X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices
The paper presents the structure and preparation conditions of opal matrices (ordered 3D-lattice packing of X-ray amorphous SiO2 spheres with a diameter of ≈250 nm), as well as experimental data on nonlinear optical effects in opal matrices with pulsed laser excitation at wavelengths: 1040 nm, 510 n...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Дата: | 2018 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150283 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices / A.F. Belyanin, V.V. Borisov, V.V. Popov // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 5-6. — С. 10-16. — Бібліогр.: 12 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860197630702780416 |
|---|---|
| author | Belyanin, A.F. Borisov, V.V. Popov, V.V. |
| author_facet | Belyanin, A.F. Borisov, V.V. Popov, V.V. |
| citation_txt | X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices / A.F. Belyanin, V.V. Borisov, V.V. Popov // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 5-6. — С. 10-16. — Бібліогр.: 12 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description | The paper presents the structure and preparation conditions of opal matrices (ordered 3D-lattice packing of X-ray amorphous SiO2 spheres with a diameter of ≈250 nm), as well as experimental data on nonlinear optical effects in opal matrices with pulsed laser excitation at wavelengths: 1040 nm, 510 nm in conjunction with 578 nm, and 366 nm. The authors investigate the energy spectra of X-ray radiation induced in the samples by laser irradiation.
В настоящей работе представлены результаты исследования с помощью рентгеновского спектрометра энергетических спектров рентгеновского излучения, индуцированного воздействием на опаловые матрицы импульсного лазерного излучения с различной длиной волны λ: 1040 нм (ИК-область спектра), 510 и 578 нм (совмещенные моды) и 366 нм (УФ-область).
У даній роботі представлено результати вимірювання за допомогою рентгенівського спектрометра енергетичних спектрів рентгенівського випромінювання, індукованого впливом на ОМ імпульсного лазерного випромінювання з різною довжиною хвилі λ: 1040 нм (ІЧ-область спектра), 510 та 578 нм (суміщенні моди), 366 нм (УФ-область).
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:09:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, No 5–6
10 ISSN 2225-5818
ELECTRONIC DEVICES: RESEARCH, DEVELOPMENT
1
UDC 537.9
А. F. BELYANIN1, V. V. BORISOV2, V. V. POPOV3
Russia, Moscow, 1Central Research Technological Institute “Technomash”,
2Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Lomonosov Moscow State University,
3Lomonosov Moscow State University
E-mail: belyanin@cnititm.ru
X-RAY RADIATION DURING PULSED LASER
TREATMENT OF OPAL MATRICES
Materials with photonic band gaps (photonic
crystals), i. e. materials with a periodic (of the
order of the light wavelength) change in the
dielectric constant, are currently the subject of
extensive theoretical and experimental research.
Photonic crystals based on opal matrices (OM) are
of interest for practical application. OMs are made
up of well ordered closely packed silica nanospheres
(amorphous SiO2) of the same diameter [1, 2]. The
packing of spheres contains a 3D system of inter-
connecting octahedral and tetrahedral inter-sphere
voids, occupying approximately 26% of the matrix
volume. Depending on the formation conditions,
the diameter of the spheres varies within the preas-
signed limits from 200 to 700 nm [2—5].
Having the formation parameters fixed, the
variation in diameter does not exceed 1.5%. OMs
and OM-based nanocomposites (OMs with inter-
sphere voids filled with various substances) are
used to create devices operating in the optical,
microwave and THz ranges [3, 6]. OMs may serve
as functional environments both for the genera-
tion of X-rays or acoustic waves, and for signal
conversion in controlling devices [7, 8]. One may
hope that the emergence of new designs using such
materials will allow creating electronic devices
with improved performance characteristics.
The greatest interest is aroused by the applica-
tion of OMs in an unexplored area of the X-ray
generation by exposing the substance to laser ra-
diation [7, 9]. Solving the problem of increasing
the technical and technological characteristics of
X-ray sources by creating fundamentally new de-
signs can lead to the development of subminiature
The paper presents the structure and preparation conditions of opal matrices (ordered 3D-lattice packing
of X-ray amorphous SiO2 spheres with a diameter of ≈250 nm), as well as experimental data on nonlinear
optical effects in opal matrices with pulsed laser excitation at wavelengths: 1040 nm, 510 nm in conjunc-
tion with 578 nm, and 366 nm. The authors investigate the energy spectra of X-ray radiation induced in
the samples by laser irradiation.
Keywords: opal matrix, laser radiation, X-ray radiation, energy spectrum.
