RU2180160C1 - Method and device for producing fractal-like structure - Google Patents
Method and device for producing fractal-like structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2180160C1 RU2180160C1 RU2000117985A RU2000117985A RU2180160C1 RU 2180160 C1 RU2180160 C1 RU 2180160C1 RU 2000117985 A RU2000117985 A RU 2000117985A RU 2000117985 A RU2000117985 A RU 2000117985A RU 2180160 C1 RU2180160 C1 RU 2180160C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fractal
- diaphragm
- structures
- nanostructures
- plasma
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
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≤103), 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.The invention relates to plasma physics, mainly to the physics and technology of electron-ion plasma processes and technologies based on them, and can be used to obtain nanostructures (nanostructures (small clusters) - small macroscopic particles (number of atoms q≤10 3 ), parameters ( values of the binding energy, ionization potential, electron affinity, etc.) which are monotonic functions of the number of atoms of their generators and have extremes for some atoms) and fractal-like aggregates when creating heterophasic workers media sources of radiation, coatings with new physical properties, for media transmission and transformation of concentrated energy flows and electric potential.
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.Known methods for producing fractal-like structures (fractal-like structures are understood to mean structures for which scaling relations that determine a fractal that differs from the topological dimension of a self-similar (in the sense of zooming) scale [Feder E. Fraktaly. M., Mir, 1991] are performed approximately a limited range of scales) and devices for their implementation, which use an electric explosion of wire, heating a tungsten spiral in a vacuum, laser irradiation of metals, explosion of material, burning SiH 4 .
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%.All currently known solutions for obtaining fractal-like structures of a substance have a number of disadvantages. First of all, this is a significant limitation on the choice of materials according to their chemical composition. Significant disadvantages are the inability to regulate the process of modifying the structure of the resulting aggregates — that is, to obtain fractal objects with given values of fractal dimension D in a wide range (for example, D = 1.3 - 2.5) and linear dimensions of the aggregate R о . In addition, the specific content of fractal-like structures in the total volume of products obtained at the final stage of the aggregation process is usually small and does not exceed 5-10% for most known pulse methods.
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 (q≈104 - 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).A known method of producing fractal-like aggregates [Niklasson GA, Torebring A., Larsson C., Granqvist CG Phys. Rev. Lett. l988, V. 60, P. 1735] by passing an electric current through a wire containing the specified components, and then cooling the evaporated material during expansion into space, which leads to condensation and aggregation of the formed solid particles into clusters (a cluster is a finite and a large number of bound atoms or molecules (q≈10 4 - 10 6 ), similar to small particles). The method is limited in the choice of the material of the obtained fractal-like structures (Co, Ni, Al), the range of the obtained fractal dimension (1.7-1.8), the linear size of the obtained aggregates (about a micron).
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. A device for implementing this method [Granqvist C.G., Burhman R. A. J. Appl. Phys. l976. V. 47. P. 2200] includes a chamber, a gas-vacuum system, a tungsten spiral heater with evaporated material (for example, cobalt) deposited on a wire, and a carbon grid coated with carbon. The evaporated metal was cooled during expansion in the chamber and deposited on a copper grid. The disadvantages of this device are the restriction on the choice of the evaporated material, the inability to control the process of aggregation of fractal-like structures using this device, as well as the low yield of the final product, which is no more than 1-2% of the total mass of the evaporated substance.
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. A known method of obtaining fractal-like aggregates selected by us as a prototype is [Lushnikov A. A., Pakhomov A.V., Chernyaev G.A. DAN USSR, 1987, 292, 86], which includes obtaining a stream of weakly ionized gas from an initial plasma-forming material, cooling a stream of weakly ionized gas to a condensation temperature, the formation of nanostructures from neutral and charged particles, the aggregation of nanostructures into clusters and their growth to fractal-like structures, where a weakly ionized gas get near the surface of the metal when irradiated with laser radiation. The main disadvantage of this method is the inability to control the process of structuring the resulting aggregates, as well as the low efficiency of the process of formation of nanostructures, which is due to the receipt of a small number of centers of formation of nanostructures.
