Результат интеллектуальной деятельности: Терагерцовый кристалл

Изобретение относится к терагерцовым (ТГц) материалам, а именно к кристаллам для ТГц применения. ТГц излучение располагается в спектральном диапазоне от 0,1 до 10,0 ТГц, что соответствует длинам волн ≈ 3,0 мм – 30,0 мкм [Режим доступа: http://www.tydexoptics.com/pdf/ru/THz_Materials.pdf,
ТГц материалы.; X.- C. Zhang и Jian Chen из Rensselaer Polytechnic Institute, USA;
X.-C. Zhang, J. Xu, Introduction to THz Wave Photonics, Springer Science+Business Media, LLC 2010 (с. 73), DOI: 10.1007/978-1-4419-0978-7;
Steven Dodge и Graham Lea из Simon Fraser University, Canada].

Терагерцовый диапазон от 0,2 до 3,0 ТГц в последние годы интенсивно исследуется, поскольку в этом диапазоне находятся информативные линии поглощения сложных органических молекул, которые являются основой взрывчатых и наркотических веществ.

Известны кристаллы, которые играют важную роль для терагерцового применения: высокоомный кремний, кристаллический кварц и сапфир [ТГц материалы. Режим доступа http://www.tydexoptics.com/pdf/ru/THz_Materials.pdf]. Высокоомный кремний, выращенный методом зонной плавки, прозрачен от ближнего инфракрасного (ИК) диапазона 1,0 ÷ 2,0 мкм до 15,0 мкм, а для терагерцового диапазона – от 50,0 мкм до 3 мм и более. Кристаллический кварц и сапфир прозрачны в видимом и субмиллиметровом диапазонах.

Недостатки: выращивание кристаллов высокоомного кремния является дорогостоящей технологией; требует больших энергозатрат, т. к. температура плавления Т_пл ≈ 1500 ^оС, дорогого оборудования и контейнеров для получения высокочистого сырья, изготовленных из драгоценных металлов, технология которого также высоко энергозатратна. Этими же недостатками обладают кристаллический кварц (Т_пл ≈ 1800 ^оС) и сапфир (Т_пл ≈ 2100 ^оС).

Существует проблема по технологичному получению нетоксичных, негигроскопичных, пластичных кристаллов, прозрачных в терагерцовом и миллиметровом диапазонах, а также обладающих высокой оптической прозрачностью без окон поглощения в видимом и ИК диапазонах и востребованных для применения в медицине, фармацевтике, таможенном дистанционном контроле и в других областях.

Решение проблемы достигается за счет того, что терагерцовый кристалл, характеризующийся тем, что выполнен на основе однофазных твердых растворов системы AgCl – AgBr содержит хлорида и бромида серебра при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:

хлорид серебра – 10,0 – 90,0;

бромид серебра – 90,0 – 10,0.

Новые ТГц кристаллы обладают, перед известными, следующими преимуществами.

1. Кристаллы пропускают в ТГц области:

от 0,05 до 0,3 ТГц, что соответствует длинам волн 6000,0 – 1000,0 мкм,
с оптической прозрачностью 62 – 64 %;

от 0,35 до 0,9 ТГц (850,0 – 350,0 мкм) – прозрачность 50 – 30 %;

от 10,0 до 8,5 ТГц (30,0 – 35,0 мкм) – прозрачность составляет 78 %,

по сравнению с высокоомным кремнием, прозрачность которого составляет
50 – 54 %, начиная с 50,0 мкм (6,0 ТГц).

Следует отметить, что новые кристаллы прозрачны от 65 % до 78 % без окон поглощения в широком оптическом диапазоне от 0,4 до 35,0 мкм. Кремний прозрачен до 50 – 54 % в диапазоне от 1,0 ÷ 2,0 до 15,0 мкм с окнами поглощения до 50,0 мкм [Е. М. Воронкова, Б. Н. Гречушников, Г. И. Дистлер, И. П. Петров. Оптические материалы для инфракрасной техники. Справочное издание. Издательство «Наука». 1965. С. 207-212].

2. Технология получения является экологически чистой, безотходной, высоко энергосберегающей, так как температуры плавления галогенидов серебра низкие – до 440 ^оС, в сравнении с кристаллами кремния, сапфира и кристаллического кварца.

3. Не требуется дорогостоящего оборудования, так как синтез высокочистого галогенидсеребрянного сырья и рост кристаллов проводится в ампулах из стекла «пирекс» в сравнении с контейнерами из драгоценных металлов для синтеза указанных высокотемпературных кристаллов.

4. Вследствие негигроскопичности и пластичности галогенидсеребряных кристаллов, оптические изделия из них получают экспрессным методом горячего прессования – линзы, окна, пленки, световоды, по сравнению с длительным и дорогим методом оптико-механической обработки известных терагеровых кристаллов. Кроме того, метод требует высококвалифицированных обработчиков.

Таким образом, сочетание пластичных, нетоксичных, негигроскопичных и оптически прозрачных в широком спектральном диапазоне новых ТГц кристаллов с высокой технологичностью их получения, является неоспоримым преимуществом перед известными ТГц кристаллами.