X-ray sources. Coupling laser radiation into opti-
cal fibers is widely used to solve a large number
of practical problems, for example, it is used in
medicine for endoscopic studies of internal organs,
pyrometry, spectroscopy, etc. Placing the OM at
the output of the optical fiber with laser radia-
tion makes it possible to deliver X-ray radiation
directly to the irradiated object.
When a parallel fiber is added to transmit
data to a Raman spectrometer, it becomes pos-
sible to monitor the effectiveness of local X-ray
influence. When solving a large number of
practical problems, such as transporting radia-
tion to an object of impact in medicine, etc., a
high-power laser can be coupled into the optical
fiber. In [7], X-ray radiation was induced when
a single pulse of a ruby laser was applied to
an OM (wavelength 694.3 nm, pulse duration
20 ns, maximum pulse energy 0.3 J, power
density at the focus 0.25—10 GW/cm2). X-ray
radiation was registered using an X-ray film
designed for a photon energy of 10 keV. This
method, though, allows determining the energy
characteristics of the radiation with some level of
approximation.
In this study, an X-ray spectrometer is used
to study the energy spectra of X-ray radiation in-
duced by exposure of opal matrices to pulsed laser
radiation with different wavelengths: 1040 nm
(IR spectral range), 510 and 578 nm (combined
modes), and 366 nm (UV range).
Experimental samples
Opal matrices were obtained at a temperature
of 310—350 K from an emulsion prepared by
mixing 1 part of a 25% aqueous solution of am-
monium hydroxide (NH4OH), 50 parts of ethanol
DOI: 10.15222/TKEA2018.5-6.10
The study was supported by the Russian Foundation
for Basic Research (grant N 18-29-02076 мк)
http://www.tkea.com.ua/tkea/2018/5-6_2018/pdf/02_rus.pdf
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, No 5–6
11ISSN 2225-5818
ELECTRONIC DEVICES: RESEARCH, DEVELOPMENT
2
(C2H5OH) and 1.6 parts of tetraether orthosilicic
acid (Si(OC2H5)4) [10]. The regularity of the
packing of SiO2 spherical particles was achieved
due to self-organization, and the diameter of the
spheres depended on the conditions of their for-
mation. The chemicals used in the preparation of
OMs were removed from the samples by heat treat-
ment in vacuum (775—975 K, ≈ 1 Pa). Then the
OMs were hydrothermally hardened at increased
temperature and pressure. The hardening made it
possible to mechanically process the OMs, and
thus obtain samples of the required dimensions
with specified physical properties.
The test samples were made to be 1.5—5.0 mm
thick plates obtained by dry mechanical treatment
from bulk OMs, either not hardened or hardened
by annealing at up to 1475 K in air. The arith-
metic mean deviation of the plate surface profile,
measured with an Alpha-Step 200 profilograph-
profilometer, was Ra = 1.2 μm. The experiments
were performed on both unfilled OMs and OMs
with the inter-spherical voids filled with deionized
water (OM:H2O) to reduce the thermal effect of
laser radiation. With the same purpose, a number
of experiments were carried out with samples im-
mersed in liquid nitrogen (OM:LN2).
X-ray research technique
The X-radiation occurring from laser irradia-
tion of the OM was recorded using a photographic
film placed in an opaque cassette and a Canberra
UniSpec 503 gamma spectrometer operating at
room temperature without cooling. The data ob-
tained from the spectrometer were calibrated by
the spectra of four test X-ray sources (55Fe, 133Ba,
152Eu and 241Am isotopes).
When the radiation was registered by a film as
it is shown in Fig. 1, the laser radiation passed
through the OM and its direction coincided with
the direction of the induced X-radiation (φ = 0°).
The parameters of the laser radiation were chosen
so that the material of the cassette (thick black pa-
per covered with Scotch transparent adhesive film)
that is not transparent to visible light would not be
destroyed. The photosensitivity of the photo film
(type 42) was 1000—1400 units (state standard
ГОСТ 10691.5), sensitization limit 700—730 nm.
In some cases, during registration of micro
X-ray radiation, laser radiation was applied to the
OM placed between two plates of single crystal
lithium niobate (LiNbO3), a piezoelectric material
[11], and X-rays were recorded at an angle of 90°
to the direction of laser radiation (Fig. 2). This
was done in order to avoid damaging the spec-
trometer sensor window made of beryllium foil.
The parameters of the used laser radiation
sources are given in Table 1, where λ is the wave-
length, f is the frequency, τ is the pulse duration,
P is the average pulse power, D is the diameter
of the laser beam at the focus. For systems with a
galvanometric scanner of the laser beam (IR1040,
UV355), the following areas were processed dur-
ing one OM laser irradiation session: a 5×5 mm
square with a 20 lines/mm linear shading on the
OM focal plane when registering at an angle of
0°, and a 5 mm long line on the verge of the OM
parallel to the OM focal plane when registering
at an angle of 90°.