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. A device for producing products of high-temperature erosion of materials, we have chosen as a prototype [EV Kalashnikov // TVT. 1996. T. 34, 4. P. 501-505], including a sealed discharge chamber with a power source, gas vacuum system, ring electrodes, the inner holes of which are made in the form of truncated cones with their vertices facing each other, and made of a dielectric plasma-forming material and installed on the axis of the ring electrode with a diaphragm. Along with primary particles (in the form of monomers, clusters) and macroparticles - fragments of the destroyed diaphragm material in the form of droplets and fragments, fractal-like structures were formed at the post-discharge stage through the diaphragm opening as a result of cooling of the products of high-temperature erosion when filling the volume of the discharge chamber.
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%. However, this scheme for obtaining products of high-temperature erosion of materials does not allow to regulate the process of obtaining fractal-like structures and their structuring during the growth of aggregates. This leads to the fact that fractal-like aggregates are obtained with an uncontrolled spread of structural parameters in advance. In particular, the fractal dimension of aggregates D varies in the range from 1.6 to 1.9, and the specific content of fractal-like structures in the total volume of the obtained products does not exceed 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. The claimed group of inventions allows us to stably and with high yield (more than 20% of the vaporized mass) to obtain both submicron and micron fractal-like aggregates of a given size, morphological and chemical structure, as well as to control the aggregation process in the early and late stages of coagulation of the above structures.
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:
1≤n<250,
где n= Ркрит/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≈(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,
радиус R внутреннего отверстия электродов выбран из условия
lnR/r > 1,6πLω/μμ0(Imax)2tн,
где L - расстояние диафрагма-кольцевой электрод; ω- средняя скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы, μμ0= 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.This technical effect is achieved by us when
- in a method for producing fractal-like structures, including obtaining a stream of weakly ionized gas from a plasma-forming material, cooling a stream of weakly ionized gas to a condensation temperature, forming centers of formation of nanostructures from neutral and charged particles, aggregation of nanostructures into clusters and their growth to fractal-like structures, weakly ionized gas is obtained when diaphragm pulsed electric discharge in the flow regime of jets of high-temperature erosion products with the parameter non-calculation n n, selected from the condition:
1≤n <250,
where n = P crit / P atm , P crit is the pressure in the critical section of the jet when it expires from the orifice, P atm is the pressure in the external environment with respect to the axial zone of the jet,
cooling the flow of weakly ionized gas to a condensation temperature is carried out during the decay of the discharge current t decay , found from the condition
t recession > t cond,
where t drop = 0.9 I max K -1 , t cond is the period of time during which the condensation of weakly ionized gas and the formation of charged nanostructures with a density of N + and neutral nanostructures with a density of N n , I max is the value of the maximum discharge current, K is the steepness of the decay of the discharge current pulse,
the aggregation of nanostructures into clusters is carried out up to size r 0 with a density of N cl under the condition
k rec (N + ) 2 >> k coag (N n ) 2 ,
where k rec is the constant of the recombination rate of positively charged nanostructures, k coag is the constant of the coagulation rate of neutral nanostructures,
cluster growth is carried out to fractal-like structures of size R 0 with fractal dimension D when the relation
n cl ≈ (R 0 / r 0 ) D ,
where n cl is the number of clusters in the aggregate;
- in a device for producing fractal-like structures, including a sealed discharge chamber with a power source, gas-vacuum system, ring electrodes, the inner holes of which are made in the form of truncated cones with their vertices facing each other, and a diaphragm mounted on the axis of the ring electrode, a high-voltage generator is selected as the power source current pulses of adjustable amplitude and shape, the diaphragm is made with a round hole, the surface of which is made of plasma-forming Container material with the ratio of radius r and of length 1 in the range of hole
0.5 <2r / l <2.0,
the radius R of the inner hole of the electrodes is selected from the condition
lnR / r> 1.6πLω / μμ 0 (I max ) 2 t n ,
where L is the distance of the diaphragm-ring electrode; ω is the average rate of ablation of the mass of the plasma-forming material of the diaphragm, μμ 0 = 1.257 10 -6 GN / m; I max - the value of the maximum discharge current; t n is the development time of power magnetogasdynamic instabilities in the discharge plasma, and the value of I max is chosen from the condition for l and r taken in cm
I max > 2.5 10 4 (l 1.4 ) / r 1.4 (1 + r / l), A.
