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):,
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:

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 условия

1способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160n<250,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

nclспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160(R0/r0)D,

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 <способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160<0,5 мс.

3. Устройство для получения фракталоподобных структур, включающее 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, отличающееся тем, что 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 l отверстия, выбранных из интервала

0,5<2r/l<2,0,
ln R/r>1,6способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160Lспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160/способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801600(Imax)2tн,

где L - расстояние диафрагма-кольцевой электрод, м;

способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160 - скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы, кг/с;

способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801600= 1,257способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 218016010-6Гн/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>2,5способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160104(l1,4)/r1,4(1+r/l), А,

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*способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160P.

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 qспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160103), параметры (значения энергии связи, потенциала ионизации, энергии сродства к электрону и т.п.) которых являются монотонными функциями числа атомов их образующих и имеют экстремумы при некоторых атомов) 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.

Известны методы получения фракталоподобных структур (под фракталоподобными структурами понимаются структуры, для которых скейлинговые соотношения, определяющие отличную от топологической размерность самоподобного (в смысле изменения масштаба) множества - фрактала [Федер Е. Фракталы. М., Мир, 1991], выполняются приближенно и в ограниченном диапазоне масштабов) и устройства для их осуществления, где используют электрический взрыв проволоки, нагревание вольфрамовой спирали в вакууме, лазерное облучение металлов, взрыв материала, сжигание SiH4.

Все известные в настоящее время решения получения фракталоподобных структур вещества обладают рядом недостатков. В первую очередь, это значительное ограничение на выбор материалов по их химическому составу. Существенными недостатками также является невозможность регулировать процесс модификации структуры получаемых агрегатов - то есть получать фрактальные объекты с заданными значениями фрактальной размерности D в широком диапазоне (например, D=1,3 - 2,5) и линейных размеров агрегата Rо. Кроме того, удельное содержание фракталоподобных структур в общем объеме получаемых продуктов на завершающей стадии процесса агрегации обычно невелико и для большинства известных импульсных методов не превышает 5-10%.

Известен способ получения фракталоподобных агрегатов [Niklasson G.A., Torebring A. , Larsson С., Granqvist C.G. Phys. Rev. Lett. l988, V. 60, P. 1735] путем пропускания электрического тока по проволоке, содержащей заданные компоненты, и последующего охлаждения испаренного материала в процессе расширения в пространство, что приводит к конденсации и агрегации образующихся твердых частиц в кластеры (кластер - система конечного и достаточно большого числа связанных атомов или молекул (qспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160104 - 106), подобная малым частицам). Способ ограничен в выборе материала получаемых фракталоподобных структур (Со, Ni, Al), диапазоном получаемой фрактальной размерности (1,7-1,8), линейным размером полученных агрегатов (около микрона).

Устройство для осуществления такого способа [Granqvist C.G., Burhman R. A. J. Appl. Phys. l976. V. 47. P. 2200] включает камеру, газовакуумную систему, нагреватель из вольфрамовой спирали с нанесенным на проволоку испаряемым материалом (например, кобальтом) и медную сетку, покрытую углеродом. Испаренный металл охлаждался при расширении в камере и осаждался на медной сетке. Недостатками данного устройства являются ограничение на выбор испаряемого материала, невозможность управления процессом агрегации фракталоподобных структур с помощью данного устройства, а также малый выход конечного продукта, который составляет не более 1-2% от общей массы испаренного вещества.

Известен выбранный нами в качестве прототипа способ получения фракталоподобных агрегатов [Лушников А. А. , Пахомов А.В., Черняев Г.А. ДАН СССР, 1987, 292, 86], 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, где слабоионизованный газ получают вблизи поверхности металла при облучении его лазерным излучением. Основным недостатком данного способа является невозможность управления процессом структурирования получаемых агрегатов, а также низкая эффективность процесса формирования наноструктур, которая обусловлена получением малого количества центров образования наноструктур.