Table 1
The parameters of the used laser radiation sources
Laser radiation source,
manufacturer (designation)
λ,
nm
f,
kHz
τ,
ns
Р,
W
D,
μm
YLP-1-20, IRE-POLUS
(IR1040)
1040 50 10 10 50
DPSS UV Pro,
“Sharplase” (UV355)
355 40 20 3 37
CVL, LPI RAS
(CVL)
510,
578 10 15 3 20
Fig. 1. Schematic illustration
of registering X-radiation by
photo film at φ = 0°:
1 — laser radiation; 2 — fo-
cal plane of laser radiation;
3 — ОМ (10×10×1.5 mm)
with H2O; 4 — X-radiation;
5 — photo film cassette
1
4
3
2
5
Fig. 2. Schematic illustration of registering X-ray
radiation by gamma-spectrometer and photo film at
φ = 90°:
1 — laser radiation; 2 — LiNbO3 plates (10×10×1 mm);
3 — ОМ (10×10×(3—5) mm); 4 — photo film cassette;
5 — spectrometer sensor window; 6 — X-radiation
1
2
3
5
4
6
6
2
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, No 5–6
12 ISSN 2225-5818
ELECTRONIC DEVICES: RESEARCH, DEVELOPMENT
3
Study of the structure and composition of opal
matrices
Tests were performed on opal matrices with
a volume of up to 1 cm3, a diameter of SiO2
spheres d ≈ 250 nm (Δd ≈ 2%) and a volume of
monodomain regions (areas of well ordered sphere
packing) of at least 0.1 mm3. The following pieces
of equipment were used: a Carl Zeiss Leo 1430
VP scanning electron microscope (SEM); a JEM
200С transmission electron microscope (TEM);
an ARL X'tra (Thermo Fisher Scientific) X-ray
diffractometer, and a LabRAM HR800(HORIBA
Jobin-Yvon) laser Raman spectrometer (632.8 nm
line of He—Ne laser).
It was established that in the OM samples,
the monodomain regions are disordered relative to
each other (Fig. 3, a). Under the conditions as-
sumed in this study, a three-layer (cubic) packing
of SiO2 spheres was formed [10]. The hardening
of the OM was caused by the transfer of SiO2 to
the region of contact between the spheres with
the formation of –Si–O–Si– bonds. Transmission
electron microscopy shows the presence of contact
pads with a diameter of k = (0.1—0.3)d while
the SiO2 particles maintain the regular spherical
shape and are not deformed at their contact points
(Fig. 3, c). The high bond strength of the contact-
ing SiO2 spheres can be seen on chipped edges of
the OM, where the areas of their separation are
visible (Fig. 3, b).
Fig. 4 shows the bulk model of the OM (lat-
tice packing of SiO2 nanospheres) with the spatial
ordered arrangement of inter-sphere voids. The
triangles with concave sides on the cutout planes of
the bulk fragment of the OM are the cross-sections
of the channels, connecting the tetrahedral and
octahedral inter-sphere voids. It should be noted
that in hardened OMs, the real dimensions of the
voids are smaller than the theoretical ones.
X-ray diffractometry revealed that the OMs,
annealed in air at 1475 K, contain a phase of SiO2
cristobalite (space group P41212) with approxi-
mately 20-nm crystallites (areas of coherent X-rays
scattering). In samples annealed at temperatures
below 1475 K, it is impossible to register this
phase using X-ray diffraction — the small crys-
Fig. 3. SEM images of the growth surface (а) and
chipped edge (b) of the OM, and a TEM image of the
contact area of SiO2 spheres (c)
(in b, pluses represent convex areas, and minuses stand for
concave areas in the points where the spheres are separated
between the contact pads)
а)
c)
b)
1 μm 200 nm
20 nm
k
Fig. 4. Bulk fragment of the OM (cut along {111}
planes)
(111)
d
[110]
(1
-
11)
[011
-
]
[101]
(111
-
)
[11
-
0]
Fig. 5. Raman spectra of the OM, annealed at different
temperatures and time periods:
1 — 1175 К, 4 h; 2 — 1325 К, 24 h; 3 — 1375 К, 4 h;
4 — 1475 К, 8 h
60
8
78
8
75
360
6 81
3
88
8
94
1
10
65
10
58
10
41
10
80
I,
r
el
.