Если необходимо осаждение фракталов, то в разрядной камере дополнительно размещают подложку, предварительно очищенную коротковолновым излучением (λ ≤ 400 нм) плазмы струи разряда с плотностью светового потока Ф0 =104-105 Вт/см2 и длительностью 0,005 мс<τ<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,
где R - радиус отверстия в кольцевом электроде, м (см. п.4, формула изобретения).If fractal precipitation is necessary, then in the discharge chamber an additional substrate is placed, previously purified by short-wave radiation (λ ≤ 400 nm) of the plasma of the discharge jet with the light flux density Ф 0 = 10 4 -10 5 W / cm 2 and duration 0.005 ms <τ <0 5 ms (see paragraph 2, claims). The substrate is placed between the ring electrode and the diaphragm at a distance A from the axis of the discharge gap, satisfying the ratio:
3R <A <5R,
where R is the radius of the hole in the ring electrode, m (see paragraph 4, the claims).
Подложку также можно разместить в разрядной камере ортогонально оси диафрагмы за кольцевым электродом на расстоянии Р*, удовлетворяющем условию
А*<Р*≤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.The substrate can also be placed in the discharge chamber orthogonal to the axis of the diaphragm behind the annular electrode at a distance P * satisfying the condition
A * <P * ≤P,
where P is the distance along the axis of the ring electrode from its surface facing the diaphragm to the chamber wall, A * = 24R, R is the radius of the hole in the ring electrode (see
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.Figure 1 shows a diagram of a device for implementing the proposed method according to p. 3-5, where the power supply 1, annular anode 2,
A is the distance from the axis of the discharge gap to the
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. In FIG. 2 shows a part of the discharge chamber with a
На фиг.3 представлен электронномикроскопический снимок фракталоподобного агрегата, полученного при газодинамическом режиме течения плазмы струи и параметре нерасчетности n≈1-2. Figure 3 presents an electron microscopic image of a fractal-like aggregate obtained under the gas-dynamic regime of the plasma flow of the jet and the off-set parameter n≈1-2.
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).A device that implements the claimed group of inventions works as follows: in the
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.The current impulse of the jet diaphragm discharge of the required shape, duration and amplitude is obtained by choosing the parameters of the discharge circuit and the discharge gap based on the electrical calculation - by choosing the interelectrode gap L, the thickness of the diaphragm l, the
В отверстии диафрагмы в зависимости от величины скорости уноса массы ω 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.Depending on the rate of ablation of the mass ω of the plasma-forming material, an erosion plasma with high specific parameters (temperature from 2000 to 70,000 K at pressures from 0.1 to 100 MPa) is obtained in the aperture opening depending on the current density from 1 kA / cm 2 to 1 MA / cm 2 .
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:
1T≤n<250,
где n=Ркрит/Ратм, Ркрит - давление в критическом сечении струи при истечении из отверстия диафрагмы, Рaтм - давление во внешней среде по отношению к осевой зоне струи.Aggregation of fractal-like structures from erosion products is carried out in the zone of the jet shell (substrate 7) and the zone of deceleration of the jet behind the ring electrode (substrate 10). In this case, the flow regime of products of high-temperature erosion in the axial zone of the jet with an off-set parameter n is selected from the condition:
1T≤n <250,
where n = P crit / P atm , P crit is the pressure in the critical section of the jet when the diaphragm flows out of the hole, P atm is the pressure in the external environment with respect to the axial zone of the jet.
