Введение к работе
Актуальность проблемы. Неупорядоченное состояние - наиболее распространенная форма существования органических и неорганических систем. Свойства твердых тел и особенности их структуры (дефектность, неоднородность, неупорядоченность и т.д.) обеспечиваются свойствами исходного расплава и физическими условиями перехода его в твердое состояние. В процессе структурных превращений (конформационных и конфигурационных), происходящих при изменении температуры (вязкости) или состава формируются структурные особенности жидкой фазы, которые фиксируются в диапазоне затвердевания и характеризуют образовавшуюся твердую фазу. Твердые некристаллические материалы являются основой современного точного приборостроения и широко применяются в космической технике, линиях связи, особенно волоконно-оптических значение которых возрастает ввиду увеличивающегося дефицита цветных металлов.
Стеклянные волоконные световоды (СВС) предъявляют определенные требования к материалу, из которого они приготовлены. Эти материалы должны обладать низкими оптическими потерями в рабочем диапазоне частот , быть радиационно и химически стойкими, механически прочными и долговечными. Комплексу этих требований наиболее полно удовлетворяет стеклообразный диоксид кремния sio2 . являющийся не только простым неорганическим соединением - классическим примером широкозонного неупорядоченного диэлектрика, но и промышленно рентабельным сырьем. В то время, как физические свойства кристаллических модификаций SiO„ достаточно полно описываются электронной теорией твердого тела в рамках представлений об энергетических зонах, стеклообразное состояние не имеет адекватного теоретического описания. Важным шагом в понимании свойств разупорядоченного вещества является изучение таких модельных систем, использование которых полезно для понимания электронно-оптических свойств неупорядоченного состояния. Особый интерес представляет связь между пространственной структурой неупорядоченного вещества и распределением собственных значений энергии, определением плотности электронных состояний в запрещенной зоне и ее формы вблизи краев зон,
4 роль ближнего порядка в формировании зон, структурные особенности, связанные с собственными дефектами вещества.
Матрица неупорядоченной структуры является, по-видимому', носителем основополагающих электронно-оптических свойств реальной системы с учетом ее чистоты или наличия в ней легирующих примесей. В этом аспекте широко изучены свойства аморфных легированных полупроводников, а широкозонные диэлектрики особенно особо чистые, до сих пор остаются сложным объектом, не укладывающимся полностью в рамки общепринятых модельных представлений, и рассматриваются обычно как частный случай тех или иных теорий, В такой ситуации любая новая информация об электронно-оптических свойствах этих систем становится особо ценной, тем более, если возникает возможность ее прямого прикладного применения.
Широкополосная структурная люминесценция (ШСЛ), изучаемая нами с 1973 г., является достаточно универсальным, уникальным явлением, свойства которого отражают состояние самой неупорядоченной структуры с учетом степени ее чистоты. Именно по этой причине существует реальная возможность создания на основе ШСЛ спектроскопического метода для тестирования разупорядоченных систем, открывающая значительные перспективы как в научном, так и в прикладном плане. Пополнение знаний об электронно-оптических свойствах широкозонных диэлектриков несомненно дает возможность более глубокого понимания природы аморфного состояния и определяет научную актуальность работы.
Работа выполнялась в непосредственной связи с планами НИР Отдела теплофизики АН РУз и в соответствии с координационными планами:
ГКНТ СССР по общесоюзной НТП 011.04 "Альтернативные и синтетические топлива" (постановление № 535 от 31.12.85 г., прил.31);
Государственной общеакадемической программе фундаментальных исследований: "12. Коренное повышение эффективности энергетических систем".
Основная цель настоящей работы - выявление спектроскопических возможностей ШСЛ для тестирования неупорядоченных систем и создание рабочей модели, на основе которой можно было бы разработать принципы спектроскопического метода ШСЛ. Для достижения этой цели было необходимо:
I. Экспериментально исследовать особенности спектральных свойств ШСЛ в твердых и жидких неупорядоченных системах:
выявить поведение интенсивности ШСЛ в твердых телах с элементами беспорядка,
установить характер влияния энергии возбуждения на низко- и высокоэнергетичную части спектра ШСЛ,
изучить зависимость спентральных свойств ШСЛ от структурных особенностей жидкого состояния, включая температурный и вязкостный факторы.
