Терагерцовый галогенидсеребряный световод системы AgClBr - Agl Российский патент 2023 года по МПК G02B6/00 

Изобретение относится к терагерцовым (ТГц) материалам, конкретно к терагерцовым галогенидсеребряным световодам для высокочастотного диапазона от 10 до 30 ТГц.

Терагерцовый диапазон пока не имеет стандартного определения. Часто его определяют, как область спектра от 0,1 до 30,0 ТГц [Г.З. Гареев, В.В. Лучинин, Применение терагерцового излучения для обеспечения жизнедеятельности человека. Междисциплинарная платформа «Биотехносфера» 2014, №6 (36), с. 71-79].

Диапазон от 10 до 30 ТГц (от 10 до 30 мкм) соответствует среднему от 10 до 20 мкм и дальнему от 20 до 30 мкм инфракрасному диапазону, где используются оптические технологии.

Известны нетоксичные и негигроскопичные галогенидсеребряные световоды на основе кристаллов твердых растворов различного состава системы AgCl-AgBr, предназначенные для медицинских технологий [Л.В. Жукова, А.С. Корсаков, А.Е. Львов, Д.Д. Салимгареев, Волоконные световоды для среднего инфракрасного диапазона: учебник. Екатеринбург: ООО "Издательство УМЦ УПИ", 2016. - 247 с.; Л.В. Жукова, А.С. Корсаков, А.А. Лашова, Моделирование структуры и изготовление фотонно-кристаллических световодов для среднего инфракрасного диапазона: учебник. - Екатеринбург : Издательство УМЦ УПИ, 2018. - 254 с.]. Но эти световоды светочувствительные, что ограничивает их применение.

Наиболее близким техническим решением является галогенидсеребряный световод, получаемый методом экструзии из монокристалла состава AgCl_0,25Br_0,75, что соответствует минимальной температуре плавления (412°С) на фазовой диаграмме системы AgCl - AgBr. Этот состав соответствует конгруэнтно плавящимся твердой и жидкой фазам, поэтому вырастают совершенной структуры, то есть однородные по высоте и диаметру, кристаллы твердых растворов [Л. В. Жукова, Н. В. Примеров, А. С. Корсаков, А. И. Чазов, Кристаллы для ИК техники AgCl_xBr_1-x, AgCl_xBr_yI_1-x-y и световоды на их основе, Неорганические материалы, 2008, Т. 44, №12, с. 1516-1521]. Но эти ИК световоды неустойчивые к фото- и радиационным излучениям и разрушаются под действием мощного лазерного излучения. Кроме того, они предназначены для работы в среднем ИК диапазоне и пропускают инфракрасное излучение до 15-17 мкм. Для создания нового терагерцового оборудования необходимы световоды, прозрачные и в дальнем ИК диапазоне (до 27 мкм и более).

Существует проблема по созданию фото- и радиационно устойчивых, нетоксичных и негигроскопичных, гибких галогенидсеребряных световодов, прозрачных в высокочастотном терагерцовом диапазоне от 10 до 30 ТГц (от 30 до 10 мкм), что соответствует среднему и дальнему инфракрасным диапазонам, с низкими оптическими потерями до 0,3 дБ/м, предназначенных для медицинских, лазерных технологий и ТГц оборудования нового поколения.

Решение проблемы достигается за счет того, что разработан терагерцовый галогенидсеребряный световод системы AgCl_0,25Br_0,75 - AgI, включающий твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75, отличающийся тем, что он дополнительно содержит йодид серебра при следующем соотношении компонентов в мол. %:

AgCl_0,25Br_0,75 98,0-84,0 йодид серебра 2,0-16,0.

Сущность изобретения состоит в том, что разработаны фото- и радиационно стойкие галогенидсеребряный световоды, получаемые методом экструзии из высокочистых монокристаллов оптимального состава (см. примеры) на основе новой изученной нами системы AgCl_0,25Br_0,75 - AgI по сравнению с фоточувствительными световодами системы AgCl - AgBr (прототип). устойчивость к ультрафиолетовому и радиационному излучениям достигается за счет наличия йодида серебра в составе световодов, что также обеспечивает высокую прозрачность до 77% и расширяет диапазон пропускания от средней (10-20 мкм) до дальней (20-27 мкм) инфракрасной области (Фиг. 1), по сравнению с прототипом (до 15-17 мкм). Эти диапазоны соответствуют высокочастотной терагерцовой области (10-30 ТГц). Световоды обладают уникальными свойствами - наряду с фотостойкостью при облучении ультрафиолетовым и видимым светом в диапазоне длин волн от 260 до 500 нм и при β-облучении дозой до 400 кГр, они являются нетоксичными, негигроскопичными, высокопластичными, что открывает широкое применение в медицине (нетоксичность), лазерных технологиях и разработке нового поколения терагерцовых приборов (см. технический результат).

Пример 1.

Из высокочистого сырья вырастили монокристалл методом Бриджмена составом в мол. %:

AgCl_0,25Br_0,75 98,0; йодид серебра 2,0.

Изготовили заготовку диаметром 14 мм. Методом экструзии выполнили перетяжку до диаметра 8 мм 9величина зерна 300-400 нм). Затем методом экструзии изготовили световод диаметром 525 мкм. По методу сканирующей электронной микроскопии определен размер зерна в поликристаллической структуре световода. Средний размер зерна составил 40-80 нм (Фиг. 2).