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. From the neutral and charged particles of the formed stream of weakly ionized gas in the zone of the jet shell and the zone of deceleration of the jet behind
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 tспад значительно больше промежутка времени tконд, необходимого для конденсации всех продуктов эрозии в потоке расширяющегося слабоионизованного пара, т.е.The flow of weakly ionized gas to the condensation temperature is cooled by reducing the discharge current from the maximum value I max with a selected slope K, providing a sharp expansion of the axial zone of the jet, slightly compressed by the azimuthal magnetic field of the discharge current. In this case, the current decay time t decay is significantly greater than the time interval t cond , necessary for the condensation of all erosion products in the flow of expanding weakly ionized vapor, i.e.
tспад>>tконд.t recession >> t cond .
Промежуток времени tконд, в течение которого происходит конденсация слабоионизованного газа, находят из выражения
tконд≈3g1/3(k0Nc)-1,
где q - среднее число атомов в кластере, ko≈ 1,9T1/2m1/6ρ-2/3, Т=Тс - температура конденсации, m - масса атома, ρ- плотность вещества наноструктур, Nc - плотность атомов до конденсации потока слабоионизованного газа.The time interval t Kond , during which the condensation of weakly ionized gas is found from the expression
t cond ≈3g 1/3 (k 0 N c ) -1 ,
where q is the average number of atoms in the cluster, k o ≈ 1.9T 1/2 m 1/6 ρ -2/3 , T = T s is the condensation temperature, m is the mass of the atom, ρ is the density of the substance of the nanostructures, N c is atomic density before condensation of a weakly ionized gas flow.
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,
радиус R внутреннего отверстия электродов выбран из условия
lnR/r > 1,6πLω/μμ0(Imax)2tн,
где L - расстояние диафрагма - кольцевой электрод, ω- средняя скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы, μμ0= 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.The fulfillment of this condition is necessary so that condensation processes in the expanding ionized gas proceed at relatively high gas pressures, when its pressure is compared with the saturated vapor pressure at a given temperature. This is necessary to increase the centers of formation of nanostructures, as well as for stable and efficient aggregation of nanostructures into clusters with their subsequent growth to fractal-like structures. To achieve this, the inner surface of the aperture opening is made of a plasma-forming material with a ratio of radius r and length l of the hole in the range
0.5 <2r / l <2.0,
the radius R of the inner hole of the electrodes is selected from the condition
lnR / r> 1.6πLω / μμ 0 (I max ) 2 t n ,
where L is the distance of the diaphragm - the ring electrode, ω is the average velocity of the mass transfer of the plasma-forming material of the diaphragm, μμ 0 = 1.257 10 -6 GN / m, I max is the value of the maximum of the discharge current, t n is the development time of the power magneto-gas-dynamic instabilities in the discharge plasma, the value of I max must correspond to the following condition for l and r taken in cm
I max > 2.5 10 4 (l 1.4 ) / r 1.4 (l + r / l), A.
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.This makes it possible, when the current drops from I max to 0.1I max per t drop, to cool the flow of weakly ionized gas to the condensation temperature and to carry out a multi-stage process of aggregation of fractal-like structures in the zone of the shell of the discharge jet and behind the cutoff of the ring electrode.
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≈ 1,9 T1/2 m1/6 ρ-2/3, Т=Тконд - температура конденсации, m - масса атома, ρ- плотность вещества наноструктур.It was also experimentally established that for the full use of the evaporated material in the formation of nanostructures and then clusters, the condition (N n + 2N + ) q = N a must be fulfilled. For this, expansion and cooling of a weakly ionized gas is realized during the condensation time, found from the condition
t cond = 3g 1/3 (k 0 N c ) -1 ,
where t cond is the period of time during which condensation of the weakly ionized vapor occurs, q is the average number of atoms in the cluster, N c is the density of atoms during cooling of the flow of weakly ionized gas, k o ≈ 1.9 T 1/2 m 1/6 ρ - 2/3 , T = T cond is the condensation temperature, m is the mass of the atom, ρ is the density of the substance of the nanostructures.
