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...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Дата:2018
Автори: Belyanin, A.F., Borisov, V.V., Popov, V.V.
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