Известно устройство для получения продуктов высокотемпературной эрозии материалов, выбранное нами в качестве прототипа [Е.В.Калашников// ТВТ. 1996. Т. 34, 4. С. 501-505], включающее 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. Наряду с первичными частицами (в виде мономеров, кластеров) и макрочастицами - фрагментами разрушенного материала диафрагмы в виде капель и осколков, формировались фракталоподобные структуры на послетоковой стадии разряда через отверстие диафрагмы в результате остывания продуктов высокотемпературной эрозии при заполнении объема разрядной камеры.

Однако данная схема получения продуктов высокотемпературной эрозии материалов не позволяет регулировать процесс получения фракталоподобных структур и их структуризацию в ходе роста агрегатов. Это приводит к тому, что фракталоподобные агрегаты получаются с неуправляемым заранее разбросом структурных параметров. В частности, фрактальная размерность агрегатов D меняется в диапазоне от 1,6 до 1,9, а удельное содержание фракталоподобных структур в общем объеме получаемых продуктов не превышает 5-10%.

Заявленная нами группа изобретений позволяет стабильно и с большим выходом (более 20% от испаренной массы) получать как субмикронные, так и микронные фракталоподобные агрегаты заданного размера, морфологического и химического строения, а также управлять процессом агрегации на ранних и поздних стадиях коагуляции указанных выше структур.

Такой технический эффект достигнут нами, когда

- 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:

1способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160n<250,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

nclспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160(R0/r0)D,

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 > 1,6способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160Lспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160/способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801600(Imax)2tн,

где L - расстояние диафрагма-кольцевой электрод; способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160- средняя скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы, способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801600= 1,257 10-6Гн/м; Imax - значение максимума тока разряда; tн- время развития силовых магнитогазодинамических неустойчивостей в плазме разряда, при этом величина Imax выбрана из условия при l и r, взятых в см

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 (способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160 способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160 400 нм) плазмы струи разряда с плотностью светового потока 0 =104-105 Вт/см2 и длительностью 0,005 мс<способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160<0,5 мс (см. п.2, формула изобретения). Подложку размещают между кольцевым электродом и диафрагмой на расстоянии А от оси разрядного промежутка, удовлетворяющем соотношению:

3R<А<5R,

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

А*<Р*способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160Р,

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 nспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801601-2.

Устройство, реализующее заявленную группу изобретений, работает следующим образом: в вакуумной камере 5 между кольцевыми электродами 2 и 3 через плазмообразующую диафрагму 4 формируют струйный диафрагменный импульсный разряд. Для этого на устройство 8 поджига с помощью схемы 9 синхронизации подают сигнал запуска, открывающий коммутатор 6 (например, игнитрон) источника 1 электропитания, представляющего собой сильноточный разрядный контур с высоковольтным емкостным накопителем энергии С0. Затем высокое напряжение подают на электроды 2 и 3 и батарею конденсаторов С0 разряжают на нагрузке - межэлектродном промежутке (анод 2 - катод 3).

Импульс тока струйного диафрагменного разряда необходимой формы, длительности и амплитуды получают выбором параметров разрядного контура и разрядного промежутка на основании электротехнического расчета - выбором межэлектродного промежутка L, толщины диафрагмы l, диаметра отверстия 2r в ней, величины зарядного напряжения U0 батарей, индуктивности контура Lк, сопротивления контура Rк и составом плазмообразующего материала. При этом получают определенную пространственно-временную структуру течения струи продуктов эрозии плазмообразующего материала диафрагмы с зоной получения продуктов эрозии в отверстии диафрагмы; с осевой зоной продува разрядного промежутка продуктами эрозии; с приосевой зоной течения продуктов эрозии, слабо обжатой магнитным полем собственного тока разряда; зоной оболочки и зоной торможения за кольцевыми электродами 2 и 3.