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 Тконд≤Т*<Тконд. При этом справедливы следующие соотношения
Ncl≈6krec(N+)2q1/6(k0Nn)-1,
ncl≈(R0/r0)D,
где Ncl - плотность фракталоподобных кластеров, ko≈ 1,9 T*1/2 m1/6 ρ-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.To obtain fractal-like aggregates with a given fractal dimension D and size R 0, the growth process is carried out in the cluster-cluster mode of aggregation by maintaining for a time t a decrease in the temperature T * of the medium in the coagulation region within 0.8 T cond ≤T * <T cond . Moreover, the following relations are valid
N cl ≈6k rec (N + ) 2 q 1/6 (k 0 N n ) -1 ,
n cl ≈ (R 0 / r 0 ) D ,
where N cl is the density of fractal-like clusters, k o ≈ 1.9 T * 1/2 m 1/6 ρ -2/3 , n cl is the number of clusters in a fractal-like aggregate; R 0 is the size of the fractal-like aggregate, D is the fractal dimension of the aggregate, r 0 is the cluster size. The change in temperature T * in the above range is provided by the selected value of the slope of the current K.
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. Thus, creating and changing the spatio-temporal structure of the jet and the discharge mode by selecting the parameters of the discharge gap and the size of the aperture, control the process of structuring the resulting fractal-like aggregates at the stage of their growth.
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<τ<0,5 мс.The obtained fractal-like structures, if necessary, are additionally deposited on the surface of the jet located in the zone of the shell at a distance A of the
Пример конкретного исполнения
В качестве конкретного примера исполнения заявленной группы изобретений приводим описание получения фрактальных агрегатов размером R0=2±0,3 мкм с фрактальной размерностью D=1,6±0,2 при переработке ≈45% испаренного материала диафрагмы во фракталоподобные агрегаты; см. фиг.3.Concrete example
As a specific example of the execution of the claimed group of inventions, we describe the preparation of fractal aggregates of size R 0 = 2 ± 0.3 μm with a fractal dimension D = 1.6 ± 0.2 when processing ≈45% of the vaporized diaphragm material into fractal-like aggregates; see figure 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.The discharge was formed in a
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 ω = 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.The diameter of the hole in the 2R ring electrodes of graphite was 40 mm. The distance from the surface of the diaphragm 4 to the
The shape of the pulse of the discharge current and the derivative of the discharge current were recorded using Rogowski belts, and the voltage drop across the discharge gap was measured using two capacitive voltage dividers.
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≤4-5 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.The steepness of the current drop K was chosen equal to 9 * 10 6 A / s, while for t drop = 7.5 10 -3 s >> t cond = (1-5) 10 -7 s, charged nanostructures with a density of N + = ( 2-0.6) 10 14 cm -3 , neutral nanostructures with a density of N n = (1-2) 10 13 cm -3 and clusters of size r 0 ≤4-5 nm with a constant recombination rate of positively charged nanostructures k rec = 1 * 10 -8 cm 3 s -1 and the coagulation rate constant of neutral nanostructures k coag = (4-5) * 10 -10 cm 3 s -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). The structural parameters of fractal-like structures obtained as a result of aggregation by the method described above were determined by electron microscopy (TEM) using cell decomposition of a two-dimensional image of the studied structure (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.The fulfillment of the above conditions allowed to obtain a qualitatively new technical effect, namely:
- receive fractal-like structures from almost any source material;
- aggregate structures with the necessary structural parameters: fractal dimension, linear size of the aggregate and its constituent elements, shape anisotropy, etc .;
- to carry out a significant yield of the obtained fractal-like structures from the initial plasma-forming material;
- precipitate fractal-like structures on the surface of the substrate.
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. The advantages of the described methods for producing fractal-like structures and devices based on them allow using them also for modeling the properties of long-lived and energy-intensive plasma formations (fractal plasmoids), when an understanding of the nature of objects such as ball lightning and other phenomena of fundamental scientific importance is required.