un
it
s
100 300 500 700 900 1100
Δν, cm–1
60
7
60
0
80
2
86
0
88
580
8
78
5
49
3
42
5
49
344
2
38
0
12
6
12
7
14
2
31
2
33
3 35
3
37
5
39
6
44
3
48
9
11
8 23
5
29
0
35
3
42
1
48
7
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, No 5–6
13ISSN 2225-5818
ELECTRONIC DEVICES: RESEARCH, DEVELOPMENT
4
tallite size (<1 nm) does not allow identifying
them due to the size broadening of the diffraction
maxima, according to the Debye—Sherrer equa-
tion. In this case, the crystalline phase of SiO2
was identified by Raman spectroscopy of Raman
scattering. Raman spectra of amorphous SiO2 are
characterized by bands with a frequency shift Δν
of Raman scattering near 420, 490, 600, 800 and
1060 cm–1 (Fig. 5, curve 1). At temperatures above
1175 K, amorphous silica begins recrystallizing into
SiO2-cristobalite (space group P41212); at 1375 K, the
crystalline phase of SiO2-quartz (space group P3121)
is formed (band at Δν = 860 cm–1), which at 1475 K
is transformed into SiO2-cristobalite (Fig. 5)
Investigation of induced pulsed
X-radiation
In some cases, during measurements using the
spectrometer, the speed of data acquisition in the
X-ray energy range up to 2 keV depended on both
environmental conditions and the power of the
computing equipment used. Therefore, in order to
obtain reliable results from the absolute numerical
data of the X-ray spectrum (abs.), the background
values of the spectrum registered when the laser
source was blocked, were subtracted, thus obtain-
ing a corrected spectrum (rel.).
The experimental conditions and the parameters
of the obtained X-ray radiation are summarized in
Table 2, where V is the scanning speed (for the
systems without a CVL galvanometric scanner, the
laser beam is stationary); φ is the angle of X-ray
registration; h1 is the distance from the OM to
the photo film cassette; h2 is the distance from
the OM to the spectrometer window; OMan is
the OM strengthened by annealing; ST is the type
of spectrum; t is the duration of one laser radia-
tion session; EXR is the energy of X-ray quanta
corresponding to the maximum intensity peak in
the spectrum; λXR is the X-ray wavelength cor-
responding to EXR.
As can be seen from Fig. 6 and 7, when OMs
are exposed to laser radiation with a wavelength of
λ = 1040 nm, the induced X-ray radiation is scat-
tered more strongly than at λ = 355 nm. Moreover,
when exposed to laser radiation from the UV region,
compared to the IR region, intense luminescence in
the visible light range is observed in the hardened
OM. It is possible that the high sensitivity of the
used photo film causes halos to appear in the pho-
tographs (see Fig. 7), which is due to the thermal
effect of laser radiation on the sample through the
protective material of the cassette. The photographs
Table 2
Experimental conditions and parameters of the obtained X-ray radiation
Source V,
m/s
ϕ, ° h1,
mm
h2,
mm
Sample
ST t, s EXR, keV λXR, nm
composition thickness,
mm
IR1040 0,8
90 2,5 2,5 ОМ:H2O 1,5 abs. 60
0,08 15,2
UV355 1,0 1,04 1,2
CVL 0
90
70 80
ОМ:LN2 5,0
rel.
220 1,04 1,2
0 ОМan:H2O 1,5 698 2,47 0,5
Fig. 6. Images obtained when X-ray radiation induced
by the UV355 source was applied to the film at φ = 0°,
V = 1 m/s (the numbers on the images are the number
of repetitions of the laser radiation session)
1 mm 1 mm 1 mm 1 mm
1 mm 1 mm 1 mm
Fig. 7. Images obtained when X-ray radiation induced
by an IR1040 source was applied to a film at φ = 0°,
V = 0.8 m/s
(the numbers on the images are the number of repetitions of
a laser radiation session; the area of X-ray radiation exposure
is framed, the point of impact is marked with a dot)
4 mm4 mm
4 mm 4 mm
4 mm
4 mm4 mm
4 mm
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, No 5–6
14 ISSN 2225-5818
ELECTRONIC DEVICES: RESEARCH, DEVELOPMENT
5
Fig. 8. Relative X-ray spectrum induced by the CVL
source in the OM under the following conditions:
OMan:H2O thickness 1.5 mm, φ = 0°, h2 = 80 mm,
EXR = 2.5 keV, t = 698 s, λXR = 0.5 nm
(insert shows the maximum intensity spectrum peak)
105
104
103
102
10
1
I,
re
l.
u
ni
ts
–10 90 190 290 390
E, keV
106
105
104
103
I,
re
l.
u
ni
ts
0,5 1,5 2,5 3,5
E, keV
λ=0,82 nm λ=0,5 nm
obtained using the UV355 and CVL laser sources,
unlike the IR1040, show a domain structure of the
OM (see Fig. 6 and 7) [7, 8].
