Введение к работе
Актуальность работы.
Исторически исследование физико-химических процессов заключалось в измерении какого-либо параметра этих процессов и вариации этих измерений за счет изменения условий проведения эксперимента. Развитие эксперимента показало ограниченность данного подхода и активного внедрения многоканальных измерений, которые кроме простого уменьшения времени измерения позволили осуществлять в ряде случаев синхронные измерения, качественно изменившие информативность последних получаемых данных.
Логическим развитием многоканальных измерений является переход от измерения небольшой совокупности параметров к синхронному измерению многомерных массивов данных. Такие массивы часто называют сигнатурой объекта исследования, подчеркивая неповторимость данного массива данных и его соответствия состоянию исследуемого объекта подобно отпечаткам пальцев, специфичных для конкретного человека.
Применении сигнатурного подхода для исследования физико-химических процессов не является простым, поскольку требует, во-первых, приборной реализации для получения таких сигнатур, а во-вторых, развития методов их обработки.
Настоящая работа во многом посвящена созданию приборов - гиперспектрометров и монофотонных датчиков, реализующих идею сигнатурного подхода.
Актуальной является приложение сигнатурного подхода к изучению химической кинетики процессов взрыва и горения. Это быстротекущие процессы, определяемые не только пространственными распределенными характеристиками, но и динамикой химического состава, проявлением которой является сложная зависимость спектра излучения объекта от времени. Актуально создание методики и аппаратуры такого синхронного измерения с разрешением, позволяющим наблюдать все фазы процесса.
Также актуальным является применение сигнатурного подхода в методе молекулярных зондов, представляющих интерес для задач катализа и механо-химии. Такой подход позволяет на порядки ускорить проведение измерений по всему интересующему спектральному диапазону, для всей поверхности исследуемого образца и позволяет проводить корреляционные измерения.
Созданный под системным руководством автора новый класс приборов -монофотонные датчики (датчики УФ-С диапазона) с пространственным и временным разрешением является чрезвычайно актуальным, так как могут использоваться в условиях солнечной засветки для регистрации коронных разрядов на линиях электропередач, регистрировать на большом расстоянии бесцветные пламена и обеспечивать пожаробезопасность промышленных зон.
Согласно часто встречающейся в литературе точке зрения (например у Frederick G. Smith) УФ-С излучение не проходит в атмосфере. Это справедливо для длин волн короче 250 нм, но, согласно проведенным еще 40 лет назад исследованиям в районе Эльбруса Родионова С.Ф., интервал между 250 и 280 нм имеет достаточное для практического применения прохождение. Учитывая неоднозначность литературных данных по прозрачности атмосферы в УФ-С области и обоснования возможности применения УФ-С сигнатурного анализа актуально проведение прямых экспериментальных измерений пропускания УФ-С излучения в атмосфере в различных условиях.
Цель работы.
Разработать методику сигнатурного подхода к исследованиям поверхностного состояния полупроводников методом молекулярных зондов.
Создать экспериментальную установку, реализующую методику сигнатурного анализа на основе совместных измерений гиперспектральной аппаратурой и монофотонным датчиком слабых сигналов.
Провести исследования полимерных пленок и поверхностных состояний полупроводников, подвергшихся неразрушающему лазерному воздействию, методом молекулярных зондов с сигнатурным анализом.
Доработать экспериментальную установку по исследованию физико-химической кинетики при сжигании сверхбогатых смесей углеводородов с кислородом в лабораторных условиях путем внедрения сигнатурного анализа кинетики процесса.
Провести экспериментальные исследования горения сверхбогатых смесей углеводородов с кислородом.
Разработать методику и выбрать системные решения при построении нового поколения монофотонной аппаратуры УФ-С диапазона для сигнатурного дистанционного анализа слабых пространственно распределенных нестационарных сигналов.
Создать прототип монофотонного ультрафиолетового датчика для сигнатурного анализа.
Провести сигнатурный анализ нестационарных УФ-С излучений при горении и других высокотемпературных процессах.
Провести исследования прохождения УФ-С излучения в атмосфере.
Научная новизна работы.
В работе выполнены следующие оригинальные методические и научно-технические разработки:
Впервые создан лабораторный прототип гиперспектрометра с сенсором в виде монофотонного время-координато-чувствительного датчика (ВКЧД).