Claims (5)
1≤n<250,
где n= Ркрит/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≈(R0/r0)D,
где ncl - число кластеров в агрегате.1. A method of producing fractal-like structures, including obtaining a stream of weakly ionized gas from the initial plasma-forming material, cooling the stream of weakly ionized gas to a condensation temperature, the formation of nanostructures from neutral and charged particles, the aggregation of nanostructures into clusters and their growth to fractal-like structures, characterized in that the weakly ionized gas receive at a jet diaphragm pulsed electric discharge in the flow regime of jets of high-temperature erosion products with the parameter eraschetnosti n, chosen from the condition
1≤n <250,
where n = P crit / P atm ;
P crit - pressure in the critical section at the expiration of the jet from the opening of the diaphragm, Pa;
P ATM - pressure in the external environment with respect to the axial zone of the jet, Pa,
cooling the flow of weakly ionized gas to a condensation temperature is carried out at a decay time of the discharge current t decay , found from the condition
t recession >> t cond ,
where t recession = 0.9l max K -1 , s;
t cond is the period of time during which condensation of a weakly ionized gas occurs and the formation of charged nanostructures with a density of N + and neutral nanostructures with a density of N n , s;
l max - the value of the maximum discharge current, A;
K is the steepness of the decay of the discharge current pulse, A / s,
the aggregation of nanostructures into clusters is carried out up to size r 0 under the condition
k rec (N + ) 2 >> k coag (N n ) 2 ,
where k rec is the constant of the recombination rate of positively charged nanostructures, cm 3 s -1 ;
k coag is the coagulation rate constant of neutral nanostructures, cm 3 s -1 ,
cluster growth is carried out to fractal-like structures of size R 0 with fractal dimension D when the relation
n cl ≈ (R 0 / r 0 ) D ,
where n cl is the number of clusters in the aggregate.
0,5<2r/l<2,0,
радиус R внутреннего отверстия электродов выбран из условия
ln R/r>1,6πLω/μμ0(Imax)2tн,
где L - расстояние диафрагма-кольцевой электрод, м;
ω - скорость уноса массы плазмообразующего материала диафрагмы, кг/с;
μμ0= 1,257×10-6Гн/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>2,5•104(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.3. A device for producing fractal-like structures, including a sealed discharge chamber with a power source, gas-vacuum system, ring electrodes, the inner holes of which are made in the form of truncated cones with their vertices facing each other, and a diaphragm mounted on the axis of the ring electrode, characterized in that as a source a high-voltage current pulse generator of adjustable amplitude and shape is selected, the diaphragm is made with a round hole, the surface of which is made and plasma-forming material, with the ratio of radius r and of length l openings selected from the range of
0.5 <2r / l <2.0,
the radius R of the inner hole of the electrodes is selected from the condition
ln R / r> 1.6πLω / μμ 0 (I max ) 2 t n ,
where L is the distance of the diaphragm-ring electrode, m;
ω is the ablation rate of the mass of the plasma-forming material of the diaphragm, kg / s;
μμ 0 = 1.257 × 10 -6 GN / m;
I max - the value of the maximum discharge current, A;
t n - time of development of power magnetogasdynamic instabilities in the discharge plasma, s,
the value of I max corresponds to the condition for l and r taken in cm
I max > 2.5 • 10 4 (l 1.4 ) / r 1.4 (1 + r / l), A,
and the distance P along the axis of the ring electrode from its surface facing the diaphragm to the chamber wall is selected from the conditions
P> A *,
where A * = 24R, m;
R is the radius of the hole in the ring electrode, m
3R<A<5R.4. The device according to p. 3, characterized in that between the one of the ring electrodes (for example, the cathode) and the diaphragm an additional substrate is placed parallel to the axis of the discharge gap and at a distance A from it, satisfying the relations:
3R <A <5R.