The obtained data given in Table 2 and Fig. 8,
indicate that the radiation under study is a low-
intensity, soft X-ray radiation and its wavelength
range intersects with the vacuum UV radiation,
which is well absorbed by air. By its character-
istics, it is similar to the radiation produced by
triboluminescence of adhesive Scotch films at the
moments when they are detached from smooth
surfaces [12]. The X-ray spectrum induced by la-
ser radiation with λ = 355 nm has an additional,
shorter-wavelength peak λXR = 1.2 nm, compared
to λXR = 15.2 nm on the spectrum obtained at
λ = 1040 nm (see table 2). An even shorter wave-
length peak (λXR = 0.5 nm) is observed when using
an CVL source with combined modes λ = 510 nm
and λ = 578 nm (see Table 2 and Fig. 8).
Fig. 9 shows a photograph of a film after expo-
sure to X-ray radiation induced by the CVL source.
The test results for the study of dried and
non-thermally hardened OMs at the wavelength
of laser radiation λ = 355 nm with the parameters
specified in tables 1 and 2 for the UV355 source,
also showed the presence of X-rays. However, in
contrast to OMan:H2O (strengthened OMs with
voids filled with H2O), in these samples some
defects characteristic of laser ablation occurred
during the course of the experiment.
Conclusion
Thus, the studies of opal matrices indicate that
the parameters of induced X-ray radiation depend
on the production conditions and the structure of
the OMs (high-temperature annealing, filling of
voids, sample thickness), as well as the experi-
mental conditions (obtaining of X-rays at an angle
of 0° or 90°, immersion of the sample in liquid
nitrogen). One of the necessary conditions for
obtaining high-quality measurement results, and
for the subsequent creation of devices using lat-
tice packing of SiO2 nanospheres, is the perfection
of the three-dimensional packing of nanospheres.
The obtained spectral data allow us to conclude
that the radiation induced by laser irradiation at a
wavelength of 1040 nm (IR), 510 nm together with
578 nm, 366 nm (UV), is low-intensity, soft X-ray
radiation with a photon energy of 0.08—2.47 keV
and with a wavelength of 15.2—0.5 nm. There is
a reason to believe that the proper choice of the
structural parameters of opal matrices (sizes of
SiO2 spherical particles, inter-sphere contact pads
and monodomain regions) and characteristics of
laser radiation (wavelength, pulse duration and
frequency) will allow increasing the intensity and
energy of X-ray quanta, which would make it
possible to use the investigated effect in industry
and medicine.
REFERENCES
1. Armstronga E., O’Dwyer C. Artificial opal photonic
crystals and inverse opal structures — fundamentals and ap-
plications from optics to energy storage. Journal of materials
chemistry C, 2015, vol. 3, no. 24, pp. 6109–6143, https://
doi.org/10.1039/c5tc01083g
2. Samoylovich M. I., Belyanin А. F., Bagdasaryan A. S.,
Bovtun V. Structure and dielectric properties of nanocompos-
ites: opal matrix – titanium oxide and rare-earth titanates.
Fine Chemical Technologies, 2016, vol. 11, no. 2, pp. 66–73.
URL: https://finechemtech.mirea.ru/upload/mediali-
brary/c02/09_Samoylovich_2016_No-2.pdf
3. Tuyen L. D., Wu C. Y., Anh T. K. et al. Fabrication
and optical characterization of SiO2 opal and SU-8 inverse
opal photonic crystals. Journal of Experimental Nanoscience,
2012, vol. 7, no. 2, pp. 198–204, https://doi.org/10.1080
/17458080.2010.515249
4. Miguez H., Blanco A., Lopez C. et al. Face centered
cubic photonic bandgap materials based on opal-semiconductor
composites. Journal of Lightwave Technology, 1999, vol. 17,
no. 11, pp. 1975–1981, https://doi.org/10.1109/50.802983
5. Nishijima Y., Ueno K., Juodkazis S. et al. Inverse silica
opal photonic crystals for optical sensing applications. Optics
Express, 2007, vol. 15, no. 20, pp. 12979–12988, https://
doi.org/10.1364/OE.15.012979
6. Sarychev A. K., Shalaev V. M. Electrodynamics of
Metamaterials. World Scientific and Imperial College Press,
2007, 200 p., http://dx.doi.org/10.1142/4366
7. Tcherniega N. V., Samoylovich M. I., Belyanin A. F.
et al. Generation of electromagnetic and acoustic emissions in
nanostructures systems. Nano- and Microsystems Technology,
2011, no. 4, pp. 21–31. (Rus)
Fig. 9. Image obtained by
exposing the photo film to X-ray
radiation with the spectrum
shown in Fig. 8 (h1 = 70 mm,
t = 2 s)
2 mm
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, No 5–6
15ISSN 2225-5818
ELECTRONIC DEVICES: RESEARCH, DEVELOPMENT
6
8. Chernega N.V. et al. The Method of Generating Pulsed
X-Ray Radiation. Pat. 2469516 RU. 10.12.2012, bul. no. 34.