Разработано новое оригинальное построение регистрирующей монофотонной аппаратуры, реализованное в виде аппаратуры УФ-С излучения.
Впервые предложена модификация установки для исследования горения сверхбогатых смесей углеводородов с кислородом путем внедрения сигнатурной оптико-электронной диагностики. Был изготовлен лабораторный гиперспектрометр.
Впервые на основе разработанного гиперспектрометра предложен новый сигнатурный вариант метода молекулярного зонда и создан лабораторный стенд, демонстрирующий возможности разработанного метода.
Впервые методом сигнатурного гиперспектрального анализа проведено исследование полимерных пленок и поверхностных состояний полупроводников, подвергнутых неразрушающему воздействию лазерного облучения.
Впервые проведены сигнатурные измерения в реальном времени кинетики горения сверхбогатых смесей углеводородов с кислородом и получены результаты в виде визуализации химической кинетики взрыва.
Впервые проведены дистанционные измерения УФ-С сигнатур различных, в том числе нестационарных высокочастотных излучений объектов и исследованы процессы прохождения УФ-С излучения в атмосфере. Вопреки встречающейся в литературе точке зрения об отсутствии прохождения в атмосфере УФ-С излучения, экспериментально показано прохождение даже в сплошном тумане.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика построения аппаратуры сигнатурного анализа физико-химических процессов, включающая монофотонные сенсоры нового поколения и гиперспектральные комплексы с монофотонными сенсорами.
Методика построения сигнатурной версии метода молекулярных зондов при изучении свойств полимерных пленок и поверхности полупроводников, результаты экспериментальных исследований свойств полимерных пленок и поверхностных состояний германия и кремния, подвергнутых лазерному воздействию.
Методика сигнатурной диагностики изучения кинетики горения сверхбогатых смесей углеводородов с кислородом на основе гиперспек-
тральных измерений и результаты экспериментальных исследований кинетики горения и их интерпретация.
Методика дистанционного исследования сигнатур процессов горения и других высокотемпературных процессов в УФ области спектра и результаты лабораторных и натурных испытаний (сигнатуры горения пламен, сигнатуры разрядов, УФ-С сигнатуры промышленных районов и исследования прохождения УФ-С диапазона в атмосфере в различных условиях, включая туман и осадки).
Лабораторный прототип гиперспектрометра с сенсором в виде монофотонного ВКЧД.
Новое оригинальное построение регистрирующей монофотонной аппаратуры, реализованное в виде аппаратуры УФ-С.
Модификация установки для исследования горения сверхбогатых смесей углеводородов с кислородом путем использования сигнатурной оптико-электронной диагностики на основе лабораторного гиперспектрометра.
Достоверность результатов подтверждается следующим:
Результатами экспериментальных лабораторных исследований, в ходе которых измерены основные параметры разработанных приборов сигнатурного анализа.
Результатами лабораторных исследований полимерных пленок и поверхностных состояний полупроводников методом молекулярных зондов. Корреляция данных для различных типов образцов (Ge и Si) свидетельствует о справедливости получаемых результатов.
Результатами натурных испытаний УФ-С сигнатур и полевых исследований по пропусканию атмосферы в УФ-С области спектра.
Научная и практическая ценность работы.
В результате выполнения работы созданы не имеющие мировых аналогов приборы сигнатурного анализа (новое поколение монофотонных сенсоров, гиперспектрометры, в том числе, интегрированные с монофотонным фотоприемником).
Разработанные методики сигнатурного анализа применены для исследования полимерных пленок и поверхности полупроводников на основе нового подхода - сигнатурного варианта метода молекулярных зондов. В результате исследований диагностики неразрушающего воздействия лазерного излучения на поверхность полупроводников показана возможность обнаружения макроскопической области микропластических изменений в приповерхностном слое. Полученные результаты подтверждают информативность метода люминесцентных молекулярных зондов при исследованиях полимерных пленок и дают новую информацию о структурных перестроек в полимерных пленках.
Сигнатурный подход на порядки увеличил скорость проведения измерений.