П. Экспериментально исследовать воздействие внешних факторов на спектральные свойства ШСЛ:
изучить влияние предыстории изготовления образца, а тленно, технологических параметров и концентрации легирующих добавок на спектральные свойства ШСЛ в СВС,
исследовать воздействие гамма-радиации в широком диапазоне доз облучения на свойства ШСЛ в СВС,
установить характер влияния величины и длительности воздействия одноосной растягивающей нагрузки на спектральные свойства ШСЛ в СВС,
исследовать процесс диффузии водорода в сердцевину СВС на примере модели подводного волоконно-оптического кабеля и влияние его на спектральные свойства ШСЛ.
Ш. Провести теоретический анализ и создать универсальную трактовку основных спектральных свойств ШСЛ:
оценить коэффициент преобразования оптической энергии активации ШСЛ в СВС,
построить модель радиационного тушения ШСЛ в СВС и установить степень совпадения расчетной кривой с экспериментом,
выявить спектроскопические возможности ШСЛ для тестирования структурных особенностей неупорядоченных систем.
Научная новизна. В работе впервые получены экспериментальные и теоретические данные по созданию базы спектроскопического метода ШСЛ неупорядоченных систем:
- установлен экспоненциальный характер низкоэнергетичного
распределения интенсивности ШСЛ и экспоненциальный характер
влияния энергии возбуждения на интенсивность ее максимума,
- обнаружен эффект резкого изменения интенсивности
ШСЛ в области фазовых и конформационных переходов в
жидких системах,
установлено влияние предыстории изготовления образца, а именно, технологических параметров и концентрации легирующих добавок в сердцевине СВС на свойства ШСЛ и возможность оптимизации технологии СВС,с помощью спектроскопического метода ШСЛ,
выявлена возможность прогнозирования радиационно-оптической устойчивости СВС по характеру установленных доэ-ных зависимостей ШСЛ в широком диапазоне доз гамма-облучения,
обнаружен эффект радиационного тушения ШСЛ в СВС с сердцевиной из чистого кварцевого стекла с низким содержанием гидроксила и суперлинейного роста интенсивности ШСЛ в СВС с сердцевиной из чистого кварцевого стекла с высоким содержанием гидроксила в области высоких доз облучения (10 - 10 рад),
установлен характер влияния величины и времени воздействия одноосной растягивающей нагрузки на свойства ШСЛ в СВС,
предложена оптимальная рабочая модель, в рамках которой получены оценки основных спектральных параметров ШСЛ, связь ее интенсивности с плотностью локализованных электронных состояний в запрещенной зоне диэлектрика и расчитана кривая радиационного тушения.'
Обобщение полученных результатов, анализ приведенных основных выводов, совпадение расчитанных на основе рабочей модели параметров с экспериментальными данными с удовлетворительной точностью,свидетельствуют о создании базы спектроскопического метода широкополосной структурной люминесценции, формирующей продуктивное научное направление, возмо-
жности которого могут позволить оптимизировать технологию и прогнозировать радиационно-олтическую стойкость волоконных световодов, тестировать области фазовых и конформационных переходов в жидких системах, динамические неоднородности сложных растворов, спектр локализованных электронных состояний в запрещенной зоне неупорядоченных веществ.
Практическая ценность работы. Заложенная в работе основа для создания спектроскопического метода ШСЛ неупорядоченных сред дает возможность получать новую дополнительную информацию об электронно-оптических свойствах широкозонных диэлектриков, судить о структуре краев зон и протекании электронных процессов в них, что может внести определеннный вклад в создание теории неупорядоченных систем.
Установленные в работе характерные зависимости интенсивности ШСЛ от технологических параметров СВС и дозы гамма-облучения уже сейчас позволяют на практике использовать принципы спектроскопического метода ШСЛ для оптимизации технологического процесса с целью получения улучшенных образцов оптических волокон с повышенной радиационной стойкостью. Кроме того, существует возможность прогнозирования радиационно-оптической устойчивости СВС по характеру доз-ных зависимостей интенсивности ШСЛ. Простота применения метода и возможность неразрушающего контроля качества СВС дают спектроскопическому методу ШСЛ определенные преимущества перед другими методами.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Экспериментально установленный экспоненциальный характер ниэноэнергетичного распределения интенсивности ШСЛ и экспоненциальный характер влияния энергии возбуждения на интенсивность ее максимума,
-
Влияние температурного фактора и динамической вязкости на спектральные свойства ШСЛ. Характер поведения интенсивности ШСЛ в области фазовых и конформационных переходов в жидких системах.