(Rus)
9. Vikhlyaev D.A., Gavrilov D.S., Eliseev M.V. et al.
Soft X-ray spectrometer based on spherical grazing mirrors
for plasma investigation on SOKOL-P laser facility. Problems
of Atomic Science and Technology. Ser. Thermonuclear
Fusion, 2010, no. 2, pp. 57–63. URL: http://vant.iterru.
ru/vant_2010_2/7.pdf (Rus)
10. Samoylovich M. I., Kleshcheva S.M., Belyanin A. F.
et al. 3D-nanocomposites based on ordered packing of silica
nanospheres. Nano- and Microsystems Technology, 2004,
no. 6, pp. 3–7. (Rus)
11. Chernega N.V. et al. Device for Generating
Directional Pulsed X-Ray Radiation. Pat. 2480159 RU.
27.04.2013, bul. no. 12. (Rus)
12. Camara C. G., Escobar J. V., Hird J. R., Putterman
S. J. Sticky tape generates X rays. Nature 455, 2008,
pp. 1089–1092. http://dx.doi.org/10.1038/news.2008.1185
Received: 08.10 2018
А. Ф. БЄЛЯНІН1, В. В. БОРИСОВ2,
В. В. ПОПОВ3
Росія, м. Москва, 1ЦНДТІ «Техномаш»,
2НДІ ядерної фізики ім. Д. В. Скобельцина,
3Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова
E-mail: belyanin@cnititm.ru
РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ, ЩО ВИКЛИКАНЕ
ІМПУЛЬСНОЮ ЛАЗЕРНОЮ ДІЄЮ НА ОПАЛОВІ МАТРИЦІ
В даний час матеріали з фотонними забороненими зонами (фотонні кристали), тобто матеріали з пе-
ріодичною (близько довжини хвилі світла) зміною діелектричної проникності, є об'єктом активних
тео ретичних та експериментальних досліджень. Для практичного застосування становлять інтерес
фотон ні кристали на основі опалових матриць (ОМ), які представляють собою щільну 3D-упаковку од-
накових за діаметром нанокуль аморфного SiO2. Найбільший інтерес викликає застосування ОМ в мало-
дослідженій області — генерації рентгенівського випромінювання під час лазерного впливу на речовину.
У даній роботі представлено результати вимірювання за допомогою рентгенівського спектрометра
енергетичних спектрів рентгенівського випромінювання, індукованого впливом на ОМ імпульсного лазер-
ного випромінювання з різною довжиною хвилі λ: 1040 нм (ІЧ-область спектра), 510 та 578 нм (суміщен-
ні моди), 366 нм (УФ-область).
ОМ синтезували з розчину гідроксиду амонію (NH4OH), етанолу (С2Н5ОН) та тетраефіра ортокрем-
нієвої кислоти (Si (ОС2Н5)4). Упаковка куль SiO2 містила 3D-систему сполучених октаедричних і те-
траедричних міжкульових пустот, які займають приблизно 26% загального об’єму. В експериментах
використовували зразки ОМ в формі пластин товщиною 1—5 мм, які виготовляли за допомогою сухої
механічної обробки з об’ємних ОМ, не зміцнених та зміцнених відпалом за температури 1475 К на по-
вітрі.
Рентгенівське випромінювання, що виникає під дією лазера на ОМ, реєстрували фотоплівкою і гамма-
спектрометром. Реєстрація проводилась двома способами. В першому випадку лазерне випромінювання
проходило через ОМ (зйомка на просвіт) і його напрям співпадав з напрямом індукованого рентгенівсько-
го випромінювання (φ = 0°). У другому рентгенівське випромінювання проходило перпендикулярно лазер-
ному (φ = 90°), а ОМ розміщували між пластинами з монокристалічного LiNbO3. У ряді експериментів
для зменшення теплового впливу на ОМ лазерного випромінювання міжкульові пустоти заповнювали во-
дою або занурювали зразки у рідкий азот.