А*<P*≤P.5. The device according to p. 3, characterized in that orthogonal to the axis of the aperture opening behind the ring electrode, an additional substrate is placed at a distance P * satisfying the condition
A * <P * ≤P.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000117985A RU2180160C1 (en) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Method and device for producing fractal-like structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000117985A RU2180160C1 (en) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Method and device for producing fractal-like structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2180160C1 true RU2180160C1 (en) | 2002-02-27 |
Family
ID=20237491
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000117985A RU2180160C1 (en) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Method and device for producing fractal-like structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2180160C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2624983C1 (en) * | 2016-04-27 | 2017-07-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") | Method of obtaining nanolithographic figures with fractal structure with a superstructured surface |
RU2812939C1 (en) * | 2023-04-10 | 2024-02-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Method for plasma production of coating from nano-sized particles and device for plasma production of coating from nano-sized particles for implementing method |
-
2000
- 2000-07-05 RU RU2000117985A patent/RU2180160C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЛУШНИКОВ А.А. и др. Фронтальная размерность агрегатов, образующихся при лазерном испарении металлов, НИФХИ им. Л.Я .Карпова, М., 1985, С. 86-88. КАЛАШНИКОВ Е.В. Радиальное распределение давления в струе плазмы сильноточного диафрагменного разряда в вакууме. ТВТ, 1996, т. 34, №4, с. 501-505. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2624983C1 (en) * | 2016-04-27 | 2017-07-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный университет") | Method of obtaining nanolithographic figures with fractal structure with a superstructured surface |
RU2812939C1 (en) * | 2023-04-10 | 2024-02-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) | Method for plasma production of coating from nano-sized particles and device for plasma production of coating from nano-sized particles for implementing method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10752994B2 (en) | Apparatus and method for depositing a coating on a substrate at atmospheric pressure | |
Fursey | Field emission in vacuum micro-electronics | |
US7012214B2 (en) | Nanopowder synthesis using pulsed arc discharge and applied magnetic field | |
Mesyats | Ecton or electron avalanche from metal | |
Mesyats et al. | Mechanism of anomalous ion generation in vacuum arcs | |
CN110116215A (en) | Use the method and device of wire discharge-induced explosion method preparation carbon coating copper nano particles | |
RU2455119C2 (en) | Method to produce nanoparticles | |
JP2008280195A (en) | Method for growing cnt (carbon nanotube) | |
US4755344A (en) | Method and apparatus for the production of cluster ions | |
RU2380195C1 (en) | Method for production of metal or semiconductor nanoparticles deposited on carrier | |
Anders et al. | High ion charge states in a high‐current, short‐pulse, vacuum arc ion source | |
JP2002517172A (en) | Method for producing highly dispersed powders and apparatus for performing the method | |
Frolova et al. | Deuterium ions in vacuum arc plasma with composite gas-saturated zirconium cathode in a magnetic field | |
RU2180160C1 (en) | Method and device for producing fractal-like structure | |
JPH07502861A (en) | Method for ionizing material vapor produced by heating and apparatus for carrying out the method | |
Frolova et al. | Pulsed vacuum arc plasma source of supersonic metal ion flow | |
Ussenov et al. | Dust particle synthesis by the combined plasma source at atmospheric pressure | |
Kretschmer et al. | Use of Langmuir Probes to Study Ion‐Electron Recombination | |
RU2475298C1 (en) | Method of making nanopowders from various electrically conducting materials | |
Hopwood et al. | Plasma-assisted deposition | |
Bilek et al. | Ion energy and plasma characterization in a silicon filtered cathodic vacuum arc | |
DE102013205225A1 (en) | Production of silicon-containing nano- and micrometer-scale particles | |
Trivedi et al. | Magnetically tailored arc and glow discharge plasmas for atomic spectroscopy | |
De Toro et al. | Types of Cluster Sources | |
Nikolaev et al. | Generation of deuterium ions in a vacuum arc with composite gas-saturated cathode and in a low-pressure arc |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20121224 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140706 |