Спектры пропускания световода снимали на ИК Фурье спектрометре IR Prestige-21, Shimadzu (1,28-41,7 мкм) с тестовым волокном (фиг. 1). Световоды пропускают без окон поглощения в оптическом диапазоне от 2,5 до 25,0 мкм с высокой прозрачностью до 77%, то есть в ТГц диапазоне от 12 до 30 ТГц (25-10 мкм).

Оптические потери составили 0,23 дБ/м в терагерцовых световодах на длине волны 10,6 мкм. Они определены по методу отрезков при снятии спектров пропускания в режиме фона на разных длинах волн [S. Israeli, A. Katzir, Attenuation, absorption, and scattering in silver halide crystals and fibers in the mid infrared, J. App. Phys. 115 (2014) 023104]. Световоды устойчивы к ультрафиолетовому и видимому облучению длиной волны 260-500 нм. Исследование устойчивости световодов к β-облучению с поэтапным набором дозы до 100 кГр и более проводили на линейном ускорителе электронов модели УЭЛР-10-10С.

Пример 2.

Эксперименты и исследования функциональных свойств проводили, как в примере 1. Изготовили монокристаллическую заготовку из монокристалла, выращенного по методу Бриджмена, состава в мол. %:

AgCl_0,25Br_0,75 84,0; йодид серебра 16,0.

Аналогично примеру 1 изготовили световод диаметром 525 мкм с величиной зерна 40-90 нм. Диапазон пропускания световода охватывает область от 4,0 до 27,0 мкм с высокой прозрачностью до 74%, то есть волокна пропускают в терагерцовой области от 11 до 30 ТГц (27-10 мкм). Оптические потери составили 0,27 дБ/м в диапазоне длин волн от 10 до 15 мкм. Терагерцовый световод устойчив к ультрафиолетовому и видимому облучению на длине волны 260-500 мкм, а также к β-облучению дозами до 400 кГр.

Пример 3.

Как в примере 1, изготовили монокристаллическую заготовку из монокристалла состава в мол.%:

AgCl_0,25Br_0,75 90,0; йодид серебра 10,0.

Изготовили световод диаметром 525 мкм с величиной зерна 40-90 нм. Диапазон пропускания световода охватывает область от 3,0 до 26,0 мкм с высокой прозрачностью до 75%, то есть волокна пропускают в терагерцовой области от 12 до 30 ТГц (соответствует длинам волн 26-10 мкм). Оптические потери составили 0,26 дБ/м в диапазоне длин волн от 10 до 14 мкм. Терагерцовый световод устойчив к ультрафиолетовому и видимому облучению на длине волны 260-500 мкм, а также к β-облучению дозами до 300 кГр.

Оптимальные составы терагерцовых световодов установлены на основании изученной нами новой фазовой диаграммы системы AgCl_0,25Br_0,75 - AgI, в которой определены гомогенные области твердых растворов для выращивания монокристаллов, из которых изготавливают методом экструзии световоды. При получении световодов состава менее 2 мол. % AgI в твердом растворе AgCl_0,25Br_0,75 резко снижается фото- и радиационная устойчивость, а при увеличении более 16 мол. % AgI в AgCl_0,25Br_0,75 световоды со временем разрушаются.

Технический результат

Разработаны новые нетоксичные, негигроскопичные, фото- и радиационно стойкие гибкие галогенидсеребряные световоды на основе твердых растворов системы AgCl_0,25Br_0,75 - AgI для терагерцового (10-30 ТГц) и инфракрасного (30-10 мкм) диапазонов, так как в данных спектральных областях находятся молекулярные отпечатки множества органических веществ, а также прозрачность органических тканей для неионизирующего частотного ТГц излучения. Галогенидсеребряные световоды хорошо стерилизуются, что обеспечивает их применение в медицинских технологиях для ранней диагностики и лечения атеросклероза, меланомы, раковых заболеваний. Фото- и радиационная устойчивость новых световодов обеспечивает создание систем ТГц видения, заменяющих компьютерную и магниторезонансную томографию, рентгеновские системы, включая устройства обнаружения наркотических, взрывчатых веществ и колюще-режущих предметов.

Изобретение относится к терагерцовым (ТГц) материалам, конкретно к терагерцовым галогенидсеребряным световодам для высокочастотного диапазона от 10 до 30 ТГц, предназначенным для медицинских, лазерных технологий и ТГц оборудования нового поколения. Согласно изобретению предложен терагерцовый галогенидсеребряный световод системы AgCl_0,25Br_0,75 - AgI, включающий твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75 и дополнительно содержащий йодид серебра при следующем соотношении компонентов в мол.%: AgCl_0,25Br_0,75 98,0-84,0; AgI 2,0-16,0. Изобретение решает проблему по созданию фото- и радиационно устойчивых, нетоксичных и негигроскопичных, гибких галогенидсеребряных световодов, прозрачных в высокочастотном терагерцовом диапазоне от 10 до 30 ТГц и инфракрасном диапазоне от 30 до 10 мкм с низкими оптическими потерями до 0,3 дБ/м. 2 ил., 3 пр.

Терагерцовый галогенидсеребряный световод системы AgCl_0,25Br_0,75 – AgI, включающий твердый раствор AgCl_0,25Br_0,75, отличающийся тем, что он дополнительно содержит йодид серебра при следующем соотношении компонентов в мол.%:

AgCl_0,25Br_0,75 98,0-84,0 йодид серебра 2,0 - 16,0