За результатами спектральних досліджень було встановлено, що індуковане рентгенівське випроміню-
вання є малоінтенсивним м’яким рентгенівським випромінюванням з енергією квантів 0,08—2,47 кеВ і
довжиною хвиль λРІ = 15,2—0,5 нм. Спектр рентгенівського випромінювання за λ = 355 нм показав наяв-
ність додаткового, більш короткохвильового піка λРІ = 1,2 нм в порівнянні з λРІ = 15,2 нм, отриманим за
λ = 1040 нм. Ще більш короткохвильовий пік λРІ = 0,5 нм спостерігався за використання лазерного дже-
рела, що працює з суміщеними випромінюваннями з λ = 510 нм і λ = 578 нм. Вплив на ОМ лазерного ви-
промінювання з λ = 1040 нм призводить до сильнішого розсіювання індукованого рентгенівського випро-
мінювання порівняно з λ = 355 нм. Вплив на ОМ лазерного випромінювання УФ-області викликав інтен-
сивну люмінесценцію ОМ в діапазоні видимого світла.
Показано, що на параметри рентгенівського випромінювання впливають умови отримання і ступінь за-
повнення пустот опалових матриць, а також умови проведення експериментів (кут отримання рентге-
нівського випромінювання по відношенню до лазерного, занурювання зразка у рідкий азот).
Ключові слова: опалові матриці, лазерне випромінювання, рентгенівське випромінювання, енергетичний
спектр.
DOI: 10.15222/TKEA2018.5-6.10
УДК 537.9
Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, No 5–6
16 ISSN 2225-5818
ELECTRONIC DEVICES: RESEARCH, DEVELOPMENT
7
А. Ф. БЕЛЯНИН1, В. В. БОРИСОВ2,
В. В. ПОПОВ3
Россия, г. Москва, 1ЦНИТИ «Техномаш»,
2НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына,
3Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
E-mail: belyanin@cnititm.ru
РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ВЫЗВАННОЕ ИМПУЛЬСНЫМ
ЛАЗЕРНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ОПАЛОВЫЕ МАТРИЦЫ
В настоящее время материалы с фотонными запрещенными зонами (фотонные кристаллы), т. е. мате-
риалы с периодическим (порядка длины волны света) изменением диэлектрической проницаемости, явля-
ются объектом активных теоретических и экспериментальных исследований. Для практического при-
менения интересны фотонные кристаллы на основе опаловых матриц (ОМ), которые представляют со-
бой плотнейшую 3D-упаковку одинаковых по диаметру наношаров аморфного SiO2. Наибольший инте-
рес вызывает применение ОМ в малоисследованной области — генерации рентгеновского излучения при
лазерном воздействии на вещество.
В настоящей работе представлены результаты исследования с помощью рентгеновского спектрометра
энергетических спектров рентгеновского излучения, индуцированного воздействием на опаловые матри-
цы импульсного лазерного излучения с различной длиной волны λ: 1040 нм (ИК-область спектра), 510 и
578 нм (совмещенные моды) и 366 нм (УФ-область).
ОМ синтезировали из раствора гидрооксида аммония (NH4OH), этанола (С2Н5ОН) и тетраэфира
ортокремниевой кислоты (Si(ОС2Н5)4). Упаковка шаров SiO2 содержала 3D-систему сообщающихся
октаэдрических и тетраэдрических межшаровых пустот, занимающих примерно 26% общего объема.
Образцы для исследований представляли собой пластины толщиной 1,5—5,0 мм, которые получали с по-
мощью сухой механической обработки из объемных ОМ, не упрочненных и упрочненных при отжиге до
1475 К на воздухе.
Рентгеновское излучение, возникающее при лазерном воздействии на ОМ, регистрировали фотопленкой
и гамма-спектрометром. Регистрация проводилась двумя способами. В первом случае лазерное излучение
проходило через ОМ (съемка на просвет) и его направление совпадало с направлением индуцированного
рентгеновского излучения (φ = 0°). Во втором регистрируемое рентгеновское излучение было перпенди-
кулярно лазерному (φ = 90°), а ОМ размещали между пластинами из монокристаллического LiNbO3. В
ряде экспериментов для уменьшения теплового воздействия на ОМ от лазерного излучения межшаровые
пустоты заполняли водой или же погружали образцы в жидкий азот.
По результатам спектральных исследований было установлено, что индуцированное рентгеновское излу-
чение является малоинтенсивным мягким рентгеновским излучением с энергией квантов 0,08—2,47 кэВ и
с длиной волн λРИ = 15,2—0,5 нм.
Спектр рентгеновского излучения при λ = 355 нм показал наличие дополнительного более коротковолно-
вого пика λРИ = 1,2 нм по сравнению с λРИ = 15,2 нм, полученном при λ = 1040 нм. Еще более коротковол-
новой пик λРИ = 0,5 нм наблюдался при использовании лазерного источника, работающего с совмещенны-
ми излучениями с λ = 510 нм и λ = 578 нм.