В отверстии диафрагмы в зависимости от величины скорости уноса массы способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160 плазмообразующего материала получают эрозионную плазму с высокими удельными параметрами (температурой от 2000 до 70000 К при давлениях от 0,1 до 100 МПа) выбором величины плотности тока от 1 кА/см2 до 1 МА/см2.

Агрегацию фракталоподобных структур из продуктов эрозии осуществляют в зоне оболочки струи (подложка 7) и зоне торможения струи за кольцевым электродом (подложка 10). При этом режим течения продуктов высокотемпературной эрозии в осевой зоне струи с параметром нерасчетности n выбирают из условия:

1Tспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160n<250,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

tкондспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801603g1/3(k0Nc)-1,

где q - среднее число атомов в кластере, koспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160 1,9T1/2m1/6способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160-2/3, Т=Тс - температура конденсации, m - масса атома, способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160- плотность вещества наноструктур, Nc - плотность атомов до конденсации потока слабоионизованного газа.

Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы процессы конденсации в расширяющемся ионизованном газе протекали при относительно высоких давлениях газа, когда его давление сравнивается с давлением насыщенного пара при данной температуре. Это необходимо для увеличения центров образования наноструктур, а также для стабильной и эффективной агрегации наноструктур в кластеры с последующим их ростом до фракталоподобных структур. Для достижения этой цели внутренняя поверхность отверстия диафрагмы изготовлена из плазмообразующего материала с соотношением радиуса r и длины l отверстия в интервале

0,5<2r/l<2,0,
lnR/r > 1,6способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160Lспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160/способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801600(Imax)2tн,

где L - расстояние диафрагма - кольцевой электрод, способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160- средняя скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы, способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801600= 1,257 10-6Гн/м, Imax - значение максимума тока разряда, tн - время развития силовых магнитогазодинамических неустойчивостей в плазме разряда, при этом величина Imax должна соответствовать следующему условию при l и r, взятых в см

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, koспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160 1,9 T1/2 m1/6 способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160-2/3, Т=Тконд - температура конденсации, m - масса атома, способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160- плотность вещества наноструктур.

Для получения фракталоподобных агрегатов с заданной фрактальной размерностью D и размером R0 процесс роста осуществляют при кластер-кластерном режиме агрегации поддержанием в течение времени tспад температуры Т* среды в области коагуляции в пределах 0,8 Ткондспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160Т*<Т. При этом справедливы следующие соотношения

Nclспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801606krec(N+)2q1/6(k0Nn)-1,

nclспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160(R0/r0)D,

где Ncl - плотность фракталоподобных кластеров, koспособ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160 1,9 T*1/2 m1/6 способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160-2/3, ncl - число кластеров во фракталоподобном агрегате; R0 - размер фракталоподобного агрегата, D - фрактальная размерность агрегата, r0 - размер кластера. Изменение температуры Т* в указанном выше диапазоне обеспечивается выбранным значением крутизны спада тока К.

Таким образом, создавая и изменяя пространственно-временную структуру струи и режим разряда выбором параметров разрядного промежутка и размеров отверстия диафрагмы, осуществляют управление процессом структуризации получаемых фракталоподобных агрегатов на стадии их роста.

Полученные фракталоподобные структуры, если это необходимо, дополнительно осаждают на поверхность размещенной в зоне оболочки струи на расстоянии А подложки 7 и размещенной в зоне торможения струи на расстоянии Р* от кольцевого электрода 3 подложки 10, очищенных непосредственно перед осаждением коротковолновым излучением плазмы от осевой зоны струи на токовой фазе разряда с плотностью светового потока Ф0=104-105 Вт/см2 и длительностью 0,005 мс<способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160<0,5 мс.

Пример конкретного исполнения

В качестве конкретного примера исполнения заявленной группы изобретений приводим описание получения фрактальных агрегатов размером R0=2способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801600,3 мкм с фрактальной размерностью D=1,6способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801600,2 при переработке способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 218016045% испаренного материала диафрагмы во фракталоподобные агрегаты; см. фиг.3.

