглым отверстием с соотношением радиуса r и длины l отверстия. Технический результат - возможность получать фракталоподобные структуры из практически любого исходного материала, агрегировать структуры с необходимыми структурными параметрами: фрактальной размерностью, линейным размером агрегата и его элементов, анизотропией формы и т.д., осуществлять значительный выход получаемых фракталоподобных структур из исходного плазмообразующего материала, осаждать фракталоподобные структуры на поверхность подложки. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
1. Способ получения фракталоподобных структур, включающий получение потока слабоионизованного газа из исходного плазмообразующего материала, охлаждение потока слабоионизованного газа до температуры конденсации, формирование из нейтральных и заряженных частиц наноструктур, агрегацию наноструктур в кластеры и их рост до фракталоподобных структур, отличающийся тем, что слабоионизованный газ получают при струйном диафрагменном импульсном электрическом разряде в режиме течения струй продуктов высокотемпературной эрозии с параметром нерасчетности n, выбранным из условия1

крит/Ратм;
Ркрит - давление в критическом сечении при истечении струи из отверстия диафрагмы, Па;
Ратм - давление во внешней среде по отношению к осевой зоне струи, Па,
охлаждение потока слабоионизованного газа до температуры конденсации осуществляют при времени спада тока разряда tспад, найденном из условия
tспад>>tконд,
где tспад= 0,9lmaxК-1, с;
tконд - промежуток времени, в течение которого происходит конденсация слабоионизованного газа и образование заряженных наноструктур с плотностью N+ и нейтральных наноструктур с плотностью Nn, с;
lmax - значение максимума тока разряда, А;
К - крутизна спада импульса тока разряда, А/с,
агрегацию наноструктур в кластеры осуществляют до размера r0 при условии
krec(N+)2>>kcoag(Nn)2,
где krec - константа скорости рекомбинации положительно заряженных наноструктур, см3 с-1;
kcoag - константа скорости коагуляции нейтральных наноструктур, см3 с-1,
рост кластеров осуществляют до фракталоподобных структур размером R0 с фрактальной размерностью D при выполнении соотношения
ncl

где ncl - число кластеров в агрегате. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученные фракталоподобные структуры дополнительно осаждают на поверхность подложки, очищенную непосредственно перед осаждением коротковолновым излучением плазмы струи на токовой фазе разряда с плотностью светового потока Ф0= 104-105 Вт/см2 и длительностью 0,005 <

0,5<2r/l<2,0,
ln R/r>1,6




где L - расстояние диафрагма-кольцевой электрод, м;




Imax - значение максимума тока разряда, А;
tн - время развития силовых магнитогазодинамических неустойчивостей в плазме разряда, с,
при этом величина Imax соответствует условию при l и r, взятых в см
Imax>2,5

а величина расстояния Р вдоль оси кольцевого электрода от его поверхности, обращенной к диафрагме, до стенки камеры выбрана из условий
Р>А*,
где А*= 24R, м;
R - радиус отверстия в кольцевом электроде, м. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что между одним из кольцевых электродов (например, катодом) и диафрагмой дополнительно размещена подложка параллельно оси разрядного промежутка и на расстоянии А от нее, удовлетворяющем соотношениям:
3R<A<5R.
А*<P*P.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к физике плазмы, преимущественно к физике и технике электронно-ионных плазменных процессов и технологий на их основе, и может быть использовано для получения наноструктур (наноструктуры (малые кластеры) - малые макроскопические частицы (число атомов q

- в способе получения фракталоподобных структур, включающем получение потока слабоионизованного газа из исходного плазмообразующего материала, охлаждение потока слабоионизованного газа до температуры конденсации, формирование из нейтральных и заряженных частиц центров образования наноструктур, агрегацию наноструктур в кластеры и их рост до фракталоподобных структур, слабоионизованный газ получают при диафрагменном импульсном электрическом разряде в режиме течения струй продуктов высокотемпературной эрозии с параметром нерасчетности n, выбранным из условия:
1

крит/Ратм, Ркрит - давление в критическом сечении струи при истечении из отверстия диафрагмы, Ратм - давление во внешней среде по отношению к осевой зоне струи,
охлаждение потока слабоионизованного газа до температуры конденсации осуществляют за время спада тока разряда tспад, найденное из условия
tспад>tконд,
где tспад= 0,9 Imax К-1, tконд - промежуток времени, в течение которого происходит конденсация слабоионизованного газа и образование заряженных наноструктур с плотностью N+ и нейтральных наноструктур с плотностью Nn, Imax - значение максимума тока разряда, К - крутизна спада импульса тока разряда,
агрегацию наноструктур в кластеры осуществляют до размера r0 с плотностью Ncl при условии
krec (N+)2>>kcoag(Nn)2,
где krec - константа скорости рекомбинации положительно заряженных наноструктур, kcoag - константа скорости коагуляции нейтральных наноструктур,
рост кластеров осуществляют до фракталоподобных структур размером R0 с фрактальной размерностью D при выполнении соотношения
ncl

где ncl - число кластеров в агрегате;
- в устройстве для получения фракталоподобных структур, включающем герметичную разрядную камеру с источником электропитания, газовакуумной системой, кольцевыми электродами, внутренние отверстия которых выполнены в виде усеченных конусов вершинами навстречу друг другу, и установленной на оси кольцевого электрода диафрагмой, в качестве источника электропитания выбран высоковольтный генератор импульсов тока регулируемой амплитуды и формы, диафрагма выполнена с круглым отверстием, поверхность которого выполнена из плазмообразующего материала с соотношением радиуса r и длины 1 отверстия в интервале
0,5<2r/l<2,0,
lnR/r > 1,6