При воздействии на ОМ лазерного излучения с λ = 1040 нм индуцированное рентгеновское излучение рас-
сеивалось сильнее, чем при λ = 355 нм. Воздействие на ОМ лазерного излучения УФ-области вызывало
интенсивную люминесценцию ОМ в диапазоне видимого света.
Показано, что на параметры рентгеновского излучения влияют условия получения и степень заполнения
пустот опаловых матриц, а также условия проведения экспериментов (угол получения рентгеновского
излучения по отношению к лазерному, погружение образца в жидкий азот).
Ключевые слова: опаловые матрицы, лазерное излучение, рентгеновское излучение, энергетический
спектр.
Cite the article as:
Belyanin А. F., Borisov V. V., Popov V. V. X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices. Tekhnologiya
i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, no. 5-6, pp. 10-16. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.5-6.10
Перевод статьи на русский язык:
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-150283 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2225-5818 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T18:09:43Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Belyanin, A.F. Borisov, V.V. Popov, V.V. 2019-04-03T18:57:14Z 2019-04-03T18:57:14Z 2018 X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices / A.F. Belyanin, V.V. Borisov, V.V. Popov // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 5-6. — С. 10-16. — Бібліогр.: 12 назв. — англ. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2018.5-6.10 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150283 537.9 The paper presents the structure and preparation conditions of opal matrices (ordered 3D-lattice packing of X-ray amorphous SiO2 spheres with a diameter of ≈250 nm), as well as experimental data on nonlinear optical effects in opal matrices with pulsed laser excitation at wavelengths: 1040 nm, 510 nm in conjunction with 578 nm, and 366 nm. The authors investigate the energy spectra of X-ray radiation induced in the samples by laser irradiation. В настоящей работе представлены результаты исследования с помощью рентгеновского спектрометра энергетических спектров рентгеновского излучения, индуцированного воздействием на опаловые матрицы импульсного лазерного излучения с различной длиной волны λ: 1040 нм (ИК-область спектра), 510 и 578 нм (совмещенные моды) и 366 нм (УФ-область). У даній роботі представлено результати вимірювання за допомогою рентгенівського спектрометра енергетичних спектрів рентгенівського випромінювання, індукованого впливом на ОМ імпульсного лазерного випромінювання з різною довжиною хвилі λ: 1040 нм (ІЧ-область спектра), 510 та 578 нм (суміщенні моди), 366 нм (УФ-область). en Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Электронные средства: исследования, разработки X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices Рентгеновское излучение, вызванное импульсным лазерным воздействием на опаловые матрицы Рентгенівське випромінювання, що викликане імпульсною лазерною дією на опалові матриці Article published earlier |
| spellingShingle | X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices Belyanin, A.F. Borisov, V.V. Popov, V.V. Электронные средства: исследования, разработки |
| title | X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices |
| title_alt | Рентгеновское излучение, вызванное импульсным лазерным воздействием на опаловые матрицы Рентгенівське випромінювання, що викликане імпульсною лазерною дією на опалові матриці |
| title_full | X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices |
| title_fullStr | X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices |
| title_full_unstemmed | X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices |
| title_short | X-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices |
| title_sort | x-ray radiation during pulsed laser treatment of opal matrices |
| topic | Электронные средства: исследования, разработки |
| topic_facet | Электронные средства: исследования, разработки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/150283 |
| work_keys_str_mv | AT belyaninaf xrayradiationduringpulsedlasertreatmentofopalmatrices AT borisovvv xrayradiationduringpulsedlasertreatmentofopalmatrices AT popovvv xrayradiationduringpulsedlasertreatmentofopalmatrices AT belyaninaf rentgenovskoeizlučenievyzvannoeimpulʹsnymlazernymvozdeistviemnaopalovyematricy AT borisovvv rentgenovskoeizlučenievyzvannoeimpulʹsnymlazernymvozdeistviemnaopalovyematricy AT popovvv rentgenovskoeizlučenievyzvannoeimpulʹsnymlazernymvozdeistviemnaopalovyematricy AT belyaninaf rentgenívsʹkevipromínûvannâŝoviklikaneímpulʹsnoûlazernoûdíêûnaopalovímatricí AT borisovvv rentgenívsʹkevipromínûvannâŝoviklikaneímpulʹsnoûlazernoûdíêûnaopalovímatricí AT popovvv rentgenívsʹkevipromínûvannâŝoviklikaneímpulʹsnoûlazernoûdíêûnaopalovímatricí |