-
Влияние предыстории изготовления обра'зца, а именно технологических параметров вытягивания СВС и концентрации
8 легирующих добавок в их сердцевине на спектральные свойства ШСЛ. Возможность оптимизации технологии СВС на основе спектроскопического метода ШСЛ.
4. Экспериментально обнаруженный характер дозных зависимостей в широком диапазоне доз гамма-облучения (50 - 10 рад) Возможность прогнозирования радиационно-оптической стойкости СВС на основе спектроскопического метода ШСЛ.
Б. Эффекты радиационного тушения и суперлинейного роста интенсивности ШСЛ в СВС с сердцевиной из чистогр кварцевого стекла с низким и высоким содержанием гидроксила соответственно.
-
Характер пассивационного тушения интенсивности ШСЛ в процессе непрерывной гидрогенизации СВС с сердцевиной из чистого кварцевого стекла с низким содержанием гидроксила.
-
Создание рабочей модели с привлечением теории "хвостов" плотности электронных состояний в запрещенной зоне неупорядоченного вещества для трактовки спектральных свойств ШСЛ, позволяющей заложить основы спектроскопического метода ШСЛ неупорядоченных систем.
-
Оценка коэффициента преобразования оптической энергии
' активации ШСЛ и расчет кривой радиационного тушения интенсивности ШСЛ на основе предложенной модели.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, в котором сформулированы постановка задачи, актуальность, научная новизна и практическая значимость работы; шести глав, содержащих: аналитический обзор литературы; описание экспериментальных установок и характеристику образцов исследования; анализ существующих теоретических представлений об электронно-оптических свойствах неупорядоченных систем; экспериментальные результаты по исследованию особенностей спектральных свойств ШСЛ в жидких, твердых аморфных и кристаллических с элементами беспорядка веществах,а также в зависимости от энергии ' возбуждения, температурного и вязкостного факторов, предыстории изготовления образца, воздействия гамма-облучения, одноосного растягивающего нагружения, гидрогенизации; теоретичер-кую интерпретацию спектральных свойств ШСЛ, на основе кото-
9 рой проведены расчеты предэкспоненциальных коэффициентов спектральных зависимостей интенсивности максимума от энергии возбуждения и процесса радиационного тушения интенсивности ШСЛ. Основные результаты работы сформулированы в выводах к главам, в заключении приведены обобщенные выводы.
Диссертация изложена на 211 страницах, содержит 47 рисунков, 5 таблиц и 142 наименования цитированной литературы.
Апробация работа. Результаты диссертации обсуждены и опубликованы в материалах: УЇЇ Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Тбилиси, 1976 г.), УП Всесоюзной конференции по нерезонансным взаимодействиям оптического излучения с веществом (Ленинград, 1978 г.), П Всесопэном'симпозиуме по акустической спектроскопии (Ташкент, 1978 г.), ІУ Всесоюзном симпозиуме по оптическим и спектральным свойствам . стекол (Рига, 1982 г.), Республиканской школы по волоконной оптике "Технология и свойства волоконных световодов" (Ташкент, 1986 г.), I Всесоюзного семинара "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1989 г.), I и П Всесоюзных конференциях "Физические проблемы оптической связи" (Севастополь, 1990 и 1991 гг.). Кроме того, материалы диссертации докладывались на научных семинарах МГУ им.Ломоносова, ГОН им.Вавилова, ИЯФ АН РУз.ИОФ РАН, НИИ ФТТ Латвии, НИШ МГУ им.Ломоносова, Санкт-Петербургского Политехнического института, Отдела теплофизики АН РУз и др.
Публикации. Основное содержание работы изложено в 30 научных работах, опубликованных во всесоюзных, республиканских и зарубежных научных журналах , трудах международных и всесоюзных конференций. В автореферат включена 21 публикация.
Личное участие соискателя. . В диссертации приведены экспериментальные результаты, полученные лично автором за последние 10 лет. Автором определялись цели и*задачи исследований, осуществлялось обо!г,ение результатов. Некоторые эксперименты проводились в творческом сотрудничестве с коллегами по ОТФ АН РУз М.А.Касшджановнм, О.В.Трунилиной, Ю.В.Пахаруковкм, которым автор выражает искреннюю признательность.