Разработанные методики применения сигнатурного анализа при проведении экспериментов сжигания сверхбогатых смесей углеводородов с кислородом позволяют обеспечить кинетическую обработку химических процессов горения. Научное значение результатов заключается в возможности анализа процессов химической кинетики горения с пространственным и временным разрешением. Практическое значение состоит в том, что в результате взрыва происходит преобразование метановой смеси в продукты потребления химической промышленности (водород и СО) и выделяется мелкодисперсная сажа, содержащая нанотрубки (согласно работам Трошина К.Я.), что доказывает - созданный сигнатурный метод диагностики может также служить для контроля технологического процесса получения данных продуктов в промышленном масштабе.
Разработанный сигнатурный подход для дистанционного анализа источников слабого УФ-С излучения имеет не имеющие аналогов свойства - воз-
можность не только пространственного и амплитудного, но и временного анализа. Пример, где применение такого подхода приводит к новым практическим результатам - дистанционная регистрация коронных разрядов, в которых частоты могут достигать сотен Мгц. При дистанционной регистрации горения невидимых или скрытых солнечным фоном пламен разработанный метод УФ-С диагностики обеспечивает качественно новый уровень чувствительности и динамического диапазона. Также проведены исследования прохождения солнечно слепого УФ-С диапазона излучения и получены новые результаты, подтверждающие эффективность прохождения в приземной атмосфере в разных условиях. Данные исследования создают новое направление анализа окружающей среды - сигнатурный УФ-С анализ.
Научное значение разработки данной технологии состоит в возможности ее применения для исследования элементарных физико-химических процессов.
Практическое применение разработки данной технологии и создания новых приборов - в возможности диагностики линий электропередач, энергонасыщенных производств, для создания систем пожаробезопасности промышленных территорий, для поиска пожаров в лесах, для контроля высокоэнергетич-ных процессов горения и взрывов, контроля экологии промышленных зон и выявления экологически неблагоприятных точек и т.п.
Работы по созданию нового поколения монофотонных УФ-С датчиков, использующих современную элементную базу и основанных на достижениях направленного выращивания новых оптических кристаллов, проводились в рамках ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы", приоритетное направление Роснауки «Осуществление комплексных проектов, в том числе разработка конкурентоспособных технологий, предназначенных для последующей коммерциализации в области индустрии наносистем и материалов». В рамках еще одного приоритетного направления Роснауки "Осуществление комплексных проектов, в том числе разработка конкурентоспособных технологий, предназначенных для последующей коммерциализации в области рацио-
нального природопользования", проводились работы по гиперспектральной съемке растений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Третьей научно-практической конференции "Современные проблемы фотограмметрии и дистанционного зондирования посвященной 150-летию фотограмметрии", Москва, 11-12 апреля 2002 г.;
Выездном семинаре ИКИ РАН " Современные и перспективные разработки и технологии в космическом приборостроении ", Таруса, 25-27 марта 2003 г.;
Выездном семинаре "Космическое приборостроение ИКИ РАН", Таруса, 7-9 июня 2006 г.;
На XVII международной конференции "Современная химическая физика", Туапсе, 2005 г.;
На XVIII международной конференции "Современная химическая физика", 22 сентября - 3 октября Туапсе, 2006 г.;
На XIX международной конференции "Современная химическая физика", Туапсе, 2007 г.;
На XX международной конференции "Современная химическая физика",
16 сентября - 26 сентября Туапсе, 2008 г.;
На 4-й всероссийской открытой конференции «Современные проблемы
дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 13-
17 ноября 2006 г.;
На 5-й юбилейной открытой всероссийской конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" Москва, ИКИ РАН, 12-16 ноября 2007 г.
Конференции International Conference «Imaging», 2006 г., Стокгольм.
Выставке в рамках XI Петербургского Международного Экономического Форума, 2007 г.
Выставке в рамках XII Петербургского Международного Экономического Форума, 2008 г.
Публикация материалов диссертации.
По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, включая 7 статей, 11 тезисов докладов, 12 препринтов и 1 патент. В настоящее время к печати принята еще одна статья автора. Результаты работы представлялись на конференциях. Помимо этого результаты работы докладывались на семинарах в ИКИ РАН, ИПМех РАН, ИХФ РАН.
Личный вклад автора. Все работы, в которых опубликованы результаты диссертации, написаны в соавторстве с коллегами. Все оригинальные результаты, приведенные в диссертации и вынесенные на защиту, получены лично автором, либо при его определяющем участии.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Она изложена на 158 страницах и содержит 7 таблиц, 93 рисунка и список литературы из 122 наименований.