где L - расстояние диафрагма-кольцевой электрод;



Imах>2,5 104(l1,4)/r1,4(1+r/l), А. Если необходимо осаждение фракталов, то в разрядной камере дополнительно размещают подложку, предварительно очищенную коротковолновым излучением (



3R<А<5R,
Подложку также можно разместить в разрядной камере ортогонально оси диафрагмы за кольцевым электродом на расстоянии Р*, удовлетворяющем условию
А*<Р*

где Р - величина расстояния вдоль оси кольцевого электрода от его поверхности, обращенной к диафрагме, до стенки камеры, А*=24R, R - радиус отверстия в кольцевом электроде (см. п.5, формула изобретения). В этом случае увеличивается выход фракталоподобных структур за счет агрегации продуктов эрозии диафрагмы из осевой и приосевой зоны струи, прошедших через отверстие кольцевого электрода. На фиг.1 показана схема устройства для реализации предлагаемого способа по п. 3-5, где источник 1 электропитания, кольцевой анод 2, кольцевой катод 3, плазмообразующая диафрагма 4, разрядная вакуумная камера 5, коммутатор 6, подложка 7, устройство 8 поджига, схема 9 синхронизации, подложка 10;
А - расстояние от оси разрядного промежутка до подложки 7, 1 - толщина диафрагмы, L - межэлектродный промежуток, Р - расстояние вдоль оси кольцевого электрода от его поверхности, обращенной к диафрагме, до стенки камеры, 2R - диаметр отверстия в кольцевом электроде, 2r - диаметр отверстия в диафрагме, Lk - индуктивность контура, С0 - высоковольтный емкостной накопитель энергии, Rk - сопротивление контура. На фиг. 2 показана часть разрядной камеры с фотограммой 11 струи плазмы разряда на токовой фазе разряда, а также изображена подложка 10 для осаждения агрегатов на расстоянии Р* от поверхности кольцевого электрода 3 до подложки 10. На фиг.3 представлен электронномикроскопический снимок фракталоподобного агрегата, полученного при газодинамическом режиме течения плазмы струи и параметре нерасчетности n


1T

крит/Ратм, Ркрит - давление в критическом сечении струи при истечении из отверстия диафрагмы, Рaтм - давление во внешней среде по отношению к осевой зоне струи. Из нейтральных и заряженных частиц сформированного потока слабоионизованного газа в зоне оболочки струи и зоне торможения струи за электродами 2 и 3 получают необходимое и стабильное количество центров образования наноструктур заданного состава. Охлаждение потока слабоионизованного газа до температуры конденсации осуществляют путем снижения величины тока разряда, от максимального значения Imах с выбранной крутизной спада К, обеспечивающей резкое расширение приосевой зоны струи, слабо обжатой азимутальным магнитным полем разрядного тока. При этом время спада тока спад значительно больше промежутка времени tконд, необходимого для конденсации всех продуктов эрозии в потоке расширяющегося слабоионизованного пара, т.е. tспад>>tконд. Промежуток времени tконд, в течение которого происходит конденсация слабоионизованного газа, находят из выражения
tконд

где q - среднее число атомов в кластере, ko



0,5<2r/l<2,0,
lnR/r > 1,6




где L - расстояние диафрагма - кольцевой электрод,



Imax>2,5 104(l1,4)/r1,4(l+r/l), А. Это позволяет при спаде тока от Iмах до 0,1Iмax за tспад охладить поток слабоионизованного газа до температуры конденсации и осуществить многостадийный процесс агрегации фракталоподобных структур в зоне оболочки струи разряда и за срезом кольцевого электрода. При этом также экспериментально установлено, что для полного использования испаренного материала в процессе образования наноструктур и затем кластеров должно быть выполнено условие (Nn+2N+)q=Na. Для этого расширение и охлаждение слабоионизованного газа реализуют за время конденсации, найденное из условия
tконд=3g1/3(k0Nc)-1,
где tконд - промежуток времени, в течение которого происходит конденсация слабоионизованного пара, q - среднее число атомов в кластере, Nc - плотность атомов при охлаждении потока слабоионизованного газа, ko




Ncl

ncl

где Ncl - плотность фракталоподобных кластеров, ko



В качестве конкретного примера исполнения заявленной группы изобретений приводим описание получения фрактальных агрегатов размером R0=2




Форму импульса тока разряда и производную тока разряда регистрировали с помощью поясов Роговского, а измерение падения напряжения на разрядном промежутке осуществляли с помощью двух емкостных делителей напряжения. Крутизна спада тока К выбрана равной 9*106 А/с, при этом за tспад=7,5 10-3с>>tконд=(1-5) 10-7 с получили заряженные наноструктуры с плотностью N+= (2-0,6) 1014 см-3, нейтральные наноструктуры с плотностью Nn=(1-2) 1013 cм-3 и кластеры размером r0

- получать фракталоподобные структуры из практически любого исходного материала;
- агрегировать структуры с необходимыми структурными параметрами: фрактальной размерностью, линейным размером агрегата и его составляющих элементов, анизотропией формы и т.д.;
- осуществлять значительный выход получаемых фракталоподобных структур из исходного плазмообразующего материала;
- осаждать фракталоподобные структуры на поверхность подложки. Преимущества описанных способов получения фракталоподобных структур и устройств на их основе позволяют использовать их также для моделирования свойств долгоживущих и энергоемких плазменных образований (фрактальных плазмоидов), когда требуется понимание природы таких объектов, как шаровая молния и других явлений, имеющих фундаментальное научное значение.
Класс H05H1/00 Получение плазмы; управление плазмой
Класс H05H1/42 с обеспечением введения материалов в плазму, например порошка, жидкости