Разряд формировали в вакуумной камере 5, в которой давление Рнач=10 Па, через отверстие в плазмообразующей диафрагме 4 между кольцевыми электродами 2 и 3 с электропитанием от конденсаторной батареи 1 с параметрами контура U0=5 кВ, С0=2,8 мФ, Lk=5,6 мкГ, Rk=l,9 мOм. В качестве плазмообразующего материала диафрагмы 4 использовался спектрально чистый углерод, с диаметром цилиндрического отверстия 2r в диапазоне 4,0 мм и толщиной 1 от 4,0 мм.

Диаметр отверстия в кольцевых электродах 2R из графита равнялся 40 мм. Расстояние от поверхности диафрагмы 4 до кольцевых электродов 2 и 3 составляло 50 мм при межэлектродном промежутке L, равном 104 мм. На многоканальном диагностическом комплексе, не показанном на фиг.1, регистрировали одиночный импульс тока длительностью 400 мкс с амплитудой тока 75 кА для реализации газодинамического режима течения плазмы с параметром нерасчетности n=1-2 при скорости уноса массы углерода способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 2180160 = 63,9 г/с.

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) 1013-3 и кластеры размером r0способ получения фракталоподобных структур и устройство для   его осуществления, патент № 21801604-5 нм при константе скорости рекомбинации положительно заряженных наноструктур krec= 1*10-8 см3 c-1 и константе скорости коагуляции нейтральных наноструктур kсоag=(4-5)*10-10см3с-1.

Определение структурных параметров фракталоподобных структур, полученных в результате агрегации по описанному выше способу, производилось методом электронной микроскопии (ТЕМ) с применением клеточного разбиения двумерного изображения исследуемой структуры (Covering Set Method).

Выполнение указанных выше условий позволило получить качественно новый технический эффект, а именно:

- 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

электродуговой шестиструйный плазматрон -  патент 2529740 (27.09.2014)
высоковольтный плазмотрон -  патент 2529056 (27.09.2014)
устройство с магнитным удержанием плазмы, типа "открытая ловушка с магнитными пробками" -  патент 2528628 (20.09.2014)
магнитный блок распылительной системы -  патент 2528536 (20.09.2014)
стационарный плазменный двигатель малой мощности -  патент 2527898 (10.09.2014)
электрод плазменной горелки -  патент 2526862 (27.08.2014)
охлаждающая труба, электродержатель и электрод для плазменно-дуговой горелки, а также состоящие из них устройства и плазменно-дуговая горелка с ними -  патент 2524919 (10.08.2014)
плавильный плазмотрон -  патент 2524173 (27.07.2014)
система электростатического ионного ускорителя -  патент 2523658 (20.07.2014)
способ формирования компактного плазмоида -  патент 2523427 (20.07.2014)

Класс H05H1/42 с обеспечением введения материалов в плазму, например порошка, жидкости

способ и устройство для ввода пылей в металлический расплав в пирометаллургической установке -  патент 2447384 (10.04.2012)
электроразрядный плазменно-вихревой источник оптического излучения -  патент 2427111 (20.08.2011)
способ плазменной наплавки -  патент 2412030 (20.02.2011)
плазмохимический реактор для обработки руды с разделением фаз -  патент 2410853 (27.01.2011)
способ и устройство для генерирования нагруженного частицами теплового потока -  патент 2404552 (20.11.2010)
способ получения покрытия и устройство для его осуществления -  патент 2395620 (27.07.2010)
катодный узел вакуумной электронно-плазменной печи -  патент 2390109 (20.05.2010)
способ и устройство для возведения строительных объектов и их реставрации -  патент 2385305 (27.03.2010)
плазменная горелка, способ извлечения чистого металла из металлосодержащего материала и способ уничтожения органического вещества -  патент 2377744 (27.12.2009)
плазменная установка для напыления покрытий (варианты) -  патент 2328096 (27.06.2008)
Наверх