Сущность изобретения состоит в том, что созданные новые ТГц кристаллы широкого концентрационного состава на основе системы AgCl – AgBr, которая характеризуются образованием непрерывного ряда однофазных твердых растворов при их кристаллизации. Кристаллы обладают высокой оптической прозрачностью до 62 – 64 % не только в терагерцовом и миллиметровом диапазонах, но и в оптическом – от видимой до дальней (до 78 %) ИК-области спектра. Они нетоксичны, негигроскопичны, пластичны, что позволяет изготавливать из них методом горячего прессования (см. примеры) с высокой оптической точностью плоскопараллельные пластины (окна), линзы, световоды, пленки, оптические гетерофазные структуры. Метод является экспресным, простым и дешевым по сравнению с оптико-механической обработкой, которая обычно применяется в оптике.

Синтез высокочистого сырья и выращивание галогенидсеребрянных кристаллов методом Бриджмена-Стокбаргера достигается специальными технологиями с применением нестандартного оборудования. Разработанные терагерцовые кристаллы и оптика на их основе являются нетоксичными и хорошо стерилизуются, поэтому могут широко использоваться в медицине, фармацевтике и других областях.

Пример 1.

В контейнере из стекла «пирекс» получили высокочистое сырье в виде однофазных твердых растворов состава в мас. %:

хлорид серебра – 10,0;

бромид серебра – 90,0.

В ампуле из стекла «пирекс» вырастили методом Бриджмена-Стокбаргера кристалл, температура плавления которого 415 ^оС.

Из кристаллов изготовили методом горячего прессования оптические плоскопараллельные пластины с высокой точностью, толщиной 1 – 2 мм, которые прозрачны до 64 % в диапазоне от 0,05 до 3,0 ТГц, что соответствует длинам волн 6000,0 – 1000,0 мкм; в диапазоне от 0,35 до 0,9 ТГц (850,0 – 350,0 мкм), прозрачность – 50 %; в диапазоне от 10,0 до 8,5 ТГц (30,0 – 35,0 мкм) – прозрачность составляет 78 %. В видимом и ближнем ИК диапазонах от 0,4 до 2,0 мкм, прозрачность составляет от 65 до 68 %; в среднем и дальнем ИК диапазонах от 2,0 до 35,0 мкм прозрачность составляет 78 %. Спектры ТГц пропускания сняты на спектрометре СТД-21, в качестве источника ТГц излучения используется лампа обратной волны (ЛОВ). В качестве детектора применяли ячейку Голея фирмы Tidex. В видимом и инфракрасном диапазонах спектры сняты на спектрофотометре Shimadzu UV-1800 в диапазоне от 190,0 до 1100,0 нм и на ИК-Фурье спектрометре IR-Prestige-21, Shimadzu (1,28 – 41,7 мкм).

Пример 2.

Из высокочистого сырья вырастили кристалл состава в мас. %:

хлорид серебра – 90,0;

бромид серебра – 10,0,

Т_пл которого 440 ^оС.

Методом горячего прессования изготовили из кристалла с оптической точностью плоскопараллельные пластины толщиной 1 – 2 мм и с помощью спектрометра СТД-21 определили ТГц и миллиметровый диапазоны прозрачности кристаллов: от 0,05 до 3,0 ТГц прозрачность составляет 62 %, от 0,35 до 0,9 ТГц, прозрачность 30 %; от 10,0 до 8,5 ТГц, прозрачность 76 %. Измерения проводили как в примере 1.

Кристаллы также имеют стабильное однородное пропускание в спектральном диапазоне от 0,4 до 35,0 мкм с прозрачностью от 65 % до 76 %.

Пример 3.

Вырастили кристалл по методу Бриджмена-Стокбаргера как в примере 1, температура плавления которого 425 ^оС, состав в мас. %:

хлорид серебра – 50,0;

бромид серебра – 50,0.

Измерения пропускания проводили аналогично примеру 1. Кристаллы пропускают от 0,05 до 3,0 ТГц с прозрачностью 63 %, от 0,35 до 0,9 ТГц с прозрачностью 45 %, и от 10,0 до 8,5 ТГц с прозрачностью 77 %. В спектральном диапазоне от 0,4 до 35,0 мкм прозрачность составляет 35 % – 77 %.

Отклонение от составов, указанных в формуле и примерах, приводит к ухудшению оптических свойств во всем спектральном диапазоне.

Технический результат позволяет получать новые терагерцовые кристаллы на основе однофазных твердых растворов оптимального состава системы AgCl – AgBr. Кристаллы пропускают в широкой спектральной области – от терагерцового до миллиметрового, инфракрасного и видимого диапазонов с высокой оптической прозрачностью.

Получение кристаллов и оптических изделий на их основе методом горячего прессования является технологичным процессом: безотходным, экологически чистым, ресурсо- и энергосберегающим, т. е. высокоэкономичным. Вследствие низкой энергии фотонов, терагерцовое излучение не вызывает повреждений при проникновении в органическую среду – организм человека, кожу, одежду, пластик, бумагу и т. д. В терагерцовом диапазоне прозрачны нетоксичные кристаллы системы AgCl – AgBr, которые могут найти широкое применение в медицине, например, при замене рентгеновского ионизирующего излучения, в биохимических исследованиях, в химическом контроле лекарств при их производстве и других областях.